Efficiency of shading device developed on zone total cooling loads

Gölgeleme araçlarının mekanın toplam soğutma yükleri açısından etkinliklerinin belirlenmesi

Abstract

During most hot period it is possible to obtain passive cooling by decrease of surface temperatures with airflow velocities caused by wind, entering interior with the effect of pressure difference through the openings during the time intervals when the outside air is cooler than interior. This effect turns inversed when the outside air temperature is more than interiors. Shading devices used to protect from unwanted solar radiation acting on interior surfaces change the airflow effects acting interiors according to their types. The changes in volume flow rates, interior velocities and solar radiation amount can be advantageous or disadvantageous for total cooling loads according to the time interval as the interior and outside temperatures changes through the day. Determination of the combined effect of shading device efficiency through solar radiation protection strategy and natural ventilation, will give opportunity of designing optimum shading device. In validation of shading device efficiency with different types of shading device alternatives, zone gains and losses with convection, zone sensible gain and losses with ventilation, zone gains from windows and total cooling loads through specific time intervals are compared. Cooling load calculations are run through energy analysis simulation program Energyplus using heat balance calculation method. Convection coefficients, exhibiting the effects of the interior velocities which change by shading devices are calculated by using the datas of velocity measurements performed on wind tunnel with a model with 4 different types of shading device and without shading device. Heat gain from opaque interior surfaces by the effect of solar radiation are considered in Energyplus with the output of heat gain to air by convection. As opening dimensions are directly related to volume flow rates, required in calculation of sensible heat gains of zone by ventilation, it is expressed by discharge coefficients obtained by measured velocities on wind tunnel in front of the model and pressure differences between front and back openings for all alternatives. Shaded and unshaded areas occuring by solar radiation acting on facade with different shading device alternatives are considered. All these parameters of shading devices are used in Energyplus cooling load calculation process. For every alternatives 4 simulations of cooling load calculations had been done for open window and closed window in order to emerge the effects of airflows and solar radiation effects through specific times changing by effects of shading devices. The situations with shading device alternatives are classified as follows; Closed window, no shading device, 1SİM3kap.pen; with shading device, parallel to facade with 90ο slat angle parallel to ground, 2.1SİM5kap.pen; parallel to facade with 45ο slat angle parallel to ground, 2.2SİM9kap.pen; perpendicular to facade with 90ο slat angle parallel to facade, 3.1SİM12kap.pen; perpendicular to facade with 45ο slat angle parallel to facade, 3.2SİM15kap.pen, Open window, with no shading device, 1SİM3ac.pen; with shading device, parallel to facade with 90ο slat angle parallel to ground, 2.1SİM5ac.pen; parallel to facade with 45ο slat angle parallel to ground, 2.2SİM9ac.pen; perpendicular to facade with 90ο slat angle parallel to facade, 3.1SİM12ac.pen; perpendicular to facade with 45ο slat angle parallel to facade, 3.2SİM15ac.pen, The effects of shading devices on total cooling loads and 3 gain components are evaluated through the time intervals of 01:00-07:00, 08:00-18:00, 19:00-24:00 during the day. 4 simulations of cooling load are made for the situation with no shading device and shading device. In the 1. simulation run for closed window (1SİM3kap.pen, 2.1SİM5 kap.pen, 2.2SİM9kap.pen, 3.1SİM12 kap.pen, 3.2SİM15kap.pen) and 2. Simulation for open window (1SİM3ac.pen, 2.1SİM5ac.pen, 2.2SİM9 ac.pen, 3.1SİM12ac.pen,3.2SİM15ac.pen); 1- Zone’s hourly gain by convection from interior surfaces, 2- Zone’s hourly gain and loss by ventilation 3- Zone’s hourly gain and loss from window. 4- Zone’s total cooling load, are obtained 3 and 4. simulations of cooling load are made for the situation without shading device and with shading device for open and closed window in order to get interior mean air and surface temperatures. The average results of total cooling load, infiltration sensible gain, convection to air rate, window heat gain through these hours are compared with no shading device situation by summing the results through 01:00-07:00, 08:00-18:00, 19:00-24:00time intervals.

Özet

Isıtmaya gereksinim duyulmayan dönemlerde (ESD) güneşin istenmeyen ısıl etkilerinden korunmak üzere gölgeleme araçları kullanılmaktadır. Dış hava sıcaklığının iç hava sıcaklığından az olduğu saatlerde, açıklıklardan rüzgâr basıncı ile içeri giren hava akımlarının etkisi ile yüzeyden ısı taşınımıyla soğutma sağlamak mümkündür. Bu etki dış hava sıcaklığının iç hava sıcaklığından yüksek olduğu saatlerde tersine dönmektedir. Güneşin açılarına göre farklı tipte tasarlanan gölgeleme araçlarının hem doğal havalandırma hem de güneş korunumuna bağlı bileşik etkinliğinin değerlendirilmesi ile optimum gölgeleme aracı tasarlamak mümkün olacaktır. Gölgeleme araçlarının gün içerisinde farklı zaman aralıklarında etkinliğinin değerlendirilmesinde; farklı tipte gölgeleme aracı takılı durumda, ortamın yüzeylerden taşınım yolu ile kazanım, havalandırma yolu ile hissedilen kazanım, pencerelerden kazanım bileşenlerinin ve mekânda oluşan toplam soğutma yüklerinin gün içerisinde belirli zaman aralıklarındaki ortalamaları karşılaştırılmıştır. Soğutma yükü hesapları ısı dengesi hesap yöntemini kullanan Energyplus programında yürütülmüştür. Ortamın yüzeylerden taşınım yolu ile kazanımlarının hesaplanmasında gölgeleme araçları ile değişen iç hava hareketi hızlarının etkisini ortaya koyan ortalama taşınım katsayıları rüzgâr tünelinde gölgeleme araçsız ve 4 farklı tipte gölgeleme aracı takılı durum için bina modeli içinde gerçekleştirilen hız ölçüm bulguları ile hesaplanmıştır. Güneş yolu ile iç opak yüzeylerin ısı kazanımları da bu bileşen içinde göz önüne alınmıştır. Ortamın havalandırma yolu ile hissedilen kazanımlarının hesaplanmasında gereken hacimsel debi miktarları gölgeleme araçları takılı durumda model ön ve arka yüzeyinde ölçülen basınçlar, hızlar, boşaltım katsayıları ve gölgeleme araç tiplerine göre değişim gösteren açıklık alanları ile bulunmuştur. Pencereden kazanımlarda dış yüzeyde oluşan gölgeli ve gölgesiz alanlar göz önüne alınmıştır.