Role of Computer Simulation in Fenestration Energy

Document Sample
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Powered By Docstoc
					Role of Computer Simulation in
 Fenestration Energy Ratings
     By: D. Charlie Ćurčija, Ph.D.
     Center for Energy Efficiency and Renewable Energy
     University of Massachusetts
     Amherst, MA
     U.S.A.

     Acknowledgements:This work was sponsored by the Assistant Secretary for
     Conservation and Renewable Energy, Office of Building and Community
     Systems, Building Systems Division of the United States Department of Energy
 РОЛЬ КОМПЬЮТЕРНОГО
   МОДЕЛИРОВАНИЯ В
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ
 ОКОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

   автор: Д. Чарли Чурчия, доктор философии
   Центр эффективности использования энергии и
   возобновляемых энергетических источников
   Массачусетский Университет
   Амхерст, штат Массачусетс,
   США

   Слова признательности: Автор выражает признательность
   заместителю министра по сохранению и возобновляемых источникам
   энергии, Управлению строительства и коммунальных служб, отделу
   строительства Министерства энергетики США
                                                            BRIEF OVERVIEW
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Evaluation of Thermal performance of
                                                               windows done in two ways:
                                                                – Physical testing
                                                                – Computer modeling
                                                              In early days (before energy crisis in 70’s)
                                                               only physical testing
                                                              Very limited number of products
                                                              Energy use was not concern, mostly comfort
                                                               and liability issues (early failures)
                                                              First generation of testing standards
            www.ceere.org                                                              Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            Краткий обзор
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Оценка теплоизолирующих свойств окон делается
                                                               двумя способами :
                                                                – Физические испытания
                                                                – Компьютерное моделирование
                                                              На ранних этапах (до энергетического кризиса 70-х)
                                                               – только физические испытания
                                                              Крайне ограниченный выбор продукции
                                                              На первом месте стояла не экономия
                                                               энергоресурсов, а удобство и ответственность
                                                               (ошибки на ранних этапах)
                                                              Первое поколение стандартов для проведения
                                                               испытаний

            www.ceere.org                                                                  Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            OVERVIEW OF TESTING
                                                            METHOD
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Physical testing expensive and time
                                                               consuming
                                                              Early testing not very reliable and repeatable
                                                              In North America and European Union “Hot
                                                               Box” method
                                                              How is testing used:
                                                                – in U.S. one specimen per product line.
                                                                  Also all specimens that don’t validate
                                                                – In Canada testing used for challenge
                                                                – In Europe mostly testing used
            www.ceere.org                                                               Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            Обзор методики испытаний
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Физические испытания дорого стоят и требуют много
                                                               времени
                                                              Испытания на раннем этапе не очень надежны и
                                                               много раз повторяются
                                                              В Северной Америке и Европейском Союзе
                                                               используется метод «горячего ящика»
                                                              Как используется испытание:
                                                                – В США один образец на всю производственную
                                                                  линию. А также все изделия, не соответствующие
                                                                  заявленным качествам
                                                                – В Канаде перед испытанием ставится
                                                                  сверхзадача
                                                                – В Европе используется в основном испытание
            www.ceere.org                                                                 Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            EARLY COMPUTER MODELS
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Research class computer models and
                                                               general purpose commercial programs
                                                                – Better understand energy performance of
                                                                  windows
                                                                – Develop algorithms for simplified
                                                                  computer programs
                                                                – More detailed than testing results
                                                                – Not user friendly
                                                                – Too costly for certification purposes
                                                              Early research programs later adopted for
                                                               fenestration computer modeling tools
            www.ceere.org                                                             Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            Первые компьютерные модели
                                                              Компьютерные модели для научных исследований и
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                               коммерческие программы общего назначения
                                                                – Лучшее понимание энергосберегающих свойств
                                                                  окон
                                                                – Разработка алгоритмов упрощенных
                                                                  компьютерных программ
                                                                – Более высокая степень детализации, чем у
                                                                  результатов испытаний
                                                                – Не дружественны к пользователям
                                                                – Слишком дороги для целей сертификации
                                                              Первые программы для научных исследований
                                                               затем использовались для моделирования новых
                                                               оконных технологий

