ECN-I--05-002
WEI Een universeel Woning- en Energie Installatie model als bouwsteen voor het voorspellen van de energievraag van woonwijken. K. Visscher
SEPTEMBER 2005
Verantwoording De bouw van het WEI-model (WEI = Woning- en Energie Installatie) is in 2004 uitgevoerd door ECN in het kader van het PRogramma Elektriciteitsnetwerk Gebruikers Onderzoek (PREGO), onderdeel PREGO24 "Voorspellingsmethodiek voor belastingpatronen van huishoudens". PREGO is een gezamenlijk onderzoek van KEMA en ECN, in opdracht van het ministerie van Economische Zaken, dat erop gericht is de transitie naar een vrije energiemarkt snel en beheerst mogelijk te maken en de elektriciteitslevering betrouwbaar te houden. ECN projectnummer: 7.8045.02.01
Abstract The purpose of the WEI-model is to simulate the electricity demand, natural gas demand and district heating demand of a building, based on local climate data and the energy supply equipment in the building. By using multiple instances of the WEI-model with for each an own building type and energy supply equipment at the same time, the electricity demand, natural gas demand and district heating demand of a group of buildings (street or suburb) subjected to the local climate can be simulated. This report contains a global description of the functioning of the WEI-model as it was developed in the simulation environment MATLAB/Simulink.
ECN-I--05-002
3
INHOUD LIJST VAN TABELLEN
5
LIJST VAN FIGUREN
5
SAMENVATTING
6
1.
INLEIDING
8
2.
WEI- MODELBESCHRIJVING 2.1 Beoogd gebruik van het WEI-modelblok
9 9
3.
HET WEI-MODELBLOK ALS BOUWSTEEN 3.1 WEI-modelblokbeschrijving 3.2 Bussignalen 3.3 Opbouw van het WEI-modelblok 3.4 Woningkeuzen 3.5 Energieinstallatiekeuzen
10 10 11 13 14 14
4.
EERSTE VALIDATIE VAN WONINGEN IN HET WEI-MODEL 4.1 Validatiemethode en resultaat 4.2 Enige kanttekeningen bij de grafieken 4.3 Flatwoning 4.4 Tuinkamer woning 4.5 Kopwoning 4.6 2 onder 1 kap woning 4.7 Vrijstaande woning
16 16 17 18 19 20 21 22
5.
REFERENTIES
23
6.
BIJLAGE: WEI-MODEL GEBRUIK IN HET PREGO-24 PROJECT 6.1 Invoer voor ECN WEI-model, aangeleverd door KEMA 6.1.1 Invoer van installatiekeuze parameters in MATLAB 6.1.2 Woningen en apparaten keuzelijsten in MATLAB 6.2 Uitvoer van WEI-model, teruggeleverd aan KEMA
24 24 24 25 26
4
ECN-I--05-002
LIJST VAN TABELLEN Tabel 1 Legenda voor de signaalcodering .................................................................................. 10 Tabel 2 Ingangen en uitgangen van het WEI-modelblok............................................................ 11 Tabel 3 Beschikbare woningtypen .............................................................................................. 14 Tabel 4 Functie Elektriciteitsopwekking stand-alone ................................................................. 14 Tabel 5 Functie Tapwaterverwarming voor wastafel en aanrecht .............................................. 14 Tabel 6 Functie Tapwaterverwarming voor douche en bad ........................................................ 15 Tabel 7 Functie Ruimteverwarming............................................................................................ 15 Tabel 8 Functie Ruimtekoeling................................................................................................... 15 Tabel 9 Vergelijking van warmte- en koudevraag van TRNSYS en Simulink woningmodellen. .................................................................................................... 16
LIJST VAN FIGUREN Figuur 1 Blokschematische weergave van een simulatiemodel van de elektriciteitsnetbelasting en gasnetbelasting van een groep van N gebouwen. ........ 9 Figuur 2 Beoogd gebruik van het WEI-modelblok in een simulatiemodel van een "bewoond gebouw".................................................................................................................. 10 Figuur 3 WEI-modelblok met daarin aangegeven de ingangen en uitgangen............................. 10 Figuur 4 Voorbeeld van gebruik van een busselector voor signaalselectie ................................ 12 Figuur 5 Signaalkeuze met een busselector ................................................................................ 12 Figuur 6 Onderdelen van het WEI-modelblok............................................................................ 13 Figuur 7 Voorbeeld vermogenshistogram van de kopwoning voor een verdeling van het vermogensbereik in respectievelijk 5, 50 en 500 intervallen................................. 17 Figuur 8 Vermogenshistogrammen van flatwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ................................................................................ 