Betonkernactivering De simulatie
Jeroen Rietkerk
Betonkernactivering De simulatie
Auteur: Jeroen Rietkerk Duale leerroute installatietechnologie - Technische Universiteit Eindhoven - Raadgevend Technies Buro Van Heugten Onder begeleiding van: Ir. ing. A.W.M. van Schijndel Technische Universiteit Eindhoven
januari 2005
Voorwoord Afgestudeerde HBO-studenten met een opleiding installatietechniek kunnen hun studie aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) vervolgen met de masteropleiding Installatietechnologie. Bij het vervolgen van de studie aan de TU/e dient een schakelprogramma te worden gevolgd waarvoor onder andere een tweetal schakelprojecten zelfstandig dienen te worden uitgevoerd. De opdracht van dit rapport is ontstaan als een vervolg op mijn eerste schakelproject, te weten “Betonkernactivering, de consequenties”. Dit rapport is geschreven voor iedereen die geïnteresseerd is in betonkernactivering en de simulatie van het systeem in een Matlab/ Simulink omgeving. Met dit rapport kan iedereen zich op de hoogte stellen van de werking van een eenvoudig simulatiemodel van betonkernactivering en de aspecten die daarbij in ogenschouw moeten worden genomen. Dit rapport is totstandgekomen door suggesties en opmerkingen vanuit de Technische Universiteit Eindhoven. Hierbij wil ik Jos van Schijndel bedanken voor zijn suggesties en opmerkingen met betrekking tot de uitvoering van de opdracht en uiteraard zijn ondersteuning bij het ontwerpen en realiseren van het simulatiemodel. Strijen, 21 januari 2005
Samenvatting Betonkernactivering wordt in de huidige Nederlands bouw steeds vaker toegepast als een alternatief voor conventionele klimaatinstallaties waarmee comfortabele binnenklimaten kunnen worden gerealiseerd in combinatie met een laag energiegebruik. Door het dynamische karakter van het systeem is een simulatiemodel noodzakelijk om een ontwerp te kunnen optimaliseren. Dit rapport heeft als doel het ontwerpen en realiseren van een simulatiemodel van een betonkernactiveringssysteem waarmee een uitspraak kan worden gedaan over het comfort, energiegebruik en vermogen van het systeem. De hierbij behorende doelstelling betreft het verkrijgen van inzicht in de invloeden op de hiervoor genoemde grootheden indien wordt gevarieerd met de geometrie van de bouwkundige constructie en het type regeling van de wateraanvoertemperatuur. Ten behoeve van de realisering van het simulatiemodel en de uitvoering van de simulaties worden in achtereenvolgende hoofdstukken de volgende onderwerpen besproken: − de definiëring van de benodigde uitgangsgegevens; − het ontstaan en principe van betonkernactivering; − een literatuurstudie over de eigenschappen van betonkernactivering en de normen en richtlijnen waarmee de simulatieresultaten kunnen worden gewaardeerd. De basis van het simulatiemodel van betonkernactivering wordt gevonden in het door de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelde ISE-model. Dit model wordt gebruikt in de softwareomgeving van Matlab en Simulink. Voor de simulatie van betonkernactivering is dit model uitgebreid met onder andere een bouwkundige constructie waarin betonkernactivering is opgenomen, een regeling van de wateraanvoertemperatuur en een preferentieschakeling tussen de betonkernactivering en het luchtbehandelingssysteem. Het gerealiseerde, maar niet gevalideerde, simulatiemodel is toegepast voor het uitvoeren van drie reeksen simulaties. Bij deze simulaties is gevarieerd met de geometrie van de bouwkundige constructie, het type regeling van de wateraanvoertemperatuur en de gecombineerde toepassing van betonkernactivering met een luchtbehandelingssysteem. De uitgevoerde simulaties hebben geresulteerd in de volgende conclusies: − Een vloer-/ plafondconstructie met een hoge massa gecombineerd met het opnemen van de leidingregisters in de kern van de constructie (betonkernactivering) resulteert in het beste comfort, gunstige vermogens en het laagste energiegebruik. − Een buitentemperatuurafhankelijke regeling van de wateraanvoertemperatuur met een maximum en minimum aanvoertemperatuur van respectievelijk 29°C en 18°C levert een beter comfort, hogere vermogens en een lager energiegebruik in vergelijking tot een constante wateraanvoertemperatuur van 22°C. − Betonkernactivering dient te worden gecombineerd met een luchtbehandelingssysteem doordat onder andere het vermogen van betonkernactivering te klein is om dekking te kunnen geven aan het ventilatiewarmteverlies.
− De toepassing van betonkernactivering levert een besparing op het energiegebruik met 35,8% en op de energiekosten met 39%. Als aanbeveling wordt gedaan om praktijkmetingen van een betonkernactiveringssysteem te verkrijgen. Hiermee wordt het mogelijk om het simulatiemodel aan de werkelijkheid te toetsen. Verder wordt aanbevolen om in het simulatiemodel de stralingstemperatuur op te nemen, maar ook dienen de tools waarmee de resultaten worden geanalyseerd te worden verbeterd, zodat de analyses eenvoudiger en nauwkeuriger kunnen worden uitgevoerd.
Symbolenlijst Symbool Aleiding
Betekenis oppervlakte buitenzijde leidingen
Eenheid m2
c cwater
soortelijke warmte soortelijke warmte van het water
J/ kg⋅K J/ kg⋅K
C2 C3
¼ ⋅ Cconstructie ¼ ⋅ Cconstructie
J/ K J/ K
C4 C5
¼ ⋅ Cconstructie + ½ ⋅ Cvloerbedekking ½ ⋅ Cvloerbedekking
J/ K J/ K
Cconstructie Cvloerbedekking
capaciteit van de betonconstructie capaciteit van de vloerbedekking
J/ K J/ K
Cw CF
capaciteit van de waterinhoud van de registers convectiefactor
J/ K -
COP d
Coefficient of Performance dikte
m
dconstructie dinbouw
dikte van de constructie inbouwdiepte leidingregisters
m m
dx h
steek uur
m -
m water
massastroom water door leidingregisters
kg/ s
M T1
metabolisme water retourtemperatuur
met °C
T2 T3
temperatuur kern constructie plafondtemperatuur
°C °C
T4 T5
temperatuur constructie vloerzijde temperatuur vloerbedekking
°C °C
Ti Ti1
ruimtetemperatuur ruimtetemperatuur 1
°C °C
Ti2 Tw_in
ruimtetemperatuur 2 wateraanvoertemperatuur
°C °C
R1 R2 R3 Rp
warmteweerstand kern – plafond warmteweerstand kern – vloer
K/ W K/ W
warmteweerstand vloerbedekking warmteovergangsweerstand plafondzijde
K/ W K/ W
Rv Rx
warmteovergangsweerstand vloerzijde vervangingsweerstand
K/ W K/ W
U-waarde ZTA
warmtedoorgangscoëfficiënt zontoetredingsfactor
W/ m ⋅K -
δ λ λb
leidingdiameter warmtegeleidingscoëfficiënt
m W/ m⋅K
warmtegeleidingscoëfficiënt constructie
W/ m⋅K
⋅
2
Symbool ρ
Betekenis dichtheid
Eenheid kg/ m3
Begrippenlijst zontoetredingsfactor
De verhouding tussen de door een venster met eventuele zonwering naar binnen doorgelaten zonnestraling in de vorm van lichtstraling, warmtestraling, direct afgegeven convectieve warmte en de opvallende zonnestraling.
convectiefactor (CF)
De verhouding tussen de direct door convectie aan de vertreklucht afgegeven warmte en de in het vertrek binnenkomende zonnewarmte of verlichtingswarmte.
metabolisme
Warmteontwikkeling in de persoon. Het metabolisme wordt uitgedrukt in de 2 eenheid met, waarbij 1 met = 58,2 W/m lichaamsoppervlak. Voor een man 2 2 is het lichaamsoppervlak gemiddeld 1,8 m en voor een vrouw 1,6 m .
Coefficient Of Performance (COP)
Deze term wordt ook wel de COP genoemd en geeft het rendement van een koelmachine of warmtepomp weer. Het betreft de verhouding tussen de verkregen hoeveelheid energie en de toegevoerde arbeid.
relay
Een relay is een standaard block welke is opgenomen binnen Matlab/ Simulink. Het relay bepaalt of de input wel of niet valt binnen de grenswaarden van de ingevoerde hysterese. Op basis van dat resultaat wordt door het relay een vooraf ingevoerde uitvoer gegenereerd.
Inhoudsopgave 1. Inleiding ............................................................................................................................... 6 2. Uitgangspunten ................................................................................................................... 7 2.1 2.2
Bouwkundige gegevens............................................................................................ 7 Installatietechnische gegevens................................................................................. 8
2.3
Simulatiemodel ......................................................................................................... 9
3. Betonkernactivering .......................................................................................................... 10 3.1
Principe ................................................................................................................... 10
4. Ontwerp van een betonkernactiveringssysteem ............................................................... 11 4.1 4.2
Behaaglijkheid......................................................................................................... 11 Het vermogen ......................................................................................................... 13
4.3 4.4
Regelingen.............................................................................................................. 16 Systeemconfiguraties.............................................................................................. 17
5. Modelvorming betonkernactivering ................................................................................... 18 5.1
Het basismodel ISE ................................................................................................ 18
5.2 5.3
Model betonkernactiveringsconstructie .................................................................. 19 Variërende warmteoverdrachtscoëfficiënten .......................................................... 25
5.4 5.5
Regeling wateraanvoertemperatuur ....................................................................... 26 Prioriteitsregeling tussen BKA en LBK ................................................................... 27
5.6 5.7
Schakelende zonwering.......................................................................................... 28 Starttijd en lengte van werkdag .............................................................................. 30
5.8 5.9
Kostenbepaling ....................................................................................................... 30 Het eindmodel en uitvoervisualisatie ...................................................................... 31
6. Simulaties met het betonkernactiveringsmodel ................................................................ 34 6.1
Uitgangsgegevens .................................................................................................. 34
6.2 6.3
Consequenties geometrie vloer-/ plafondconstructies............................................ 35 Consequenties variërende wateraanvoertemperatuur ........................................... 44
6.4
Consequenties toepassing BKA en/ of LBK ........................................................... 49
7. Conclusies & Aanbevelingen ............................................................................................ 54 7.1 7.2
Conclusies .............................................................................................................. 54 Discussie................................................................................................................. 56
7.3
Aanbevelingen ........................................................................................................ 57
Literatuurlijst ........................................................................................................................... 58
Bijlagen I. II.
Uitvoer warmteverliesberekening referentievertrek Overzicht bestanden en parameters ISE-model
III. IV.
Simulink-modellen behorende bij modelvorming betonkernactiveringssysteem Overzicht bestanden en parameters simulatiemodel betonkernactivering
V.
Parameters referentiesituatie betonkernactiveringsmodel
6
1.
Inleiding In de huidige Nederlandse bouw wordt steeds meer gebruik gemaakt van betonkernactivering. Het betreft een systeem dat een alternatief is voor conventionele klimaatinstallaties en waarmee comfortabele binnenklimaten zijn te realiseren in combinatie met een laag energiegebruik. Door het dynamische karakter van het systeem, voornamelijk door het actieve gebruik van de gebouwmassa, kan een geoptimaliseerd ontwerp van een betonkernactiveringssysteem alleen plaatsvinden door gebruik te maken van een dynamisch simulatiemodel. Het doel van dit rapport betreft het ontwerpen en realiseren van een dynamisch simulatiemodel van een betonkernactiveringssysteem, waarmee op ruimteniveau een uitspraak kan worden gedaan over het comfort, energiegebruik en vermogen van betonkernactivering. De doelstelling hierbij is om, met betrekking tot de hiervoor genoemde grootheden, te bekijken wat de invloeden zijn van de variatie van verschillende parameters, te weten: de geometrie van de vloeren cq. plafonds en de regeling van de wateraanvoertemperatuur. Dit rapport is verdeeld in zes onderdelen welke worden besproken in de hiernavolgende hoofdstukken. In hoofdstuk 2 wordt ingegaan op de uitgangsgegevens waarop het rapport is gebaseerd met betrekking tot het referentievertrek en het simulatiemodel. In hoofdstuk 3 wordt een uitleg gegeven over het ontstaan en het principe van betonkernactivering. In het daarop volgende hoofdstuk wordt op basis van een beknopte literatuurstudie uitleg gegeven over de eigenschappen van betonkernactivering en over de normeringen en richtlijnen waarmee de uitkomsten van de simulaties kunnen worden gewaardeerd. In hoofdstuk 5 wordt de modellering van het betonkernactiveringssysteem besproken, waaronder de principes en berekeningen die ten grondslag liggen aan de diverse submodellen. In hoofdstuk 6 wordt een overzicht gegeven van de uitgevoerde simulaties inclusief een analyse van de resultaten. De beschreven simulaties betreffen de invloed van de geometrie van de vloeren cq. plafonds en het type regeling van de wateraanvoertemperatuur op het energiegebruik en comfort van de installatie. Hierbij worden de simulaties uitgevoerd voor een winter- en zomerseizoen. Het rapport wordt afgesloten met een hoofdstuk waarin op de simulaties berustte conclusies worden beschreven gevolgd door een aantal aanbevelingen. Na het laatste hoofdstuk volgen de bijlagen zoals deze in de diverse hoofdstukken in de tekst worden genoemd.
7
2.
Uitgangspunten Voor dit project is ten behoeve van het ontwerp en realisering van het betonkernactiveringsmodel een referentiesituatie gekozen. Deze referentiesituatie heeft niet alleen betrekking op de bouwkundige en installatietechnische uitgangspunten, maar ook op uitgangspunten met betrekking tot de modelvorming.
2.1
Bouwkundige gegevens Vanwege de toegenomen populariteit van betonkernactivering in schoolgebouwen, betreft de referentiesituatie een in een middelbare school gelegen theorielokaal (fig. 2.1). De afmetingen en bouwkundige eigenschappen van het vertrek zijn weergegeven in tabel 2.1. Nr.
Constructie
Oriëntatie
Opbouw
Dikte [m]
1
buitenwand
zuidwest
2
buitenwand
zuidoost
3
binnenwand
gang
4
binnenwand
gang
5
vloer
vertrek
6
plafond
vertrek
Warmtegeleidings-
Soortelijke
Dichtheid
coëfficiënt (λ) [W/ m⋅K]
warmte (c) [J/ kg⋅K]
(ρ) [kg/ m3]
beton
0,10
1
840
1700
minerale wol metselwerk
0,11 0,105
0,04 1
840 840
35 2000
beton minerale wol
0,10 0,11
1 0,04
840 840
1700 35
metselwerk licht beton
0,105 0,18
1 0,45
840 840
2000 1300
pleisterlaag kalkzandsteen
0,01 0,105
0,7 1
840 840
1600 2000
pleisterlaag linoleum
0,01 0,003
0,7 0,17
840 1470
1600 300
afwerkvloer breedplaatvloer
0,05 0,28
1,3 1,9
840 840
2000 2500
breedplaatvloer afwerkvloer
0,28 0,05
1,9 1,3
840 840
2500 2000
linoleum
0,008
0,17
1470
300
Tabel 2.1: Bouwkundige eigenschappen referentievertrek
In constructie 1 en 2 is beglazing toegepast in combinatie met automatisch bediende buitenzonwering. De zonwering wordt naar beneden geschakeld indien de zonbelasting meer dan 2
250 W/ m bedraagt. De eigenschappen van de beglazing zijn weergegeven in tabel 2.2.
8
U-waarde
ZTA
CF
[W/ m ⋅K]
[-]
[-]
Zonwering op
1,2
0,6
0,1
Zonwering neer
1,2
0,2
0,1
2
Tabel 2.1: Eigenschappen beglazing referentievertrek
Figuur 2.1: Referentievertrek
2.2 2.2.1
Installatietechnische gegevens Ventilatie Het referentievertrek is voorzien van gebalanceerde ventilatie waarbij er mechanisch lucht wordt 3
toe- en afgevoerd met een hoeveelheid van 625 m /h. 2.2.2
Verwarming Het totale warmteverlies van het referentievertrek bedraagt 9380 W, onderverdeelt in de volgende posten: − transmissieverlies
: 1740 W
− infiltratieverlies − opwarmtoeslag
: 600 W : 1580 W
− ventilatieverlies
: 6250 W
Deze waarden zijn bepaald op basis van een warmteverliesberekening conform [1] en uitgevoerd met Vabi Uniforme Omgeving. De uitvoer van de berekening is ingevoegd in bijlage I. 2.2.3
Interne warmtelast De interne warmtelast is verdeeld over de posten apparatuur, personen en verlichting. Personen − Aantal − Warmteafgifte Apparatuur
: 31 : 80 W/ persoon (voelbaar)
− Personal computer : 150 − TV/ Stereo : 200
W W
− Beamer Verlichting
W W/ m2
: 150 : 10
9
2.3
Simulatiemodel Bij de ontwikkeling van het betonkernactiveringsmodel is gebruik gemaakt van een basismodel in de softwarematige Matlab/ Simulink omgeving. Dit basismodel, het door de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelde ISE-model [2], geeft inzicht in de ruimtetemperatuur van een 1-zone gebouw. In dit model zijn opgenomen: de omgeving (klimaatfile), het ventilatiesysteem, koel- en verwarmingsvermogens, de interne en externe warmtelast, de gewenste binnentemperatuur, het rendement van de installaties en de kosten van het energiegebruik. De parameters in dit model kunnen door middel van een gebruiksvriendelijke interface eenvoudig in het model worden aangepast. De keuze om het ISE-model als basis te gebruiken is ontstaan doordat in het betonkernactiveringsmodel ook een gebouwzone benodigd is waarmee een uitspraak kan worden gedaan over de binnentemperatuur, afhankelijk van de geometrie en omgeving van de betreffende ruimte c.q. gebouw. Voordat daadwerkelijk is besloten om het ISE-model als basis te gebruiken voor het ontwerpen en realiseren van het betonkernactiveringsmodel is bekeken of het ISE-model hier geschikt voor zou zijn. Hiertoe is een zeer eenvoudig betonkernactiveringsmodel gekoppeld aan het ISE-model en uit deze koppeling is gebleken dat het ISE-model geschikt is als basis voor de realisering van een betonkernactiveringsmodel.
10
3.
Betonkernactivering De gebouwmassa heeft invloed op het binnenklimaat van een gebouw. Door deze invloed op het binnenklimaat beïnvloedt de gebouwmassa indirect de werking van de klimaatinstallatie en het energiegebruik. Door het verschil in passieve warmteaccumulatie van de gebouwmassa kunnen temperatuurschommelingen bij een hoge gebouwmassa beter gedempt worden dan bij een gebouw met een kleine massa [3]. Dit kan resulteren in positieve en negatieve effecten op het energiegebruik. In de zomer zal een hoge gebouwmassa een gunstig effect hebben op het energiegebruik doordat de binnentemperatuur minder snel oploopt, waardoor er minder koelvermogen nodig is. In de winter blijft een hoge gebouwmassa langer op temperatuur waardoor het energieverlies naar de omgeving toeneemt en verder is er een grotere verwarmingscapaciteit nodig om het gebouw binnen een redelijke tijd op temperatuur te brengen. In de laatste decennia is de kwaliteit op het gebied van warmte-isolatie toegenomen en zijn er meer mogelijkheden op het gebied van zonwering [4]. Dit heeft in combinatie met de hogere eisen op het gebied van comfort en energiezuinigheid geleid tot de belangstelling om naast het verwarmen ook te gaan koelen door gebruikmaking van de bouwkundige constructie. Dit heeft in eerste instantie geleid tot de toepassing van oppervlakte verwarmings- en koelsystemen. In het begin van de jaren negentig is men in Zwitserland echter de capaciteit van de bouwkundige constructie beter gaan benutten door deze thermisch te activeren.
