Onderbouwing van de duurzaamheid van staalconstructies = Large Valorisation on Sustainability of Steel Structures

Onderbouwing van de duurzaamheid van staalconstructies = Large Valorisation on Sustainability of Steel Structures ACHTERGROND DOCUMENT: GEBRUIKSFASE - OPERATIONELE ENERGIE November 2014

LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU

Inhoud – – – –

Inleiding Gebouw locatie en klimaat Methode om energieverbruik te berekenen Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase)

– Referentie compartiment (EN15265:2007) – Referentie appartement (aangepast aan EN15265:2007) – Case studie woongebouw

12/10/2014

2


Inleiding Het algoritme voor het bepalen van energieverbruik in de gebruiksfase is ontwikkeld in RFCS onderzoeksproject

SB_Steel (2014), Sustainable Building Project in Steel. Draft final report. RFSR-CT-201000027. Research Programme of the Research Fund for Coal and Steel.

12/10/2014

3


Inleiding De thermische prestatie en energie efficiency van gebouwen hangt af van veel variabelen. Gebouwschil:

Menselijke factoren: - gebruik - functie - interne warmtewinst

e.g. Ventilatie Controle

Daarom is het erg uitdagend om precies de operationele energie van een gebouw te bepalen.

- Coëfficiënt gebouwvorm - Gebouworientatie - Luchtdichtheid - Ondoorzichtige onderdelen (wanden, dak, etc) - Isolatie, koudebruggen - ramen, glas, kozijn - zonneschermen, overstekken

Installaties: - apparaten - verlichting, daglicht e.g. Automatische - verwarming, air-conditioning Controle - ventilatie, warmteterugwinning warmwatervoorziening

Klimaat: - luchttemperatuur - zonnestralen - luchtvochtigheid - windsnelheid en richting - grondtemperatuur - daglicht uren

Dit is nog moeilijker in de ontwerpfasen gezien de schaarse beschikbaarheid en onnauwkeurigheid van inputdata. 12/10/2014

4


Gebouwlokatie en klimaat De lokatie van het gebouw, in termen van klimaatcondities, is van vitaal belang bij thermische berekeningen. Twee belangrijke klimaatparameters moeten gedefinieerd worden om een energieberekening te maken: • luchttemperatuur; • zonnestraling op een oppervlak met een bepaalde oriëntatie. De meeste klimaatdata komt van de EnergyPlus database (EERE-USDoE, 2014) en de rest komt van de partners in het onderzoeksproject. 300

25

250

20

200

15

150

10

100

5

50

0

0

-5

Jan 12/10/2014

Feb Mar Apr May Jun

Jul

Air Temperature [˚C]

EERE-USDoE (2014), Energy Efficiency and Renewable Energy Website van het United States Department of Energy: http://apps1.eere.energy.gov /buildings/energyplus/cfm/w eather_data2.cfm/ region=6_europe_wmo_regi on_6

Solar Radiation [W/m2]

Timisoara (RO) North East South West Horiz. Air Temp.

Aug Sep Oct Nov Dec 5


Gebouwlokatie en klimaat De methodologie is op dit moment gecalibreerd op 5 klimaatregio’s en geclassifceerd volgens Köppen-Geiger: (i) Csa; (ii) Csb; (iii) Cfb; (iv) Dfb; (v) Dfc.

Dfc

Dfb Main Climates:

Precipitation:

Temperature:

A: equatoriaal

W: woestijn

h: heet droog

F: polair vorst

B: droog

S: steppe

k: koud droog

C: gematigd warm

f: vochtig

a: heet zomer

T: polair toendra

s: droge zomer

b: warme zomer

w: droge winter

c: koude zomer

m: moesson

d: extreem continentaal

D: sneeuw E: polair

Cfb

Csb

Csa 12/10/2014

6


Gebouwlokatie en klimaat Plaats Amsterdam Ankara Arhanglesk Athens Barcelona Berlin Bilbao Bratislava Brussel Cluj-Napoca Coimbra Gdansk Genova Graz Hamburg Helsinki Istambul Katowice 12/10/2014

Land Nederland Turkije Rusland Griekenland Spanje Duitsland Spanje Slowakije Belgie Roemenie Portugal Polen Italie Oostenrijk Duitsland Finland Turkije Polen

Klimaat Regio Cfb Csb Dfc Csa Csa Cfb Cfb Cfb Cfb Dfb Csb Cfb Csb Dfb Cfb Dfb Csa Cfb

Plaats Kiev Kiruna Kraków La Coruña Lisbon Ljubljana London Lublin Madrid Marseille Milan Minsk Montpellier Moscow Munich Nantes Nice Opole

Land Oekraine Zweden Polen Spanje Portugal Slovenie Engeland Poland Spanje Frankrijk Italie Belarus Frankrijk Rusland Duitsland Frankrijk Frankrijk Polen

Databases 52 plaatsen Klimaat Regio Dfb Dfc Cfb Csb Csa Cfb Cfb Dfb Csa Csa Cfb Dfb Csa Dfb Cfb Cfb Csb Cfb

