CC BY
20
ПРИМЕНА ДИНАМИЧКИХ СИМУЛАЦША У АНАЛИЗИ МЕРА ЗА УНАПРЕЪЕ^Е ЕНЕРГЕТСКЕ ЕФИКАСНОСТИ ОБJЕКАТА
Снежана М. Драгийевий
Универзитет у Крагу]евцу, Факултет техничких наука у Чачку
е-таИ: [email protected],
ОРО!Р iD: ©http://orcid.org/0000-0002-6244-0111
ро!: 10.5937/vojtehg64-8878
ОБЛАСТ: машинство, енергетска ефикасност ВРСТА ЧЛАНКА: оригинални научни чланак иЕЗИК ЧЛАНКА: српски
Сажетак:
Jедна од на]чешПе коришЯених метода за унапре^еъе енер-гетских карактеристика об}еката - зграда }есте смаъеъе по-трошъе енерги]е за гре]ак>е. У овом раду извршена }е компаративна анализа енергетских потреба зграде за гре]аъе простора, на основу студи}а случа]а у ко}има су вршене модификацц'е изолационих материала омотача зграде и врсте прозора. За анализу }е изабран }авни вишеспратни об}екат, ко]и се налази у Београду. За динамичке симулаци]е и анализе ефеката примене мера за унапре^еъе енергетске ефикасности об}екта на сма-к>ек>е потрошъе енерги]е за гре]аъе коришЯен }е програм йвз1д-пБиМвг. Резултати рада показу]у да се изолацирм зграде и за-меном прозора може остварити смаъеъе енергир за гре]аъе до 61% годишше.
К^учне речи: внергетска ефикасност, динамичке симулацир, Овв'дпБиИбвг, изолаци]а, замена прозора.
ЗАХВАЛНИЦА: Аутор се захва^у]е за финанси]ску подршку Министарству просвете, науке и технолошког разво]а Републике Срби]е. (Рад представка резултат про]екта „Унапре^е^е енергетских карактеристика и квалитета унутраш^ег простора у зграда-ма образовних установа у Срби]и са утица]ем на здравее", 11142008, Област: Енерге-тика и енергетска ефикасност, 2011-2015).
СТО
Увод
На глобалном нивоу око 40% од укупне потрош^е енерги]е представка топлотна енерги]а ко]а се троши у зградама. У Срби]и преко 60% укупне потрош^е финалне енерги]е користи се у зградама, што ]е више него у сектору индустри]е и транспорта. Поред тога, гра^евински сектор ]е у порасту, што Ье довести до повеЬа^а потро-ш^е енерги]е, поготово у стамбеним и комерци]алним зградама ко]е су на]веЬи кра^и потрошачи енерги]е за гре]а^е, освет^е^е, као и за потребе рада куЬних апарата и опреме (Eftimie, 2015).
Технички потенциал за побо^ша^е енергетске ефикасности у сектору домаЬинства, пословним и ]авним зградама ]е велики. Да би се обезбедила потребна количина енерги]е неопходно ]е применити све мере за унапре^е^е енергетске ефикасности зграда. Због тога се при изград^и или ревитализаци]и зграда мора]у задово^ити, осим архитектонских услова неопходних за изград^у, и услови ко]и омогуЬава]у остварива^е енергетски ефикасног об]екта.
Нискоенергетски об]екти су они чи]е су годиш^е потребе за гре-]а^е простора измену 40 и 60 kWh/m2. Главни ци^ нискоенергетских об]еката ]есте да се минимизира количина енерги]е ко]а се обезбе^у-]е из спо^аш^их извора енерги]е, а да се при том обезбеди потре-бан ниво топлотног комфора корисника об]екта, без обзира на годи-ш^е доба и спо^аш^е климатске параметре (Flodberg, et al., 2012). Нискоенергетске зграде на]чешЬе има]у веома добру изолаци]у и енергетски ефикасне прозоре, због чега ]е потребна енерги]а за гре-]а^е и хла^е^е мала, па су ови об]екти енергетски веома ефикасни.
За побо^ша^е енергетске ефикасности зграда мора се применити скуп метода и техника помоЬу ко]их се зграда разматра као об]екат за размену енерги]е са околином. Побо^ша^е енергетских карактери-стика зграде може бити постигнуто различитим методама, као што су:
- добра изолаци]а зидова и коришЬе^е прозора са високим сте-пеном термичке заштите, чиме се на нивоу зграде ствара]у пово^ни унутраш^и услови комфора;
- побо^ша^е енергетских перформанси система гре]а^а;
- побо^ша^е перформанси система за климатизаци]у и елек-тричних инсталаци]а.
