Modelování energetických systémů budov Přednáška 3 Od reálné budovy k matematickému modelu 35 Nástroje a metody pro modelování a simulaci energetického chování budov 36 prof.karel Kabele 1
Klasifikace nástrojů modelování a simulace Ustálený stav Jednotlivé systémy Rozsah Integrovaný model Explicitní Metoda Simulace a modelování chování budovy Data Dynamické chování Prostředí Účel Udržitelnost Regresní metody Energie Komfort 37 Ustálený stav Explicitní Denostupňová metoda Založena na fixní referenční teplotě. Modifikovaná denostupňová metoda Regresní metody Zjednodušená lineární regrese Jedna závislá, jedna nezávislá proměnná Násobná lineární regrese Jedna závislá, více nezávislých proměnných Proměnná referenční teplota Change-point models Z denních nebo měsíčních měření odebrané energie a venkovních teplot se 38 prof.karel Kabele 2
Dynamické metody Explicitní metody Zjednodušené dynamické metody Zjednodušené dynamické modely vycházejí převážně z regresní analýzy výsledků vícenásobného běhu statických modelů za různých okrajových podmínek. Tyto modely nejsou schopny postihnout charakteristiku přechodových dějů, jsou však schopny zohlednit chování budovy(systému) za různých podmínek. Vážený faktor V této metodě prostorové tepelné zisky při konstantní prostorové teplotě jsou určeny z fyzikálního popisu budovy, vnějších podmínek počasí, a profilů vnitřních zátěží. Faktor odezvy Pro jednodušší systémy lze stanovit na základě okrajových podmínek matematickou funkci,simli popisující dynamickou odezvu systému. Existují dvě hlavní větve této metody - časová a frekvenční odezva. Metody tepelné bilance Soubor rovnic popisující energetické toky mezi body (objemy), řešený numerickými metodami metoda konečných diferencí, metoda konečných prvků. Regresní metoda Neuronové sítě. 39 Metoda tepelné rovnováhy Stěna Absorbce dopada- jícího slunečního záření Konvekce do venkovního vzduchu Tepelná rovnováha Vnějšího povrchu Dlouhovlnná radiace SW radiace z osvětlení Předané sluneční záření Vedení stěnou Tepelná rovnováha vnitřního ř povrchu Konvekce do vzduchu zóny Dlouhovlnná radiace z vnitřních zdrojů Dlouhovlnná radiace s ostatními povrchy 40 prof.karel Kabele 3
Stěna s oknem Okno Odražené slunečn Metoda tepelné rovnováhy (heat balance method) Konvekce do venkovního vzduchu Absorbce dopadajícího slunečního záření LW radiace Tepelná rovnováha vnějšího povrchu Zasklení SW radiace z osvětlení Vedení stěnou Tepelná rovnováha vnitřního povrchu LW radiace z vnitřních zdrojů Předané sluneční záření Konvekce do vzduchu zóny LW radiace s ostatními povrchy 41 Metoda tepelné rovnováhy Vzduch v zóně Konvekce od stěny 1 Konvekce od stěny 2 Konvekce od stěny Infiltrace Tepelná rovnováha vnitřního vzduchu Konvekce od vnitřních zdrojů Větrání (HVAC) 42 prof.karel Kabele 4
Building Simulation Klasifikace nástrojů Analýza celé budovy ESP-r ENERGY+ IES ECOTEC Energetická simulace Výpočet zátěží Obnovitelná energie Retrofit Analysis Udržitelná výstavba Součásti TRNSYS PVSol Systémy obálky HVAC Osvětlení Jiné aplikace CFD Znečištění atmosféry Energetika a ekonomie Kvalita vnitř. prostředí Proudění vzduchu 43 Přehled nástrojů http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/ energy gov/buildings/tools directory/ http://www.ibpsa.org 44 prof.karel Kabele 5
Kdy použít nástrojů pro modelování a simulaci energetických systémů budov? Koncepční rozhodování na úrovni architektonické studie Modelování nestandardních řešení obvodových prvků budov a technických zařízení Optimalizace nastavení provozní regulace vytápění a větrání budov Analýza vlivu úsporných opatření na energetickou bilanci v rámci energetických auditů Modelování vnitřního prostředí prostor - obrazy proudění, rozložení výsledné teploty Výpočet rozúčtování provozních nákladů složitých provozních celků 45 Case study Low - energy office building 46 prof.karel Kabele 6
