VA114 in het ontwerpproces Een evenwicht tussen installaties, economie en architectuur Peter van den Engel
Inhoudsopgave • • • • • •
Wat is VA114? Comfortmodellen Energie-evaluatie Werken met VA114 Simulatie laboratorium Doel en aanpak oefening
2
Wat is VA114? -
Achtergrond
• Dynamisch rekenmodel: Energiestromen per uur over heel jaar • Fouriervergelijkingen • Volledig impliciete eindige differentiemethode • Knooppunten worden doorgerekend • Matrix vertrek (knooppunt convectie + straling op wandoppervlak en knooppunt lucht) • Matrix wanden (knooppunt capaciteit + geleiding) • Validatie via metingen TNO-gebouw, EDR-test, ….
3
Wat is VA114? - Doel • • • • •
Berekenen te hoge en te lage temperaturen Bereken kwaliteit thermisch comfort Berekenen energie en vermogen Onderzoek installatieopzet Onderzoek kwaliteit gebouwschil
4
Wat is VA114? - Programma • Kamermodel: 1 – 3 kamers, DOS-model • Klimaatmodel: - Bijv. 1964 en 1994 - Zonnestraling (ook noord!) - Wind - Nachtelijke uitstraling
5
Wat is VA114? - Programma • Uniforme omgeving: Windows-versie • Heel gebouw, CAD-tekening inlezen (1 lijns!) • Uitwisseling rekenmodulen • Meer grafisch • Complexe vormen • Verwarmen of koelen vloeren en wanden
6
Wat is VA114? – Plek VA114 VA114 / TRNSYS
CFD
T
Massastroomprogramma’s (bijv. Comis)
7
Comfort – Fysische achtergrond • Comfort is o.a. thermische gewaarwording, bepaald door: 1. Lucht- en stralingstemperatuur 2. Luchtsnelheid en variatie op luchtsnelheid (turbulentie) 3. Relatieve vochtigheid
• Achtergrond: 1. Clo-waarde (kledingweerstand meestal 0,7 of 0,9) 2. Metabolisme = M (warmteafgifte door activiteiten, meestal 1,2 = 70 W/m2 lichaamsoppervlak = 126 W/p.p., latente warmte 40% + voelbare warmte 60%)
8
Comfort - Norm NEN-ISO 7730
9
Comfort - Norm PMV = 3
Heet
PMV = 2
Warm
PMV = 1
Enigszins warm
PMV = 0
Comfortabel
PMV = -1
Enigszins koel
PMV = -2
Koel
PMV = -3
Koud 10
Comfort - Modellen Comfortmodellen: • RGD: Te openen ramen: weegurenmethode Gesloten gevel: max. 25,5oC tot 28oC buitentemp. • NPR-CR 1752 (klasse A, B en C = max. 27oC) • Max. 24oC of 25, 26 of 28oC • Adaptief model bij te openen ramen • Anders/geen •
Let op PMV- en PPD in ruimte (gevel kritisch)
11
Comfort – RGD-model • RGD-methode: 10 % werktijd = 0,1 x 2.000 uur = 200 uur = 100 uur in de zomer, 100 uur in de winter • PPD > 10%, PMV > + 0,5 of PMV < - 0,5 = ca. 100 uur PMV =0,7 of PPD = 15% • 150 gewogen overschrijdingsweeguren en 150 onderschrijdingsweeguren (8-uur/d)
12
Comfort – RGD-model • PMV = 0,5, PPD = 10 % = ca. 25,6oC = 1 gewogen overschrijdingsweeguur • PMV = 1,0, PPD = 25% = ca. 27,5oC = 2,5 gewogen overschrijdingsweeguur
13
Energie-evaluatie - Verwarmen - 10 kWh thermisch = 10 (J/s) * 1.000 * 3.600 (s) = 3.600.000 J = 36 MJ Verwarmen met ketel en gas: - 1 m3 gas = 35,2 MJ (primair) = 9,8 kWh - Stel rendement HR-ketel = 90% - 10 kWh thermische energie = 10 / 0,90 = 11,1 kWh primaire energie = 1,13 m3 gas
14
Energie-evaluatie - Verwarmen - 10 kWh thermisch: Verwarmen met elektrische warmtepomp: - Warmtepomp C.O.P. = 4 - Nodig: 10 / 4 = 2,5 kWh elektrisch - Rendement centrale + levering: 39% - Nodig primaire energie: 2,5 / 0,39 = 6,4 kWh Leg kental vast in MJ primaire energie per jaar per m2 vloeroppevlak 15
Energie-evaluatie - Koelen Electrische koelmachine: C.O.P. = bijv. 4 Energieopslag in de bodem: C.O.P. = bijv. 12 Kosten gas en elektriciteit hangen af van: - Afname per jaar - Pieken Leg kental vast in MJ primaire energie per jaar per m2 vloeroppervlak
16
Werken met VA114 - Ontwerp • Bepalen ontwerpparameters: - glaspercentage - zonwering, reliëf, massa, kleur gevel - gebouwmassa, isolatie - vrije koeling - verlichting, computers, mensen
17
Werken met VA114 - Dynamiek • Afgekoelde gebouwmassa dempt pieken • Natuurlijke ventilatie dempt (vaak) pieken binnentemperatuur buitentemperatuur
• Welke bandbreedte is acceptabel?