18 Figuur 9 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van flatwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). .......................................................... 18 Figuur 10 Vermogenshistogrammen van tuinkamerwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ........................................................................... 19 Figuur 11 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van tuinkamerwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ............................................... 19 Figuur 12Vermogenshistogrammen van kopwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ................................................................................ 20 Figuur 13 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van kopwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). .......................................................... 20 Figuur 14 Vermogenshistogrammen 2 onder 1 kapwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ........................................................................... 21 Figuur 15 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen 2 onder 1 kapwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ............................................... 21 Figuur 16 Vermogenshistogrammen van vrijstaande woning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ........................................................................... 22 Figuur 17 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van vrijstaande woning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn). ............................................... 22
ECN-I--05-002
5
SAMENVATTING Het WEI-model (WEI=Woning en Energie-Installaties) heeft tot doel de elektriciteitsvraag, gasvraag en stadsverwarmingvraag van een te kiezen gebouw te simuleren op grond van de lokale klimaatdata en de in het gebouw aanwezige energievoorzieningapparatuur. Door meerdere exemplaren van het WEI-model met elk hun eigen gebouwtype en energievoorzieningapparatuur naast elkaar te gebruiken kan de elektriciteitsvraag, gasvraag en stadsverwarmingvraag van een groep gebouwen (straat of woonwijk) onder invloed van het lokale klimaat worden gesimuleerd. Dit rapport bevat een globale beschrijving van de werking van het WEI-model zoals dat is ontwikkeld in het simulatiepakket MATLAB/Simulink.
6
ECN-I--05-002
ECN-I--05-002
7
1.
INLEIDING
Het WEI-model (WEI=Woning en Energie-Installaties) heeft tot doel de elektriciteitsvraag en gasvraag van een te kiezen gebouw te simuleren op grond van gegeven klimaatdata en een gegeven set apparatuur voor het vervullen van de functies: • • • •
Elektriciteitsopwekking stand-alone Tapwater verwarming Ruimteverwarming Ruimtekoeling
Het WEI-model is ontwikkeld in het simulatiepakket MATLAB/Simulink [The Mathworks, 2004]. WEI-model in PREGO24 In het PREGO 24 project is het WEI-model gekoppeld aan het zogenoemde SEPATH model van IVAM [Uitzinger, 2003] en KEMA [Gerwen, 2003] dat de huishoudelijke elektriciteitsvraag van woningen voorspelt. Onder de huishoudelijke elektriciteitsvraag wordt hier verstaan het deel van de vraag dat direct is gekoppeld is aan bewonersacties. De elektriciteitsvraag die samenhangt met energiefuncties zoals gebouwverwarming en -koeling en tapwaterverwarming wordt niet door het SEPATH model voorspeld. Hierin wordt voorzien door het WEI-model. Door het WEI-model tezamen met het SEPATH model voor verschillende gebouwtypen te draaien kan de totale elektriciteitsvraag en gasvraag van een woonwijk worden berekend. In het PREGO24 project zijn de lay-outs van het elektriciteitsnet en het gasnet vervangen door een eenvoudige optelling van de individuele verbruiken van de gebouwen van de woonwijk. Daarom konden in dit geval de gebouwen sequentieel worden doorgerekend. In gevallen waarin er interactie is tussen de afzonderlijke gebouwen via het elektriciteitsnet of gasnet moeten per rekenstap alle gebouwen worden doorgerekend. Universele bouwsteen De toepassing van het WEI-model beperkt zich niet tot koppeling met het SEPATH model. Het model kan gebruikt worden als universele bouwsteen voor de opzet van grotere modellen en veldproeven die gebruik maken van gebouwsimulaties. Te denken valt hierbij aan: • •
het simuleren en testen van intelligente sturing van decentrale opwekkers in woonwijken. real-time koppeling van het WEI-model met energievoorzieningapparatuur (bijvoorbeeld warmtekracht machines, warmteopslag, elektriciteitsopslag) ten behoeve van veldproeven.