У раду Ье бити анализирани неки од на]ефикасни]их метода за побо^ша^е енергетских карактеристика зграде. АнализираЬе се утица] метода ревитализаци]е зграде на гра^евинском нивоу и то употребом топлотне изолаци]е спо^аш^их зидова и прозора са ви-шесло]ним стаклом пу^еним гасом, како би се обезбедило одржава-^е топлоте у затвореном простору током зиме, али и спречили пре-комерни добици енерги]е у току лета.
Сма^е^е потрош^е енерги]е за rpeja^e и, у нови]е време, за хпа^е^е об]еката, директно сма^е и критична вршна оптерепе^а у електроенергетском систему зем^е. Истовремено, побо^ша^е енергетске ефикасности пружа велике могупности за сма^е^е еми-си]е гасова стаклене баште.
Ци^ рада ]есте да се коришпе^ем динамичких енергетских си-мулаци]а топлотног понаша^а зграде израчуна]у енергетске потребе за гре]а^е, уочава]упи разлике измену енергетских перформанси зграде у различитим вари]антним решетима. У том смислу изврши-пе се компаративна анализа енергетских потреба доби]ених кори-шпе^ем различитих врста изолационих материала спо^аш^их зи-дова и прозора. Наведене анализе извршипе се на изабраном ]ав-ном об]екту ко]и се налази на подруч]у града Београда.
Мере за унапре^е^е енергетске ефикасности об]еката
На]вепи губици енерги]е у зградама представ^а]у губици то-плотне енерги]е. На]бо^и начин за побо^ша^е енергетске ефикасности зграде, ко]им се оствару]е уштеда потрош^е енерги]е, ]есте изолаци]а целе зграде, као и крова и подрумског простора код ко]их се могу остварити велики губици топлотне енерги]е (Pe'rez-Lombard, et al., 2008). Да би се сманили губици топлотне енерги]е потребно ]е применити низ додатних мера ко]е узима]у у обзир следепе аспекте:
- топлотни омотач зграде треба да обезбеди потребан унутра-ш^и климатски комфор уз малу потрош^у енерги]е, без обзира на годиш^е доба;
- прозори треба да има]у на]ма^и могупи коефици]ент пролаза топлоте, да обезбеде максималне добитке енерги]е од сунца у зим-ском периоду и да их контролишу у летаем, како би се сма^иле потребе за енергирм за гре]а^е, ij. хла^е^е;
- кров треба да буде правилно изолован.
За анализу енергетског понаша^а зграда мора]у се имати пре-цизни подаци о свим конструктивним елементима об]екта, као и о матери]алима зидова, таваница, подова, прозора и кровне конструк-ци]е (Petrovic, Vasic, 2012).
На]чешпе коришпена метода ща се користи за енергетску ревита-лизаци]у зграде ]есте изолаци]а спо^аш^их зидова, т]. омотача зграде (Young, Altan, 2013). Деб^ина и квалитет омотача зграде има]у знача]ан утица] на количину топлотне енерги]е ко]а се губи кроз зидове. У случа]у неквалитетне изолаци]е наста]у додатни губици топлотне енерги]е током зиме, могупност настанка кондензаци]е на унутраш^им зидовима, као и прекомерна потрош^а енерги]е за хла^е^е у летаем периоду. На]че-
ciT:)
о
со
"о >
CD
О ГМ
of
ш
а.
Z)
о
о _|
< о
х о ш
н ^
а. <
н
(Л <
CD >о
X ш н о
О >
шЬе коришЬени изолациони матери]али су експандирани полистирен (EPS) и екструдирани полистирен (XPS).
Да би се извршио правилан избор врсте материала за спо^а-шну изолаци]у зидова потребно ]е познавати основне карактеристи-ке на]чешЬе коришЬених изолационих материала (Mishra, et al., 2012). Нека основна сво]ства експандираног полистирена су:
- може се успешно користити у зградама ко]е се налазе у под-руч]има са високим процентом влажности ваздуха;
- отпоран ]е на утица] влаге, г^ивица и бактери]а;
- има лоша противпожарна сво]ства и слабу отпорност на утица] високих температура;
- паропропусност материала, ако ]е монтиран на спо^ашно] страни зида, спречава стваране затворених делова ко]и омогуЬава]у разво] влаге измену плоча експандираног полистирена и зида;
- цена експандираног полистирена ни]е се знатно метала у последних неколико година, за разлику од многих других гра^евинских материала.