18
Werken met VA114 - Stookseizoen • Reductie verwarming
jan
april
sept
dec
• Voorwaarde: pas op te veel koeling
19
Werken met VA114 - Stooklijn • Gunstige stooklijn in toevoerlucht Tbuiten
-10
0
15
20
28oC
Ttoevoer
20
18
17
21
29oC
Ttoevoer
20
18
17
16
16oC
20
Werken met VA114 - Stooklijn • Gunstige stooklijn in toevoerlucht, minder gelijktijdig verwarmen en koelen: • Tbuiten -10 0 10 20 28oC •
Ttoevoer 18 12
12
21
29oC
•
Ttoevoer 18 12
12
16
16oC
21
Werken met VA114 - Stooklijn • Strategieën koeling en verwarming - in voor- najaar centraal iets te koud, in zomer iets te warm: óf verwarmen óf koelen - lokale correcties met radiatoren, koelplafonds of luchthoeveelheid; let op setpoints!
22
Werken met VA114 - Uitgangspunten • Eisen/rol opdrachtgever (kosten/kwaliteit) • Eisen/rol architect-installatieadviseur (beeld, techniek) • Instrument ontwerpproces installaties en gebouw (dimensionering, regeltechniek)
23
Werken met VA114 - Trends • Bij kantoren maximaal 5-voudig equivalente luchtwisseling (meestal) bij glas LTA = 0,60, ZTA = 0,30 • Ontwikkelingen: – – – –
Hoge bezettingsgraad (cockpits!) Lange gebruikstijden Variabel gebruik (wisselende interne warmte) Minder pc en verlichtingswarmte
24
Werken met VA114 - Mogelijkheden • Energie op jaarbasis vaststellen (let op ontvochtiging) • Minimaliseren verwarmen en koelen • Dimensioneren koelconvectoren: let op te openen ramen en vocht (Taanvoer >18oC) • Eerste inschatting bijzondere ruimten (serres)
25
Werken met VA114 - Evaluatie Oplossingen toetsen aan kwaliteiten t.a.v.: a. b. c. d.
Comfort Energie Regeling Economie en uitvoerbaarheid
26
Laboratorium - CFD uitgangspunten • Praktijk: Containers in gebouw Luchttoevoer
Warmtebron van apparaat
Luchtafvoer
27
Laboratorium - Temperaturen • temperatuur ∆T = 5K bij 750 W hoofdwarmtebron
28
Laboratorium - Luchtsnelheden • luchtsnelheid, ca. 0,20 m/s i.p.v. 0,05 m/s
29
Laboratorium – Regeltechniek • Stel ∆T = max. 1 K: 19,0 < T <21oC • Ruime eis, want ∆T = max. 0,1 K 19,9 < T < 20,1oC komt voor Onderzoek VA114/Capsol: • Regelmogelijkheden VA114 • Wisselende interne warmtebelasting • Interne warmte 3.000 W
30
Laboratorium - Regeltechniek • Kwaliteit simulatieprogramma’s ligt vooral in nabootsing werkelijke regeling • Regelen met lucht: snel maar duur (kost veel ruimte, veel inblaasoppervlak) • Regelen met water: traag, al gauw lage luchtsnelheden • Ga zuinig om met geconditioneerde lucht
31
Laboratorium - Regeltechniek • Stel dagbedrijf • Nacht/weekendbedrijf Temperatuur/ vermogen warmtelast
= 3.000 W = 1.500 W
temperatuur 3.000 W
1.500 W Tijd
32
Laboratroium - Oplossingen • Dag- en nachtbedrijf lucht (verschillende hoeveelheden) • Variabel volumesysteem (minimaal ca. 20%) • Regelen met water, kiezen voor lage setpoints buiten dagbedrijf (20oC
33
Laboratorium - Energie – In hoeverre wordt gelijktijdig verwarmen en koelen voorkomen? – Op welke wijze zou gedurende bepaalde perioden relatief efficient gelijktijdig kunnen worden verwarmd en gekoeld? – Hoe groot is de invloed van opwarming via de gevel of afkoeling via de gevel op de regeling van de temperatuur in het laboratorium en het energiegebruik?