Met het WEI-model kunnen energievoorzieningconcepten van gebouwen en woonwijken worden getest zonder hiervoor daadwerkelijk gebouwen of een hele woonwijk in te hoeven richten. Een voorbeeld hiervan is een test van een woonwijk waarin een groot aantal woningen uitgerust is met een micro warmtekracht installatie. De microwarmtekracht installaties kunnen dan daadwerkelijk geplaatst worden op een centrale locatie, waarbij de afzonderlijke woningen en hun verdere energie-installaties real-time worden gesimuleerd met het WEI-model. Zo'n test kan dan relatief goedkoop en zonder risico plaatsvinden op een centrale locatie binnen een relatief klein grondoppervlak.
8
ECN-I--05-002
2.
WEI- MODELBESCHRIJVING
2.1
Beoogd gebruik van het WEI-modelblok
Het WEI-model is bedoeld als bouwsteen voor simulatie van de energievraag van een groep gebouwen zoals aangegeven in Figuur 1. Elk gebouw kan hierbij verschillend zijn van de andere, en per gebouw kunnen de energie-installatie functies door andere apparatuur worden voorzien. Het thermische gedrag van het gebouw hangt af van zijn interactie met het lokale klimaat, zoals ook in de figuur is aangegeven. De gebouwen zijn, voor zover aanwezig, onderling verbonden door distributienetwerken voor elektriciteit, gas en warmte. <El. netbelasting [W]> 1 Klimaat
1 El. netbelasting [W]
<Warmtenetbelasting [W]>
Distributienetwerk Elektriciteit
Bewoond gebouw, nr.1
<El. netbelasting [W]> 2 Gasnetbelasting [m3ae/s]
<Warmtenetbelasting [W]> Bewoond gebouw, nr.2
Distributienetwerk Gas
<El. netbelasting [W]>
3 Warmtenetbelasting [W]
<Warmtenetbelasting [W]> Bewoond gebouw, nr.3
Distributienetwerk Warmte
| | | Bewoond gebouw N
Figuur 1 Blokschematische weergave van een simulatiemodel van de elektriciteitsnetbelasting en gasnetbelasting van een groep van N gebouwen. Het beoogde gebruik van het WEI-modelblok in het generieke blok "bewoond gebouw" is weergegeven in Figuur 2. Voor het WEI-modelblok in Figuur 2. is nog invoer nodig die het bewonersgedrag weergeeft met betrekking tot de binnentemperatuurinstelling, het gebruik van verwarmd tapwater, en het verbruik van elektriciteit voor huishoudelijk gebruik. Dit wordt gerealiseerd door de blokken "Comforttemperatuur", "Tapwaterpatroon" en "Huishoudelijk elektriciteitspatroon". Het gebruik van tapwater en huishoudelijke elektrische apparatuur hangt uiteraard samen met het aantal personen dat aanwezig dan wel actief (niet slapend) is in de woning. Het activiteitspatroon wordt gegenereerd door het blok "Aanwezig/Actief".
ECN-I--05-002
9
1 Klimaat
<Elektriciteit Huishoudelijk [W]> 1 El. netbelasting [W]
Huishoudelijk elektricteitspatroon
<Elektriciteit [W] > Huishoudelijk elektriciteitsgebruik
>
Aanwezig [0-N] Woning en energieinstallaties
Aanwezig/Actief
<Warmte [W] >
2 Gasnetbelasting [m3ae/s] 3 Warmtenetbelasting [W]
> Tapwaterpatroon
> Tapwaterpatroon Douche-Bad Wastafel-Aanrecht
4 Status
<Monitoring gebouw > Woning en energieinstallaties
T_comfort [K] Comforttemperatuur
Figuur 2 Beoogd gebruik van het WEI-modelblok in een simulatiemodel van een "bewoond gebouw".
3.
HET WEI-MODELBLOK ALS BOUWSTEEN
3.1
WEI-modelblokbeschrijving
Het WEI-modelblok heeft de ingangen en uitgangen zoals aangegeven in Figuur 3. De legenda voor de signaalcodering is gegeven in Tabel 1, en de betekenis van de ingangen en uitgangen in Tabel 2. Elk signaal in Figuur 3 wordt gegeven en berekend per tijdstap van bijvoorbeeld 1 minuut. Tabel 1 Legenda voor de signaalcodering Notatie Betekenis Bussignaal <x> Signaalvector
Toelichting Meerdere signalen gebundeld in één kanaal Bijvoorbeeld een reeks tarieven Zelfde notatie met vierkante haken voor andere dimensies
[W]
Dimensie Watt
[n]
Getalwaarde die een specifieke toetstand aangeeft
Bijvoorbeeld woningtype 1 tot 4
D
Tijdafgeleide
Bijvoorbeeld DV is tijdafgeleide van volume, ofwel een volumedebiet.