Plaats Oslo Ostersund Paris Porto Poznan Prague Rome Salamanca Sanremo Sevilla Stockholm Tampere Timisoara Vienna Warsaw Wroclaw

Land Noorwegen Zweden Frankrijk Portugal Poland Tsjechie Italie Spanje Italie Spanje Sweden Finland Roemenie Oostenrijk Polen Polen

Klimaat Regio Dfb Dfc Cfb Csb Cfb Cfb Csa Csb Csb Csa Dfb Dfc Cfb Dfb Dfb Cfb

7


Berekeningsmethode energieverbruik Het vereenvoudigde algoritme in AMECO 3 bepaalt de gebouw energie voor: • Verwarming; • Koeling; • Warm tapwater. Het algoritme is gebaseerd op een aantal internationale normen: Berekening verwarming en koeling volgens maandelijkse quasi-steady-state methode volgens ISO 13790 (2008). Het energieverbruik voor warm tapwater volgens EN 15316-3-1 (2007).

ISO 13790 (2008), Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling, CEN – European committee for Standardization. EN 15316-3-1 (2007), Heating systems in buildings – Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies – Part 3.1 Domestic hot water systems, characterisation of needs (tapping requirements), CEN – European committee for Standardization. 12/10/2014

8


Maandelijkse quasy-steady-state methode

Energieberekening

12/10/2014

9


Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase) Belangrijkste invoer LOKATIE  voor een specifieke stad of klimaatregio: i) luchttemperatuur; ii) zonnestraling op een vlak met een gegeven orientatie. GEBOUWFUNCTIE: bijv. wonen, kantoren, winkels of industrie. GEBOUWSCHIL gebaseerd op componenten (bijv. wanden, vloeren, daken, beganegrond, openingen). GEBOUWAFMETINGEN en ORIENTATIE (bijv. lengte, breedte, hoogte en aantal verdiepingen). BINNENCONDITIES: verwarming- en koeltemperatuur, ventilatievoud voor ventilatie.

INSTALLATIES voor verwarming, koeling en warm tapwater.

Belangrijkste uitvoer Energie voor verwarming, koeling en warm tapwater. Warmtebalans voor belangrijkste gebouwonderdelen (bijv. wanden, daken, ramen). 12/10/2014

10


Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase) Belangrijkste uitgangspunten energie VERWARMING, QH,nd :

1) Warmtebalans gaat uit van CONTINU verwarmen: a) QH,ht Totale warmteoverdracht (transmissie + ventilatie)

(warmteverliezen)

b) QH,gn Totale warmtewinst (intern + zon) c) ηH,gn Benuttingsfactor QH,nd = QH,nd,cont = QH,ht − ηH,gn QH,gn

2) Correctie voor NIET CONTINU verwarmen: a) Reductiefactor voor NIET CONTINU verwarmen (aH,red) QH,nd,interm = aH,red QH,nd,cont 12/10/2014

11


Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase) Belangrijkste uitgangspunten voor energie KOELING*, QC,nd : 1) Warmtebalans gaat uit van CONTINU koelen: a) QC,ht Totale warmteoverdracht (transmissie + ventilatie) b) QC,gn Totale warmtewinst (intern + zonnewarmte) c) ηC,ls Benuttingsfactor voor koeling QH,nd = QH,nd,cont = QH,ht − ηH,gn QH,gn Vergelijking met verwarmen

QC,nd = QC,nd,cont = QC,gn − ηC,ls QC,ht

2) Correctie voor NIET CONTINU koelen :

a) Reductiefactor NIET CONTINU koelen * Zelfde aanpak als voor verwarmen


Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase)

12/10/2014

13


Energieberekening Het algoritme om de energie te berekenen voor verwarming/koeling van het

gebouw is gecalibreerd en de nauwkeurigheid is op een aantal niveaus getest. (Santos et al. 2014):

• Referentie compartiment (EN 15265:2007);

• Referentie appartement (ontleend aan EN 15265:2007); • Casestudie woongebouw

P. SANTOS; R. MARTINS; H. GERVÁSIO; L. SIMÕES DA SILVA, “Assessment of building operational energy at early stages of design – A monthly quasi-steady-state approach”, Energy and Buildings (ISSN: 0378-7788), vol. 79, pp. 58–73, 2014. EN 15265 (2007), Energy performance of buildings - Calculation of energy needs for space heating and cooling using dynamic methods - General criteria and validation procedures. CEN - European Committee for Standardization. 12/10/2014

14


Referentie compartiment (EN 15265:2007) (Informatief)

De norm beschrijft 12 voorbeelden voor een testcompartiment. Test 1 Referentie Case

3.6 m

Test 2 Hoger warmteaccumulerend vermogen

5.5 m

Test 3 Geen Interne warmtewinst

2.8 m

Niet continu HVAC (Normatief)

Test 4 Geen zonwering Test 5 = Test1 + Test 6 = Test2 + Test 7 = Test3 +

HVAC van 8h00-18h00 (maandag tot vrijdag)

Niet continu HVAC + Extern Dak (Normative)

