Софтуер за енергийни симулации

С нарастващата нужда от енергийно ефективни сгради, строителният сектор е изправен пред предизвикателството да осигури енергийни характеристики при ползване на сградите, отговарящи на параметрите, определени по време на проектиране. Програмите за енергийни симулации са мощни инструменти за изследване енергийните характеристики на сгради по време на целия им жизнен цикъл и термалния комфорт на обитателите им.

Днес се предлага разнообразие от такива продукти, които се различават един от друг по термодинамичните модели, графичните им потребителски интерфейси, предназначението им, приложимостта им в различни етапи от живота на една сграда и възможността им за обмен на данни с други софтуерни приложения.

Повечето от програмите за енергийна симулация са изградени от т. нар. ядро, което позволява извършването на детайлни термични симулации, базирани на прости текстови файлове с входни и изходни данни. Тези ядра съдържат математични и термодинамични алгоритми, които се използват за изчисляване на енергийните характеристики съгласно определен модел.

От най-голямо значение от практическа гледна точка е графичният интерфейс на тези инструменти, който следва да улеснява генерирането на входните данни и анализа на изходните и да представя функционалността на ядрото на потребителите. Но лесните за употреба интерфейси не правят енергийния анализ достъпен за всеки - познаването на ограниченията на програмите и доброто разбиране на термичните процеси са от съществено значение за получаването на реалистични и надеждни резултати.

Обикновено тези инструменти са разработени за приложение по време на фазата на проектиране на сградата. Обменът на данни предимно от CAD приложения и инструменти за моделиране на системите за отопление, вентилация и климатизация (ОВК) предоставя по практичен начин интегрирането на тези програми в процеса на проектиране.

Основни принципи
Софтуерът за енергийни симулации предсказва енергийните характеристики на дадена сграда, което подпомага сравнението на различни проектантски алтернативи. Почти всички предлагани продукти от този вид са свързани с някакви ограничения, което обуславя необходимостта от познаването на определени основни принципи на енергийната симулация.

Първо, всеки резултат от симулация може да е толкова точен, колкото са точни входните данни. Те обикновено включват сградна геометрия, вътрешни товари, ОВК системи и компоненти, метеорологични данни, работни програми и специфични за симулацията параметри. Всяка енергийна симулация се основава на термодинамични уравнения, принципи и допускания.

Тъй като термичните процеси в сградите са сложни и все още не са напълно обяснени, програмите за енергийна симулация използват различни методи за получаване на приблизителни резултати. Поради това получените данни могат да бъдат неточни, в случай че не са удовлетворени дадени допускания в симулацията.

Енергийните симулации могат да се прилагат във всеки един етап от жизнения цикъл на сградата, защото използваните принципи са еднакво валидни за всички фази. Проектантските инструменти обаче основно се фокусират върху енергийните характеристики от гледна точка на отопление и климатизация.

Те се използват предимно за оразмеряване на ОВК съоръженията при най-лоши условия и не отчитат изцяло годишните енергийни характеристики. За разлика от тях, симулационните програми използват по-общи принципи, които са приложими през целия жизнен цикъл на сградата. Те генерират повече данни, обикновено в продължение на една година, които могат да бъдат сравнени с действителното енергопотребление.

Софтуерните програми за енергийна симулация се основават на едномерен топлопренос между отделни термични зони. Това допускане опростява в значителна степен входните геометрични данни и позволява по-бързи изчисления. Дву- и тримерните симулации могат да повишат точността на резултатите, но те изискват въвеждането на сложни геометрични данни и отнемат повече време.

Входни данни
Сградната геометрия представлява основна част от входните данни за провеждането на една енергийна симулация. Важно е да се отчете, че има разлики между архитектурния модел на сградата и сградния модел, необходим за симулацията. Последният, често наричан термален сграден модел, всъщност е опростен изглед на архитектурния.

Една от основните разлики е, че архитектурните помещения могат да бъдат обединени в термични пространства или в случай на големи отворени офиси, архитектурното пространство може да бъде разделено на множество термични пространства. Това обединяване или разделяне се базира на принципа, че няколко зони могат да са с еднакви или много подобни термични характеристики.

За целите на енергийната симулация помещенията трябва да бъдат дефинирани чрез граници, които невинаги съвпадат със стените в архитектурния модел. Дългите единични стени следва да се разделят чрез няколко граници, ако те са част от няколко помещения.

Свободностоящите стени и колоните могат да бъдат пренебрегнати в термичните модели, защото няма разлика в температурата между външните повърхности, част от едно и също термично пространство, т. е. няма топлопренос.

Когато термичната маса на тези елементи може да окаже влияние на симулацията, те се представят като обекти без подробно геометрично описание, само с повърхност. Външни стени, които не са част от сградата, но причиняват засенчване, трябва да бъдат отчетени в енергийния модел, тъй като те значително редуцират слънчевите натоварвания в едно помещение. Извитите стени при енергийни симулации с едномерен топлопренос се представят чрез няколко равнинни повърхности.

Докато в ранните фази на проектиране архитектурният и термичният модел са почти идентични, разликите се увеличават с всеки следващ етап. Процесът на опростяване за извличане на входната геометрия за енергийната симулация все още е предизвикателство.