34
VA114 practicum
Peter van den Engel Elisa Boelman
Eerste oefening VA114 Doel: invoer + uitvoer leren kennen • Stap 1a: interpretatie gegevens • Stap 1b: resultaten presenteren/uitwisselen • Stap 2a: invoer installaties • Stap 2b: resultaten controleren
36
Eerste oefening - interpretatie • Berekening met testbestand: – 20/3, 26/8, 20/10, 28/12
(data dubbel ckecken!)
• Invoer lezen – – – – – –
natuurlijke ventilatie/infiltratie uitstekende geveldelen BF gegevens wand locale/centrale INS mechanische ventilatie interne warmtelast
37
Eerste oefening - interpretatie • Berekening met testbestand: – 20/3, 26/8, 20/10, 28/12
• Uitvoer lezen per – uur en dag – jaar • temperaturen • energiestromen (zoninstraling, warmte/koude levering) • centrale luchtbehandeling
• Resultaten presenteren/uitwisselen 38
Voorbeeld daguitvoer
39
Voorbeeld jaaruitvoer
40
Voorbeeld jaaruitvoer - temperaturen
41
Eerste oefening - invoer • Invoer klimaatbeheersingsystemen – natuurlijke ventilatie + cv als startpunt (testbestand) – winter: n=1.5; zomer: n=6
– passief gebouw (cv weghalen uit testbestand) – winter: n=1.5; zomer: n=6
– luchtverwarming en –koeling (toevoegen) – winter + zomer – CAV, n=6, “oneindig” vermogen
• Resultaten controleren
42
Tweede oefening VA114 Doel: gebouwinvoer + interactie gebouw-installaties • Stap 1: invoer gebouw • Stap 2: invoer kantoor
43
Tweede oefening – eigen kantoor • Ga uit van kantoor in eigen ontwerp • Ga uit van zelf ontworpen gevel • Ga uit van standaardgegevens voor interne warmtelast
44
Tweede oefening – invoer gebouw • Invoer in test bestand: – – – –
eigen wanden glas + zonwering uitstekende geveldeel geometrie aanpassen
45
Tweede oefening - kantoor • Testbestand met eigen gevel gebruiken • Invoer interne belasting + ventilatie – – – – –
bezetting: 2 personen = 160 W verlichting: 10 W/m2 apparatuur: 200 W aanwezigheid: 8 uur/dag of 24 uur/dag benodigde ventilatie: 50 m3/uur • persoon
• Aanpassing klimaatinstallaties: – thermische energiebehoefte + comfort 46
Tweede oefening – resultaten • • • •
Overschrijdings-/onderschrijdingsuren Jaarverbruik verwarming Hoogst uurverbruik winter Zonnewarmte
47
Tweede oefening – resultaten • • • •
Jaarverbruik verwarming/koeling Gewogen overschrijdingsuren Hoogst uurverbruik zomer/winter Vrije koeling / zonnewarmte
48
Derde oefening VA114 Doel: bijzondere ruimtes analyseren conflicterende eisen aanpakken • Stap 1: formulering binnenklimaateisen lab, • Stap 2: invoer interne belasting lab • Stap 3: aanpassingen (BK en/of INS)
49
Derde oefening - laboratoria • Interne belasting – – – – –
bezetting: 5 personen = 400 W verlichting: 10 W/m2 apparatuur: 1,5 ~ 3 kW (1500 ~ 3000 W, nacht/dag) temperatuureisen: 20 ° C ± 1°C ∆t bij lucht inblaas: 7 °C (truimte - tinblaas)
50
Derde oefening - laboratoria • Ga uit van eigen laboratorium • Luchtwisselingen per uur: – n = 10~30, gemiddeld 15 – hoeveelheid lucht variëren met belasting (VAV)
• Aanvullend gekoeld water (lokale warmtebronnen) • CAV / VAV en water => set points 51