Test 8 = Test4 + Test 9 = Test5 + Test 10 = Test6 + Test 11 = Test7 +

Extern Dak

N

Test 12 = Test8 +

Deze test-voorbeelden laten de invloed zien van belangrijke parameters in het energie algoritme, als: zonwering, thermische massa, niet continu of continue HVAC systemen, interne winsten, etc. 12/10/2014

15


Referentie compartiment (EN 15265:2007) De nauwkeurigheid van het algoritme hangt af van: de test-case, de maand en de verwarmings- of koelmodus. Maximale maandelijkse afwijking < 7%

15%

15%

10%

10%

5%

5%

Error

Error

Maximale maandelijkse afwijking < 12%

0% J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

0% J

D

-5%

-5%

-10%

-10%

-15%

-15%

a) Verwarmen

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8 Test 9 Test 10 Test 11 Test 12

b) Koelen

Maandelijkse nauwkeurigheid van het algoritme voor verwarmen en koelen: Twaalf test-cases van EN 15265:2007.

16


Referentie appartement (conform EN15265:2007) Omdat het maandelijkse algoritme als doel heeft het energieverbruik van het gebouw te bepalen en niet alleen een compartiment zoals beschreven in EN 15265 (2007), worden alle calibraties en een nieuw aantal test-cases uitgevoerd voor een specifiek gebouw (appartement) zoals hieronder weergegeven. Onderdeel

U-waarde [W/m2.K]

buitenwand binnenwand Dak Begane grondvloer

0.493 0.243 -

κm

κm [J/m2.K] 81297 9146 6697 63380

Areal heat capacity

b) Thermische eigenschappen van de gebouwschil Test case T1 T2 T3 T4

a) Gebouwmodel (binnenmaten)

T5 T6

GFR [%]

NGWR [%]

SGWR [%]

35

36

54

25

20

40

15

12

24

Zonwering ON OFF ON OFF ON OFF

GFR: verhouding glasoppervlak-vloeroppervlak; NGWR: verhouding beglazing op het noorden geveloppervlak; SGWR: verhouding beglazing op het zuiden – geveloppervlak..

c) Belangrijkste variabelen van de test-cases

Referentiegebouw om de correctiefactoren te calibreren 12/10/2014

17


Casestudie woongebouw Tweeverdiepings woongebouw met een lichtgewicht staalconstructie in Coimbra.

Aanzicht Noord-West

Aanzicht Zuid-West

12/10/2014

18


Casestudie woongebouw

N

WC

Garage

BedRoom3

BedRoom1

WC

voorgevel

Kitchen

WC Living room

BedRoom2

Terrace

Layout vloeren gebouw 12/10/2014

19


Casestudie woongebouw Ondoorzichtige gebouwschil: Dak vloer Buitenwand

Binnenwand Thermische eigenschappen: Onderdeel

verdiepingsvloer

Dak verdiepingsvloer Beganegrond vloer Buitenwand Binnenwand

Beganegrond vloer

Glas:

U-waarde

κm

[W/m2.K]

[J/m2.K]

0.37 -

13435 61062

0.60

65957

0.29 -

13391 26782

Thermische eigenschappen: Materialen PVC frame met dubbelglas (8+6 mm, met luchtspouw 14 mm)

U-waarde [W/m2.K]

2.60

SHGC 0.78

SHGC – Solar heat gain coefficient 12/10/2014

20


Casestudie woongebouw De resultaten zijn bepaald met dynamische simulaties. Tools:

Het model is opgebouwd uit 10 thermische zones Kitchen

WC Corridor and Stairs

BedR3

BedRoom1

3D tekening van het DsB model

WC Corridor and Stairs WC

Crawl space

a) Basement

Living room

b) Ground floor

plattegronden 12/10/2014

BedR2

c) First floor

Beschaduwing op 10 augustus. 21


Casestudie woongebouw Resultaten: Gemiddelde afwijking: -7.2% 700

2500

647

QH,nd,ISO

2133

565

2000

QH,nd,Dyn

[kWh]

500

462

QC,nd,ISO

400

1500

QC,nd,Dyn

332

314

300

251

200

1000

157

139

100

932

[kWh/year]

600

500

96

65 29

7

0

0 J

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

Annual

Gebouwenergie voor koeling en verwarming: dynamische simulatie (Dyn) versus maandelijks algoritme (ISO)

12/10/2014

22


• Het beoordelen van materiaalenergie en operationele energie is essentieel voor levenscyclusanalyse. • Het nauwkeurig bepalen van de operationele energie van een gebouw is niet eenvoudig omdat er zoveel variabelen zijn. • Een eenvoudig algoritme, op basis van internationale normen, is gebruikt om het energieverbruik te bepalen voor verwarmen, koelen en warmtapwater. • De nauwkeurigheid van de maandelijkse quasi-steady-state methode conform ISO13790 is getoetst aan een aantal geavanceerde dynamische berekeningen. • De vergelijking van de resultaten laat zien dat de nauwkeurigheid van deze methode voldoende is (gemiddelde afwijking < 10%).

12/10/2014

23

Onderbouwing van de duurzaamheid van staalconstructies = Large Valorisation on Sustainability of Steel Structures

Recommend Documents