3.1
Principe Bij betonkernactivering worden registers watervoerende leidingen in de bouwkundige constructie van plafonds en vloeren opgenomen. Anders dan bij bijvoorbeeld vloerverwarmingssystemen worden de watervoerende leidingen niet in de deklaag van vloeren opgenomen, maar worden de leidingen in de betonconstructie opgenomen, zoals schematisch weergegeven in figuur 3.1. Hiermee kan de gebouwmassa thermische energie accumuleren door gebruik te maken van de beschikbare opslagcapaciteit. Door de opslag van thermische energie in de gebouwmassa wordt het mogelijk om de aan de gebouwmassa toe te voeren warmte of koude los te koppelen van het tijdstip van gebruik [5]. Vooral voor de koeling levert dit een belangrijk voordeel, omdat de warmte tijdelijk in de voorgekoelde gebouwmassa kan worden opgeslagen, waar het op een later tijdstip kan worden afgevoerd. Hierdoor wordt de koellast over een langere tijd verdeeld en kan de piekbelasting worden gereduceerd.
Figuur 3.1: Principe watervoerende leidingen in kern betonconstructie. [uit: 4]
11
4.
Ontwerp van een betonkernactiveringssysteem Door het dynamische karakter van een betonkernactiveringssysteem dient aandacht te worden besteed aan de aspecten die van invloed zijn op het comfort en energiegebruik van deze installatie. Deze aspecten betreffen de behaaglijkheid, het vermogen, regeling en systeemconfiguratie. Bij elke van deze aspecten spelen diverse parameters een rol die uiteindelijk van invloed zijn op de prestatie van het gehele systeem.
4.1
Behaaglijkheid De thermische behaaglijkheid van het binnenklimaat kan worden gewaardeerd door de toepassing van het model van Fanger. Binnen dit model zijn de lucht- en gemiddelde stralingstemperatuur één van de comfortparameters. De combinatie van de lucht- en stralingstemperatuur wordt ook wel de operationele temperatuur genoemd. Betonkernactivering beïnvloedt voornamelijk de lucht- en stralingstemperatuur. Een groot aandeel van de door een constructieonderdeel afgegeven thermische energie komt vrij door de afgifte of absorptie van straling waardoor voor het evenwicht een kleiner aandeel van de luchttemperatuur nodig is. Dit betekent dat er bij een verwarmingssysteem een lagere en bij een koelsysteem een hogere luchttemperatuur nodig is om een gelijke operatieve temperatuur te realiseren. In de winter zal de koelere lucht als aangenaam worden ervaren, doordat deze lucht een hogere relatieve vochtigheid heeft en daardoor een positieve invloed heeft op de luchtwegen. Tevens zullen, in vergelijking tot convectieve systemen, de energieverliezen door ventilatie in zowel de winter als de zomer afnemen doordat in de winter met een lagere en in de zomer met een hogere temperatuur kan worden ingeblazen. Door thermisch geactiveerde constructies te gebruiken om te koelen wordt het mogelijk om het aantal luchtwisselingen per uur te verminderen. Afhankelijk van de koellast kan de luchtverversing worden teruggebracht tot de hoeveelheid die noodzakelijk is uit hygiënisch oogpunt. Dit betekent dat de lucht met een lagere snelheid in de ruimte kan worden ingeblazen waardoor de tochtverschijnselen zullen afnemen en dit levert in combinatie met de hogere luchttemperatuur een comfortabel geheel. De luchtvochtigheid in een ruimte kan door betonkernactivering niet worden beïnvloed. Een hoge relatieve vochtigheid zorgt voor een broeierig, onbehaaglijk klimaat en kan vanwege dauwpuntsonderschreidingen ook het koelvermogen beperken. Voor het regelen van de relatieve vochtigheid is een ventilatiesysteem nodig waarmee de luchtvochtigheid kan worden geregeld.
4.1.1
Waardering Zoals reeds genoemd kan het binnenklimaat worden gewaardeerd door toepassing van het model van Fanger. In het model van Fanger spelen de volgende comfortparameters een rol: − Persoonsgebonden parameters: ∗ de warmteweerstand van de kleding (clo-waarde) en ∗ de warmteontwikkeling in de persoon (metabolisme). − Omgevingsgebonden parameters: ∗
luchttemperatuur;
12
∗ ∗
gemiddelde stralingstemperatuur; luchtsnelheid en
∗ luchtvochtigheid. Het model van Fanger resulteert in een voorspelling waarmee een uitspraak kan worden gedaan
over de te verwachten gemiddelde waardering van een groep personen over een willekeurig klimaat. Deze voorspelde gemiddelde uitspraak wordt Predicted Mean Vote (PMV) genoemd en heeft een waarde tussen -3 en +3. De waardering van de thermische behaaglijkheid behorende bij de PMV wordt uitgedrukt in een 7-punt-schaal (tabel 4.1) waarin de thermische gewaarwording wordt weergegeven. koud
koel
enigszins koel
neutraal
enigszins warm
warm
heet
-3
-2
-1
0
1
2
3
Tabel 4.1: De 7-punt-schaal voor de thermische gewaarwording.
Aansluitend op de PMV heeft Fanger de Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD) geïntroduceerd die een voorspelling geeft van het aantal personen dat het binnenklimaat zullen waarderen met -3, -2, 2 of 3 op de schaal voor de thermische gewaarwording. 4.1.2
Richtlijnen In tabel 4.2 wordt een overzicht gegeven van de aanbevelingen die worden gedaan met betrekking tot de minimale en maximale waarden van de comfortparameters die gelden volgens de vigerende normen en richtlijnen. Algemene behaaglijkheid
-0,5
PMV
+0,5
Operatieve temperatuur Winter, clo = 1,0 Zomer, clo = 0,5
20 – 24 °C 23 – 26 °C
Maximaal gemiddelde luchtsnelheid Zomer Winter Contacttemperatuur van de vloer Zittende werkzaamheden
0,18 m/s 0,15 m/s 19 – 29 °C minimaal 20 °C
Ventilatie Onderwijsfunctie (B2)
3
2
3,5 dm /s⋅m
gebruiksoppervlakte
Tabel 4.2: Aanbevelingen binnenklimaat op basis van NEN-EN-ISO-7730 [6] en Bouwbesluit 2003 [7].
Aanvullende richtlijnen Op basis van ISSO publikatie 19 [10] is het ook mogelijk de genormeerde algemene thermische behaaglijkheid te vertalen naar een minimale en maximale luchttemperatuur.
13
Deze richtlijn vermeldt bij een metabolisme van 1,2 met, zoals in kantoren en scholen, de volgende luchttemperaturen indien geldt -0,5 < PMV < +0,5: − wintersituatie: ∗ ∗
minimaal maximaal
− zomersituatie: 20 24,5
°C °C
∗ ∗
minimaal maximaal
21,5 25,5
°C °C
Ook is het mogelijk om het binnenklimaat te waarderen op basis van de richtlijnen van de Rijksgebouwendienst (RGD). De RGD heeft namelijk de algemene thermische behaaglijkheid, waarvoor geldt -0,5 < PMV < +0,5, op een andere manier benaderd. Zij hebben namelijk bepaald dat in de zomerperiode de algemene thermische behaaglijkheid geldt indien de volgende grenzen niet worden overschreden: − ruimtetemperatuur T > 25°C − ruimtetemperatuur T > 28°C 4.2
maximaal 5% van de gebruikstijd; maximaal 1% van de gebruikstijd.
Het vermogen Bij betonkernactivering wordt het door de constructieonderdelen afgegeven vermogen door een aantal factoren beïnvloed. Het af te geven vermogen wordt bepaald door de warmteoverdrachtscoëfficiënten tussen de oppervlakken en de ruimten, door de maximale en minimale oppervlaktetemperaturen, de afmetingen van het oppervlak en de thermische opslagcapaciteit van de constructie. In figuur 4.1 is schematisch weergegeven hoe de warmte wordt afgegeven en opgenomen door vloeren en plafonds en hoe het vermogen kan worden bepaald. De warmteoverdrachtscoëfficiënt bestaat uit de componenten straling en convectie. Voor de stralingscomponent wordt onder alle omstandigheden gerekend met een gemiddelde waarde van 2
5,5 W/ m •K [5, 8].
Plafond: alpha = 6 W/(m².K) T beton = 23˚C T ruimte = 20˚C Cap.= (23˚C - 20˚C) x alpha Vloer: 3 x 11 = 33 W/m² Plafond: 3 x 6 = 18 W/m²
Vloer: alpha = 11 W/(m².K)
Verwarmen
Plafond: alpha = 11 W/(m².K) T beton = 20˚C T ruimte = 24˚C Cap.= (24˚C - 20˚C) x alpha Vloer: 4 x 7 = 28 W/m² Plafond: 4 x 11 = 44 W/m²
Vloer: alpha = 7 W/(m².K)
Koelen
Figuur 4.1: Het afgegeven vermogen van vloeren en plafonds bij koelen en verwarmen.
14
De warmtetransmissie door convectie heeft variërende waarden, afhankelijk van koelen of verwarmen en het soort constructieonderdeel dat voor de warmtetransmissie wordt gebruikt. De warmteoverdrachtscoëfficiënten leveren in combinatie met de gestelde eisen voor de oppervlaktetemperaturen van de bouwdelen het maximale theoretische vermogen dat door de bouwdelen bij een bepaalde ruimtetemperatuur kan worden afgegeven (tabel 4.3).
constructieonderdeel
warmtetransmissiecoëfficiënt
oppervlaktetemperatuur
maximaal vermogen
°C
W/ m
2
W/ m •K
vloer
2
verwarmen
koelen
max. verwarmen
min. koelen
verwarmen
koelen
11 11
7 7
35 29
20 20
165 99
42 42
6
11
≈ 27
17
42
99
randzone verblijfsruimte
plafond
Tabel 4.3: Warmteoverdrachtscoëfficiënten en maximale vermogens voor betonkernactivering [6]
Voor het plafond is de minimale temperatuur bij koelen vastgesteld op 17°C, zodat de dauwpuntstemperatuur niet wordt onderschreden en vochtvorming wordt voorkomen. 4.2.1
Vloer- en plafondconstructie De opbouw van de constructie en de manier waarop de leidingregisters in de constructie zijn opgenomen zijn bepalend voor het af te geven of opgenomen genomen vermogen van de vloer en het plafond. De in tabel 4.3 genoemde vermogens dienen daarom te worden genuanceerd doordat, bijvoorbeeld een vloerafwerking als tapijt, een negatieve invloed op het af te geven vermogen heeft. Het af te geven vermogen is verder afhankelijk van de inbouwdiepte van de leidingregisters (fig. 4.2) in de constructie en de onderlinge leidingafstand. Hoe dichter de leidingen bij elkaar zitten en hoe kleiner de afstand tussen de leidingregisters en de oppervlakte van het constructieonderdeel, hoe groter het af te geven vermogen. Bij een vloersysteem vindt de grootste warmte-uitwisseling met de ruimte aan de vloerzijde plaats. Dit is gunstig voor verwarmingssystemen, doordat de warmteoverdrachtscoëfficiënt bij verwarmen aan de vloerzijde het grootst is. Om dezelfde reden is een plafondsysteem gunstig om te koelen. Bij beide systemen is de voor opslag beschikbare massa echter losgekoppeld van de ruimte en speelt daardoor geen rol bij het klimaat in de ruimte [4]. Bij een betonkernsysteem daarentegen wordt de massa wel actief gebruikt door deze thermisch te activeren, zodat de massa actief aan de klimatisering van een ruimte deelneemt.
15
Vloersysteem
Betonkernsysteem
Plafondsysteem
Figuur 4.2: Systemen van in beton opgenomen leidingregisters.
Het totale vermogen dat in een ruimte beschikbaar is voor verwarmen en/ of koelen wordt bepaald door de beschikbare oppervlakte van de thermisch geactiveerde constructieonderdelen. Bij de toepassing van betonkernactivering betekent dit dat de vloeren en plafonds “vrij” in contact met de ruimte moeten kunnen staan. Hierdoor is de toepassing van een gesloten verlaagd plafond uitgesloten. Het niet toepassen van een verlaagd, geluidsabsorberend, plafond resulteert in de toepassing van alternatieve geluidsabsorberende voorzieningen. 4.2.2
Gevelconstructie Het totale koel- en verwarmingsvermogen dat door de vloer en het plafond kan worden afgegeven wordt bepaald door de oppervlakte van de constructies en de vermogensafgifte per vierkante meter. Doordat het vermogen op deze manier beperkt is dient de ruimtetemperatuur zo min mogelijk door externe belastingen en warmteverliezen te worden beïnvloed. Voor de wintersituatie betekent dit dat het warmteverlies moet worden beperkt door de toepassing van een goede warmte-isolatie. Voor de zomersituatie zijn echter aanvullende voorzieningen noodzakelijk. De externe belasting wordt in de zomerperiode bepaald door de zoninstraling. Om deze te beperken dient er te worden gekozen voor beglazing met een lage zontoetredingsfactor in combinatie met buitenzonwering. In tabel 4.4 staan aanbevelingen voor de eigenschappen van gevelconstructies. Scheidingsconstructie
U-waarde [W/ m2•K]
gevel dak
≤ 0,32 ≤ 0,32
beglazing
≤ 1,1
ZTA-waarde [-]
≤ 0,50
Tabel 4.4: Aanbevelingen voor warmtedoorgangscoëfficiënten en zontoetredingsfactoren van gevelconstructies.
Bij de toepassing van buitenzonwering zal de combinatie van het in tabel 4.4 genoemde glas leiden tot een maximale ZTA-waarde van 0,20. Voor de schakelmomenten van buitenzonwering kan gerekend worden met [9]: − Handbediende buitenzonwering: ∗ ∗
2
Zonwering neer indien zonbelasting > 300 W/m ; Zonwering op indien zonbelasting > 250 W/m2.
− Automatisch bediende buitenzonwering: 2 ∗ Zonwering neer indien zonbelasting > 250 W/m ;
16
∗
4.3
2
Zonwering op indien zonbelasting > 250 W/m .
Regelingen De toepassing van betonkernactivering dient altijd te worden gecombineerd met een luchtbehandelingssysteem ten behoeve van de regeling van de luchtvochtigheid in de ruimte. Hierdoor betreft de regeling van een betonkernactiveringssysteem dus enerzijds de waterzijdige regeling van de betonkernactivering en anderzijds de prioriteitsregeling tussen het vermogen van de betonkernactivering en de luchtbehandeling. De regeling van de gehele installatie is uiteindelijk bepalend voor het energiegebruik en het comfort van de installatie.
4.3.1
Waterzijdige regeling betonkernactivering Bij de waterzijdige regeling zijn diverse strategieën mogelijk waarbij echter rekening moet worden gehouden met een aantal randvoorwaarden. Enerzijds moet er rekening worden gehouden met de massatraagheid van de constructie en anderzijds is het gewenst om gebruik te maken van het zelfregulerende karakter van de constructie. Vanwege de massatraagheid van de constructie is een regeling van de toevoerwatertemperatuur, die op snel variërende belastingen moet reageren, niet zinvol. Het zelfregulerende, dynamische karakter wordt verkregen door het actieve gebruik van de massa van de constructieonderdelen. Om gebruik te maken van het zelfregulerende karakter dient de temperatuur van de constructie zo dicht mogelijk bij de ruimtetemperatuur te liggen [4, 5]. Een temperatuurverandering tussen de ruimte- en oppervlaktetemperatuur zal namelijk direct het door de constructie afgegeven of geabsorbeerde vermogen beïnvloeden. Het zelfregulerende karakter zorgt er voor dat bij een constante temperatuur van de betonkern van bijvoorbeeld 22°C het systeem zal gaan koelen indien de ruimtetemperatuur boven de 22°C stijgt en gaat verwarmen indien de ruimtetemperatuur onder de 22°C daalt. Soorten regelingen De volgende regelingen zijn voor het betonkernactiveringsproces mogelijk: − het variëren van de bedrijfstijd van het betonkernactiveringssysteem; − een onderbroken bedrijf van de circulatiepomp en − de regeling van de toevoerwatertemperatuur. In het simulatiemodel zal een regeling op basis van de wateraanvoertemperatuur worden toegepast. De overige regelingen zullen daarom niet verder in het rapport worden besproken. Bij het regelen van de watertoevoertemperatuur dient het zelfregulerende karakter zoveel mogelijk te worden nagestreefd. Dit betekent dat de betonkern gedurende het gehele jaar tussen de 20°C en 27°C zou moeten worden gehouden. Hiermee wordt voorkomen dat tijdens het wegvallen van de interne warmtebelasting of het optreden van externe belasting er in de ruimte respectievelijk onderkoeling of oververhitting kan plaatsvinden. Voor de regeling van de wateraanvoertemperatuur kan worden gekozen voor een constante temperatuur of buitentemperatuurafhankelijk. Bij de keuze voor een constante wateraanvoertemperatuur dient een temperatuur te worden geselecteerd waarmee gedurende het gehele jaar de constructie de betreffende ruimten zowel kan koelen als verwarmen. Indien echter
17
wordt gekozen voor een buitentemperatuurafhankelijke regeling kan de wateraanvoertemperatuur meer invloed uitoefenen op het te verwachten vermogen dat door de constructie moet worden afgegeven of opgenomen om een behaaglijk binnenklimaat te realiseren. 4.3.2
Prioriteitsregeling tussen betonkernactivering en luchtbehandeling Bij de toepassing van zowel betonkernactivering als luchtbehandeling dient een strategie te worden ontworpen waarmee de preferentie van de betonkernactivering en de luchtbehandeling wordt geregeld. Bij de toepassing van betonkernactivering is het logisch te veronderstellen om de binnentemperatuur te regelen op basis van het zelfregulerende karakter van het systeem. Er kan echter een situatie optreden waarbij het vermogen van de betonkernactivering ontoereikend is om de gewenste minimum of maximumtemperatuur te handhaven. In deze situatie zal het luchtbehandelingssysteem vermogen aan de zone moeten toe- en afvoeren, totdat de gewenste minimum en maximum temperatuur opnieuw zijn bereikt. De drempelwaarde voor het wel of niet in bedrijf stellen van het luchtbehandelingssysteem zal moeten worden vastgesteld op basis van het gewenste comfortniveau.
4.4
Systeemconfiguraties Bij betonkernactivering wordt gebruik gemaakt van lage temperaturen voor verwarmen en hoge temperaturen voor koelen. Hierdoor is betonkernactivering zeer geschikt voor de toepassing van duurzame energieopwekkers. Deze duurzame energieopwekkers hebben in tegenstelling tot conventionele warmte- en koudeopwekkers hogere rendementen waardoor de energiegebruiken kunnen afnemen. Zeer geschikt voor laag temperatuurverwarming en hoog temperatuurkoeling is de toepassing van een omkeerbare warmtepomp. Hiermee kan zowel warmte als koude geproduceerd in combinatie met een hoog opwekkingsrendement welke wordt uitgedrukt in de Coefficient Of Performance (COP). Een overzicht van rendementen is weergeven in tabel 4.5. Warmte- en/of koudeopwekker HR-verwarmingsketel Compressiekoelmachine Warmtepomp - gasgestookt - elektrisch
Rendement [%]
COP [-]
90 2,3 2 2-5
Tabel 4.5: Rendementen diverse warmte- en/ of koudeopwekkers.
18
5.