Derde oefening - laboratoria • Dag-/nachtbedrijf • Volume lucht • Water-/luchtsystemen
52
Vierde oefening – optimalisering eigen ontwerp Doel: toepassing • besef mogelijkheden / grenzen model • vertaling: concreet
abstract
concreet
• optimalisatie eigen ontwerp (BK en INS) • Varieer externe warmtelast en bandbreedte temperatuurregeling in laboratorium 53
Tips – bestandsbeheer • Eigen initialen gebruiken bij bestandsnamen, b.v. – Piet Jansen PJN – Klaartje de Boer KBR
• Versies onderscheiden – PJN1, PJN2, etc. – Matrix maken (excel) met parameters, waarden, versies
• Backups maken tijdens het werken • …
54
Tips – voorbeeld datasheet PARAMETERS Vergelijking alleen met zelfde kleur mogelijk Variant BUITEN
U-glas
U dicht (W/m2K) (W/m2K)
Massa
Glas% (%)
Zonwering
TEMP SET RAMEN POINT OPEN BIJ: (grC.) (grC.)
Verlaging?
G0D0 G4D0 G6D0 G0D1 G0D2 G0D3 G4D1 G4D2 G4D3 R_G75
2,0 1,0 0,5 2,0 2,0 2,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,5 0,5 0,5 0,4 0,2 0,1 0,4 0,2 0,1 0,2
referentie referentie referentie referentie referentie referentie referentie referentie referentie referentie
75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75%
Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk.
22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht
R_G50h R_G25 R R_O1 R_O2 R_ZON1 R_ZON2 R_50_Li R_50 R_50 Zw R Rx Rx _Nv1 Rx Rx_Nv2 Rx_L-N3 Rx_Z-N3 Rx_L-N4 Rx_Z-N4
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
referentie referentie referentie referentie referentie referentie referentie licht referentie zwaar referentie referentie referentie referentie referentie licht zwaar licht zwaar
50% 25% 75% 75% 75% 75% 75% 50% hor 50% hor 50% hor 75% 75% 50% hor 50% hor 50% hor 50% hor 50% hor 50% hor 50% hor
Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Schakelend Altijd neer Op, breed Op, diep balk Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk. Op, geen balk.
22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 18 22 / 10 22 / 10
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 24 24 24 24 24 24 24 24
nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht nacht geen nacht d en n d en n d en n d en n d en n
Onderzochte parameter Afwijkend ten opzichte van referentie
Uitkomst G4D2 = G_75 = R = Referentie met invoerfout (raam open bij 20grC) Rx Referentie zonder invoerfout, alles in het grijs is zonder invoerfout
Ook hier invoerfout: De temp van vertrek 1 (waar we niet naar keken is 22/10 grC. De temp van vertrek 2 is gewoon 22/18 grC gebleven! Dus Rx_L_N4 en Rx_Z_N4 zijn niet bruikbaar!
55
Handleidingen • VA114, DOS-versie, op website Installaties • VA114, Uniforme Omgeving, op website VABI: - www.vabi.nl - Producten – handleidingen - Gebouwsimulatie Gebouwinvoer en wandtoewijzing Gebruikershandleiding Gebouwprogramma’s Naslagwerk Gebouwprogramma’s
56
INFO DATA • D:\PUBLIC\VA114 bestanden\ \BESTAND \PROJ • C:\VABI\ \BESTAND \PROJ • Uitvoer oefening: C:\VABI\WERK invoer model: \VA114UIT.A uitvoer berekening: \VA114UIT.B • Gebruik uitvoervisualisatie 57