Основна сво]ства екструдираног полистирена су:
- омогуЬава настанак кондензаци]е, ]ер не дозво^ава пролаз паре, па влажност оста]е зароб^ена измену зида и изолационог материала;
- веома ]е поуздан и има високу отпорност на деструктивне ути-ца]е природе;
- пружа велики отпор пролазу топлоте при паду температуре;
- у поре^ену са експандираним полистиреном има веЬу отпорност на утица] хеми]ских супстанци, као што су киселине, базе, алко-холи и бо]е на бази алкохола, слану воду, цемент и асфалт;
- сунчева светлост може утицати на промену бо]е плоче екструдираног полисирена, али не утиче на термоизолационе карактери-стике изолаци]е.
Поред наведених, данас посто]е нови изолациони матери]али ко]и могу бити ефикасни]и и ]ефтини]и од поменутих, као што су изолациони матери]али изра^ени од полиуретана. Неке од основних ка-рактеристика полиуретанске топлотне изолаци]е су (Federation of European Rigid Polyurethane Foam Association, 2006):
- коефици]ент пролаза топлоте ]е око 0,020 W/mK у зависно-сти од густине материала и произво^ача;
отпорна ]е на де]ство хеми]ских супстанци;
не гори, отпорна ]е на ватру и не потпомаже сагореване;
- може се поставити без прекида, чиме се онемогуЬава наста]а-не топлотних мостова измену панела, на цело] површини об]екта, без обзира на негову величину и облик;
- има знатно бо^у звучну изолаци]у од експандираног полистирена;
- водоотпорна ]е за разлику од експандираног полистирена ко]и може да апсорбу]е воду ко]а може довести до одва]ана постав^еног изолационог материала.
Изолациони матер^али на бази полиуретана ретко се приме^у-jy за топлотну изолаци]у, па због тога неЬе бити разматрани у прика-заним динамичким симулаци]ама.
У процесу енергетске рехабилитаци]е зграде прозори предста-в^а]у важан сегмент, ]ер на]чешЬе заузима]у велику површину омо-тача зграде, што ]е чест случа] код пословних зграда. Данас су све више у употреби веома квалитетни прозори са троструким нискоеми-сионим стаклом, ко]и омогуЬава]у знатно сма^е^е трошкова за гре-]а^е простора (Apte, et al., 2003).
Побо^ша^е термичких карактеристика кровне конструкци]е ]е веома ефикасна мера за побо^ша^е енергетске ефикасности об]еката, ко-]а се може применити како код нових об]еката, тако и на посщеЬим згра-дама. Правилном изолацирм крова сма^эду се губици топлоте и омогу-Ьава се захтевани топлотни комфор унутар зграде. Уград^а додатног изолационог сло]а у кровну конструкци]у ]е ]едноставна за изво^е^е, не представка велику инвестици]у, а отплате се за веома кратак период.
Резултати динамичких симулац^а
За динамичку симулаци]у термичког понаша^а одабраног об]екта коришЬен ]е програм DesignBuilder (www.designbuilder.co.uk). беговом применом реализму се прорачуни топлотног оптереЬе^а об]екта и по-трош^е енерги]е за гре]а^е и хпа^е^е, щи се користи за одре^ива-^е енергетских карактеристика зграде (Shetal, Sharples, 2010). Програм омогуЬава енергетске симулаци]е об]еката при ^иховом про]ек-това^у, али и при ревитализаци]и посто]еЬих об]еката са могуЬношЬу примене локалних енергетских и гра^евинских прописа и стандарда. Уз помоЬ овог програма примена мера за побо^ша^е енергетске ефикасности зграда може се квантификовати и вредновати.
Енергетска симулаци]а топлотног понаша^а зграде извршена ]е на примеру ]авног об]екта ко]и се налази у Београду. Зграда има при-зем^е и 6 спратова, укупне површине 675 m2 (слика 1).
С обзиром на исти топлотни режим ко]и ]е дефинисан у свим простори]ама зграде, цела зграда се посматра као ¡една топлотна зона. Површина сваког спрата зграде износи 96,37 m2. На северно] и ]ужно] страни налазе се прозори укупне површине 12,5 m2, а на ис-точно] и западно] страни постав^ени су прозори површине 8,5 m2. На првом спрату налазе се канцелари]е са 25 службеника, а на оста-лима по 10. Корисници користе зграду 5 дана у недели, од 7.00 до 19.00 часова. У истим терминима предвидена ]е и употреба елек-тронских уре^а и освет^е^а. Температура ко]а се одржава у гре]а-ном простору подешена ]е на 21°C у периодима када у згради има
много корисника. Проток ваздуха из спо^ашне средине у унутра-шност зграде дефинисан je инфилтрацирм и усво]ен je бро] измена ваздуха од 0,5 l/h.