Modelvorming betonkernactivering Met behulp van simulatiemodellen wordt het mogelijk om een theoretisch ontwerp van een betonkernactiveringssysteem te toetsen. Op basis van de in het voorgaande hoofdstuk beschreven literatuur is het mogelijk een inventarisatie te maken van de onderdelen die het model van het betonkernactiveringssysteem moet bevatten. De combinatie van deze onderdelen, de submodellen, zullen een model vormen waarmee de gewenste simulaties van het betonkernactiveringssysteem kunnen worden uitgevoerd. Als basismodel van het betonkernactiveringsmodel wordt het ISE-model toegepast [1]. Daarnaast zal het model moeten beschikken over de volgende onderdelen: − een bouwkundige vloer-/ plafondconstructie met daarin opgenomen betonkernactivering; − een submodel waarmee de gewenste warmteoverdrachtscoëfficiënten worden geselecteerd; − een regeling voor de wateraanvoertemperatuur; − een preferentieschakeling tussen de betonkernactivering en de luchtbehandeling; − een uitbreiding van het ISE-model, waaronder: ∗ toevoeging van schakelende zonwering; ∗ ∗
5.1
toevoeging van een starttijd en lengte van de werkdag; uitbreiding van de kostenbepaling met een hoog en laag energietarief.
Het basismodel ISE Het ISE-model is ontworpen om inzicht te krijgen in de warmte- en koudebehoefte van een gebouw waarbij rekening wordt gehouden met het klimaat en de in- en externe warmtebelasting. Het ISEmodel is schematisch weergegeven in figuur 5.1 en heeft een input- en outputstructuur conform tabel 5.1. In de bijlage zijn per bloknaam de parameters weergegeven die moeten worden ingevoerd in het ISE-model. Figuur 5.1: Schematische weergave ISE-model
klimaat Q solar Q internal zone Q heating/cooling
Te
T internal mass
Q solar
T facade internal
Q internal zone
ISE
Q heating/cooling
T facade external T internal
T setpoint energy eff. & costs
Input
Symbool
Output
Symbool
buitentemperatuur
Te
temperatuur interne massa
T internal mass
verwarmings- en
Q heating/cooling
temperatuur constructie
T facade internal
Q internal zone
binnenzijde temperatuur constructie
T facade external
Q solar
buitenzijde temperatuur binnenlucht
T internal
koelvermogen interne warmtebelasting externe warmtebelasting door de zon
19
Tabel 5.1: Input- en outputgrootheden ISE-model
5.1.1
Validatie De validatie van het ISE-model valt buiten de beschouwing van dit rapport. De reden hiervoor is de bron van het ISE-model, de Technische Universiteit Eindhoven, waarvan in het kader van dit rapport wordt geacht dat het model juist is. Hierdoor is alleen gecontroleerd of het model op een logische manier op de variatie van parameters reageert. Hierbij is gebleken dat het model daadwerkelijk logisch reageert op de variatie van de parameters. Model betonkernactiveringsconstructie De werking van betonkernactivering kan worden geschematiseerd zoals weergeven in figuur 4.1, waarbij er kan worden gekozen voor koelen of verwarmen afhankelijk van het verschil tussen de oppervlaktetemperatuur van de constructie en de ruimtetemperatuur. Bij de modellering van debetonkernactiveringsconstructie dient rekening te worden gehouden met de invloed van de inbouwdiepte van de leidingregisters, de steek van de leidingen, de fysische eigenschappen van de constructieonderdelen en de wateraanvoertemperatuur. Deze invloeden zijn in figuur 5.2 schematisch weergeven door de weergave van verschillende temperaturen en weerstanden. Ruimte 1 Rv
R3
Ti1 T5
R2
T4 T1 Rx
T1
T1
R1
Tw_in
T2
Rx
T3 Ti2 Rp
5.2
Ruimte 2
Figuur 5.2: Schematische weergave betonkernactiverings-
Figuur 5.3: Toelichting bij wiskundige vergelijking Rx
constructie
Bij figuur 5.2 geldt als verklaring voor de symbolen: Symbool
Benaming
Eenheid
Symbool
Benaming
Eenheid
T1 T2
water retourtemperatuur temperatuur kern
°C °C
R1
warmteweerstand kern – plafond
K/ W
constructie plafondtemperatuur
R2 °C
warmteweerstand kern – vloer
K/ W
T3 T4
temperatuur constructie
°C
R3
warmteweerstand
K/ W
20
Symbool
Benaming vloerzijde
Eenheid
Symbool
Benaming vloerbedekking
Eenheid
T5
temperatuur
°C
Rp
warmteovergangsweerstand
K/ W
Ti1
vloerbedekking ruimtetemperatuur 1
°C
Rv
plafondzijde warmteovergangsweerstand
K/ W
Ti2 Tw_in
ruimtetemperatuur 2 wateraanvoertemperatuur
°C °C
Rx
vloerzijde vervangingsweerstand
K/ W
Bij de modellering wordt verondersteld dat de temperatuur aan de buitenzijde van de leiding gelijk is aan de heersende watertemperatuur. De vervangingsweerstand Rx wordt gegeven als de weerstand waarmee de warmtestromen in de constructie kunnen worden beschreven [8]. Voor de wiskundige vergelijking van de vervangingsweerstand Rx geldt:
dx π ⋅δ Rx = 2 ⋅ π ⋅ λb ⋅ Aleiding d x ⋅ ln
waarbij geldt (zie ook figuur 5.3): dx δ (delta)
: steek : leidingdiameter
[m] [m]
λb Aleiding
: warmtegeleidingscoëfficiënt constructie : oppervlakte buitenzijde leidingen
[W/ m⋅K] [m2]
Bij de toepassing van de vervangingsweerstand Rx moet tevens gelden:
d inbouw > 0,3 ; dx d constructie − d inbouw − > 0,3 en dx
−
−
δ
dx
< 0,2 .
Op basis van de hiervoor gegeven figuren 5.2 en 5.3 en de wiskundige vergelijking van de vervangingsweerstand Rx kan een analogon worden opgesteld van de betonkernactiveringsconstructie. Deze is weergeven in figuur 5.4.
R2 Tw_in
T1
Cw
1/2 Rx
T4
R3
T5
Rv
T2 C4 C2
R1
T3
1/2 Rx C3
Figuur 5.4: Analogon betonkernactiveringsconstructie
Ti
C5 Rp
21
22
In aanvulling op de symbolen bij figuur 5.3 geldt: Symbool Benaming
Eenheid
Ti Cw
ruimtetemperatuur capaciteit van de waterinhoud van de registers
°C J/ K
C2 C3
¼ ⋅ Cconstructie ¼ ⋅ Cconstructie
J/ K J/ K
C4 C5
¼ ⋅ Cconstructie + ½ ⋅ Cvloerbedekking ½ ⋅ Cvloerbedekking
J/ K J/ K
Cconstructie Cvloerbedekking
capaciteit van de betonconstructie capaciteit van de vloerbedekking
J/ K J/ K
In afwijking van figuur 5.2 wordt nu verondersteld dat Ti1 en Ti2 de ruimtetemperatuur van één en dezelfde ruimte betreffen en daardoor het symbool Ti krijgen. 5.2.1
Differentiaalvergelijkingen Op basis van het analogon uit figuur 5.4 kan het volgende stelsel differentiaalvergelijkingen worden opgesteld:
⋅ dT1 T −T = m water ⋅ c water ⋅ (Tw _ in − T1 ) − 1 2 dt 2 ⋅ Rx dT T − T2 Tw _ in − T2 T2 − T4 T2 − T3 C2 ⋅ 2 = 1 + − − dt 2 ⋅ Rx 2 ⋅ Rx R2 R1 dT T − T3 T3 − Ti − C3 ⋅ 3 = 2 dt R1 Rp
Cw ⋅
dT4 T2 − T4 T4 − T5 = − dt R2 R3 dT T − T5 T5 − Ti C5 ⋅ 5 = 4 − dt R3 Rv C4 ⋅
waarbij: ⋅
m water : massastroom water door leidingregisters
[kg/ s]
cwater
[J/ kg⋅K]
: soortelijke warmte van het water
Deze differentiaalvergelijkingen zijn in Matlab in een S-function ingevoerd. De benaming van deze S-function is: JRX_bka_SF_v1.m. Deze S-function is opgenomen in bijlage III.1. 5.2.2
Input- en outputgrootheden en parameters Input − De binnentemperatuur Ti. Deze zal worden gekoppeld aan de output van het ISE-model, te weten T internal. − De wateraanvoertemperatuur Tw_in. Deze zal worden gekoppeld aan de output van het later in
23
dit hoofdstuk besproken submodel “regeling wateraanvoertemperatuur”. − De warmteoverdrachtscoëfficiënten αp en αv. Deze zullen worden gekoppeld aan de output van het later in dit hoofdstuk besproken submodel “alpha controller”. Deze waarden worden in het model omgerekend naar respectievelijk de warmteovergangsweerstand Rp en Rv . Output − De temperaturen T1 tot en met T5. Overige output Op basis van de hiervoor genoemde input- en outputgrootheden is het mogelijk een aantal overige outputgrootheden te definiëren die kunnen worden bepaald op basis van de waarden van de betreffende grootheden. Het betreft de volgende grootheden: − Q_vloer : het koel-/ verwarmingsvermogen van de vloer
[W]
− Q_plafond − Q_BKA
: het koel-/ verwarmingsvermogen van het plafond [W] : het koel-/ verwarmingsvermogen van de vloer en het plafond [W]
− Q_water
: het waterzijdige koel-/ verwaringsvermogen
[W]
Hierbij geldt:
Q _ vloer = Abouwdeel ⋅ α v ⋅ (T5 − Ti ) Q _ plafond = Abouwdeel ⋅ α p ⋅ (T3 − Ti ) Q _ BKA = Q _ vloer + Q _ plafond Q _ water = m water ⋅ c water ⋅ (Tw _ in − T1 ) ⋅
waarbij: 2
Abouwdeel : oppervlakte van het betreffende constructieonderdeel [m ] Parameters − De capaciteiten Cw en C2 tot en met C5. − De weerstanden Rp, Rv, Rx en R1 tot en met R3. − De dikte van de vloerbedekking d_vloerbedekking. − De dikte van de betonconstructie d_constructie. − De inbouwdiepte van de leidingregisters d_inbouw. − De oppervlakte van de constructie Abouwdeel. − De steek van de leidingen dx. − De leidingdiameter δ. − De lengte van de leidingen van het leidingregister. Dit ter bepaling van de oppervlakte buitenzijde leiding Aleiding. − De hoeveelheid water in de leidingregisters ter bepaling van de capaciteit Cw. − De massastroom water
⋅
m water.
24
De waarden van de overige capaciteiten en weerstanden zijn afhankelijk van de eigenschappen van de constructies. Ze zijn te bepalen volgens de algemeen geldende formules:
d λ⋅A C = ρ ⋅c ⋅ A⋅d R=
[K/ W] [J/ K]
waarbij: d : dikte
[m]
A : oppervlakte λ : warmtegeleidingscoëfficiënt
[m ] [W/ m⋅K]
ρ : dichtheid c : soortelijke warmte
[kg/ m3] [J/ kg⋅K]
2
Het simulink-model van de betonkernactiveringsconstructie met daarin opgenomen de S-function JRX_bka_SF_v1.m , de parameters en de input- en outputgrootheden is weergeven in figuur 5.5. 5.2.3
Figuur 5.5: Simulink-model betonkernactiveringsconstructie
Validatie Het model van de betonkernactiveringsconstructie is niet gevalideerd door middel van metingen. Van dit systeem zijn namelijk geen metingen voorhanden en in het kader van dit project is het niet mogelijk door middel van een proefopstelling het model te valideren. Er is echter wel een controle uitgevoerd op de juistheid van het model door het uitvoeren van een statische controleberekening. Bij het uitvoeren van deze berekening kunnen de temperatuursveranderingen in de tijd gelijk aan nul worden gesteld. Dit betekent dat bij een juiste controleberekening de uit de statische simulatie afgelezen temperaturen als uitkomst nul moeten geven indien deze waarden in de differentiaalvergelijkingen uit paragraaf 5.2.1 worden ingevoerd. De hiervoor genoemde statische simulatie betreft het model van de betonkernactiveringsconstructie, waarbij de inputgrootheden echter constanten zijn. De statische simulatie heeft de benaming jrx_bka_val.mdl. De uitgangspunten en uitkomsten van de berekeningen zijn opgenomen in een spreadsheet welke is opgenomen in bijlage III.2. Na invulling van de uit de simulatie afgelezen temperaturen blijkt te gelden dat:
dT1 = −3,72 ⋅ 10 −3 ≈ 0 dt dT2 = 3,54 ⋅ 10 − 4 ≈ 0 dt dT3 = −1,14 ⋅ 10 −6 ≈ 0 dt
dT4 = −3,53 ⋅10 −6 ≈ 0 dt dT5 = −9,83 ⋅10 −5 ≈ 0 dt
25
Aangezien de uitkomsten van alle differentiaalvergelijkingen bijna gelijk zijn aan nul kan worden geconcludeerd dat de differentiaalvergelijkingen op een juiste manier in het model van de betonkernactiveringsconstructie zijn opgenomen. 5.3
Variërende warmteoverdrachtscoëfficiënten Een betonkernactiveringsconstructie kan een vloer of plafond betreffen en kan zowel koelen als verwarmen. Uit de literatuur blijkt dat de warmteoverdrachtscoëfficiënten variëren afhankelijk van het soort constructie en het koel- of verwarmbedrijf. Voor de warmteoverdrachtscoëfficiënten kunnen de volgende waarden worden gehanteerd: Constructieonderdeel
vloer plafond
Warmteoverdrachtscoëfficiënt [W/ m2⋅K] verwarmen
koelen
11 6
7 11
Tabel 5.2: Warmteoverdrachtscoëfficiënten vloer en plafond
Door te bepalen of de betreffende constructie vermogen afgeeft of vermogen opneemt kan de bijbehorende warmteoverdrachtscoëfficiënt worden geselecteerd. 5.3.1
Modellering De selectie van de juiste overdrachtscoëfficiënt is gemodelleerd door een script m-file in te lezen in een submodel binnen Simulink. In de script m-file wordt op basis van het verschil tussen de ruimtetemperatuur en de oppervlaktetemperatuur van de betreffende constructie bepaald of de constructie de ruimte koelt of verwarmt. Op basis van dit gegeven geeft het model de juiste waarde van de warmteoverdrachtscoëfficiënt als output. De script m-file heeft de benaming JRX_alpha_control.m en is opgenomen in bijlage III.3. De volgende grootheden worden als input en output toegepast: Input − de ruimtetemperatuur, T internal; − de plafondtemperatuur, T3; − de temperatuur van de vloerbedekking, T5. Output − de warmteoverdrachtscoëfficiënt aan de vloerzijde, alpha_vloer; − de warmteoverdrachtscoëfficiënt aan de plafondzijde, alpha_plafond.
Figuur 5.6: Simulink-model alpha-controller
26
5.4
Regeling wateraanvoertemperatuur De wateraanvoertemperatuur kan constant of buitentemperatuurafhankelijk worden geregeld. De constante regeling is eenvoudig en levert onder alle omstandigheden een gelijke wateraanvoertemperatuur. Bij een buitentemperatuurafhankelijke regeling zal echter een strategie bepaald moeten worden waarmee vaststaat welke wateraanvoertemperatuur geleverd moet worden bij een bepaalde buitentemperatuur. In dit model zal een buitentemperatuurafhankelijke regeling worden opgenomen met een stooklijn conform figuur 5.7. Ter bepaling van de minimale en maximale wateraanvoertemperaturen is gebruik gemaakt van tabel 4.3. Uit deze tabel is een minimum- en maximumtemperatuur geselecteerd die voor zowel de vloer als het plafond toepasbaar zijn. Hieruit blijkt dat de minimale
Figuur 5.7: Regeling wateraanvoertemperatuur
temperatuur van de constructie 20°C en maximaal 27°C mag zijn. Er wordt verondersteld dat door de eigenschappen van de bouwkundige constructie de wateraanvoertemperatuur ongelijk is aan de oppervlaktetemperatuur van de vloer of het plafond. Hierbij is een aanname gedaan dat dit verschil minimaal 2°C betreft waardoor de minimale en maximale aanvoertemperatuur respectievelijk 18°C en 29°C zal zijn. Deze aanvoertemperaturen zijn, zoals weergeven in figuur 5.7, gekoppeld aan een maximum buitentemperatuur van 30°C en een minimum temperatuur van -10°C. 5.4.1
Modellering In het Simulink-model van de regeling van de wateraanvoertemperatuur (fig. 5.8) is de mogelijkheid opgenomen om te kiezen voor een constante of buitentemperatuurafhankelijke regeling. Deze keuze kan worden gemaakt in de interface van dit model. Indien de keuze is geselecteerd voor een buitentemperatuurafhankelijke regeling zal het model op basis van de buitentemperatuur en de ingevoerde stooklijn de wateraanvoertemperatuur bepalen.
Figuur 5.8: Simulink-model regeling wateraanvoertemperatuur
27
De input, output en parameters van dit model betreffen: Input − de buitentemperatuur, T external. Output − de wateraanvoertemperatuur, Temp_water_aanvoer. Parameters (zie ook fig. 5.7) − de maximale wateraanvoertemperatuur, Tw_max; − de minimale wateraanvoertemperatur, Tw_min; − de buitentemperatuur behorende bij de maximale wateraanvoertemperatuur, Te_min; − de buitentemperatuur behorende bij de minimale wateraanvoertemperatuur, Te_max; 5.5
Prioriteitsregeling tussen BKA en LBK Bij de toepassing van betonkernactivering (BKA) krijgt dit systeem prioriteit bij het regelen van het binnenklimaat. Indien het vermogen van het systeem echter ontoereikend is kan het vermogen van het luchtbehandelingssysteem (LBK) worden ingeschakeld om het gewenste binnenklimaat te realiseren. Bij deze prioriteitsregeling wordt de luchtbehandelingskast ingeschakeld indien de ruimtetemperatuur een bepaalde minimum of maximumtemperatuur onder- of overschrijd die op basis van de behaaglijkheid als comfortabel wordt ervaren. Het is gebleken dat het behaaglijkheidsgebied van de binnentemperatuur een minimum heeft van 20°C en maximum heeft van 25,5°C. Op basis van deze gegevens kan een strategie worden ontworpen waarmee de inschakelmomenten van de LBK worden bepaald, zoals weergegeven in figuur 5.9.
5.5.1
Figuur 5.9: Prioriteitsregeling tussen BKA en LBK
Modellering Als basis voor de prioriteitsregeling is gekeken naar de bruikbaarheid van het Simulink-model ‘heating/cooling capacities’ uit het ISE-model. In dit bestaande model wordt gebruik gemaakt van een PID-regelaar (zie fig. 5.10) die op basis van het verschil tussen de ruimtetemperatuur en het gewenste setpoint, het vermogen van de luchtbehandelingskast regelt. Deze regeling functioneert goed indien de PID-regelaar continu in bedrijf is. Hierdoor kan de PID-regelaar het vermogen regelen afhankelijk van de snelheid waarmee er een temperatuursverandering ten opzichte van het setpoint optreedt. Indien de luchtbehandelingskast echter niet primair wordt
Figuur 5.10: PID-regelaar uit block heating/cooling capacities van het ISE-model.