Case Study Description Architect s request: low-energy sustainable office building comfort indoor environment office rooms for 1-3 persons, oriented south-north Architect s question: What is the best U-value for building envelope??? 47 Case Study Description Czech building regulations Building envelope requirements Alternative Uwall Uwindow [W/m 2 K] [W/m 2 K] 1 DEM (Demanded) 0,38 1,7 2 REC (Recommended) 0,25 1,2 3 LE (Low-energy) 0,15 0,8 Indoor environment requirements Indoor resultant temperature winter 18-24 C summer 20-28 C Relative humidity 30-70% 48 prof.karel Kabele 7
125 MOEB ČVUT v Praze FSv K125 2008/2009 Computer modelling ESP-r 3 zones model 2 office rooms 4 x 6 x 3 m Corridor 2 x 6 x 3 m Heating H ti and d cooling li system t heating 0-500W, cooling 0-2500W mix of 75 % convection, 25% radiation pre-heat and pre-cool controller sensing mix of zone db temperature and MRT set points: heating 20 C; cooling 26 C Ventilation system y working hours 1 ac/hr non-working hours 0,2 ac/hr Casual gains (working time 8-17) Occupancy 140 W/per Equipment 200W/comp Lighting (500 lx): 35 W / m2 125MOEB 2008/2009 prof.karel Kabele 49 Simulation Alternative 1 2 3 DEM (Demanded) REC ((Recommended)) LE (Low-energy) U wall [W/m2K] 0,38 0,25, 0,15 U window [W/m2K] 1,7 1,2, 0,8 Annual simulation in Czech climate conditions Building energy and environmental performance 125MOEB 2008/2009 prof.karel Kabele prof.karel Kabele 50 8
Results Annual energy consumption kwh/a HEATING Potřeba energie na vytápění 100 90 85,72 79,89 80 69,45 70 60 50 40 32,24 32,12 30 22,41 20 10 0 Jih Sever Office SOUTH NORTH Nízkoenergetická Doporučená Požadovaná kwh/a 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 -6000-7000 -8000-9000 Potřeba energie na chlazení COOLING Jih -7078-7733 -8261 SOUTH Sever -4457-5005 -5479 NORTH Nízkoenergetická Doporučená Požadovaná DEManded RECommended Low-Energy 51 Results Total energy consumption Roční potřeba energie na vytápění a chlazení ANNUAL ENERGY CONSUMPTION kwh/a 14500 14000 13500 13000 12500 12000 11500 11000 10500 10000 Nízkoenergetická LE Doporučená REC Požadovaná DEM Cooling Heating 52 prof.karel Kabele 9
Results Indoor temperature Tair max Alternative Room 1 Corridor Room 2 LE 27,52 30,84 29,08 DEM 27,54 30,78 29,08 REC 27,76 30,79 29,05 Tair min Alternative Room 1 Corridor Room 2 LE 19,07 18,92 19,11 DEM 19,07 18,66 19,19 REC 19,01 18,81 19,12 40 30 20 10 0-10 -20 0h30 6h30 2h30 8h30 0h30 6h30 2h30 8h30 0h30 6h30 2h30 8h30 0h30 6h30 2h30 8h30 0h30 6h30 2h30 00 06 12 18 00 06 12 18 00 06 12 18 00 06 12 18 00 06 12 Tair Room 1 Tair Room2 Te 53 IEQ analysis Annual distribution of PMV during working time according to ČSN EN ISO 7730 Comfort -0,5<PMV<0,5 Acceptable -1<PMV<1 Results 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% Discomfort PMV<-1 or 10% PMV>1 0% LE DEM REC Comfort 9,7% 16,9% 15,6% Acceptable 44,3% 40,5% 41,3% Discomfort 46% 43% 43% 54 prof.karel Kabele 10
Conclusion Presented case study has shown a possible utilization of integrated simulation supporting the early conceptual design phase The recommendation based on this approach is to continue in designing alternative DEM - demanded U- values The reason, why the results of the thermal comfort evaluation are so unsatisfactory (more than 40% of working time is PMV>1) is due to the relatively high summer temperature set point (+26 C) in connection with settled clothing value and activity of the occupants. 55 prof.karel Kabele 11