            www.ceere.org                                                               Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            PC BASED COMPUTER
                                                            PROGRAMS
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              20 years ago first computer programs for
                                                               fenestration heat transfer
                                                                – 1-D heat transfer and solar optical
                                                                  properties for center of glass
                                                                – 2-D heat transfer in frames and edge of
                                                                  glass (few years later)
                                                              First 2-D programs were FDM based
                                                                – Limited functionality
                                                                – Inaccurate geometry representation
                                                                – Long model preparation time

            www.ceere.org                                                               Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            Программы для использования на
                                                            персональном компьютере
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              20 лет назад первые компьютерные программы для
                                                               оценки теплового обмена окон
                                                                – Одномерная оценка теплообмена и солнечных
                                                                  оптических свойств по центру стекла
                                                                – Двухмерная оценка теплообмена в рамах и по
                                                                  краю стекла (несколькими годами позже)
                                                              Первые двухмерные программы строились на основе
                                                               автодесорбционной микроскопии (FDM)
                                                                – Ограниченная функциональность
                                                                – Неточная передача геометрии
                                                                – Длительная подготовка модели


            www.ceere.org                                                                Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            MODERN FENESTRATION
                                                            COMPUTER MODELING TOOLS
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              WINDOW program incorporates GUI, database
                                                               for data management
                                                              THERM based on FEM (initially developed for
                                                               military and space research), user friendly
                                                                – Allows for accurate geometry representation
                                                                – Imports AutoCAD drawings
                                                              OPTICS and RESFEN
                                                              Reduced model preparation time  decreased
                                                               cost of evaluating fenestration products
                                                              Program(s) are developed through government
                                                               funding and are free for public use
            www.ceere.org                                                              Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            Современные средства компьютерного
                                                            моделирования оконных технологий
                                                               Программа WINDOW (окно) включает графический
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                                интерфейс пользователя (GUI), базу данных для
                                                                управления данными
                                                               Программа THERM основана на МКЭ (FEM)
                                                                (первоначально готовилась для военных и космических
                                                                исследований), является дружественной к
                                                                пользователю
                                                                 – Позволяет точно воспроизводить геометрию
                                                                 – Импортирует чертежи, подготовленные в программе
                                                                   АвтоКАД (AutoCAD)
                                                               Программы OPTICS и RESFEN
                                                               Сокращение времени на подготовку модели 
                                                                снижение стоимости оценки новых оконных технологий
                                                                программы разрабатываются за счет государственного
                                                                финансирования и бесплатны для пользования
            www.ceere.org                                                                  Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            WINDOW 5.2
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




            www.ceere.org                                                Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            THERM 5.2
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Two-Dimensional heat transfer (conduction and
                                                               radiation) and Glazing cavity convection
                                                               simulation (correlation based)

                                                              First version
                                                               released in 1994
                                                              Graphic tool to draw
                                                               the model
                                                              View-factor radiation
                                                               modeling
                                                              Automatic meshing

            www.ceere.org                                                                Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




            www.ceere.org                                   Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            MESH REFINEMENT
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




            www.ceere.org                                                Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            OPTICS 5.1
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Virtual glass laboratory

                                                              Calculate and edit
                                                                 optical properties
                                                                 of glass and IGU
                                                                Change glazing
                                                                 thickness
                                                                Switch glazing
                                                                 coating
                                                                Construct glazing
                                                                 with applied films
                                                                Construct glazing
            www.ceere.org
                                                                 with laminate
                                                                                          Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            RESFEN 3.1
                                                              Calculates Residential Energy Impacts
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Annual energy &
                                                               cost impacts of
                                                               windows
                                                              Uses DOE2.1E
                                                               calculation engine
                                                              Uses WINDOW
                                                               output
                                                              Library of
                                                               standard houses
                                                               and HVAC sys.
            www.ceere.org                                                            Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            INTEGRATED ENVIRONMENT
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                                   Optics                  THERM
                                                                    (Window                      (Window
                                                                      Glass)                      Frame)




                                                                               WINDOW+5
                                                                               (Whole Window)