Слика 1 - Модел зграде креиран у DesignBuilder-у Рис. 1 - Модель здания, созданная в программе DesignBuilder Figure 1 - Building model created in DesignBuilder
Динамичка енергетска симулаци]а у □ез1дпВи1№ег-у ура^ена ]е за климатске услове Београда помогу базе метеоролошких подата-ка ко]а ]е интегрисана у програм. Симулаци]а ]е извршена за гре]ни период од 1. октобра до 31. марта. Као референтни об]екат узета ]е зграда без изолаци]е спо^ашних зидова, са прозорима са двостру-ким нискоемисионим стаклом и кровом са изолацирм од стаклене вуне. Структура спо^ашних зидова и равног крова референтне зграде (од унутра ка спо^а) приказана ]е у табели 1.
Табела 1 - Састав термичког омотача референтне зграде Таблица 1 - Состав термоизоляцонного слоя здания Table 1 - Elements of the referent building envelope
Део термичког омотача Структура термичког омотача Коефици]ент пролаза топлоте (W/m2K)
Спо^аш^и зид продужени кречни малтер 2 cm бетонски зид 20 cm цементни малтер 3 cm 2,071
Раван кров цементни малтер 2 cm бетон 20 cm битуменски премаз 0,1 cm стаклена вуна 15 cm битуменски премаз 0,1 cm ш^унак 5 cm 0,249
У табели 2 приказани су резултати реализованих симулаци]а за сва вари]антна решена. У симулаци]ама ]е вршена анализа потро-ш^е енерги]е за гре]а^е, коришЬе^ем две врсте изолационих материала различитих деб^ина на спо^аш^им зидовима и са прозори-ма са различитим врстама стакла. Предложене симулаци]е изврше-не су за исту конфигураци]у зграде, у истом периоду, али са предло-женим изменама. Симулирани модел зграде представка трансфор-маци]у посто]еЬег референтног сфекта у нискоенергетски об]екат, водеЬи рачуна да доби]ени коефици]енти пролаза топлоте термичког омотача зграде и прозора не прелазе на]веЬе дозво^ене вредности дефинисане Правилником о енергетско] ефикасности зграда Репу-блике Срби]е за посто]еЬе зграде (Sl. glasnik RS br. 61/11).
Табела 2 - Варианта решена зграде за ко]е су спроведене енергетске симулаци]е Таблица 2 - Один из вариантов решений здания, для которого выполнено
энергомоделирование Table 2 - Building solution variant for which energy simulations were carried out
Варианта Карактеристике зграде Специфична потрош^а енерги]е за гре]а^е (kWh/m2/ год.)
V0 Референтна зграда: - без изолацие спо^аш^их зидова U=2,071 W/(m2K) - прозори са двоструким нискоемисионим стаклом, деб^ине 6 mm, пу^ени аргоном 13 mm, U=1,322 W/(m2K) - раван кров изолован стакленом минералном вуном, деб^ине 15 cm, U=0,249 W/(m2K) 94,19
dD
Варианта Карактеристике зграде Специфична потрошна енерги]е за rpeja^e (kWh/m2/ год.)