28
gebruikt om het gewenste klimaat te handhaven, maar slechts wordt ingeschakeld ten tijde van pieklasten, zal de PID-regelaar slecht functioneren. De PID-regelaar zal namelijk tijdens het inschakelen worden geconfronteerd met een relatief grote afwijking tussen de ruimtetemperatuur en het gewenste setpoint, waardoor de PID-regelaar het maximale vermogen van de luchtbehandelingskast zal toevoeren aan de ruimte. Het op deze wijze functioneren is niet gewenst en daardoor is de PID-regelaar inclusief de regelaar van het setpoint vervangen door middel van relay’s. De prioriteitsregeling tussen de BKA en de LBK is in het model opgenomen door de toepassing van relay’s, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen een relay t.b.v onderschrijding en een relay t.b.v. overschrijding van een bepaalde temperatuur. Er zijn hierbij echter twee sets relay’s opgenomen, zodat het mogelijk wordt om buiten de gebruikstijd van het gebouw een hogere temperatuur onder- en overschrijding toe te laten. Zie voor het complete model figuur 5.11. Op basis van de ruimtetemperatuur en de gebruikstijd van het gebouw wordt bepaald of het ingevoerde vermogen van de LBK voor verwarmen en/ of koelen moet worden ingeschakeld. Indien de LBK niet wordt ingeschakeld is het aan de ruimte toe of af te voeren vermogen gelijk aan het vermogen van het de BKA. Indien deze echter wel wordt ingeschakeld zal het totale vermogen van de BKA en LBK gezamenlijk als uitvoer worden gegeven. De input, output en parameters van dit model zijn: Input − de binnentemperatuur, T internal; − de gebruikstijd, pulse week&dag; − het vermogen van de BKA, Q_BKA. Output − het vermogen van de LBK, Q_LBK; − het totale vermogen van BKA en LBK, Q_totaal. Parameters − verwarmingscapaciteit van de LBK, Q_LBK_heat; − koelcapaciteit van de LBK, Q_LBK_cool; − de minimum temperatuur waarbij de LBK moet worden ingeschakeld, T_LBK_min; − de maximum temperatuur waarbij de LBK moet worden ingeschakeld, T_LBK_max;
Figuur 5.11: Simulink-model voor vermogen LBK en prioriteitsregeling tussen BKA en LBK
− hysterese koeling, Hyst_cool; − hysterese verwarming, Hyst_heat; − toegelaten temperatuur onder- en overschrijding buiten de gebruikstijd, deltaT; 5.6
Schakelende zonwering Om de externe warmtelast tot minimum te beperken dient bij de toepassing van betonkernactivering gebruik te worden gemaakt van buitenzonwering. Afhankelijk van de zonebelasting zal de zonwering, handmatig of automatisch, op en neer geschakeld worden.
29
Hiervoor gelden de volgende waarden: − Handbediende buitenzonwering: ∗ ∗
2
Zonwering neer indien zonbelasting > 300 W/m ; Zonwering op indien zonbelasting > 250 W/m2.
− Automatisch bediende buitenzonwering: 2 ∗ Zonwering neer indien zonbelasting > 250 W/m ; ∗
5.6.1
2
Zonwering op indien zonbelasting > 250 W/m .
Modellering De toepassing van geschakelde zonwering is een aanvulling op het Simulink-model ‘Irradiation through one window’ van het blok ‘Q Windows & T external’ van het ISE-model. De script m-file in dit bestaande model is gewijzigd met betrekking tot de uitvoer van het model. De m-file levert nu de zonbelasting met en zonder correctie van de ZTA-waarde. De zonbelasting gecorrigeerd met de ZTA-waarde dient als output van het model. De werkelijke zonbelasting wordt gebruikt om door middel van een relay te bepalen of de zonwering op of neer geschakeld moet worden en wat de betreffende ZTA-warde is .De benaming van de gewijzigde script m-file is JRX_Irradwindow.m en is ingevoegd in bijlage III.4. De input, output en parameters van dit model in de uitgebreide situatie zijn: Input − de tijd, Time; − de diffuse zoninstraling, q_zon_h_dif; − de directe zoninstraling, q_zon_n_dir; Output − de zonbelasting door de beglazing, Qwindow. Parameters − drempelwaarde voor zonwering op, BZW_up; − drempelwaarde voor zonwering neer, BZW_down; − ZTA-waarde indien zonwering op, Window_ZTA_up; − ZTA-waarde indien zonwering neer, Window_ZTA_down; − glasoppervlakte, window area; − azimuth van het glasvlak, azimuth angel; − hellingshoek van het glasvlak, inclination.
Figuur 5.11: Simulink-model zoninstraling en schakelende zonwering
Noot: door de toepassing van een relay mogen de drempelwaarden voor de zonwering op en 2
zonwering neer niet gelijk zijn. Kies daarom minimaal een verschil van 1 W/ m .
30
5.7
Starttijd en lengte van werkdag De starttijd en de lengte van de werkdag is van invloed op de grootte van de interne warmtelast en de gebruikstijd van het gebouw. Bij dit model wordt standaard uitgegaan van een werkweek van 5 dagen. Het wordt echter mogelijk om de starttijd en lengte van de werkdag te variëren.
5.7.1
Modellering De modellering van deze toepassing is gebaseerd op het Simulink-model ’T setpoint zone’ van het ISE-model. In dit model is een pulsgenerator opgenomen ten behoeve van de weken en dagen. Deze pulsgeneratoren zijn in dit model verwijderd en geplaatst in het aparte blok ‘Weekindeling’. De output en parameters van dit blok zijn: Output − pulse dag; − pulse week Parameters − starttijd van de werkdag, lengte_werkdag; − lengte van de werkdag, starttijd_werkdag.
5.8
Figuur 5.12: Pulsgeneratoren van Simulink-model weekindeling
Kostenbepaling In de praktijk geldt er een hoge en lage energietarifering voor het gebruik van elektrische energie. Afhankelijk van het tijdstip dient er een hoog of laag energietarief te worden gehanteerd. Er geldt: − periode daltarief : 23.00 – 07.00 uur − periode piektarief − kosten daltarief
: 07.00 – 23.00 uur : 0,075
− kosten piektarief
: 0,13 3
Voor het gasverbruik gelden geen hoge of lage energietariferingen. Er dient per m aardgas te worden gerekend met een prijs van 0,59. De hierboven genoemde energietariferingen zijn gebaseerd op de prijzen van een particuliere huiseigenaar waarbij de diensten worden geleverd door Eneco. 5.8.1
Modellering De modellering van deze toepassing is gebaseerd op het Simulink-model ’energy efficiencies & costs’ van het ISE-model. De script m-file in dit bestaande model is gewijzigd waarbij nu afhankelijk van het tijdstip wordt gerekend met een hoog of laag energietarief. De benaming van de gewijzigde script m-file is JRX_buildingv5efun.m en is ingevoegd in bijlage III.5.
31
De input, output en parameters van dit model in de uitgebreide situatie zijn: Input − het vermogen van de LBK, Q_LBK ; − het vermogen van de BKA, Q_BKA; − de tijd, Clock; Output Per tijdseenheid wordt gegeven: − het koelvermogen van de LBK; − het verwarmingsvermogen van de LBK; − het koelvermogen van de BKA; − het verwarmingsvermogen van de BKA; − de kosten per unit koelvermogen LBK; − de kosten per unit verwarmingsvermogen LBK; − de kosten per unit koelvermogen BKA; − de kosten per unit verwarmingsvermogen BKA. Parameters
Figuur 5.13: Simulink-model energy efficiencies & costs
− verwarmingsrendement, ethaHeat; − unit verwarming, unitHeat; − kosten hoog tarief verwarming, costHeat_high; − kosten laagtarief verwarming, costHeat_low; − koelrendement, ethaCool ; − unit koeling, unitCool; − kosten hoog tarief koeling, costCool_high; − kosten laagtarief koeling, costCool_low; 5.9
Het eindmodel en uitvoervisualisatie Op basis van het ISE-model zijn uitbreidingen en aanpassingen gemaakt die gezamenlijk hebben geresulteerd in een simulatiemodel van een betonkernactiveringssysteem. De benaming van dit simulatiemodel is jrx_buildingv6clim_v2.mdl. Deze file is ingevoegd in bijlage IV, waarin een overzicht is gegeven van de bijbehorende bestanden en een overzicht van de parameters per submodel. Ten behoeve van de analyse van de simulatieresultaten zijn diverse grafieken en histogrammen toegevoegd. Deze kunnen na het uitvoeren van een simulatie worden opgeroepen cq. bekeken door het betreffende pictogram te selecteren. De volgende grafieken en histogrammen kunnen worden toegepast ter analysering van de simulatie: − Surface & water temperatures; − Construction temperatures; − Cold day; − Hot day; − Heating/ cooling; − Histogram temperatures during presence;
32
− Histogram heating/ cooling; − Peak temperatures and capacities BKA en − Primary energy & costs. Surface & water temperatures Dit betreft een grafiek (fig. 5.14) waarin het verloop van de in- en uitgaande watertemperaturen van de BKA wordt gegeven in combinatie met de oppervlaktetemperaturen van het plafond en de vloer. Tevens wordt in de onderstaande grafiek het verloop van de binnen- en buitentemperatuur gegeven. Construction temperatures In deze grafiek worden alle temperaturen weergegeven die betrekking hebben op de betonkernactiveringsconstructie, inclusief de in- en uitgaande watertemperaturen. Ook hier is in de onderstaande grafiek het verloop van de binnen- en buitentemperatuur gegeven.
Figuur 5.14: Voorbeeld van de grafiek
Figuur 5.15: Voorbeeld van de grafiek
Surface & water temperatures
Cold day
Cold day Van de berekende simulatieperiode wordt bepaald op welke dag de buitentemperatuur het laagst was. Van de betreffende koude dag wordt vervolgens in een grafiek (fig. 5.15) het verloop van de binnen- en buitentemperatuur gegeven, gecombineerd met de plafond- en vloertemperaturen. In de onderstaande grafiek wordt van de betreffende dag tevens weergegeven welke vermogens zijn geleverd door enerzijds het betonkernactiveringssysteem en de luchtbehandelingskast en anderzijds de som van deze vermogens.
33
Hot day In deze grafieken wordt hetzelfde weergegeven als in de grafieken van de ‘cold day’, echter met het verschil dat nu de temperaturen van de warme dag in de betreffende periode zijn gegeven. Histogram temperatures during presence In dit histogram (fig. 5.16) worden de binnentemperaturen weergegeven die optreden gedurende de gebruikstijd van het gebouw. Hierbij wordt tevens de frequentie dat een bepaalde temperatuur optreedt uitgedrukt in een percentage. Dit histogram geeft dus precies aan hoe vaak een bepaalde binnentemperatuur optreedt gedurende de gebruikstijd van het gebouw. Histogram heating/ cooling Dit histogram geeft de frequenties weer van de vermogens die aan de ruimte worden afgegeven door het betonkernactiveringssysteem, de
Figuur 5.16: Voorbeeld van het histogram temperatures during presence
luchtbehandelingskast en de som van deze vermogens. De frequenties van deze vermogens worden voor ieder van deze drie posten in aparte histogrammen weergegeven. Peak temperatures and capacities BKA Op een ‘primitieve’ manier wordt hier door middel van tekst aangegeven wat de minima en maxima zijn van de vloer- en plafondtemperaturen. Tevens worden ook de minima en maxima geven van de vermogens die door de vloer- en plafondconstructie zijn afgegeven of opgenomen. Primary energy & costs Hierbij wordt door gebruikmaking van schijfdiagrammen het vermogen weergegeven dat door zowel het betonkernactiveringssysteem en het luchtbehandelingssysteem in de betreffende simulatieperiode in de vorm van energie (energie dat door een koude- cq. warmteopwekker aan het BKA en de LBK geleverd zou moeten worden) is verbruikt. Bij dit verbruik wordt onderscheid gemaakt in het energiegebruik voor koeling en verwarming. Door middel van schijfdiagrammen is tevens weergegeven wat de totale energiekosten in de betreffende periode zijn van het betonkernactiveringssysteem en luchtbehandelingssysteem, gespecificeerd voor zowel koelen als verwarmen.
34
6.
Simulaties met het betonkernactiveringsmodel Met het in het voorgaande hoofdstuk ontworpen en gerealiseerde betonkernactiveringsmodel is het mogelijk geworden om simulaties uit te voeren waarmee inzicht kan worden verkregen in de doelstellingen van dit rapport. In dit hoofdstuk zullen daarom, na de formulering van de uitgangsgegevens, simulaties worden uitgevoerd waarvan de resultaten zullen worden weergegeven. Hierbij zal achtereenvolgens inzicht worden verkregen in de effecten van de geometrie van de bouwkundige constructie en de regeling van de wateraanvoertemperatuur op het comfort, energiegebruik en vermogen van het betonkernactiveringssysteem. Ook zal er een vergelijking worden gemaakt tussen een conventioneel luchtbehandelingssysteem in relatie tot een betonkernactiveringssysteem. Iedere paragraaf zal worden afgesloten met conclusies gebaseerd op de analyseresultaten van de in de betreffende paragraaf besproken simulatie.
6.1
Uitgangsgegevens In deze paragraaf worden de uitgangspunten beschreven waarmee de simulaties, tenzij anders vermeld, zullen worden uitgevoerd.
6.1.1
Simulatieperiode De simulaties zullen worden uitgevoerd voor zowel een winter- als zomerperiode. Voor de zomer is een warme periode geselecteerd welke start op 1 mei 1976 en 123 dagen voortduurt. Voor de winter is een koude periode geselecteerd die start op 1 september 1979 en 242 dagen voortduurt.
6.1.2
Koel- en verwarmingscapaciteiten luchtbehandelingssysteem De betonkernactivering zal de prioriteit krijgen boven het gebruik van het luchtbehandelingssysteem. De pieken in het koel- of verwarmingsvermogen zullen, indien nodig, worden opgevangen door het luchtbehandelingssysteem. Het luchtbehandelingssysteem wordt vooralsnog uitgevoerd met een koelvermogen van 2000 W en een verwarmingsvermogen van 3500 W. Indien uit de eerste reeks simulaties blijkt dat deze vermogens niet juist zijn, zullen deze vermogens voor de overige simulaties worden aangepast.
6.1.3
Leidingdiameter en volumestroom water Ten behoeve van de leidingregisters in de betonkernactiveringsconstructie is gekozen voor standaard in de markt toegepaste leidingdiameters. Een standaardmaat betreft een leiding met een buitendiameter van 20 mm en een wanddikte van 2,25 mm. Dit resulteert in een inwendige leidingdiameter van 15,5 mm. Deze gegevens zijn gebaseerd op basis van UNIPIPE leidingsystemen die door het bedrijf NATHAN worden geleverd. De snelheid van het water in de leidingen dient vanwege de geluidsproductie en een goede warmteoverdracht ongeveer 1,5 m/s te bedragen en dit levert een volumestroom van 0,28 kg/s.
35
6.1.4
Overige parameters Ten behoeve van de uitvoering van de simulaties is er een referentiesituatie gedefinieerd met betrekking tot de te hanteren parameters. De parameters van de referentiesituatie zijn gebaseerd op basis van de in dit rapport genoemde informatie. Deze parameters, waartoe ook de hiervoor besproken parameters behoren, zijn beschreven in bijlage V.
6.2
Consequenties geometrie vloer-/ plafondconstructies Voor deze simulaties zijn een achttal varianten doorgerekend waarbij verschillende parameters zijn gehanteerd voor de dikte van de vloer, het soort vloerafwerking en de inbouwdiepte van de leidingregisters. Deze varianten zijn weergegeven in tabel 6.1. Variant
Vloerdikte
Vloerafwerking
Inbouwdiepte
[m]
soort
dikte [m]
soort
diepte [m]
1
0,33
linoleum
0,003
kern
0,165
2 3
0,20 0,33
linoleum plavuizen
0,003 0,005
kern kern
0,100 0,165
4 5
0,20 0,33
plavuizen linoleum
0,005 0,003
kern plafondzijde
0,100 0,280
6 7
0,20 0,33
linoleum plavuizen
0,003 0,005
plafondzijde plafondzijde
0,150 0,180
8
0,20
plavuizen
0,005
plafondzijde
0,150
Tabel 6.1: Simulatievarianten geometrie vloer-/ plafondconstructies
Hierbij zijn de eigenschappen van het linoleum en de plavuizen gedefinieerd als: Soort
linoleum plavuizen
Warmtegeleidingscoëfficiënt (λ λ)
Soortelijke warmte (c)
Dichtheid (ρ ρ)
[W/ m⋅K]
[J/ kg⋅K]
[kg/ m ]
0,17 0,8
1470 840
300 1700
3
Tabel 6.2: Eigenschappen linoleum en plavuizen
De opgegeven vloerdikte is echter inclusief een afwerkvloer van 5 cm is. In de simulatie dient echter één waarde te worden ingevoerd voor de dichtheid, warmtegeleidingcoëfficiënt en soortelijke warmte van de gehele bouwkundige constructie (exclusief vloerbedekking). Hierdoor dient in de simulaties voor de bouwkundige constructie gerekend te worden met de waarden conform tabel 6.3.
36
Dikte
Warmtegeleidings-
Soortelijke
Dichtheid
[m]
coëfficiënt (λ λ) [W/ m⋅K]
warmte (c) [J/ kg⋅K]
(ρ ρ) [kg/ m3]
0,33
1,77
840
2424
0,20
1,70
840
2375
Tabel 6.3: Rekenwaarden voor de bouwkundige constructie bij verschillende vloerdikten
6.2.1
Resultaten van de simulaties De resultaten van de simulaties voor zowel een winter- als zomerperiode zijn weergegeven in respectievelijk tabel 6.4 en 6.5. In elke tabel zijn de resultaten per variant gerangschikt op de aspecten met betrekking tot comfort, vermogen en energiegebruik.
6.2.2
Analyse van de resultaten De simulaties zijn uitgevoerd voor zowel een koude winter als warme zomer. Dit blijkt ook uit de simulaties waarbij in deze perioden pieken in de buitentemperatuur zijn waargenomen van respectievelijk -16°C en 34°C. Bij de uitgevoerde simulaties kan een duidelijk onderscheid worden gemaakt tussen enerzijds een betonkernactiveringssysteem en anderzijds een plafondsysteem. Deze twee systemen die respectievelijk betrekking hebben op de varianten 1 t/m 4 en 5 t/m 8 zullen dan ook apart worden beschouwd. Hierbij zal de beschouwing van het plafondsysteem zich voornamelijk richten op de verschillen met het betonkernactiveringssysteem. Bij de analysering zal het betonkernactiveringssysteem worden aangeduid als BKA en het luchtbehandelingssysteem als LBK. Betonkernactiveringssysteem (variant 1 t/m 4) Comfort − In de winterperiode wordt voldaan aan het gewenste comfortniveau gedurende de gebruiksperiode. De minimumtemperatuur bedraagt weliswaar een te lage 19°C, maar dit is ten hoogste 2% van de gebruikstijd. Dit betekent dat gemiddeld slechts 10 minuten per dag de binnentemperatuur 19°C bedraagt en dit kan als acceptabel worden beschouwd. Een uitzondering hierop is variant 4 waarbij slechts 1% van de gebruikstijd een minimumtemperatuur van 18°C optreedt. Opvallend is echter de overschrijding van 25°C bij alle varianten met een kleine vloerdikte. De overschrijding valt echter binnen de door de RGD gestelde eis van maximaal 5%. Het grootste gedeelte van de gebruikstijd heeft de binnentemperatuur bij alle varianten echter een waarde tussen de 20°C en 21°C.