Elektriciteit [W]
Klimaat DQ_el_dissipatie [W] Aanwezig [0-N] CPhi;T_WastafelAanrecht [W/K;K] CPhi;T_DoucheBad [W/K;K] T_comfort_gebouw [K]
DV_gas [m3ae/s] Warmte [W] Toestand tapwater Boilerstatus Monitoring gebouw
Woning en energieinstallaties
Figuur 3 WEI-modelblok met daarin aangegeven de ingangen en uitgangen
10
ECN-I--05-002
Tabel 2 Ingangen en uitgangen van het WEI-modelblok Ingang 1
Symbool Klimaat
2
DQ_el_dissipatie [W]
W
Scalar
3
Aanwezig [0-N]
-
Scalar
4
CPhi;T_WastafelAanrecht [W/K;K]
W/K;K
Vector
5
CPhi;T_DoucheBad [W/K;K]
W/K;K
Vector
6
T_comfort_gebouw [K]
K
Scalar
Uitgang
Symbool
1
Elektriciteit [W]
W
Bus
2
DV_gas [m3ae/s]
m3/s
Bus
3
Warmte [W]
W
Bus
4
Toestand tapwater
diverse
Bus
5
Boilerstatus
diverse
Bus
6
Monitoring gebouw
diverse
Bus
3.2
SI-eenheid Type diverse Bus
SI-eenheid Type
Betekenis Klimaatgegevens Warmteontwikkeling in het gebouw t.g.v. huishoudelijk elektriciteitsverbruik Aantal aanwezige personen Tapwater capacity rate en temperatuur voor wastafel en aanrecht Tapwater capacity rate en temperatuur voor douche en bad Ingestelde comforttemperatuur van het gebouw Betekenis Elektriciteitsvraag (positief) en productie (negatief) per opwekker/verbruiker Gasdebiet in normaal kubieke meters per seconde Warmtevraag (positief) en productie (negatief) per opwekker/verbruiker Toestandsvariabelen van de tapwaterverwarming Toestandsvariabelen van de aanwezige boilers Toestandsvariabelen van het gebouw
Bussignalen
Diverse signalen zijn van het in Simulink gedefinieerde bus-type. Dit wil zeggen dat zij een bundeling van een aantal signalen zijn die als één zogenoemd bussignaal verbonden worden naar andere onderdelen van het simulatiemodel waar het WEI-model een onderdeel van is. De aanwezige signalen per bus zijn hier niet gegeven. Dat hoeft ook niet, want deze kunnen onder hun eigen naam rechtstreeks benaderd worden in het simulatiemodel met een zogenaamde busselector. Het voordeel van deze methode is dat de inhoud van een bus niet in detail bekend hoeft te zijn en kan veranderen terwijl de globale structuur van het model niet wordt gewijzigd. Een voorbeeld van de selectie van een aantal bussignalen is gegeven in Figuur 4 en het corresponderende signaalkeuzemenu van de busselector in Figuur 5.