V1 Референтна зграда + екструдирани полистирен (ХрЭ) 5 ст деб^ине, и=0,512 W/(m2K) за спо^ашни зид 50,34
V2 Референтна зграда + екструдирани полистирен (ХРЭ) 8 ст деб^ине, и=0,353 W/(m2K) за спо^ашни зид 44,67
V3 Референтна зграда + екструдирани полистирен (ХРЭ) 10 ст деб^ине, и=0,292 W/(m2K) за спо^ашни зид 42,47
V4 Референтна зграда + експандирани полистирен (ЕРЭ) 5 ст деб^ине, и=0,577 W/(m2K) за спо^ашни зид 52,60
V5 Референтна зграда + експандирани полистирен (ЕрЭ) 8 ст деб^ине, и=0,403 W/(m2K) за спо^ашни зид 46,46
V6 Референтна зграда + експандирани полистирен (ЕрЭ) 10 ст деб^ине, и=0,335 W/(m2K) за спо^ашни зид 44,04
V7 Референтна зграда + екструдирани полистирен (ХрЭ) 10 ст деб^ине, и=0,292 W/(m2K) за спо^ашни зид + прозори са троструким нискоемисионим стаклом, деб^ине 3 мм, пунени аргоном 13 мм, и=0,786 W/(m2K) 36,49
Резултати симулаци]а показу]у да примена мере за побо^ша-не енергетске ефикасности зграде уградном изолаци]е деб^ине 5 ст на спо^ашне зидове не да]е задово.^ава]уЬе резултате, ]ер су доби]ени коефици]енти пролаза топлоте за обе врсте изолационог материала веЬи од на]веЬе дозво^ене вредности итах=0,4 W/(m2K) ко]а ]е дефинисана Правилником. Исти случа] ]ав^а се и ако се примени изолаци]а од експандираног полистирена, деб^ине 8 ст, док ]е за изолаци]у од екструдираног полистирена, деб^ине 8 ст, вредност коефици]ента пролаза топлоте за спо^ашне зидове не-што испод прописане вредности. На основу доби]ених резултата види се да се применом изолаци]е од екструдираног полистирена, деб^ине 10 ст, доби]а]у на]бо^и резултати. Годишна потрошна енерги]е за гре]ане за све анализиране случа]еве ко]и задово^ава-]у услове Правилника о енергетско] ефикасности об]еката наведена ]е у табели 3.
C8D
Табела 3 - Годиш^а потрош^а енерги]е за rpeja^e за сва варианте решена Таблица 3 - Годовое потребление энергии по всем вариантам решений Table 3 - Annual heating energy consumption for all variant solutions
Варианта Годиш^а потрош^а енерги]е [kWh] Годиш^е сма^е^е потрош^е енерги]е за гре]а^е (%) у односу на V0
vo 63.578 -
V2 30.154 52,57
V3 28.665 54,91
V6 29.728 53,24
V7 24.630 61,26
Поре^е^е потрош^е енерги]е за гре]а^е зграде без изолаци]е спо^аш^их зидова и са изолаци]ом од експандираног полистирена и екструдираног полистирена, деб^ине 10 cm, показу]е да ]е током године, т]. ]едне гре]не сезоне, могуче остварити знатну уштеду енерги]е до 55%. Ако се на тако изоловано] згради изврши замена прозора могуче ]е остварити додатних 6% уштеде енерги]е за гре]а-ъе. На слици 2 приказана ]е месечна анализа потрош^е енерги]е референтне зграде и зграде са угра^еном изолаци]ом од експандираног полистирена и екструдираног полистирена деб^ине 10 cm.
Ако се упореде ефекти примене изолаци]е, деб^ине 10 cm, мо-же се уочити да се на годиш^ем нивоу може уштедети 3,7% више енерги]е за гре]а^е ако се користи екструдирани полистирен уместо експандираног полистирена.
OnuKa 2 - MeceHHa noTpom^a eHepmje 3a rpeja^e: pe^epeHTHa 3rpaga (vo), pe$epeHTHa+XPS/10cm (V3) u pe^epeHTHa+EPS/10 cm (V6) Puc. 2 - Mec^HHoe noTpeOneHMe SHepmw 3a OTonneHMe: pe^epeHTHoe 3gaHMe (vo), pe^epeHTHoe+XPS/10cm (V3) u pe^epeHTHoe+EPS/10 cm (V6) Figure 2 - Monthly space heating consumption for: reference building (V0), reference+XPS/10cm (V3) and reference+EPS/10cm (V6)
Поре^ене различитих изолационих материала могуче ]е извр-шити на основу коефиц^ената топлотне провод^ивости. Основне карактеристике изолационих материала ко]и налазе примену у пракси наведене су у табели 4. Ако се упореде коефиц^енти топлотне провод^ивости експандираног полистирена, односно екс-трудираног полистирена и полиуретанске пене, ко]а ]е у смислу од-носа коефиц^ената топлотне провод^ивости са 26,5% бо^а у од-носу на екструдирани полистирен, т]. са 37,5% у односу на експан-дирани полистирен, доби]а]у се проценти ко]и не приказу]у однос у разликама измену потребне топлоте за гре]ане када се користе анализирани матер^али. Због тога се за правилан избор изолацио-ног материала препоручу]е компаративна анализа потребне топлоте за гре]ане за различите врсте и деб^ине изолационих матери-]ала. На та] начин узима]у се у обзир и остали битни фактори, као што су ори]ентаци]а и комплетна структура зграде, климатски усло-ви и др.
