Comparison of experimental measurements and a mathematical model for the assessment of a passive cooling potential in a building

Potrebe za energijom za hlađenje u konstantnom su porastu diljem svijeta. Kako bi se smanjila potrošnja energije u sektoru zgradarstva, poželjno je implementirati metode pasivnog hlađenja u zgradama. Međutim, zbog složenosti procesa pasivnog hlađenja, točne analize mogu se dobiti korištenjem CFD računalnih simulacija, što je često neprimjenjivo u praksi. Stoga se pri projektiranju ovakvih zgrada često koristi pojednostavljeni matematički model koji je opisan u ovom radu. Svrha rada je analizirati točnost pojednostavljenog modela korištenjem eksperimentalnih mjerenja. U ovom radu analizirana je prirodna ventilacija generičke zgrade uslijed sile vjetra kao jedne od mogućih pokretačkih sila te su u sklopu njega dane jednadžbe koje predstavljaju matematički model problema. Analiza je izvršena za izloženu zgradu (npr. u ruralnom području) te za zaklonjenu zgradu (npr. u urbanom području). Rezultati dobiveni matematičkim modelom uspoređeni su s rezultatima eksperimentalnih mjerenja izvršenih u zračnom tunelu za generiranje modela atmosferskog graničnog sloja na Institutu za mehaniku fluida i prijenos topline Tehničkog sveučilišta u Grazu, Austrija. Za analizu potencijala za pasivno hlađenje te usporedbu s eksperimentalnim mjerenjima korišteni su računalni programi TRNSYS i MATLAB. Ušteda energije uslijed pasivnog hlađenja analizirana je za izloženu zgradu i za zgradu koja se nalazi u urbanoj sredini. Rezultati pokazuju da su uštede veće kod zgrade koja stoji izložena u prostoru u odnosu na zaklonjenu zgradu, što je očekivano s obzirom na manje brzine strujanja vjetra u urbanim sredinama. Rezultati također pokazuju da su uštede veće u slučaju eksperimentalnih mjerenja u odnosu na matematički model, što sugerira da pojednostavljeni matematički model u određenoj mjeri podcjenjuje potencijal pasivnog hlađenja. Međutim, razlike nisu značajne, što upućuje na zadovoljavajuću točnost pojednostavljene metode pri dizajniranju sustava pasivnog hlađenja u zgradama.Cooling energy needs constantly increase around the world and it is, therefore, urgent to implement passive cooling in buildings on a larger scale, as soon as possible, so that the total energy consumption in a building sector could be reduced. Due to the complexity of passive cooling, accurate analysis can be obtained using CFD computational simulations, which is often not applicable in practice. Consequently, a simplified mathematical model is often used when designing buildings. The objective of the paper is to analyze the accuracy of the simplified model using experimental measurements. A wind-driven natural ventilation of a generic building was analyzed in this study and the mathematical model that describes the problem is presented. Both isolated building in a rural area and a sheltered building within the urban environment were analyzed. The results obtained from the mathematical model are compared with the results from the wind-tunnel experiments that were carried out in the boundary layer wind tunnel of the Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer at Graz University of Technology (IFMHT-TUG), Austria. TRNSYS and MATLAB software were used for passive cooling potential analysis and comparison with experimental measurements. Energy savings were calculated for an isolated building, as well as the sheltered one. Energy savings are larger in the case of an isolated building than in the case of a sheltered one due to lower wind velocities in urban areas. Based on the results obtained from the mathematical model and the results from the wind-tunnel experiments it was concluded that the energy savings are slightly higher in the case of the experiment. In other words, the described mathematical model, to some extent, undermines passive cooling potential. It was concluded that the described mathematical model is an accurate representation of the analyzed problem