ECN-I--05-002
11
Elektriciteit [W]
Klimaat DQ_el_dissipatie [W] Aanwezig [0-N] CPhi;T_WastafelAanrecht [W/K;K] CPhi;T_DoucheBad [W/K;K] T_comfort_gebouw [K]
DV_gas [m3ae/s] Warmte [W] Toestand tapwater Boilerstatus Monitoring gebouw
Woning en energieinstallaties
Figuur 4 Voorbeeld van gebruik van een busselector voor signaalselectie
Figuur 5 Signaalkeuze met een busselector
12
ECN-I--05-002
3.3
Opbouw van het WEI-modelblok
De onderdelen van het WEI-model zijn weergegeven in Figuur 3. Voor de betekenis van de signalen zie Tabel 1. De woning wordt verwarmd of gekoeld door de energie-installatie, afhankelijk van de aanwezige energievoorzieningapparatuur en het temperatuurverschil tussen de woning en zijn omgeving. Verwarming komt in het model overeen met een positieve warmtevraag, en koeling met een negatieve warmtevraag. De warmtestroom naar de woning bestaat uit: • • • •
koeling verwarming afvalwarmte van de energie-installatie afvalwarmte van het huishoudelijk gebruik van elektrische apparatuur
De woning wisselt zelf warmte uit met zijn omgeving door middel van: • • • •
zoninstraling ventilatie infiltratie (afhankelijk van de windsnelheid) transmissie door de gebouwschil
2 DQ_el_dissipatie [W]
Warmtevraag (+/-)
[Klimaat]
Woning 6 Monitoring gebouw
3 Aanwezig [0-N] Woning
Warmte [W]
DQ [W]
Selectie bijdragen ruimteverwarming
2 DV_gas [m3ae/s]
4 CPhi;T_WastafelAanrecht [W/K;K]
1 Elektriciteit [W]
5 CPhi;T_DoucheBad [W/K;K]
Energieinstallaties
3 Warmte [W]
6 T_comfort_gebouw [K]
4 Toestand tapwater
1 Klimaat
5 Boilerstatus
Energieinstallatie
Klimaat
Figuur 6 Onderdelen van het WEI-modelblok Voor de woning en de energie-installatie zijn diverse keuzen mogelijk, die nader toegelicht worden in de volgende paragrafen.
ECN-I--05-002
13
3.4
Woningkeuzen
De in Tabel 3 genoemde woningtypen zijn in te stellen voor het modelblok "Woning". Deze woningtypen zijn gebaseerd op de zogenaamde "Novem referentiewoningen" [van der Veek, 1998], en zijn ontworpen op een laag energiegebruik. Tabel 3 Beschikbare woningtypen Nr. 1 2 3 4 5
Woningtype Flatwoning Tuinkamer woning Kopwoning 2 onder 1 kap woning Vrijstaande woning
De lijst van woningen kan willekeurig uitgebreid worden met andere woningtypen.
3.5
Energieinstallatiekeuzen
De energie-installatie is onderverdeeld in de functies: • Elektriciteitsopwekking stand-alone • Tapwaterverwarming voor wastafel en aanrecht • Tapwaterverwarming voor douche en bad • Ruimteverwarming • Ruimtekoeling De keuzemogelijkheden bij deze onderdelen zijn gegeven in Tabel 4, Tabel 5, Tabel 6, Tabel 7 en Tabel 8. Tabel 4 Functie Elektriciteitsopwekking stand-alone Nr. Type 0 Niet aanwezig 1 Windmodel 2 PV (Photo Voltaïsche panelen)
Tabel 5 Functie Tapwaterverwarming voor wastafel en aanrecht Nr. 0 1 2 3 4 5 6 7 8
14
Type Niet aanwezig Elektrische boiler close-in elektrische boiler Zonneboiler Warmtepompboiler micro Warmtekracht-boiler Gasboiler Gasketel tapwaterverwarming Collectieve tapwaterverwarming
ECN-I--05-002
Tabel 6 Functie Tapwaterverwarming voor douche en bad Nr. 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Type Niet aanwezig Elektrische boiler close-in elektrische boiler Zonneboiler Warmtepompboiler micro Warmtekracht-boiler Gasboiler Gasketel tapwaterverwarming Collectieve tapwaterverwarming
Tabel 7 Functie Ruimteverwarming Nr. 0 1 2 3 4
Type Niet aanwezig Gasketel ruimteverwarming Micro warmtekracht ruimteverwarming Warmtepomp Collectieve ruimteverwarming
Tabel 8 Functie Ruimtekoeling Nr. Type 0 Niet aanwezig 1 Airconditioner 2 Bodemwarmtewisselaar
ECN-I--05-002
15
4.