Табела 4 - Основни параметри изолационих материала Таблица 4 - Основные параметры изоляционных материалов Table 4 - Parameters of insulation materials
Изолациони материал Коефици]ент топлотне провод^ивости X (W/mK) Густина Р (kg/m3) Специфична топлота c (kJ/kgK)
Екструдирани полистирен 0,034 35 1400
Експандирани полистирен 0,040 15 1400
Полиуретан пена 0,025 10 1500
Друга мера ко]а ]е применена за побо^шане енергетске ефика-сности зграде ]е замена прозора. Према Правилнику о енергетско] ефикасности об]еката максималне дозво^ене вредности коефици-]ента пролаза топлоте за прозоре и балконска врата гре]аних просторна за посщеЬе и нове зграде ]е исти и износи итах=1,5 W/(m2K). У спроведеним анализама коришЬени су двоструки и троструки про-зори пунени аргоном, чи]и коефиц^енти пролаза топлоте не прела-зе максималну дозво^ену вредност.
На слици 3 приказана ]е упоредна анализа потрошне енерги]е за гре]ане за референтну зграду са угра^еном изолацирм од екс-трудираног полистирена, деб^ине 10 ст за случа]еве када се користе двоструки и троструки прозори. На основу доби]ених резултата може се зак^учити да се услед замене двоструких прозора са тро-струким може остварити уштеда од 17% годишне потрошне енерги-]е за гре]ане.
Слика 3 - Месечна потрошна енерги]е за гре]ане са двоструким (v3) и троструким
прозорима (v7)
Рис. 3 - Месячное потребление энергии с зданиях с двойным (v3) и тройным
остеклением (v7)
Figure 3 - Monthly heating consumption for a building with double (V3) and triple
glazing (V7)
На слици 4 приказани су резултати динамичке симулац^е згра-де (v7) као вар^антног решена зграде код ^е jе могуче остварити наjвеfiу уштеду енергиjе за греjане. Резултати динамичке симулаци-jе показу|у да су промене добитака и губитака топлоте кроз елемен-те термичког омотача зграде и осталих елемената конструкц^е у ди-ректноj сразмери са променом спо^ашне температуре ваздуха. Са слике се види да су губици топлоте кроз спо^ашне зидове и прозо-ре наjвеfiи, због чега се у раду и вршила анализа утицаjа нихових топлотних карактеристика на количину топлоте потребну за загрева-не зграде.
сж>
Слика 4 - Резултати динамичке симулаци]е зграде (v7): температуре, губици и добици топлоте и потрош^а енерги]е за гре]а^е Рис. 4 - Результаты динамической симуляции здания (v7): температура, потеря и
экономия тепла и расход энергии для отопления Figure 4 - Results of a building (V7) dynamical simulation: temperatures, heat gains and
energy consumption
Зак^учак
Потрош^а енерги]е за гре]а^е об]еката представка знача]ан удео у укупно] потрошки енерги]е. Климатски услови у области у ко-pj су лоцирани об]екти има]у знача]ан утица], како на топлотни ком-фор, тако и на потрош^у енерги]е. С обзиром на ова] аспект, реали-зоване су динамичке симулаци]е помогу база метеоролошких пара-метара ко]е су интегрисане у коришйеном програму DesignBulilder.
CMD
Ефекте примене различитих мера за унапре^ене енергетске ефи-касности об]еката ни]е могуче прецизно проценити без примене комп]у-терских симулац^а. КоришЬенем база података гра^евинских матер^а-ла, прозора, временских података и стандарда за одре^иване перфор-манси зграде, помоЬу комп]утерских симулац^а могу се проценити сви параметри щи осигурава]у побо^шане енергетске ефикасности зграде.
У раду су приказане динамичке симулац^е енергетског понаша-на анализираног вишеспратног об]екта, као и компаративне анализе измену референтног об]екта и приказаних вар^антних решена, ко]а представ^а]у об]екат са примененим различитим мерама за унапре-^ене енергетске ефикасности. На основу доби]ених резултата може се зак^учити да се изолацирм спо^ашних зидова од експандираног полистирена или екструдираног полистирена, деб^ине 10 cm, може остварити уштеда енерги]е за гре]ане од око 55% у односу на рефе-рентну варианту зграде. На тако изолованом об]екту, ако се изврши замена двоструких прозора енергетски ефикасн^им троструким про-зорима, може се остварити уштеда енерги]е за гре]ане од око 61% у односу на референтну варианту зграде. Доб^ени резултати недво-смислено показу|у оправданост примене приказаних мера за побо^ша-не енергетске ефикасности разматраног об]екта.