В практиката CAD моделите трябва да бъдат валидирани, за да се гарантира, че сградата е представена с достатъчно геометрични данни. Това валидиране става визуално, чрез специализиран проверяващ софтуер или чрез итеративно изнасяне и внасяне на геометрията от CAD към програмата за енергийна симулация и коригиране на отчетените грешки.

За съставяне на енергиен баланс на едно помещение е необходима достатъчно информация за вътрешните и външните товари. Използването на статистически метеорологични данни в енергийните симулации е нужно, защото външните товари силно зависят от климата. За целта се изготвят метеорологични файлове, които не отразяват точно определена година, а предоставят референтни данни за климатичните параметри на дадено място.

Вътрешните товари от хора, осветление и оборудване в едно помещение се влияят от реалното ползване на помещението и поведението на обитателите. Затова е необходимо да се направят допускания по отношение на количеството вътрешни товари при извършването на енергийна симулация.

ОВК системите и техните компоненти са основна част от входната информация за моделите за енергийна симулация. Ако софтуерът предлага достатъчно гъвкавост, тези системи могат да бъдат моделирани така, че да отразяват действителното им състояние. Дефинирането на ОВК система в рамките на предварително определена структура обаче може да е предизвикателство.

Не на последно място, инструментите за енергийна симулация изискват специфични параметри, които влияят на поведението на симулационното ядро. Също така е необходимо да се дефинират времеви граници и стъпка на симулиране.

Допускания
Както беше отбелязано, входните данни, особено метеорологичните и вътрешните товари, се основават на допускания. Поради тази причина може да се твърди, че всяка една енергийна симулация се базира на допускания, позволяващи опростяване и управление на сложните взаимовръзки.

Необходимо е потребителите да бъдат запознати с тези допускания и да преценят дали са приемливи за специфичната симулация, или не. Например повечето софтуерни продукти за енергийна симулация допускат, че температурата е една и съща в едно помещение.

Това е валидно за помещения с височина един етаж, но допускането става все по-неприемливо с увеличаване на височината. Много от програмите за енергийна симулация ползват и опростени подходи за описване на естествената вентилация, като те не зависят от налягането.

Архитектура
Инструментите за енергийна симулация се състоят от два основни компонента - ядрото и графичния интерфейс. Симулационното ядро обикновено се разработва от по-академично ориентирани организации, а интерфейсът - от частни софтуерни компании.

Програмата използва входния файл с определен формат, който съдържа вече описаните необходими данни. На база на тези данни ядрото извършва симулацията и записва резултатите в един или няколко изходни файла. Тези файлове съдържат както изходната информация, така и данни за самата симулация.

Графичният потребителски интерфейс на софтуера за енергийни симулации проследява процеса и позволява лесното внасяне на входните файлове, стартирането на симулацията и обработката на изходните файлове с цел графично представяне на получените резултати.

Основна цел
Важна полза от извършването на енергийна симулация е възможността за сравняване на архитектурни алтернативи, които трябва да бъдат валидирани по отношение на термален комфорт и енергопотребление. За това приложение значимостта на допусканията е по-ниска.

Различните проектантски алтернативи се основават на почти същите допускания и затова се смята, че относителните разлики в симулационните резултати са достоверни. В случай че използването на сградата зависи от вида на проектантската алтернатива обаче, резултатите от сравнението може да не са толкова точни.

Предсказването на абсолютните енергийни стойности, предвид направените допускания, рядко е с висока точност. Обикновено резултатите от енергийната симулация се валидират чрез различни тестове. Валидирането може да стане и чрез сравняване с действително измерени стойности от тестови сгради.

Разликите в абсолютните стойности се дължат основно на направените допускания относно входната информация и динамичното ползване на сградите от обитателите. За да се получат по-близки до реалните характеристики стойности, моделите за енергийна симулация трябва да бъдат калибрирани с действително измерени стойности. Една от най-големите трудности за това сравнение е представянето на човешкото поведение.

Обикновено вътрешните товари от обитателите се дефинират в моделите за енергийна симулация чрез графици. Действителното енергопотребление в сградата обаче се изменя ежедневно. Невъзможно е да се следи обитаемостта на всяка отделна термична зона, както и да се сравнява входната информация за нея в симулационния модел с реалната. Използването на статични графици за обитаемост в енергийната симулация не може да отрази по подходящ начин реалното ползване на сградата.

Приложение
Инструментите за енергийна симулация се разработват за подпомагане процеса на проектиране на сгради. Тъй като всички такива продукти се базират на термодинамични модели, валидни за целия жизнен цикъл на сградата, приложението им не се ограничава единствено до фазата на проектиране.

През последните няколко години са разработени нови модели, отчитащи специфичните нужди по време на строителство и ползване на сградите. Основната разлика между тези инструменти е степента на подробност. Повече информация е необходима за валидиране на характеристиките на ОВК съоръженията по време на строителство.

Друга разлика е в моделирането на управлението на ОВК системата. Програмите за енергийна симулация приемат идеализирано управление, което използва предсказани стойности от симулацията като входни данни.

В действителност управлението на ОВК системата се осъществява от сензори и отговарящи на сигналите им устройства. Следователно, характеристиките на управление, като необходимо време за обработка на сигналите, не се симулират от софтуера.