EERSTE VALIDATIE VAN WONINGEN IN HET WEI-MODEL
4.1
Validatiemethode en resultaat
De eerste validatie is uitgevoerd door vergelijking van de jaarlijkse warmte- en koudevraag van de woningen met die berekend door het simulatieprogramma TRNSYS [University of Wisconsin-Madison, 2004]. De vergelijking is uitgevoerd bij een referentiesituatie met onder andere constante binnentemperatuur van 22 C, gesloten ramen, een constant ventilatiepatroon en met constante interne warmtelast. Voor het klimaat is een referentieklimaatjaar van De Bilt genomen. Bij alle woningen zijn de woningparameters in het WEI-model zodanig aangepast dat het vermogenshistogram van de warmtevraag weinig afwijkt van die van het overeenkomende TRNSYS model. Hierdoor worden woningmodellen verkregen die zich thermisch gezien vrijwel net zo gedragen als de overeenkomende TRNSYS modellen. De resultaten voor de jaarlijkse warmtevraag en koudevraag zijn weergegeven Tabel 9. De hiermee overeenkomende vergelijkingsgrafieken voor het vermogenshistogram en de belastingoverschrijdingsduur zijn gegeven in de hierna volgende paragrafen. Voor deze grafieken geldt: • • •
Rode lijn: Woningmodel in TRNSYS Blauwe lijn: Woningmodel in WEI-model (MATLAB/Simulink) Het vermogensbereik is verdeeld in 50 intervallen
Tabel 9 Vergelijking van warmte- en koudevraag van TRNSYS en Simulink woningmodellen. Warmtevraag [GJ] Koudevraag [GJ] Woningtype TRNSYS WEI-model TRNSYS WEI-model Flat 11.9 11.9 -12.9 -10.7 Tuinkamer 28.6 28.6 -7.9 -6.5 Kopwoning 34.5 34.9 -8.0 -7.5 2 onder 1 kap 45.1 45.0 -12.2 -14.6 Vrijstaande woning 52.1 52.1 -11.0 -14.1
16
ECN-I--05-002
4.2
Enige kanttekeningen bij de grafieken
De totale koudevraag in het WEI-model blijkt voor de kleinere woningen wat af te wijken van die van het overeenkomende TRNSYS model. Dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt doordat: • TRNSYS een volledig warmtestralingmodel voor wanden van het gebouw bevat terwijl het WEI-model alleen de zoninstraling meerekent. • er nog een verschil kan zijn tussen de berekeningen van de interne warmtelast in de twee modellen Zoals eerder gemeld zijn bij alle woningen de woningparameters in het WEI-model zodanig aangepast dat het vermogenshistogram van de warmtevraag weinig afwijkt van die van het overeenkomende TRNSYS model. Omdat deze aanpassing met de hand is gedaan, is de grootte van de verschillen tussen de vermogenshistogrammen voor het TRNSYS en het WEI-model echter niet direct terug te voeren op de modeleigenschappen. Het jaarlijkse energiegebruik voor verwarming en koeling is gelijk aan: • het positieve respectievelijk negatieve oppervlak tussen de belastingoverschrijdingsduur curve en de tijdas. • de som van het product van de positieve respectievelijk negatieve vermogenswaarden en bijbehorende tijdsduurwaarden in het vermogenshistogram Hieruit volgt dat de oppervlakten tussen curve en x-as van het belastingoverschrijdingsduur diagram en die van het vermogenshistogram niet gelijk zijn aan elkaar. Voorts liggen de lijnen van het vermogenshistogrammen niet op elkaar, terwijl die van het overeenkomende belastingoverschrijdingsduur diagrammen nauwelijks van elkaar afwijken. Dit lijkt op het eerste gezicht vreemd, maar blijkt toch juist te zijn. De verklaring hiervan ligt in de volgende factoren: • •
•
De oppervlakten tussen curve en x-as van de belastingoverschrijdingsduur curve en die van het vermogenshistogram kunnen niet op het oog met elkaar worden vergeleken omdat zij niet gelijk zijn aan elkaar. In het belastingoverschrijdingsduur diagram wordt op de horizontale as de som van het aantal uren weergeven dat het overeenkomende vermogen op de verticale as wordt overschreden. Deze sommering heeft een afvlakkend effect op de resulterende curve. Deze is daardoor vrij glad, terwijl de bijbehorende tijdfunctie en het bijbehorende vermogenshistogram dit niet zijn. In het vermogenshistogram wordt het aantal voorkomens van een vermogen in een beperkt aantal vermogensintervallen weergegeven. Bij een groter aantal intervallen worden verschillen in voorkomens tussen bij elkaar in de buurt liggende vermogenswaarden benadrukt. Ook loopt het bereik van tijdsduren evenredig terug bij een groter aantal intervallen. Dit blijkt een soort van "numerieke ruis" te genereren, zoals te zien is in Figuur 7. De detaillering die ontstaat in het vermogenshistogram als het aantal vermogensintervallen steeds groter wordt genomen is dus een schijnnauwkeurigheid.