Литература / References
Apte, J., Arasteh, D., & Huang, Y.J. 2003. Future Advanced Windows for Zero-Energy Homes. ASHRAE Transactions, 109(2), str. 1-12.
Eftimie, E. 2015. Costing energy efficiency improvements in buildings Case study: Bra§ov, Romania. International Journal of Energy and Environment, 6(1), str. 47-60.
-Federation of European Rigid Polyurethane Foam Association. 2006. Thermal insulation materials made of rigid polyurethane foam (PUR/PIR) Report No 1.
Flodberg, K., Blomsterberg, A., & Dubois, M.C. 2012. Low-energy office buildings using existing technology: simulations with low internal heat gains. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 3(19). doi: 10.1186/2251-6832-3-19
Mishra, S., Usmani, J.A., & Varshney, S. 2012. Energy Saving Analysis In Building Walls Through Thermal Insulation System. International Journal of Engineering Research and Applications, 2(5), str. 128-135.
Pe'rez-Lombard, L., Ortiz, J., & Pout, C. 2008. A review of building energy consumption information. Energy and Buildings, 40, str. 394-398.
Petrovic Becirovic, S., & Vasic, M. 2012. Energy-efficient refurbishment of public buildings in Serbia. Rehva Journal, , str. 40-44. December.
Shetal, W., & Sharples, S. 2010. A Building Simulation Sustainability Analysis to Assess Dwellings in a New Cairo Development. . U: 4th National Conference of IBPSA, New York City, USA. , str. 94-101
-Sluzbeni glasnik Republike Srbije. 2011. Pravilnik o energetskoj efikasnosti zgra-da. JP "Sluzbeni glasnik ", 61.
Young, K.K., & Altan, H. 2013. Using dynamic simulation for demonstrating the impact of energy consumption by retrofit and behavioural change. U: 13th Conference of International Building Performance Simulation Association, Chambery, France. str. 2451-2457 26-28.
Preuzeto sa http://www.designbuilder.com
ПРИМЕНЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ МЕР ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ
Снежана М. Драгичевич
Университет в г.Крагуевац, Факультет технических наук в г.Чачак
ОБЛАСТЬ: машиностроение, энергоэффективность ТИП СТАТЬИ: оригинальная научная статья ЯЗЫК СТАТЬИ: сербский
Резюме:
Одним из успешных методов повышения энергоэффективности зданий является снижение потребления энергии при отоплении. В данной статье приведен сравнительный анализ нужд для отопления помещений, выполненный на основании исследования объекта, на котором произведена модификация изоляционных материалов и изоляционного слоя здания, а также его остекления. Эксперимент был проведен на многоэтажном здании в городе Белград. При выполнении динамической симуляции и оценке эффекта применненных мер для повышения энергоэффективности объекта, в виде снижения потребления энергии для отопления использовалась программа DesignBuilder. Результаты исследования показали, что благодаря изоляции здания и замене окон годовой расход энергии на отопление уменьшен до 61%.
Ключевые слова: энергоэффективность, динамическое моделирование, DesignBuilder, изоляция, замена окон.
APPLICATION OF DYNAMIC SIMULATIONS IN THE ANALYSIS OF MEASURES FOR IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF BUILDINGS
Snezana M. Dragicevic
University in Kragujevac, Faculty of Technical Sciences in Cacak
FIELD: Mechanical Engineering, Energy Efficiency ARTICLE TYPE: Original Scientific Paper ARTICLE LANGUAGE: Serbian
Summary:
One of the most commonly used methods for improving energy ¡performances of buildings is reducing heating energy consumption. This paper shows a comparative analysis of building energy demand for space heating based on case studies in which building modifications were made with insulating materials of building envelopes and with different window types. For the analysis, a public building with 6 floors,
located in Belgrade, was selected. For a dynamical simulation and evaluation of the applied energy efficiency measures to reduce heating energy consumption, the DesignBuilder program was used. The results show that the insulation of the building and the replacement of windows can lead to an annual reduction of heating energy up to 61%.
Introduction
In this paper, some of the most effective methods for improving energy performances of buildings are analyzed. It examines the influence of methods of building revitalization at the building level with the use of:
- Thermal insulation of external walls, and
- Windows with multiple glazing filled with gas in order to ensure keeping heat indoors during winter, but also to prevent excessive energy gains during summer.