36
Variant
Comfort
Vermogen Vloer
Energiegebruik Plafond
laagste
perc
hoogste
perc
meest
perc
temperatuur min max
vermogen min max
temperatuur min max
vermogen min max
BKA heat cool
LBK heat
cool
[ºC]
[%]
[ºC]
[%]
[ºC]
[%]
[ºC]
[ºC]
[W]
[W]
[ºC]
[ºC]
[W]
[W]
[MJ]
[MJ]
[MJ]
[MJ]
1 2
18,8 19,2
2 2
24,8 25,1
2 2
20,8 20,2
47 49
14,3 16,3
23,4 23,7
-1331 -890
2011 2080
14,5 16,4
23,6 23,8
-1946 -1348
1548 1541
10629 11232
92 137
25687 24702
111 162
3 4
19 18,3
2 1
25 25,3
1,5 1,5
20 20,3
46 54
14,2 16,2
23,3 23,5
-1412 -957
2090 2171
14,4 16,3
23,6 23,8
-1925 -1338
1512 1496
10795 11426
92 136
25351 24304
97 147
5 6
18,8 19,2
2 2
24,8 25,2
2 2
20,8 20,2
45 49
13,9 16,1
23,6 23,8
-1436 -939
1581 1819
15 16,6
23,4 23,6
-1896 -1371
1984 1782
10672 11122
116 147
25621 24905
74 137
7 8
19 19,2
2 2
25 25,2
2 2
20 20,2
47 50
13,8 15,9
23,4 23,8
-1520 -1013
1639 1894
15 16,6
23,3 23,7
-1878 -1367
1955 1742
10769 11270
114 147
25422 24619
67 127
Tabel 6.4: Simulatieresultaten van variërende geometrie in de winterperiode
Variant
Comfort
Vermogen
Energiegebruik
Vloer temperatuur vermogen
Plafond temperatuur vermogen
BKA
LBK
laagste [ºC]
perc [%]
hoogste [ºC]
perc [%]
meest [ºC]
perc [%]
min [ºC]
max [ºC]
min [W]
max [W]
min [ºC]
max [ºC]
min [W]
max [W]
heat [MJ]
cool [MJ]
heat [MJ]
cool [MJ]
1
20
4
28
4
25
37
13,6
24,8
-1432
858
13,6
25,3
-2058
669
927
1936
664
2591
2 3
19,3 20
1 4
28,3 28
2 3,5
25,3 25
34 37
15,6 13,5
24,9 24,6
-1402 -1495
855 892
15,8 13,6
25,1 25,3
-2076 -2032
636 657
1007 935
2086 1944
592 644
2614 2557
4 5
19,3 20,3
1 5
28,3 28,3
2 2
25,3 25,3
34 36
15,5 13
24,7 25,3
-1467 -1463
968 682
15,8 14,9
25,1 24
-2050 -2495
661 840
1020 937
2060 2094
561 659
2575 2446
6 7
20,3 20,3
4 5
28,3 28,3
2 1
25,3 25,3
34 40
15,2 12,8
25,3 25,2
-1225 -1553
752 703
16,4 14,9
24,5 24
-2340 -2468
729 830
999 940
2156 2097
612 640
2537 2403
8
20,3
4
28,3
2
25,3
36
15,1
25,1
-1281
783
16,4
24,5
-2314
715
1007
2162
579
2495
Tabel 6.5: Simulatieresultaten van variërende geometrie in de zomerperiode
37
− In de zomerperiode bedraagt de minimumtemperatuur voor slechts 1% van de gebruikstijd 19°C indien gekozen wordt voor een kleine vloerdikte. Verder is de binnentemperatuur in de zomerperiode bij de meeste varianten te hoog. De varianten 1 en 3 voldoen het beste aan de door de RGD gestelde eisen. Beide varianten hebben geen overschrijding van 28°C en slechts een overschrijding van 25°C met 10% door het optreden van de binnentemperaturen van 26°C en 27°C. Alle andere varianten hebben een te grote overschrijding van 28°C (met uitzondering van variant 7) en een veel te grote overschrijding van 25°C . Voor de meeste varianten zou dus het koelvermogen in de zomerperiode moeten stijgen om te kunnen voldoen aan de gestelde eisen. − In de winterperiode zijn de pieken en dalen van de binnentemperatuur kleiner dan in de zomerperiode. In de winterperiode varieert de binnentemperatuur hoofdzakelijk tussen de 19°C en 23°C (figuur 6.3), terwijl in de zomerperiode constant wordt gevarieerd tussen de 20°C en 25°C (figuur 6.2). De temperatuurvariatie in de zomer is dus groter, maar door de spreiding over de gehele dag is dit niet nadelig voor het comfort van het binnenklimaat.
Figuur 6.1: zomer variant 1; surface & water
Figuur 6.2: zomer variant 3; surface & water
temperatures
temperatures
− Voor het comfort zijn ook de oppervlaktetemperaturen van de vloer en het plafond van belang. De in tabel 6.4 en 6.5 weergegeven minimum oppervlaktetemperaturen van zowel de vloer als het plafond kunnen niet als representatief worden beschouwd. De weergegeven temperaturen zijn namelijk allemaal ten tijde van de eerste simulatiedag, waardoor de betonconstructie nog niet voldoende tijd heeft gehad om de gewenste temperaturen te kunnen bereiken. − Uit de grafieken (6.2, 6.3 en 6.4) kan worden afgelezen dat de minimumtemperatuur van de vloer van 20°C nauwelijks wordt onderschreden. Hierbij moet tevens worden opgemerkt dat de eventuele onderschrijding van 20°C is toegestaan indien dit buiten de gebruikstijd van het gebouw plaatsvindt. De minimumtemperatuur van 17°C van het plafond wordt nooit onderschreden. De oppervlaktetemperatuur van zowel de vloer als het plafond overschrijdt nooit de vereiste maximumtemperatuur. De gehanteerde stooklijn van de wateraanvoertemperatuur is dus goed gedefinieerd.
38
− De vloerdikte en het soort vloerbedekking zijn nauwelijks van invloed op de maximale oppervlaktetemperaturen. Duidelijk waarneembaar is het effect van de vloerdikte op de snelheid waarmee de constructie opwarmt. Bij een kleine vloerdikte geldt voor zowel de vloer als het plafond dat in dezelfde tijd een oppervlaktetemperatuur wordt bereikt die 2°C hoger is in vergelijking tot een dikkere vloer. − De vloerdikte is bepalend voor het verloop van de oppervlaktetemperaturen (zie grafieken 6.3 en 6.4). Een dunnere vloer is vanwege zijn lagere warmtecapaciteit gevoeliger voor externe
Figuur 6.3: winter variant 3; surface & water
Figuur 6.4: winter variant 4; surface & water
temperatures
temperatures
belastingen, waardoor de frequentie waarmee de oppervlaktetemperaturen variëren toeneemt. Dit heeft echter nauwelijks invloed op de variatie van de binnentemperatuur en is dus niet nadelig voor het comfort. Vermogen − In de winterperiode is de vloerdikte in grote mate bepalend voor het koelvermogen dat door het plafond en de vloer wordt afgegeven. Bij een dunnere vloer daalt het koelvermogen van zowel de vloer als het plafond sterk (respectievelijk 33% en 30%). Een verklaring hiervoor is het feit dat de wateraanvoertemperatuur afhankelijk is van de buitentemperatuur. Doordat de vloer dunner is volgen de oppervlaktetemperaturen de wateraanvoertemperatuur beter dan bij een dikkere vloer. Op het moment dat de buitentemperatuur gaat stijgen zullen de oppervlaktetemperaturen relatief snel dalen en zal er dus relatief snel koelvermogen aan de ruimte worden afgegeven. Bij een hogere gebouwmassa blijven de oppervlaktetemperaturen langer hoog, waardoor de ruimtetemperatuur de mogelijkheid heeft om te stijgen. Op het moment dat de vloer en het plafond gaan koelen zal het temperatuurverschil met de ruimte groter zijn, waardoor er dus een grotere piek is in koelvermogen dat aan de ruimte wordt afgegeven. Zie hiervoor de grafieken 6.5 en 6.6. − In de winterperiode levert een vloer met plavuizen een groter koel- en verwarmingsvermogen dan een vloer met linoleum. Dit verschil wordt veroorzaakt door een grotere warmtecapaciteit
39
van de plavuizen. Het vermogen dat het plafond levert bij de toepassing van plavuizen blijft daarbij ongeveer gelijk. − In de zomerperiode blijft het koel- en verwarmingsvermogen van de vloer en het plafond bij alle varianten ongeveer gelijk. Een eerste uitzondering hierop is dat bij de toepassing van plavuizen het minimumvermogen van de vloer daalt met ongeveer 4%. Dit kan worden verklaard door de hogere warmteopslagcapaciteit van de plavuizen, waardoor deze bij een plotseling optredende interne en externe warmtebelasting een langere periode een relatief lage oppervlaktetemperatuur kunnen vasthouden. Verder kan bij de toepassing van plavuizen in combinatie met een dunnere vloer het maximumvermogen van de vloer stijgen met 13% in vergelijking tot dezelfde vloer met linoleum. In relatie tot de overige resultaten moet deze relatief grote stijging worden gezien als een situatie die waarschijnlijk eenmalig kortstondig is opgetreden. − In de zomerperiode is bij een koude dag waar te nemen dat de LBK veelvuldig aan- en uitschakelt in een korte periode (figuur 6.1). Dit betekent dat de gehanteerde hysterese voor de verwarming van 1°C te klein is. Het veelvuldig aan- en uitschakelen is slecht voor de installatie en de hysterese zal dus moeten worden verhoogd. − De volgende maximale vermogens kunnen worden gerealiseerd per vierkante meter: koelen max var 2
verwarmen max var 2
2
2
[W/m ]
[W/m ]
[W/m ]
[W/m ]
plafond
43,3
2
32,3
1
vloer
31,1
3
45,2
4
Tabel 6.6: Resultaten koel- en verwarmingsvermogen per vierkante meter bij betonkernactivering
De in tabel 6.6 maximale vermogens zijn veel kleiner dan de theoretische waarden uit tabel 4.3. Bij de theoretische waarden wordt als uitgangspunt gehanteerd dat de ruimtetemperatuur constant 20°C bedraagt en dat de oppervlaktetemperaturen gelijk zijn aan de minimaal en maximaal toegelaten waarden. In de simulaties zijn de oppervlaktetemperaturen echter hoger respectievelijk kleiner dan de minima en maxima en is de ruimtetemperatuur niet constant 20°C. Hierdoor is het temperatuursverschil tussen de ruimtetemperatuur en de oppervlaktetemperaturen lager, waardoor dus ook de maximale vermogens lager zijn. Energiegebruik − Een dunnere vloer resulteert in een hoger verwarmings- en koelvermogen welke door de BKA wordt afgegeven. Het verwarmingsvermogen van de LBK zal dalen, maar het koelvermogen zal stijgen. De reden hiervoor is dat de warmtecapaciteit van de vloer te klein is om te kunnen reageren op snel variërende belastingen van zowel de interne als externe belastingen, waardoor het koelvermogen van de LBK zal moeten worden aangesproken.
40
Figuur 6.5: winter variant 3; een warme dag
−
Figuur 6.6: winter variant 4; een warme dag
De toepassing van plavuizen leidt tot een toename van het verwarmingsvermogen van de BKA in de winterperiode en een toename van het verwarmings- en koelvermogen in de zomerperiode. De LBK gebruikt door de toepassing van plavuizen minder koel- en verwarmingsvermogen.
−
In de winterperiode ligt het totale energiegebruik (koeling + verwarming) rond hetzelfde niveau en bedraagt het verschil tussen het maximum en minimum slechts 1,4%. In de zomerperiode bedraagt het verschil echter 3,5% waarbij variant 2 het meeste en variant 3 het minste energie verbruikt.
Plafondsysteem (variant 5 t/m 8) Comfort − Met betrekking tot de binnentemperatuur worden met een plafondsysteem in de winterperiode gelijkwaardige resultaten behaald als bij een betonkernactiveringssysteem. In de zomerperiode worden echter bij alle varianten de temperaturen van 25°C en 28°C overschreden. Ook bij een plafondsysteem is dus een stijging van het koelvermogen gewenst. − Het soort vloerbedekking en de vloerdikte zijn niet van invloed op de binnentemperatuur. − Het plafondsysteem is van grote invloed op de te realiseren oppervlaktetemperaturen. In de winterperiode zorgt het plafondsysteem voor een hogere oppervlaktetemperatuur van het plafond en een lagere oppervlaktetemperatuur van de vloer. Voor de zomerperiode geldt het tegenovergestelde. Een hierbij optredend belangrijk nadeel is dat de vloer in de winterperiode vaker kouder wordt dan 20°C en dit heeft nadelige gevolgen voor het comfort indien dit tijdens de gebruikstijd optreedt. Verder worden echter de minimum en maximum oppervlaktetemperaturen, met uitzondering van de minimumtemperatuur van de vloer, nooit onder- of overschreden.
41
Figuur 6.7: zomer variant 5; surface & water
Figuur 6.8: zomer variant 7; surface & water
temperatures
temperatures
− Opvallend is dat de maximumtemperaturen van de vloer en het plafond nauwelijks verschillen in vergelijking tot het betonkernactiveringssysteem. Vermogen − Het plafondsysteem heeft grote consequenties voor het verwarmingsvermogen van zowel de vloer als het plafond. Het verwarmingsvermogen neemt volgens verwachting af (lagere oppervlaktetemperaturen) en het verwarmingsvermogen van het plafond neemt toe (hogere oppervlaktetemperaturen). De daling van het verwarmingsvermogen van de vloer ligt tussen de 12% (dunne vloer) en 24% (dikke vloer) en de stijging van het verwarmingsvermogen van het plafond bedraagt 16% (dunne vloer) tot 29% (dikke vloer). Hierdoor lijkt het verwarmingsvermogen in zijn totaliteit toe te nemen, maar uit oogpunt van comfort is het prettiger om de vloer als verwarmingsmedium te gebruiken. De door het plafond verwarmde lucht zal namelijk niet tot op leefniveau dalen. Bij een vloer als verwarmingsmedium zal door natuurlijke convectie de lucht in de ruimte gaan circuleren, zodat de gehele binnenlucht wordt verwarmd en dit is beter voor het comfort.
Figuur 6.9: winter variant 7; surface & water
Figuur 6.10: winter variant 8; surface & water
temperatures
temperatures
42
− In de zomerperiode resulteert het plafondsysteem ook voor aanzienlijke verschillen in het koelvermogen van de vloer en het plafond. Bij vloeren met een grote dikte stijgt het koelvermogen licht met 2% tot 4%. Bij de dunnere vloeren stijgt het koelvermogen echter met 13%. De koelvermogens van het plafond nemen ook toe. Ook hier geldt dat de stijging van het koelvermogen bij de dikke vloeren groter is dan bij de dunne vloeren. De stijging van het koelvermogen bedraagt hierbij respectievelijk 13% en 22%. − De volgende maximale vermogens kunnen worden gerealiseerd per vierkante meter: koelen
plafond vloer
verwarmen
max [W/m2]
var
max [W/m2]
var
52
5
41,3
5
32,4
7
39,5
8
Tabel 6.7: Resultaten koel- en verwarmingsvermogen per vierkante meter bij een plafondsysteem
Ook hier geldt dat de maximale vermogens lager zijn dan de literaire waarden uit tabel 4.3. Het plafondsysteem resulteert in grotere vermogens voor zowel koelen als verwarmen voor het plafond en een lager verwarmingsvermogen voor de vloer. Het koelvermogen van de vloer neemt echter toe doordat de oppervlaktetemperaturen lager zijn.
Figuur 6.11: winter variant 7; een warme dag
Figuur 6.12: winter variant 8; een warme dag
Energiegebruik − Een plafondsysteem gebruikt in zowel de winter- als zomerperiode meer energie. De verschillen met de BKA bedragen echter minder dan 1%. − Verder geldt ook hier dat in de winterperiode het totale energiegebruik (koeling + verwarming) voor alle varianten rond hetzelfde niveau ligt en bedraagt het verschil tussen het maximum en minimum minder dan 1%. In de zomerperiode bedraagt het verschil echter 3,8% waarbij variant 6 het meeste en variant 7 het minste energie gebruikt.
43
6.2.3
Conclusies Met betrekking tot de geometrie van de bouwkundige constructie en de effecten hiervan op de eigenschappen van het betonkernactiveringssysteem kunnen de volgende conclusies worden getrokken: − Het beste thermische comfort wordt gerealiseerd door de toepassing van een grote vloerdikte (bijv. 0,33 m) in combinatie met leidingregisters die in de kern van de vloer zijn opgenomen (betonkernactiveringssysteem). De toepassing van het soort vloerafwerking is hierop nauwelijks van invloed. − De binnentemperatuur is bij een betonkernactiveringssysteem niet constant maar varieert gedurende de dag, afhankelijk van de vermogensbelasting. Deze temperatuurvariaties zijn echter niet nadelig voor het comfort, doordat deze in een periode van een dag plaatsvinden. − Een stooklijn van de wateraanvoertemperatuur met een maximum van 29°C en een minimum van 18°C zal nooit resulteren in een overschrijding van de maximum toegelaten oppervlaktetemperaturen van zowel de vloer als het plafond. De minimumtemperatuur van 19°C van de vloer wordt zeer beperkt onderschreden, maar buiten de gebruikstijd van het gebouw is dit toegestaan. − Een dunnere vloer is vanwege zijn lagere warmtecapaciteit gevoeliger voor externe belastingen, waardoor de frequentie waarmee de oppervlaktetemperaturen variëren toeneemt. − De vloerdikte en de inbouwdiepte van de leidingregisters zijn van grote invloed op de vermogens die door de vloer en het plafond kunnen worden afgegeven. ∗
Indien de leidingregisters in de kern van de constructie worden opgenomen is de vloerdikte bepalend voor het koelvermogen van de vloer en het plafond in de winterperiode. Een kleinere vloerdikte resulteert hierbij in een lager koelvermogen doordat er sneller kan worden gereageerd op een kortstondige toename van de binnentemperatuur, waardoor het
∗
piekvermogen daalt. Indien de inbouwdiepte van de leidingregisters toeneemt (plafondsysteem) zullen de koel- en verwarmingsvermogens van het plafond sterk toenemen. Het koelvermogen van het plafond kan stijgen met 22% en het verwarmingsvermogen met 29%. De invloed van de vloerdikte resulteert bij een plafondsysteem voor zowel de winter- als zomerperiode in gewijzigde vermogens. Er geldt dat een kleinere vloerdikte resulteert in een groter verwarmingsvermogen van de vloer in de winterperiode, maar een kleiner koelvermogen van het plafond in de zomerperiode.
− Een vloer afgewerkt met plavuizen levert een groter koel- en verwarmingsvermogen dan een vergelijkbare vloer afgewerkt met linoleum. Dit wordt veroorzaakt door de grotere opslagcapaciteit van de plavuizen. − Het maximale verwarmingsvermogen van de vloer en het maximale koelvermogen van het plafond zijn veel kleiner dan de waarden uit de literatuur. Deze verschillen, respectievelijk 54,3% en 56,3%, worden veroorzaakt door de gestelde randvoorwaarden. De literaire waarden zijn gebaseerd op een ruimtetemperatuur van 20°C in combinatie met de maximaal en minimaal toegelaten oppervlaktetemperaturen. Deze situaties treden tijdens de simulaties echter niet op, waardoor de vermogens kleiner zijn.
44
− Het totale energiegebruik is bij alle varianten in de winterperiode gelijkwaardig. In de zomerperiode zijn de verschillen echter groter. Het minste energie wordt gebruikt bij een betonkernactiveringssysteem in combinatie met een met plavuizen afgewerkte vloer en een grote vloerdikte. Het grootste energiegebruik treedt op bij een betonkernactiveringssysteem in combinatie met een met linoleum afgewerkte vloer en een kleine vloerdikte. Het verschil tussen het maximum en minimum energiegebruik bedraagt 3,5%. − Een plafondsysteem gebruikt meer energie dan een betonkernactiveringssysteem. Het verschil bedraagt echter slechts 1%. Op basis van deze reeks simulaties kan worden geconcludeerd dat een betonkernactiveringssysteem in combinatie met een met plavuizen afgewerkte vloer en een grote vloerdikte de meeste gunstige eigenschappen heeft. Het systeem heeft het laagste energiegebruik, het beste thermisch comfort en goede eigenschappen met betrekking tot het afgegeven vermogen. 6.3
Consequenties variërende wateraanvoertemperatuur Voor deze simulaties zijn een tweetal varianten doorgerekend waarbij enerzijds gebruik wordt gemaakt van een buitentemperatuurafhankelijke regeling en anderzijds een constante regeling van de wateraanvoertemperatuur. Beide varianten zijn gesimuleerd voor zowel een winter- als zomerperiode.