Figuur 7 Voorbeeld vermogenshistogram van de kopwoning voor een verdeling van het vermogensbereik in respectievelijk 5, 50 en 500 intervallen.
ECN-I--05-002
17
4.3
Flatwoning
Vermogenshistogram
Tijdsduur [uur]
600
400
200
0
4
2
0 Vermogen [kW]
2
4
Figuur 8 Vermogenshistogrammen van flatwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
Belastingduurkromme Vermogen [kW]
5
0
5 0
2000 4000 6000 8000 Overschrijdingsduur [uur]
1 .10
4
Figuur 9 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van flatwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
18
ECN-I--05-002
4.4
Tuinkamer woning Vermogenshistogram
Tijdsduur [uur]
1000
500
0
4
2
0 2 4 Vermogen [kW]
6
8
Figuur 10 Vermogenshistogrammen van tuinkamerwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
Belastingduurkromme Vermogen [kW]
10
5
0
5 0
2000 4000 6000 8000 Overschrijdingsduur [uur]
1 .10
4
Figuur 11 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van tuinkamerwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
ECN-I--05-002
19
4.5
Kopwoning Vermogenshistogram
Tijdsduur [uur]
1000
500
0
4
2
0 2 4 Vermogen [kW]
6
8
Figuur 12Vermogenshistogrammen van kopwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
Belastingduurkromme Vermogen [kW]
10
5
0
5
0
2000 4000 6000 8000 Overschrijdingsduur [uur]
1 .10
4
Figuur 13 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van kopwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
20
ECN-I--05-002
4.6
2 onder 1 kap woning
Vermogenshistogram
Tijdsduur [uur]
600
400
200
0
10
5
0 Vermogen [kW]
5
10
Figuur 14 Vermogenshistogrammen 2 onder 1 kapwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
Belastingduurkromme Vermogen [kW]
10 5 0 5 10 0
2000 4000 6000 8000 Overschrijdingsduur [uur]
1 .10
4
Figuur 15 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen 2 onder 1 kapwoning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
ECN-I--05-002
21
4.7
Vrijstaande woning
Vermogenshistogram
Tijdsduur [uur]
600
400
200
0
10
5
0 Vermogen [kW]
5
10
Figuur 16 Vermogenshistogrammen van vrijstaande woning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
Belastingduurkromme Vermogen [kW]
10 5 0 5 10 0
2000 4000 6000 8000 Overschrijdingsduur [uur]
1 .10
4
Figuur 17 Belastingoverschrijdingsduur diagrammen van vrijstaande woning voor TRNSYS model (rode lijn) en Simulink model (blauwe lijn).
22
ECN-I--05-002
5.
REFERENTIES 1. Uitzinger, J., SEPATH: simulatie van energievraagpatronen in huishoudens, IVAMrapport 0321-V, Amsterdam, juli 2003. 2. Gerwen, R.J.F. van, Validatie van de SEPATH patroongenerator, KEMA-rapport 50060711-KPS 02-3054, Arnhem, 11 juli 2003. 3. ·The Mathworks Inc., MATLAB and Simulink version 7.01, Natick, Massachusetts, USA, 2004. http://www.mathworks.com/ 4. "TRNSYS, A transient systems simulation program", Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, Madison, USA, 2004. http://sel.me.wisc.edu/trnsys/ 5. J.H. van der Veek, Actualiseren referentiewoningen, dossier N1377-01-001, DHV AIB BV, Amersfoort, 20 mei 1998
ECN-I--05-002
23
6.