The aim of the paper is to show that, with a dynamic building simulation of building thermal behavior, it is possible to calculate energy requirements for heating, recognizing the differences between energy performances of buildings in different variants. In this regard, a comparative analysis of energy needs obtained using different types of external walls insulation and glazing will be carried out. The analysis will be performed in a case study for a public object located in Belgrade.
Measures for improveming energy efficiency in buildings
The most commonly used methods for energy revitalization of buildings is the insulation of exterior walls, ie. building envelope (Young, Altan, 2013). The thickness and quality of the building envelope have a significant impact on the amount of heat that is lost through walls. In the case of non-performing insulation, additional heat losses in winter and the possibility of condensation on interior walls occur, as well as excessive consumption of energy for cooling in summer. The most commonly used insulating materials are expanded polystyrene - Styrofoam (EPS) and extruded polystyrene (XPS).
Regardless of which type of exterior walls insulation is used, its thickness has a significant impact on heat losses. Nowadays, the minimum insulation thickness of 10 cm is recommended.
In the process of building energy rehabilitation, windows are an important segment because they usually occupy a large area of the building envelope, which is common in office buildings. Today, high-quality windows with triple low-e glass panes are used more and more, allowing a significant reduction of costs for space heating (Apte et al., 2003).
Results of the dynamic simulation
An energy calculation was applied for a public office building, located in Belgrade. The building has six floors with a space area of 675 m2. (Figure 1).
o
co
"o >
CD
O CM
of
UJ
a.
Z)
o
o <
o
X
o
LU
H ^
a. <
H
<
CD >o
X LU H O
O >
The simulation was performed, followed by calculating heating energy consumption for two types of external walls, insulating materials with different thicknesses and with different types of window glazing. The proposed simulations were performed for the same configuration of the building, in the same period of time, but with a series of successive modifications. The simulated model of the building represents the transformation of an existing reference object into a low-energy building.
The simulation results show that the application of measures to increase the building energy efficiency by installing insulation of a thickness of 5 cm on external walls do not give satisfactory results. The obtained results show that the application of extruded polystyrene of 10 cm in thickness gives the best results. The comparison of the heating energy consumption for the building without insulation and for the building insulated with 10 cm of expanded polystyrene and extruded polystyrene shows that it is possible to achieve annual energy saving up to 55%.
The comparison of the application effects of 10 cm-thick insulation shows that 3.7% of energy could be saved annually for heating if extruded polystyrene is used instead of expanded polystyrene.
Figure 3 presents a comparative analysis of heating energy consumption for the reference building and the building insulated with 10 cm-thick extruded polystyrene, as well as for the cases when the building has double and triple glazing windows. Based on these results, it can be concluded that due to the replacement of double glazing windows with triple ones, saving of 17% of annual heating energy consumption could be obtained.
Conclusion
This paper presents a dynamic simulation of the energy behavior of the analyzed object and a comparative analysis between the reference object and the presented alternative solutions, which represent an object with applied various measures to improve its energy efficiency. Based on these results, it can be concluded that the insulation of external walls with 10 cm-thick expanded polystyrene or extruded polystyrene results in energy saving of about 55% compared to the reference variant of the building. For such an insulated object, if double-glazing windows are replaced with with energy-efficient triple-glazing windows, energy saving of about 61% compared to the reference variant of the building can be achieved. The results clearly show the validity of the presented measures to increase the energy efficiency of the object in question.
Key words: energy efficiency, dynamic simulation, DesignBuilder, insulation, window replacement.
Датум приема чланка / Дата получения работы / Paper received on: 21. 08. 2015. Датум достав^а^а исправки рукописа / Дата получения исправленной версии работы / Manuscript corrections submitted on: 25. 10. 2015. Датум коначног прихвата^а чланка за об]ав^ива^е / Дата окончательного согласования работы / Paper accepted for publishing on: 27. 10. 2015.
© 2016 Аутор. Об]авио Во^отехнички гласник / Military Technical Courier (www.vtg.mod.gov.rs, втг.мо.упр.срб). Ово ]е чланак отвореног приступа и дистрибуира се у складу са Creative Commons licencom (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/rs/).
© 2016 Автор. Опубликовано в "Военно-технический вестник / Vojnotehnicki glasnik / Military Technical Courier" (www.vtg.mod.gov.rs, втг.мо.упр.срб). Данная статья в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией "Creative Commons" (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/rs/).
© 2016 The Author. Published by Vojnotehnicki glasnik / Military Technical Courier (www.vtg.mod.gov.rs, втг.мо.упр.срб). This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/rs/).
dD