                                                                                   RESFEN
                                                                                  (Whole Building)




            www.ceere.org                                                                       Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            COMPUTER TOOLS &
                                                            CERTIFICATION
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Validation studies showed that computer
                                                               tools can be reliably used for certification
                                                              First started in North America (U.S. &
                                                               Canada) 10 years ago
                                                              One validation test (U.S.) and one “quality
                                                               control” test (production line testing)
                                                              Validation criteria 10% (often within 5%)
                                                              Limited number of products for which no
                                                               good agreement

            www.ceere.org                                                                Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            Компьютерные средства и
                                                            сертификация
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Подтверждающие исследования показали,
                                                                 что компьютерные средства вполне надежны
                                                                 для использования в целях сертификации
                                                                Впервые использовались в Северной
                                                                 Америке (США и Канада) 10 лет назад
                                                                Одно подтверждающее исследование (США)
                                                                 и одно для «проверки качества» (испытание
                                                                 производственной линии)
                                                                Критерии для аттестации 10% (зачастую в
                                                                 пределах 5%)
                                                                Ограниченное количество единиц продукции,
                                                                 по которым не достигнуто согласие
            www.ceere.org                                                              Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            INTERNATIONAL USE OF
                                                            SIMULATION IN RATINGS
                                                               Computer programs based on best science
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                               Physics should be the same everywhere in
                                                                the world
                                                               Algorithms in WINDOW+ suite published in
                                                                North American & international standards
                                                                (ASHRAE SPC142P, ISO15099)
                                                               Other countries considering or using
                                                                simulation for rating:
                                                                 – Australia (using),
                                                                 – Russia (using),
                                                                 – U.K. (using),
            www.ceere.org
                                                                 – European Union, etc.
                                                                                      Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            Использование компьютерного
                                                            моделирования в мире для оценки
                                                                Компьютерные программы, основанные на
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                                 лучших научных достижениях
                                                                Законы физики одни и те же повсюду
                                                                Алгоритмы в программе WINDOW+ набор
                                                                 прикладных программ, опубликованных в
                                                                 североамериканских и международных
                                                                 стандартах (ASHRAE SPC142P, ISO15099)
                                                                Другие страны планируют использование
                                                                 или используют моделирование для оценки :
                                                                  – Австралия (использует),
                                                                  – Россия (использует),
                                                                  – Великобритания (использует),
            www.ceere.org                                         – Европейский Союз и др.
                                                                                       Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            MAIN PHILOSOPHY
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              Complexity is hidden behind ease of use!
                                                              Complex algorithms
                                                              User friendly and convenient user’s interface
                                                              Premise: Accuracy does not have to be
                                                               sacrificed in order to create simple & elegant
                                                               computer tools




            www.ceere.org                                                              Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            ГЛАВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                              За внешней легкостью кроется
                                                              сложнейшая идея!
                                                              Сложные алгоритмы
                                                              Дружественность программы и удобство для
                                                               пользователя
                                                              Исходное условие: не надо точность
                                                               приносить в жертву созданию простых и
                                                               элегантных компьютерных средств



            www.ceere.org                                                           Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            CONCLUSIONS
                                                              New fenestration computer programs are
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                               reliable tools for estimating thermal
                                                               performance
                                                              Computer modeling should become integral
                                                               part of modern ratings procedure
                                                              Computer modeling can effectively be used
                                                               in the design of energy efficient windows
                                                              Further development is necessary to
                                                                – improve accuracy for certain class of
                                                                  fenestration products
                                                                – Further improve ease of use and simplicity
                                                                  of user’s interface
            www.ceere.org                                                              Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
                                                            ВЫВОДЫ
                                                              Новые компьютерные программы моделирования
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                               оконных технологий являются надежным
                                                               инструментом оценки их теплоизолирующих свойств
                                                              Компьютерное моделирование должно стать
                                                               неотъемлемой частью современной процедуры
                                                               оценки
                                                              Компьютерное моделирование может успешно
                                                               применяться в конструировании энергосберегающих
                                                               окон
                                                              Необходима дальнейшая работа в целях
                                                                – Повышения точности в оценке определенных
                                                                  категорий окон
                                                                – Дальнейшего повышения простоты и легкости
                                                                  обращения пользователя с программами

            www.ceere.org                                                                Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                             THE END
                                                             For more information:
                                                              http://www.ceere.org
                                                               http://www.nfrc.org
                                                             http://windows.lbl.gov
                                                            http://www.eren.doe.gov


            www.ceere.org                                                  Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass
Role of Computer Simulation in Fenestration Energy Rating




                                                                        КОНЕЦ
                                                            За дальнейшей информацией обращайтесь:
                                                                       http://www.ceere.org
                                                                        http://www.nfrc.org
                                                                      http://windows.lbl.gov
                                                                     http://www.eren.doe.gov


            www.ceere.org                                                           Center for Energy Efficiency and Renewable Energy, UMass