6.3.1
Parameters De gehanteerde parameters zijn conform de referentiesituatie, waarvan echter een aantal parameters zijn gewijzigd op basis van de kennis uit de eerste reeks simulaties. Voor de geometrie van de bouwkundige eigenschappen wordt namelijk gekozen voor variant 3, omdat deze de meeste gunstige eigenschappen heeft. Verder zal de werking van de luchtbehandelingskast worden gewijzigd op basis van de ervaring uit de eerste reeks simulaties. De koelcapaciteit van de luchtbehandelingskast wordt namelijk verhoogd naar 3000 W, zodat in de zomer een lagere binnentemperatuur kan worden bereikt. Verder wordt de hysterese voor zowel koelen als verwarmen verhoogd naar 1,5°C, zodat de installatie minder aan en uit zal schakelen. De afwijkende parameters ten opzicht van de referentiesituatie zijn gegeven in tabel 6.8. Betonkernactivering Vloerdikte [m]
Vloerafwerking soort
dikte [m]
Heating/ cooling capacities Inbouwdiepte
soort
diepte [m]
hysterese cooling capacity [W]
koeling en verwarming [°C]
0,33
plavuizen
0,005
kern
0,165
-3000
1,5
Tabel 6.8: Afwijkende parameters t.o.v. referentiesituatie t.b.v. simulatie regeling wateraanvoertemperatuur
Er worden twee soorten wateraanvoertemperatuur regelingen gesimuleerd. De parameters van de buitentemperatuur afhankelijke regeling zijn conform de referentiesituatie. Voor de constante wateraanvoertemperatuur is een temperatuur van 22°C geselecteerd. Deze temperatuur ligt in het
45
midden van het behaaglijkheidsgebied, zodat er zowel kan worden verwarmd en gekoeld binnen de betreffende grenzen van het behaaglijkheidsgebied. De gesimuleerde varianten zijn weergegeven in tabel 6.9. Variant
Parameter
Waarde
Eenheid
2.1
constante wateraanvoertemperatuur
22
°C
2.2
maximale wateraanvoertemperatuur
29
°C
buitentemperatuur bij maximale wateraanvoertemperatuur minimale wateraanvoertemperatuur
-10 18
°C °C
buitentemperatuur bij minimale wateraanvoertemperatuur
30
°C
Tabel 6.9: Simulatievarianten regeling wateraanvoertemperatuur
6.3.2
Resultaten van de simulaties De resultaten van de simulaties voor zowel een winter- als zomerperiode zijn weergegeven in tabel 6.10. In deze tabel zijn in afwijking met de eerste reeks simulaties de minimale oppervlaktetemperaturen van de vloer en het plafond afgelezen uit de grafieken. De kosten behorende bij elke simulatievariant zijn weergegeven in tabel 6.11.
6.3.3
Analyse van de resultaten Consequenties afwijkende parameters t.o.v. referentiesituatie Ten behoeve van de simulaties van de varianten 2.1 en 2.2 wordt gebruik gemaakt van de parameters van de referentiesituatie, echter aangevuld met de parameters uit tabel 6.8. Hierdoor is variant 2.2 gelijkwaardig aan variant 3 uit de voorgaande reeks simulaties met uitzondering van de parameters van het block “heating/ cooling capacities”. Door het uitvoeren van simulatie 2.2 kan dus ook inzicht worden verkregen in de effecten van de wijziging van deze parameters. Hieronder zullen daarom kort de verschillen besproken van variant 2.2 ten opzichte van variant 3. − In de winterperiode daalt de minimaal optredende binnentemperatuur naar 18°C, maar dit treedt echter slecht 1% van de gebruikstijd op. Verder stijgt de gemiddelde binnentemperatuur licht. − In de zomerperiode is duidelijk waar te nemen dat het grotere koelvermogen van de luchtbehandelingskast resulteert in een gemiddeld lagere binnentemperatuur. De maximumtemperatuur van 28°C daalt naar 27°C en verder wordt het minder vaak 25°C. − In de winter stijgt het maximaal afgegeven koelvermogen van de vloer en het plafond. Dit is een gevolg van de hogere gemiddelde binnentemperatuur. − In de zomerperiode daalt echter het maximale koelvermogen en stijgt het maximale verwarmingsvermogen van zowel de vloer als het plafond ten gevolge van een lagere gemiddelde binnentemperatuur. − Het energiegebruik van de luchtbehandelingskast is in zowel de winter- als de zomerperiode toegenomen. In de winterperiode stijgt het verwarmingsvermogen met 7,3%. In de zomerperiode stijgt het energiegebruik echter met 40%. Dit is dus een flinke stijging van het energiegebruik. Enerzijds is deze toename verklaarbaar door de grotere hysterese, waardoor de luchtbehandelingskast langer in bedrijf is en meer energie gebruikt. Anderzijds zorgt de
46
toename van het koelvermogen uiteraard voor een groter energiegebruik van de luchtbehandelingskast.
Figuur 6.13: zomer variant 3; histogram
Figuur 6.14: zomer variant 2.2; histogram
binnentemperatuur
binnentemperatuur
Analyse variërende wateraanvoertemperatuur regeling Comfort − In de winter resulteert een constante aanvoertemperatuur in lagere minimum binnentemperaturen. In de zomer wordt een bijna gelijkwaardig binnenklimaat gerealiseerd met uitzondering van het optreden van een toegelaten overschrijding van 28° − De oppervlaktetemperaturen zijn bij een constante regeling in de winterperiode aanzienlijk lager. De vloer bereikt een minimum van 15°C en het plafond een minimum van 16°C. Deze temperaturen zijn te laag en zullen tot comfortklachten leiden, maar ook tot het gevaar van condensatie van de in de ruimte aanwezige ventilatielucht. In de zomerperiode zijn de oppervlaktetemperaturen hoger, maar overschrijden niet de maximum temperaturen. Vermogen − Bij de toepassing van een constante wateraanvoertemperatuur is in de winterperiode het afgegeven maximale vermogen van zowel de vloer als het plafond aanzienlijk lager. In de zomerperiode geldt het tegenovergestelde, hoewel het verschil tussen de vermogens dan kleiner is. Deze verschillen zijn verklaarbaar doordat met een buitentemperatuur afhankelijke regeling grotere temperatuurverschillen kunnen worden gerealiseerd tussen de oppervlakte- en ruimtetemperaturen.
47
Variant
Comfort
Vermogen Vloer
Energiegebruik Plafond
laagste
perc
hoogste
perc
meest
perc
temperatuur min max
vermogen min max
temperatuur min max
vermogen min max
BKA heat cool
LBK heat
cool
[ºC]
[%]
[ºC]
[%]
[ºC]
[%]
[ºC]
[ºC]
[W]
[W]
[ºC]
[ºC]
[W]
[W]
[MJ]
[MJ]
[MJ]
[MJ]
2.1 2.2
winter winter
17 18
1 1
25 25
2 3
20-21 20-21
35-32 34-45
15 19
23,5 23,3
-1498 -1451
1597 2090
16 20
23,7 23,6
-2019 -1965
1154 1513
5464 10418
59 92
35770 27190
124 116
2.1 2.2
zomer zomer
20,5 20
5 2
28,5 27
1 3
24,5 24-25
39 31-28
19,5 19,8
25,8 24
-1571 -1399
805 990
19,8 20,2
26,2 24,5
-2117 -1889
553 712
598 955
1123 1764
1063 741
3952 3555
Tabel 6.10: Simulatieresultaten van variërende wateraanvoertemperatuur in de winter- en zomerperiode
Variant
Energiekosten BKA LBK heat
cool
heat
cool
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
2.1 2.2
winter winter
56,24 105,63
0,63 1,05
348,82 257,56
1,50 1,39
2.1 2.2
zomer zomer
6,15 8,71
11,54 20,25
8,88 6,78
47,57 42,8
Tabel 6.11: Gesimuleerde kosten van variërende wateraanvoertemperatuur in winter- en zomerperiode Figuur 6.15: winter variant 2.2; primary energy &
Figuur 6.16: winter variant 2.1; primary energy &
costs
costs
48
Energiegebruik en kosten (figuren 6.15 en 6.16) − Een lagere vermogensafgifte van de vloer en het plafond bij een constante regeling resulteert in een hogere vermogensafgifte van de LBK in combinatie met een hoger energiegebruik. In de winter stijgt het verwarmingsvermogen met 32% en in de zomer stijgt het koelvermogen met 11%. Hierbij valt echter op dat in de winterperiode de toename van het verwarmingsvermogen van de LBK lager is dan de afname van het verwarmingsvermogen van de BKA. In de zomer is echter de stijging van het koelvermogen van de LBK kleiner dan de daling van het koelvermogen van de BKA. − De kosten voor het energiegebruik zijn voor een constante wateraanvoertemperatuur 8,5% hoger in vergelijking met een buitentemperatuurafhankelijke regeling. Hierbij moet worden opgemerkt dat een constante wateraanvoertemperatuur in de zomer lagere energiekosten heeft, maar deze besparing wordt in de winter tenietgedaan.
Figuur 6.17: winter variant 2.1; surface & water
Figuur 6.18: winter variant 2.2; surface & water
temperatures
temperatures
Overig − De oppervlaktemperaturen van de vloer en het plafond worden voornamelijk bepaald door de binnentemperatuur (fig. 6.17 en 6.18). De invloed van de wateraanvoertemperatuur is dus veel kleiner. Dit geldt voor beide varianten, maar dit verschijnsel is het beste bij de buitentemperatuurafhankelijke regeling waar te nemen. Als voorbeeld de winterperiode waar een relatief grote stijging van de wateraanvoertemperatuur slechts een lichte stijging van de oppervlaktetemperaturen tot gevolg heeft. Om de wateraanvoertemperatuur een grotere invloed te geven op de oppervlaktetemperaturen dient de warmteweerstand van de constructie te worden verlaagd. Hierdoor zullen de temperatuurverschillen kleiner worden, maar dit zal resulteren in een vloer met een lagere massa en de daarbij behorende negatieve effecten. − Het verschil tussen de aanvoer- en retourtemperatuur is klein en is bij beide varianten maximaal 1°C. Dit betekent dat er weinig vermogen uit het water wordt onttrokken. Dit is echter niet gunstig voor de installatie die de betreffende energie moet leveren. Een groter temperatuurverschil tussen de aanvoer- en retourtemperatuur resulteert namelijk in een hoger
49
rendement van de warmte- en/of koudeopwekker. Een oplossing hiervoor is het verlagen van de volumestroom van het water, zodat het temperatuurverschil kan toenemen. 6.3.4
Conclusies − Een constante wateraanvoertemperatuur heeft een negatief effect op het thermisch comfort in de ruimte. − Bij een constante wateraanvoertemperatuur kunnen de oppervlaktetemperaturen van de vloer en het plafond dalen tot respectievelijk 15°C en 16°C. Hierdoor kan de ventilatielucht in de ruimte gaan condenseren en dit is absoluut niet gewenst. − De maximale vermogens zijn bij een constante wateraanvoertemperatuur lager. Dit geldt voor zowel het koel- als verwarmingsvermogens in zowel de winter- als zomerperiode. − Bij de constante wateraanvoertemperatuur moet de luchtbehandelingskast vaker in werking treden, waardoor het energiegebruik toeneemt. De totale stijging van het energiegebruik bedraagt 8,5% − De invloed van de ruimtetemperatuur op de oppervlaktetemperatuur van de vloer en het plafond is groter dan de invloed van de wateraanvoertemperatuur. − Ten behoeve van het rendement van een warmte- en/of koudeopwekker dient de volumestroom water zodanig te worden gedimensioneerd dat er een zo groot mogelijk temperatuurverschil tussen de aanvoer en retour ontstaat. Een te grote volumestroom kan resulteren in te klein temperatuurverschil, waaroor het rendement van de warmte- en/of koudeopwekker daalt.
6.4
Consequenties toepassing BKA en/ of LBK Uit de literatuur is al gebleken dat een luchtbehandelingssysteem noodzakelijk is voor het regelen van de relatieve vochtigheid indien er gebruik wordt gemaakt van een betonkernactiveringssysteem. Tevens blijkt uit de voorgaande reeks simulaties dat een luchtbehandelingssysteem van invloed is op het thermisch comfort in de ruimte. In deze paragraaf zal worden bekeken hoeveel energie en energiekosten kunnen worden bespaard door de toepassing van een betonkernactiveringssysteem in combinatie met een luchtbehandelingssysteem bij een gelijkblijvend thermisch comfort in de ruimte.
6.4.1
Parameters Er zullen 3 varianten (tabel 6.12) worden gesimuleerd waarbij de betonkernactivering en het luchtbehandelingssysteem wisselend actief zijn. In tabel 6.12 wordt weergegeven welke parameters zullen worden toegepast. Het betekent dat er gebruik zal worden gemaakt van de parameters uit de referentiesituatie aangevuld met de gegevens uit tabel 6.8 of 6.13. Dit resulteert in de toepassing van de parameters die in de voorgaande simulaties het beste resultaat hebben opgeleverd, te weten een hoge massa van de bouwkundige constructie in combinatie met een buitentemperatuur afhankelijke regeling van de wateraanvoertemperatuur.
50
Variant
Soort systeem
Parameters standaard aanvulling
Model
3.1
LBK aan, BKA uit
referentiesituatie
tabel 6.13
jrx_buildingv6clim_v2_geenBKA.mdl
3.2 3.3
LBK uit, BKA aan LBK aan, BKA aan
referentiesituatie referentiesituatie
tabel 6.8 tabel 6.8
jrx_buildingv6clim_v2.mdl jrx_buildingv6clim_v2.mdl
Tabel 6.12: Simulatievarianten toepassing BKA en/ of LBK
Hier zal bij variant 3.2 de LBK worden uitgeschakeld door de volgende parameters uit het blok ‘heating/ cooling capacities’ gelijk te stellen aan 0: − cooling capacity; − heating capacity. In tegenstelling tot de voorgaande simulaties zal niet een aparte winter- en zomerperiode worden doorgerekend, maar zal er een aaneengesloten jaar worden gesimuleerd. Dit heeft namelijk een voordeel bij de analysering van de resultaten. Het referentiejaar zal het gehele jaar 1979 betreffen. Voor variant 3.1 wordt een afwijkende simulatiefile toegepast, namelijk jrx_buildingv6clim_v2_geenBKA.mdl. In deze Simulink-file is namelijk de regeling van de luchtbehandelingskast vervangen door de regeling uit het oorspronkelijke model BuildingV6Clim.mdl. Dit betekent dat het vermogen van de luchtbehandelingskast zal worden geregeld door middel van een PID-regelaar. Het is namelijk niet reëel om te veronderstellen dat bij de enkele toepassing van een luchtbehandelingssysteem een aan/uit-schakeling zal worden toegepast om het vermogen te regelen. Doordat een andere regeling wordt toegepast bij variant 3.1, zijn ook gewijzigde parameters benodigd t.b.v. het blok ‘heating/ cooling capacities’, zoals weergegeven in tabel 6.13. Bloknaam
Parameter
Waarde
Eenheid
Heating/ cooling
cooling capacity
-2250
W
capacities
heating capacity setpoint gedurende de
4000 20
W °C
nachtperiode stijging setpoint gedurende
3
°C
de dagperiode Tabel 6.13: Afwijkende parameters t.b.v. simulatievariant 3.1
6.4.2
Resultaten van de simulaties De resultaten van de simulaties zijn weergegeven in tabel 6.14. In deze tabel is het aspect vermogen niet opgenomen, doordat het vermogen van de betonkernactivering geen onderdeel is van de analyse bij deze reeks simulaties.
51
6.4.3
Analyse van de resultaten Comfort − Bij variant 3.1 en 3.3 is een gelijkwaardig binnenklimaat gerealiseerd. Bij beide varianten treedt een minimumtemperatuur op van 18,5°C voor maximaal 2% van de gebruikstijd. De overschrijding van 28°C vindt bij beide varianten niet plaats. De temperatuur van 25°C wordt wel overschreden, maar de overschrijding voldoet aan de eisen van de RGD. − Indien alleen BKA wordt toegepast voldoet het binnenklimaat absoluut niet aan de gestelde eisen met betrekking tot het thermisch comfort. De BKA levert namelijk niet voldoende vermogen om de ventilatielucht te verwarmen of te koelen tot de gewenste ruimtetemperatuur. Vermogen luchtbehandelingskast − Het wel of niet toepassen van BKA resulteert in verschillende toe te passen koel- en verwarmingsvermogens die voor de LBK benodigd zijn. Er blijkt dat bij de toepassing van alleen de LBK 750 W minder koelvermogen en 500 W méér verwarmingsvermogen benodigd is. De afname van het koelvermogen is opvallend, omdat er geen koelvermogen van de BKA is. Dit wordt veroorzaakt door de toepassing van de PID-regelaar in combinatie met de toepassing van een gewijzigde setpointversteller. Er is namelijk alleen een gelijkwaardig thermisch comfort te realiseren indien het setpoint gedurende de nacht op 20°C wordt vastgesteld met een verhoging van 3°C gedurende de dag. Dit betekent dat het bijna nooit kouder wordt dan 20°C in de ruimte, waardoor het vermogen van de luchtbehandelingskast over een grotere periode aan de ruimte kan worden toegevoerd. Hierdoor ontbreken de piekvermogens. Door het ontbreken van de piekvermogens blijkt het koelvermogen te kunnen dalen en is er slechts een kleine toename van het verwarmingsvermogen benodigd. − Bij variant 3.1 is duidelijk waar te nemen dat het berekende verwarmingsvermogen met behulp van Vabi (paragraaf 2.2.2) veel groter is dan het vermogen dat is gebruikt bij de simulaties. Dit wordt onder andere veroorzaakt door het feit dat Vabi uitgaat van een statische berekeningsmethode, terwijl de simulaties dynamisch zijn. Ook verschillen de randvoorwaarden waaronder de berekeningen cq. simulaties zijn uitgevoerd, maar de analyse hiervan valt buiten de beschouwing van dit rapport. Energiegebruik en kosten − Het energiegebruik bij de enkele toepassing van een LBK resulteert in een groter energiegebruik. Het hogere gebruik wordt veroorzaakt door enerzijds het ontbreken van het vermogen van de BKA, maar anderzijds door de PID-regelaar i.c.m. de setpointversteller. De PID-regelaar en de setpointversteller zorgen er namelijk voor dat de LBK continu een minimale temperatuur van 20°C in de ruimte probeert te handhaven. Bij de gecombineerde toepassing van de LBK en de BKA wordt echter buiten de gebruikstijd een onder- of overschrijding van 2°C toegestaan afhankelijk van de winter- of zomerperiode. Hierdoor is in bepaalde perioden tijdelijk minder vermogen benodigd. − De gecombineerde toepassing van de BKA en de LBK resulteert in een verlaging van het totale energiegebruik met 35,8% in vergelijking met de enkele toepassing van de LBK.