BIJLAGE: WEI-MODEL GEBRUIK IN HET PREGO-24 PROJECT
6.1
Invoer voor ECN WEI-model, aangeleverd door KEMA
Naar keuze een tekstbestand of een MATLAB MAT-bestand met data per minuut, voor een gehele week (10080 tijdstippen) Kolomnr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Grootheid Luchttemperatuur Directe (normale) zoninstraling Globale (horizontale) zoninstraling Zonnehoogte Zonneoriëntatie (azimuth; noord= 0 rad) Windsnelheid op standaard meethoogte Aantal aanwezige personen Elektriciteit tariefcode (0/1) Ruimte comforttemperatuur Tapwater debiet douche/bad Tapwatertemperatuur douche/bad Tapwater debiet wastafel/aanrecht Tapwatertemperatuur wastafel/aanrecht Relatieve bijdrage van warm tapwatergebruik aan ruimteverwarming (0-1). Bijdrage elektriciteitsgebruik aan ruimteverwarming
Eenheid °C W/m2 W/m2 rad rad m/s 1 1 ºC liter/min ºC liter/min ºC 1 W
6.1.1 Invoer van installatiekeuze parameters in MATLAB De volgende parameters worden in het model ingelezen vanuit het bestand "PREGO24_WoningEnEnergieinstallaties_Keuze.M". Een voorbeeld van de inhoud van dit bestand is de volgende lijst: TempBoilVat T_waterleiding dT_comfort_gebouw_zomer WoningType E_keuze K_keuze T_keuze_WastafelAanrecht T_keuze_DoucheBad V_keuze
=T_0+65; =T_0+20; =3; =3; =0; =0; =5; =5; =2;
%[K] met T_0 = 273.15 [K] %[K] %[K] %[1] %[1] %[1] %[1] %[1] %[1]
De betekenis van de parameters in deze lijst is als volgt: Parameter TempBoilVat T_waterleiding
Betekenis Nominale temperatuur boilervaten Waterleiding temperatuur Toegestane temperatuurverhoging van dT_comfort_gebouw_zomer het gebouw in de zomer WoningType woningtype nummer elektriciteitsopwekking stand-alone E_keuze nummer K_keuze ruimtekoeling nummer tapwaterverwarming nummer voor T_keuze_WastafelAanrecht wastafel en aanrecht tapwaterverwarming nummer voor douche T_keuze_DoucheBad en bad V_keuze ruimteverwarming keuzenummer
24
Eenheid K K K 1 1 1 1 1 1
ECN-I--05-002
6.1.2 Woningen en apparaten keuzelijsten in MATLAB WoningType 1 2 3 4 5
Woning PREGO24 PREGO24 PREGO24 PREGO24 PREGO24
woning woning woning woning woning
flat tuinkamer kop 2onder1kap vrijstaand
Elektriciteitsopwekking stand-alone E_keuze 0 1 2
Apparaat niet aanwezig Windmolen PV (Photo Voltaïsche panelen)
Ruimtekoeling K_keuze 0 1 2
Apparaat niet aanwezig Airconditioner Bodemwarmtewisselaar
Wastafel en Aanrecht T_keuze_WastafelAanrecht 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Apparaat niet aanwezig Elektrische boiler close-in elektrische boiler Zonneboiler Warmtepompboiler micro Warmtekracht-boiler Gasboiler Gasketel tapwaterverwarming Collectieve tapwaterverwarming
Douche en Bad T_keuze_DoucheBad 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Apparaat niet aanwezig Elektrische boiler close-in elektrische boiler Zonneboiler Warmtepompboiler micro Warmtekracht-boiler Gasboiler Gasketel tapwaterverwarming Collectieve tapwaterverwarming
Ruimteverwarming V_keuze 0 1 2 3 4
Apparaat niet aanwezig Gasketel ruimteverwarming micro Warmtekracht ruimteverwarming Warmtepomp Collectieve ruimteverwarming
ECN-I--05-002
25
6.2
Uitvoer van WEI-model, teruggeleverd aan KEMA
De uitvoerkolommen worden door MATLAB tabgescheiden weggeschreven in een tekstbestand, met voor elke gesimuleerde tijdstap één regel, volgens onderstaande tabel. Kolomnr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
26
Grootheid Tijd Totaal Elektrisch vermogen opwekking Totaal Elektrisch vermogen vraag Totaal Gas vermogen Gebouwtemperatuur Gebouwtemperatuur setpoint Tapboilertemperatuur douche en bad Tapboilertemperatuur douche en bad setpoint Tapboilertemperatuur wastafel en aanrecht Tapboilertemperatuur wastafel en aanrecht setpoint
Eenheid [dag] [W] [W] [m3/hr] [ºC] [ºC] [ºC] [ºC] [ºC] [ºC]
ECN-I--05-002