52
Variant
Comfort
Energiegebruik
Energiekosten
laagste
perc
hoogste
perc
meest
perc
BKA heat cool
LBK
BKA
LBK
heat
cool
heat
cool
heat
cool
[ºC]
[%]
[ºC]
[%]
[ºC]
[%]
[MJ]
[MJ]
[MJ]
[MJ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
3.1 3.2
18,5 7,8
2 0,2
25,5 28,8
1 0,2
22,5 19,8
45 11
0 16995
0 1039
52119 0
12088 0
0 172,72
0 11,87
510,14 0
143 0
3.3
18,5
1
25,5
3
21,5
27
11547
761
27105
1828
115,73
8,93
251,53
21,99
Tabel 6.14: Simulatieresultaten van toepassing BKA en/ of LBK
Figuur 6.19: variant 3.1; histogram
Figuur 6.20: variant 3.2; histogram
binnentemperatuur
binnentemperatuur Figuur 6.21: variant 3.3; primary energy & costs
53
− Bij de gecombineerde toepassing van de LBK en BKA levert de BKA 30% van het verwarmingsvermogen en 29% van het koelvermogen. De luchtbehandelingskast levert dus een groot aandeel van het benodigde vermogen. Dit is enigszins verklaarbaar, doordat de aan/uitschakeling het gehele vermogen van de luchtbehandelingskast continu in- en uitschakelt. Een PID-regelaar zorgt er echter voor dat het geleverde vermogen afhankelijk is van het temperatuurverschil tussen setpoint en ruimtetemperatuur, waardoor niet continu de totale capaciteit wordt aangesproken. − De gecombineerde toepassing van de LBK en BKA levert een totale kostenverlaging van 39%. De verhouding tussen de energiekosten tussen de LBK en BKA is hierbij nagenoeg gelijk aan de verhouding tussen het energiegebruik van beide systemen. 6.4.4
Conclusies − De toepassing van enkel een luchtbehandelingssysteem of de combinatie van een luchtbehandelingssysteem met betonkernactivering levert een gelijkwaardig thermisch comfort. − Een betonkernactiveringssysteem levert een te klein vermogen om het ventilatiewarmteverlies te dekken. Dit resulteert in een onacceptabel thermisch comfort indien geen luchtbehandelingssysteem wordt toegepast. − Het type regeling van de luchtbehandelingskast is zeer bepalend voor het benodigde opwekkingsvermogen. Door toepassing van een PID-regelaar is er een lager koelvermogen en slechts een kleine toename van het verwarmingsvermogen benodigd in vergelijking met een systeem waarbij tevens gebruik wordt gemaakt van betonkernactivering. De PID-regelaar zorgt namelijk voor een continue levering van vermogen waarbij de grootte van het vermogen wordt bepaald door het temperatuurverschil tussen de gewenste temperatuur en de ruimtetemperatuur. − Bij de gecombineerde toepassing van betonkernactivering met een luchtbehandelingssysteem wordt 30% van het energiegebruik door de betonkernactivering gebruikt. Het grote aandeel van de luchtbehandelingskast wordt veroorzaakt door de aan/uit-schakeling waardoor continu het totale vermogen wordt in- en uitgeschakeld. − Door toepassing van betonkernactivering in combinatie met een luchtbehandelingssysteem is het mogelijk om 35,8% energie besparen in vergelijk met de toepassing zonder betonkernactivering. Het resulteert tevens in een kostenbesparing van 39%.
54
7. Conclusies & Aanbevelingen In dit hoofdstuk worden de conclusies gegeven die gebaseerd zijn op de inhoud van de hiervoor beschreven hoofdstukken. Dit hoofdstuk wordt afgesloten met de beschrijving van een aantal aanbevelingen die van toepassing kunnen zijn indien dit rapport wordt gebruikt ten behoeve van een eventuele vervolgopdracht. 7.1
Conclusies Modellering simulatiemodel betonkernactivering Bij de modellering van het betonkernactiveringssysteem is gebruik gemaakt van de softwareprogramma’s Matlab en Simulink. De basis van het simulatiemodel wordt gevormd door het door de Technische Universiteit ontwikkelde ISE-model. Uitbreidingen op dit bestaande model hebben geresulteerd in een simulatiemodel van een betonkernactiveringssysteem. De uitbreiding betreft de toevoeging van de volgende onderdelen: − een bouwkundige vloer-/ plafondconstructie met daarin opgenomen betonkernactivering; − een submodel waarmee de gewenste warmteoverdrachtscoëfficiënten worden geselecteerd; − een regeling voor de wateraanvoertemperatuur; − een preferentieschakeling tussen de betonkernactivering en de luchtbehandeling; − een uitbreiding van het ISE-model, waaronder: ∗
toevoeging van schakelende zonwering; toevoeging van een starttijd en lengte van de werkdag;
∗
uitbreiding van de kostenbepaling met een hoog en laag energietarief.
∗
Het model is niet door praktijkmetingen gevalideerd, maar is slechts door middel van een statische controleberekening geverifieerd. De output van het model wordt gevisualiseerd door verschillende grafieken en histogrammen waarmee de simulaties kunnen worden geanalyseerd. Simulaties Met behulp van het gerealiseerde simulatiemodel zijn de consequenties onderzocht van de geometrie van de bouwkundige constructie, de regeling van de wateraanvoertemperatuur en de gecombineerde toepassing van een betonkernactiveringssysteem met een luchtbehandelingssysteem op het comfort, energiegebruik en vermogen van de installatie. Simulaties met variërende geometrie vloer-/ plafondconstructies Op basis van deze reeks simulaties kan worden geconcludeerd dat een betonkernactiveringssysteem in combinatie met een grote massa van de bouwkundige constructie de meeste gunstige eigenschappen heeft. Het systeem heeft het laagste energiegebruik, het beste thermische comfort en goede eigenschappen met betrekking tot het afgegeven vermogen. Bij de simulaties werd deze geometrie gerealiseerd door de toepassing van een vloerdikte van 0,33 m, een vloerafwerking met plavuizen en het opnemen van leidingregisters in de kern van de constructie. De toepassing van linoleum in plaats van plavuizen als vloerafwerking zorgt voor een daling van de warmtecapaciteit van de constructie, waardoor het maximaal af te geven vermogen van de vloer
55
daalt. Een kleinere vloerdikte zorgt voor een afname van de warmtecapaciteit van de constructie waardoor deze gevoeliger wordt voor externe belastingen, zodat de frequentie waarmee de oppervlaktetemperaturen variëren toeneemt. Tevens zorgt het in de winterperiode voor een daling van het maximale koelvermogen van de vloer en het plafond met respectievelijk 30% en 33%. Indien de inbouwdiepte van de leidingregisters toeneemt (plafondsysteem) stijgen de maximaal te realiseren koel- en verwarmingvermogens van het plafond. Het koelvermogen van het plafond kan stijgen met 22% en het verwarmingsvermogen met 29%. In de literatuur wordt verondersteld dat een betonkernactiveringssysteem een 2
verwarmingsvermogen van de vloer en een koelvermogen van het plafond van 99 W/m kan opleveren. Op basis van de simulaties is geconcludeerd dat een verwarmingsvermogen van 45,2 2
2
W/m en een koelvermogen van het plafond van 43,3 W/m mogelijk is. Deze grote verschillen worden veroorzaakt doordat de in de literatuur gestelde randvoorwaarden met betrekking tot de binnentemperatuur en maximale oppervlaktetemperaturen in de simulaties niet worden gehaald. Simulaties met variërende wateraanvoertemperatuur Bij deze reeks simulaties is een vergelijking gemaakt tussen een constante wateraanvoertemperatuur en een buitentemperatuur afhankelijke regeling van de wateraanvoertemperatuur. Een buitentemperatuur afhankelijke regeling met een maximum aanvoertemperatuur van 29°C en een minimum aanvoertemperatuur van 18°C heeft de beste eigenschappen. De toepassing van een constante wateraanvoertemperatuur resulteert in: − een negatief effect op het thermische comfort in de ruimte; − het gevaar voor condensatie van de ventilatielucht doordat de oppervlaktemperaturen dalen tot 15°C à 16°C. − lagere maximale vermogens welke door de vloer en het plafond kunnen worden afgegeven. − een totale stijging van het energiegebruik met 8,5%. Bij het ontwerp van een regeling van de wateraanvoertemperatuur dient rekening te worden gehouden met de volgende aspecten: − de invloed van de ruimtetemperatuur op de oppervlaktetemperatuur van de vloer en het plafond is groter dan de invloed van de wateraanvoertemperatuur. − ten behoeve van het rendement van een warmte- en/of koudeopwekker dient de volumestroom water zodanig te worden gedimensioneerd dat er een zo groot mogelijk temperatuurverschil tussen de aanvoer en retour ontstaat. Een te grote volumestroom kan resulteren in een te klein temperatuurverschil, waardoor het rendement van de warmte- en/of koudeopwekker daalt. Simulaties met de toepassing van BKA en/ of LBK De toepassing van enkel een luchtbehandelingssysteem of de combinatie van een luchtbehandelingssysteem met betonkernactivering levert een gelijkwaardig thermisch comfort. De gecombineerde toepassing met betonkernactivering levert echter een energiebesparing van 35,8% en een kostenbesparing van 39%.
56
Het is niet mogelijk om alleen een betonkernactiveringssysteem toe te passen voor de klimatisering van een gebouw. Het systeem heeft namelijk te weinig vermogen om het ventilatiewarmteverlies te dekken, waardoor er een onacceptabel binnenklimaat wordt verkregen. 7.2
Discussie De modellering van het simulatiemodel brengt de volgende discussiepunten naar voren: − Betonkernactivering beïnvloedt voornamelijk de lucht- en stralingstemperatuur in de ruimte. Het aspect straling is niet in het simulatiemodel opgenomen, waardoor de invloed hiervan op het vermogen en comfort niet kan worden geïnventariseerd. − In de praktijk worden, voornamelijk in scholen, eilandplafonds toegepast ten behoeve van een betere akoestiek in de ruimte. Deze plafonds zijn echter van invloed op het vermogen dat door de constructie kan worden afgegeven. − De warmteoverdrachtscoëfficiënten tussen de constructie en de ruimte worden als constant verondersteld. In de praktijk zijn deze waarden niet constant. Met name de convectieve component is sterk afhankelijk van het temperatuurverschil tussen constructie en ruimte en de luchtstroming in de ruimte. Hierdoor kunnen de vermogens die door de vloer en het plafond worden afgegeven sterk worden beïnvloed. − Door het ontbreken van metingen in de praktijk is het simulatiemodel niet gevalideerd, zodat er geen schatting kan worden gedaan van de invloed van de hiervoor besproken discussiepunten op de uitkomsten van de simulaties. De analysering van de simulatieresultaten brengt de volgende discussiepunten naar voren: − Het comfort kan het beste worden geanalyseerd door gebruik te maken van de Predicted Mean Vote. Om deze waarde te kunnen bepalen zijn extra parameters benodigd, waaronder de stralingstemperatuur. Het wordt hiermee eenvoudiger en nauwkeuriger om een uitspraak te doen over het comfort in de ruimte in vergelijking met de methode, zoals deze in dit rapport is toegepast. − Er is een betere tool benodigd om de vermogensafgifte en oppervlaktetemperaturen van de vloer en het plafond te registreren. Hiermee moet het mogelijk zijn om nauwkeuriger uitspraken over de invloed van de geometrie op de betreffende aspecten. De in dit rapport toegepaste analyse geeft een indruk van verschillende invloeden bij een wisselende geometrie, maar is onvoldoende nauwkeurig. − Bij de analysering van de gecombineerde toepassing van een luchtbehandelingssysteem en een betonkernactiveringssysteem in vergelijking tot een enkel luchtbehandelingssysteem is gebruik gemaakt van twee soorten regelingen van de luchtbehandelingskast. Dit geeft een enigszins vertekent beeld van de resultaten van de uitgevoerde simulaties.
57
7.3
Aanbevelingen Ten behoeve van de ontwikkeling van een simulatiemodel van betonkernactivering en de analysering van de resultaten van de simulaties worden de volgende aanbevelingen gedaan: − Het verkrijgen van praktijkmetingen van een betonkernactiveringssysteem. Deze zijn zeer waardevol bij de ontwikkeling van een simulatiemodel doordat kan worden bekeken in hoeverre het simulatiemodel met de werkelijkheid overeenkomt. − De modellering van het simulatiemodel uitbreiden met de aspecten zoals deze zijn genoemd bij de discussiepunten. Hierbij kunnen de praktijkmetingen van grote waarde zijn, doordat hiermee inzicht kan worden verkregen in de invloed van elk van deze aspecten op de resultaten van de simulaties. Hierdoor zou de mogelijkheid kunnen bestaan dat niet alle aspecten daadwerkelijk in de modellering dienen te worden opgenomen. − De prioriteitsregeling tussen de luchtbehandelingskast en de betonkernactivering verbeteren, waar bij voorkeur de aan/uit-schakeling van de luchtbehandelingskast wordt vervangen door een PID-regelaar. − Het verbeteren van de uitvoervisualisatie, zodat gemakkelijker en nauwkeuriger uitspraken kunnen worden gedaan over het comfort in de ruimte, maar ook de vermogens en oppervlaktetemperaturen van de vloer- en plafondconstructies. Dit conform de aspecten besproken bij de discussiepunten.
58
Literatuurlijst [1]
ISSO publikatie 53, Warmteverliesberekening voor utiliteitsgebouwen m met vertrekhoogten
[2]
tot 5 meter. Rotterdam, maart 2002. Schijndel, J, Indoor temperature Simulink Engineering tool (ISE), University of Technology
[3]
Eindhoven, Department of Architecture and Planning, Group FAGO. 2001. Berkhout, V.M., Betonkernactivering: bepaling van het thermische regelgedrag in een
[4]
kantoorvertrek. Technische Universiteit Eindhoven, 2001. Meierhans, Olesen, Thermisch actieve betonconstructies. Hamburg, 1999.
[5]
Schrevel, R.A.M. de, Betonkernactivering, een nieuwe manier van gebouwklimatisering. Verwarming & Ventilatie, juli 2002.
[6]
NEN-EN-ISO 7730, Gematigde thermische binnenomstandigheden. Bepaling van de PMVen PPD-waarde en specificatie van de voorwaarden voor thermische behaaglijkheid. 3e druk,
[7]
mei 1996. Bouwbesluit 2003
[8] [9]
Koschenz, Markus, Beat Lehmann, Thermoaktive Bauteilsysteme tabs. 2000. ISSO publikatie 32, Uitgangspunten temperatuursimulatieberekeningen. Rotterdam, januari
[10]
1994. ISSO publikatie 19, Thermisch binnenklimaat, aanbevelingen. Rotterdam.
.
Bijlage I
Bijlage II
Bestanden ISE-model Hieronder wordt een overzicht gegeven van de bestanden welke behoren tot het door de Technische Universiteit Eindhoven opgestelde ISE-model [1]. Bestanden in Matlab Het betreft de volgende m-files: − buildingv5colddaygraf.m − buildingV5Efun.m − buildingV5Efunkost.m − buildingV5Ekost.m − buildingV5histQ.m − buildingV5histtemp.m − buildingv5hotdaygraf.m − buildingv5loadgraf.m − buildingV5tempgraf.m − BuildingV6init.m − Climdataf.m − Irradwindow.m Het betreft de volgende mat-file: − ClimDat1971_2000.mat Bestanden in Simulink Het betreft de volgende mdl-files: − BuildingV6Clim.mdl − DeBiltClimateR12.mdl
Parameters ISE-model Hieronder is een weergave gegeven van het ISE-model zoals dat ook in het softwareprogramma Simulink wordt weergegeven. Op basis van deze weergave zijn per bloknaam de parameters gegeven die moeten worden ingevoerd bij het uitvoeren van een simulatie met het model.
Figuur IV.1: Weergave ISE-model in Simulink
Bloknaam
Parameter
Eenheid
Climate Data de Bilt 1971-2000
starting year
-
starting month starting day
-
end year end month
-
end day
-
azimuth
[0..360, 0 = south]
inclination
[0..90, 0 = horizontal]
window surface window transmission coefficient
m -
heating capacity
W
Q Windows & T external
Heating/ cooling
2
capacities Q internal zone
cooling capacity
W
Q during night extra dQ during day
W W
Bloknaam
Parameter
Eenheid
Building zone
volume zone
m
ventilation
#/ hour
facade construction facade surface
light/ middle/ heavy weight m2
facade heat resistance floor and internal walls construction
m ⋅K/ W light/ middle/ heavy weight
floor an internall walls surface window surface
m m2
window heat resistance
m ⋅K/ W
setpoint temperature T base during
°C
the night setpoint temperature rise dT during
°C
T setpoint zone
3
2
2
2
the day Energy efficiencies & costs
energy heating efficiency
-
heating unit heating cost
m of kWh eur/ unit
energy cooling efficiency cooling unit
m3 of kWh
coolng cost
eur/ unit
3
Bijlage III − −
III.1: Het model van de betonkernactiveringsconstructie III.2: De controleberekening van de betonkernactiveringsconstructie
− −
III.3: Variërende warmteoverdrachtscoëfficiënten III.4: Schakelende zonwering
−
III.5: Kostenbepaling
III.1 Het model van de betonkernactiveringsconstructie De S-function JRX_bka_SF_v1.m function [sys,x0,str,ts] = JRX_bka_SF_v1(t,x,u,flag) %JRX_bka_SF_V1 Jeroen Rietkerk, Betonkernactiveringsmodel Sfunction v.1 % %Jeroen Rietkerk 10/2004 % %input u; output y %u(1)=T_ruimte %u(2)=Tw_in %u(3)=R1 %u(4)=R2 %u(5)=R3 %u(6)=C1 %u(7)=C2 %y(1)=x(1) %y(2)=x(2) %y(3)=x(3) %y(4)=x(4) %y(5)=x(5)
switch flag, %%%%%%%%%%%%%%%%%% % Initialization % %%%%%%%%%%%%%%%%%% case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes; %%%%%%%%%%%%%%% % Derivatives % %%%%%%%%%%%%%%% case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); %%%%%%%%%%% % Outputs % %%%%%%%%%%% case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u);
%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Unhandled flags % %%%%%%%%%%%%%%%%%%% case { 2, 4, 9 }, sys = []; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Unexpected flags % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% otherwise error([' Unhandled flag = ' ,num2str(flag)]); end % end wpfun1 % %========================================================================= % mdlInitializeSizes % Return the sizes, initial conditions, and sample times for the S-function. %========================================================================= % function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 5; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 6; sizes.NumInputs = 19; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x0 = [10 10 10 10 10]; str = []; ts = [0 0]; % end mdlInitializeSizes % %========================================================================= % mdlDerivatives % Return the derivatives for the continuous states.
%========================================================================= % function sys=mdlDerivatives(t,x,u) % input Tw_in=u(1);
%oC
de ingaande watertemperatuur in de leidingregisters
T_ruimte=u(2);
%oC
de ruimtetemperatuur van de gebouwzone
%modelparamaters die in een later stadium varaibale zullen worden gemaakt %d.m.v. vergelijkingen. alpha_plafond=u(3); alpha_vloer=u(4);
%W/(m2 K) warmteoverdrachtscoefficient aan de plafondzijde %W/(m2 K) warmteoverdrachtscoefficient aan de vloerzijde
% overige modelparameters A_bouwdeel=u(5);
%m2
oppervlakte van de vloer(=gelijk aan opp. plafond)
delta=u(6); lengte_leiding=u(7);
%m %m
leidingdiameter leidinglengte dat in de vloer is opgenomen
d_steek=u(8); d_inbouw=u(9);
%m %m
onderlinge afstand tussen de leidingen inbouwdiepte van de leidingen (gezien vanaf de vloer,
niet gerekend met vloerbedekking) d_bouwdeel=u(10); vloerbedekking
%m
totale dikte van de bouwkundige constructie, zonder
d_vloerbedekking=u(11);
%m
dikte van de vloerbedekking
lambda_bouwdeel=u(12); constructie
%W/(m K)
warmtegeleidingscoefficient van de bouwkundige
lambda_vloerbedekking=u(13); %W/(m K) warmtegeleidingscoefficient van de vloerbedekking rho_bouwdeel=u(14); %kg/m3 dichtheid van de bouwkundige constructie rho_vloerbedekking=u(15); c_bouwdeel=u(16);
%kg/m3 dichtheid van de vloerbedekking %J/(kg K) soortelijke warmte van de bouwkundige constructie
c_vloerbedekking=u(17); m_water=u(18);
%J/(kg K) soortelijke warmte van de vloerbedekking %kg massa water in leidingregisters
mdot_water=u(19); c_water=4180;
%kg/s massastroom waterin leidingregisters %J/(kg K) soortelijke warmte van water
% bepaling weerstanden Rx=(((d_steek*log(d_steek/(pi*delta)))/(2*pi*lambda_bouwdeel))/(2*pi*(0.5*delta)*lengte_leiding)); R1=((d_bouwdeel-d_inbouw)/(lambda_bouwdeel*A_bouwdeel)); R2=(d_inbouw/(lambda_bouwdeel*A_bouwdeel)); R3=(d_vloerbedekking/(lambda_vloerbedekking*A_bouwdeel));
Rp=(1/(alpha_plafond*A_bouwdeel)); Rv=(1/(alpha_vloer*A_bouwdeel)); % bepaling capaciteiten C2=(1/2)*(A_bouwdeel*d_bouwdeel*rho_bouwdeel*c_bouwdeel); C3=(1/4)*(A_bouwdeel*d_bouwdeel*rho_bouwdeel*c_bouwdeel); C4=((1/4)*(A_bouwdeel*d_bouwdeel*rho_bouwdeel*c_bouwdeel))+((1/2)*(A_bouwdeel*d_vloerbed ekking*rho_vloerbedekking*c_vloerbedekking)); C5=((1/2)*(A_bouwdeel*d_vloerbedekking*rho_vloerbedekking*c_vloerbedekking)); Cw=c_water*m_water; xdot(1)=(1/Cw)*((mdot_water*c_water*(Tw_in-x(1)))-((x(1)-x(2))/(2*Rx))); xdot(2)=(1/C2)*(((x(1)-x(2))/(2*Rx))+((Tw_in-x(2))/(2*Rx))-((x(2)-x(4))/R2)-((x(2)-x(3))/R1)); xdot(3)=(1/C3)*(((x(2)-x(3))/R1)-((x(3)-T_ruimte)/Rp)); xdot(4)=(1/C4)*(((x(2)-x(4))/R2)-((x(4)-x(5))/R3)); xdot(5)=(1/C5)*(((x(4)-x(5))/R3)-((x(5)-T_ruimte)/Rv)); sys = [xdot(1); xdot(2); xdot(3); xdot(4); xdot(5)]; % end mdlDerivatives % %========================================================================= ==== % mdlOutputs % Return the block outputs. %========================================================================= ==== % function sys=mdlOutputs(t,x,u) Tw_in=u(1); %oC mdot_water=u(19); c_water=4180;
de ingaande watertemperatuur in de leidingregisters
%kg/s massastroom waterin leidingregisters %J/(kg K) soortelijke warmte van water
Q_water=mdot_water*c_water*(Tw_in-x(1)); sys = [x ; Q_water]; % end mdlOutputs
III.2 De controleberekening van de betonkernactiveringsconstructie Controleberekening op basis van statische berekeningsmethode Referentiebestand: jrx_BKA_val.mdl Ingevoerde Berekende parameters grootheden lambda_bouwdeel 1,9 C2 10080000 lambda_vloerbedekking 0,19 C3 5040000 rho_bouwdeel 2500 C4 5167008 rho_vloerbedekking 1200 C5 127008 c_bouwdeel 840 Cw 418000 c_vloerbedekking 1470 R1 0,001096 c_water 4180 R2 0,001096 steek 0,2 R3 0,000329 leidinglengte 231 Rp 0,001894 leidingdiameter 0,025 Rv 0,002976 dikte constructie 0,2 Rx 0,038841 inbouwdiepte 0,1 dikte vloerbedekking 0,003 opp. vloer 48 warmteoverdr. vloer 7 warmteoverdr. plafond 11 massastroom 0,5 totale waterinhoud 100
Uitkomsten simulatie T1 20,76 T2 23,52 T3 25,9 T4 25,14 T5 25,62 Twin 20 Truimte 30
Uitkomsten Differentiaalvergelijkingen dT1 -3,72E-03 dT2 3,54E-04 dT3 -1,14286E-06 dT4 -3,53009E-06 dT5 9,82615E-05
Figuur IV.1: Statische simulatie jrx_bka_val.mdl
Uitkomsten overige vergelijkingen Q_BKA -3636 Q_plafond -2165 Q_vloer -1472 Q_water -1588
III.3 Variërende warmteoverdrachtscoëfficiënten De m-file JRX_alpha_control.m %JRX_alpha_control Varierende alpha-waarden, uitgaan van Tinternal en %Tbouwdeel % %Jeroen Rietkerk November 2004
function y=JRX_LBK_BKA_control(x) T_internal=x(1); T_vloer2=x(2); T_plafond=x(3); %De totale warmteoverdrachtscoefficient, alpha_tot, bestaat uit een %stralingscomponent en convectiecomponent, respectievelijk alpha_r en %alpha_c. Voor de totale warmteoverdrachtscoefficient wordt gebruik gemaakt %van literaire waarden, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen vloer of %plafond en koelen of verwarmen. if T_internal
III.4 Schakelende buitenzonwering De m-file JRX_Irradwindow.m %IRRADWINDOW Calculates the irradiation through window % % SYNTAX: E=irrad(Dh,En,iday,LST,gamma,beta) % % OUTPUT: vector E % E(1)= diffuse solar irradiation on an inclined surface % E(2)= direct solar irradiation on an inclined surface % E(3)= total solar irradiation on an inclined surface % E(4)= total solar irradiation on a horizontal surface % % INPUT: % (scalar) Dh % (scalar) En
= diffuse horizontal irradiation [W/m2] = direct normal irradiation [W/m2]
% (scalar) t = time seconds after midnight 1 january % (scalar) gamma = azimuth angle of the surface, % %
east:gamma = -90, west:gamma = 90 south:gamma = 0, north:gamma = 180
% (scalar) beta = inclination angle of the surface, % horizontal: beta=0, vertical: beta=90 % % default geographical position: De Bilt % default ground reflectivity (albedo): 0.2 % % EXAMPLE: E=irrad(800,200,201,12,0,45) % ANSWER: E=1.0e+003 * % %
0.8569
0.1907
1.0759
0.9684
% REF: Perez (zie Solar Energy volume 39 no. 3) % % JvS feb 2002, aanpassing voor inlezen standaard klimaatfiles % %Wijziging Jeroen Rietkerk, november 2004 %Wijziging heeft betrekking op toevoeging geschakelde buitenzonwering function EW=irradwindow(tclim,Dh,En,gamma,beta,WA,WZTA); %(scalar) iday = day of the year
(1-365)
% (scalar) LST = Local Standard time (0 - 24)
[hour]
iday=1+floor(tclim/(24*3600)); LST=floor(rem( (tclim/3600),24));
% L = Latitude [graden] L=52.1; % LON = Local Longitude [graden] oost is positief LON=5.1; % LSM = Local Standard time Meridian [graden] oost is positief LSM=15; % gref = albedo gref=0.2;
r=pi/180; L=L*r; beta=beta*r; theta=2*pi*(iday-1)/365.25; el=4.901+0.033*sin(-0.031+theta)+theta; % declination delta=asin(sin(23.442*r)*sin(el)); q1=tan(4.901+theta); q2=cos(23.442*r)*tan(el); % equation of time ET=(atan((q1-q2)/(q1*q2+1)))*4/r; AST=LST+ET/60-(4/60)*(LSM-LON); h=(AST-12)*15*r; % hai=sin(solar altitude) hai=cos(L)*cos(delta)*cos(h)+sin(L)*sin(delta); E(1)=0; E(2)=0; E(3)=0; E(4)=0; if hai>0,
% salt=solar altitude salt=asin(hai); phi=acos((hai*sin(L)-sin(delta))/(cos(salt)*cos(L)))*sign(h); gam=phi-gamma*r; % cai=cos(teta) cai=cos(salt)*cos(abs(gam))*sin(beta)+hai*cos(beta);
% teta = incident angle on the tilted surface teta=acos(cai); % salts=solar altitude for an inclined surface salts=pi/2-teta; % Perez (zie Solar Energy volume 39 no. 3) % berekening van de diffuse straling op een schuin vlak % Approximatin of A and C, the solid angles occupied by the circumsolar region, % weighed by its average incidence on the slope and horizontal respectively. % In the expression of diffuse on inclined surface the quotient of A/C is % reduced to XIC/XIH. A=2*(1-cos(beta))*xic, C=2*(1-cos(beta))*xih % gecontroleerd okt 1996 martin de wit % alpha= the half-angle circumsolar region alpha=25*r; if salts<-alpha, xic=0; elseif salts>alpha, xic=cai; else xic=0.5*(1+salts/alpha)*sin((salts+alpha)/2); end if salt>alpha, xih=hai; else xih=sin((alpha+salt)/2); end epsint=[1.056 1.253 1.586 2.134 3.23 5.98 10.08 999999]; f11acc=[-0.011 -0.038 0.166 0.419 0.710 0.857 0.734 0.421]; f12acc=[0.748 1.115 0.909 0.646 0.025 -0.370 -0.073 -0.661]; f13acc=[-0.080 -0.109 -0.179 -0.262 -0.290 -0.279 -0.228 0.097]; f21acc=[-0.048 -0.023 0.062 0.140 0.243 0.267 0.231 0.119]; f22acc=[0.073 0.106 -0.021 -0.167 -0.511 -0.792 -1.180 -2.125]; f23acc=[-0.024 -0.037 -0.050 -0.042 -0.004 0.076 0.199 0.446]; % determination of zet = solar zenith angle (pi/2 - solar altitude). zet=pi/2-salt; % determination of inteps with eps
inteps=1; if Dh>0, eps=1+En/Dh; i=find(epsint>=eps); inteps=min(i); end % calculation of inverse relative air mass airmiv=hai; if salt<10*r, airmiv=hai+0.15*(salt/r+3.885)^(-1.253); end % calculation of extraterrestrial radiation Eon=1370*(1+0.033*cos(2*pi*(iday-3)/365)); % delta is "the new sky brightness parameter" delta=Dh/(airmiv*Eon); % determination of the "new circumsolar brightness coefficient % (f1acc) and horizon brightness coefficient (f2acc)" f1acc=f11acc(inteps)+f12acc(inteps)*delta+f13acc(inteps)*zet; f2acc=f21acc(inteps)+f22acc(inteps)*delta+f23acc(inteps)*zet; % determination of the diffuse radiation on an inclined surface E(1)=Dh*(0.5*(1+cos(beta))*(1-f1acc)+f1acc*xic/xih+f2acc*sin(beta)); if E(1)<0, E(1)=0; end % horizontal surfaces treated separately % beta=0 : surface facing up, beta=180(pi) : surface facing down if beta>-0.0001 & beta<0.0001, E(1)=Dh; end if beta>(pi-0.0001) & beta<(pi+0.0001), E(1)=0; end % Isotropic sky % E(1)=0.5*(1+cos(beta))*Dh;
% direct solar radiation on a surface E(2)=En*cai; if E(2)<0.0, E(2)=0; end % the ground reflected component: assume isotropic % ground conditions. Eg=0.5*gref*(1-cos(beta))*(Dh+En*hai); % global irradiation E(4)=Dh+En*hai; % total irradiation on an inclined surface E(3)=E(1)+E(2)+Eg; end EW(1)=E(3)*WA*WZTA; EW(2)=E(3);
III.5 Kostenbepaling De m-file JRX_buildingv5efun.m %BUILDV4EFUN Building simulatie Analyse % %JvS 2001,sept % %Wijziging Jeroen Rietkerk, november 2004 %Wijziging heeft betrekking op toevoeging BKA function y=JRX_buildingV5Efun(x) ethaHeat=x(1); ethaCool=x(2); costHeat_low=x(3); costHeat_high=x(4); costCool_low=x(5); costCool_high=x(6); UnitHeat=x(7); UnitCool=x(8); Q_BKA=x(9); Q_LBK=x(10); tijd=x(11); uur=mod(tijd/3600,24); if uur<=7 | uur>=23 costCool=costCool_low; else costCool=costCool_high; end
if uur<=7 | uur>=23 costHeat=costHeat_low; else costHeat=costHeat_high; end y=zeros(8,1); H=32*10^6; %J/m3
kWh=3.6*10^6; %J/kWh %Koel- of verwarmingsvermogen BKA if Q_BKA>0 y(1)=Q_BKA; else y(3)=-Q_BKA; end %Koel- of verwarmingsvermogen LBK if Q_LBK>0 y(2)=Q_LBK; else y(4)=-Q_LBK; end %Kosten verwarmingsvermogen per eenheid BKA if UnitHeat==1 %[Euro/m3] y(5)=(y(1)/(ethaHeat*H))*costHeat; else y(5)=(y(1)/(ethaHeat*kWh))*costHeat; end %Kosten koelvermogen per eenheid BKA if UnitCool==1 %[Euro/m3] y(7)=(y(3)/(ethaCool*H))*costCool; else y(7)=(y(3)/(ethaCool*kWh))*costCool; end %Kosten verwarmingsvermogen per eenheid LBK if UnitHeat==1 %[Euro/m3] y(6)=(y(2)/(ethaHeat*H))*costHeat; else y(6)=(y(2)/(ethaHeat*kWh))*costHeat; end %Kosten koelvermogen per eenheid LBK if UnitCool==1 %[Euro/m3] y(8)=(y(4)/(ethaCool*H))*costCool; else y(8)=(y(4)/(ethaCool*kWh))*costCool;
end
Bijlage IV
Bestanden simulatiemodel betonkernactivering Hieronder wordt een overzicht gegeven van de bestanden welke behoren tot het betonkernactiveringsmodel. Bestanden in Matlab Het betreft de volgende m-files: − JRX_alpha_control.m − JRX_bka_SF_v1.m − JRX_buildingv5colddaygraf.m − JRX_buildingv5hotdaygraf.m − JRX_buildingV5Efun.m − JRX_buildingV5Efunkost.m − JRX_buildingV5histQ.m − JRX_buildingV5histtemp.m − JRX_buildingv5loadgraf.m − JRX_buildingV5_peakfloor_ceiling.m − JRX_buildingV6_Tempgraf.m − JRX_buildingV6_TempCongraf.m − BuildingV6init.m − Climdataf.m − JRX_Irradwindow.m Het betreft de volgende mat-file: − ClimDat1971_2000.mat Bestanden in Simulink Het betreft de volgende mdl-files: − jrx_buildingv6clim_v2.mdl
Parameters simulatiemodel betonkernactivering Hieronder is een weergave gegeven van het betonkernactiveringsmodel zoals dat ook in het softwareprogramma Simulink wordt weergegeven. Op basis van deze weergave zijn per bloknaam de parameters gegeven die moeten worden ingevoerd bij het uitvoeren van een simulatie met het model.
Figuur V.1: Weergave betonkernactiveringsmodel in Simulink
Bloknaam
Parameter
Eenheid
Climate Data de Bilt
starting year
-
1971-2000
Q Windows & T external
starting month
-
starting day end year
-
end month end day
-
azimuth
[0..360, 0 = south]
inclination window surface
[0..90, 0 = horizontal] m2
screens down screens up
W/ m W/ m2
window transmission coefficient,
-
2
Bloknaam
Parameter
Eenheid
screen down window transmission coefficient,
-
screen up Heating/ cooling
cooling capacity
W
heating capacity
W
luchtbehandelingskast aan bij een binnentemperatuur hoger dan
°C
en lager dan hysterese verwarming LBK
°C °C
hysterese koeling LBK toegelaten onder- en overschrijding
°C °C
capacities
buiten gebruikstijd gebouw Q internal zone
Q during night extra dQ during day
W W
Building zone
volume zone ventilation
m #/ hour
facade construction facade surface
light/ middle/ heavy weight m2
facade heat resistance floor and internal walls construction
m ⋅K/ W light/ middle/ heavy weight
floor an internall walls surface window surface
m m2
window heat resistance
m ⋅K/ W
Betonkernactivering
3
2
2
2
2
oppervlakte vloer cq. plafond leidingdiameter
m m
leidinglengte steek leidingregister
m m
inbouwdiepte leidingregister dikte bouwkundige constructie
m m
dikte vloerbedekking warmtegeleidingscoëfficiënt
m W/ m⋅K
bouwkundige constructie warmtegeleidingscoëfficiënt
W/ m⋅K
vloerbedekking dichtheid bouwkundige constructie
kg/ m3
dichtheid vloerbedekking soortelijke warmte bouwkundige
kg/ m J/ kg⋅K
constructie soortelijke warmte vloerbedekking
J/ kg⋅K
waterinhoud leidingregisters
kg
3
Bloknaam
Regeling wateraanvoer-
Parameter
Eenheid
massastroom water in leidingregisters
kg /s
soort regeling
constante toevoertemperatuur/
temepratuur
afhankelijk van buitentemperatuur constante wateraanvoertemperatuur maximale wateraanvoertemperatuur
°C °C
buitentemperatuur bij maximale wateraanvoertemperatuur
°C
minimale wateraanvoertemperatuur buitentemperatuur bij minimale
°C °C
wateraanvoertemperatuur Weekindeling
start werkdag lengte werkdag
24 h h
Energy efficiencies & costs
energy heating efficiency
-
heating unit heating cost – low
m of kWh eur/ unit
heating cost – high energy cooling efficiency
eur/ unit -
cooling unit cooling cost – low
m of kWh eur/ unit
cooling cost – high
eur/ unit
3
3
Bijlage V
Parameters referentiesituatie betonkernactiveringsmodel Bloknaam
Parameter
Waarde
Climate Data de Bilt 1971-2000
winter 1978
zomer 1976
-
starting year starting month starting day
9 1
5 1
-
end year end month
1979 4
1976 9
-
end day
28
1
-
azimuth
315
45
[0..360, 0 = south]
inclination
90
90
[0..90, 0 = horizontal]
window surface screens down
11,4 251
8 251
m W/ m2
screens up window transmission
250 0,2
250 0,2
W/ m -
coefficient, screen down window transmission
0,6
0,6
-
Q Windows & T
Eenheid
external 2
2
coefficient, screen up Heating/ cooling capacities
cooling capacity
-2000
W
heating capacity luchtbehandelingskast aan bij
3500 25,5
W °C
en lager dan hysterese verwarming LBK
20 1
°C °C
hysterese koeling LBK toegelaten onder- en
1 2
°C °C
een binnentemperatuur hoger dan
overschrijding buiten gebruikstijd gebouw Q internal zone
Q during night extra dQ during day
0 3460
W W
Building zone
volume zone
157
m3
ventilation facade construction
4 middle weight
#/ hour light/ middle/ heavy
facade surface
27,7
weight m2
facade heat resistance floor and internal walls
3 middle weight
m ⋅K/ W light/ middle/ heavy
construction
2
weight
Bloknaam
Betonkernactivering
Regeling
Parameter
Waarde
Eenheid
floor and internall walls surface
95,1
m
window surface window heat resistance
19,4 0,83
m m2⋅K/ W
oppervlakte vloer cq. plafond leidingdiameter
47,9 0,0155
m m
leidinglengte steek leidingregister
240 0,2
m m
inbouwdiepte leidingregister dikte bouwkundige
0,165 0,33
m m
constructie dikte vloerbedekking
0,003
m
warmtegeleidingscoëfficiënt bouwkundige constructie
1,77
W/ m⋅K
warmtegeleidingscoëfficiënt vloerbedekking
0,17
W/ m⋅K
dichtheid bouwkundige constructie
2424
kg/ m
dichtheid vloerbedekking soortelijke warmte
300 840
kg/ m J/ kg⋅K
bouwkundige constructie soortelijke warmte
1470
J/ kg⋅K
vloerbedekking waterinhoud leidingregisters
2
2
2
3
3
45,6
kg
massastroom water in leidingregisters
0,28
kg /s
soort regeling
buitentemperatuur-
constante
afhankelijk
toevoertemperatuur/ afhankelijk van
wateraanvoertemepratuur constante
20
buitentemperatuur °C
wateraanvoertemperatuur maximale
29
°C
wateraanvoertemperatuur buitentemperatuur bij
-10
°C
minimale wateraanvoertemperatuur
18
°C
buitentemperatuur bij minimale
30
°C
maximale wateraanvoertemperatuur
Bloknaam
Parameter
Waarde
Eenheid
8
24 h
wateraanvoertemperatuur Weekindeling
start werkdag lengte werkdag
9
h
Energy efficiencies & costs
energy heating efficiency
3,0
-
heating unit heating cost – low
kWh 0,075
m of kWh eur/ unit
heating cost – high energy cooling efficiency
0,13 3,0
eur/ unit -
cooling unit cooling cost – low
kWh 0,075
m of kWh eur/ unit
cooling cost – high
0,13
eur/ unit
3
3
