Betonkernactivering. De simulatie. Jeroen Rietkerk

Transcriptie

1 Betonkernactivering De simulatie Jeroen Rietkerk

2 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

3 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

4 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.

5 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.

6 Symbolenlijst Symbool Betekenis Eenheid A leiding oppervlakte buitenzijde leidingen m 2 c soortelijke warmte J/ kg K c water soortelijke warmte van het water J/ kg K C 2 ¼ C constructie J/ K C 3 ¼ C constructie J/ K C 4 ¼ C constructie + ½ C vloerbedekking J/ K C 5 ½ C vloerbedekking J/ K C constructie capaciteit van de betonconstructie J/ K C vloerbedekking capaciteit van de vloerbedekking J/ K C w capaciteit van de waterinhoud van de registers J/ K CF convectiefactor - COP Coefficient of Performance - d dikte m d constructie dikte van de constructie m d inbouw inbouwdiepte leidingregisters m d x steek m h uur - m water massastroom water door leidingregisters M metabolisme met T 1 water retourtemperatuur C T 2 temperatuur kern constructie C T 3 plafondtemperatuur C T 4 temperatuur constructie vloerzijde C T 5 temperatuur vloerbedekking C T i ruimtetemperatuur C T i1 ruimtetemperatuur 1 C T i2 ruimtetemperatuur 2 C T w_in wateraanvoertemperatuur C kg/ s R 1 warmteweerstand kern plafond K/ W R 2 warmteweerstand kern vloer K/ W R 3 warmteweerstand vloerbedekking K/ W R p warmteovergangsweerstand plafondzijde K/ W R v warmteovergangsweerstand vloerzijde K/ W R x vervangingsweerstand K/ W U-waarde warmtedoorgangscoëfficiënt W/ m 2 K ZTA zontoetredingsfactor - δ leidingdiameter m λ warmtegeleidingscoëfficiënt W/ m K λ b warmtegeleidingscoëfficiënt constructie W/ m K

7 Symbool Betekenis Eenheid ρ dichtheid kg/ m 3 Begrippenlijst zontoetredingsfactor convectiefactor (CF) metabolisme Coefficient Of Performance (COP) relay 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. De verhouding tussen de direct door convectie aan de vertreklucht afgegeven warmte en de in het vertrek binnenkomende zonnewarmte of verlichtingswarmte. Warmteontwikkeling in de persoon. Het metabolisme wordt uitgedrukt in de eenheid met, waarbij 1 met = 58,2 W/m 2 lichaamsoppervlak. Voor een man is het lichaamsoppervlak gemiddeld 1,8 m 2 en voor een vrouw 1,6 m 2. 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. 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.

8 Inhoudsopgave 1. Inleiding Uitgangspunten Bouwkundige gegevens Installatietechnische gegevens Simulatiemodel Betonkernactivering Principe Ontwerp van een betonkernactiveringssysteem Behaaglijkheid Het vermogen Regelingen Systeemconfiguraties Modelvorming betonkernactivering Het basismodel ISE Model betonkernactiveringsconstructie Variërende warmteoverdrachtscoëfficiënten Regeling wateraanvoertemperatuur Prioriteitsregeling tussen BKA en LBK Schakelende zonwering Starttijd en lengte van werkdag Kostenbepaling Het eindmodel en uitvoervisualisatie Simulaties met het betonkernactiveringsmodel Uitgangsgegevens Consequenties geometrie vloer-/ plafondconstructies Consequenties variërende wateraanvoertemperatuur Consequenties toepassing BKA en/ of LBK Conclusies & Aanbevelingen Conclusies Discussie Aanbevelingen Literatuurlijst... 58

9 Bijlagen I. Uitvoer warmteverliesberekening referentievertrek II. Overzicht bestanden en parameters ISE-model III. Simulink-modellen behorende bij modelvorming betonkernactiveringssysteem IV. Overzicht bestanden en parameters simulatiemodel betonkernactivering V. Parameters referentiesituatie betonkernactiveringsmodel

10 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.

11 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 Warmtegeleidingscoëfficiënt (λ) Soortelijke warmte (c) Dichtheid (ρ) [m] [W/ m K] [J/ kg K] [kg/ m 3 ] 1 buitenwand zuidwest beton minerale wol metselwerk 0,10 0,11 0, , buitenwand zuidoost beton minerale wol metselwerk 0,10 0,11 0, , binnenwand gang licht beton 0,18 0, binnenwand gang pleisterlaag kalkzandsteen pleisterlaag 0,01 0,105 0,01 0,7 1 0, vloer vertrek linoleum afwerkvloer breedplaatvloer 0,003 0,05 0,28 0,17 1,3 1, plafond vertrek breedplaatvloer afwerkvloer linoleum 0,28 0,05 0,008 1,9 1,3 0, 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 250 W/ m 2 bedraagt. De eigenschappen van de beglazing zijn weergegeven in tabel 2.2.

12 8 U-waarde ZTA CF [W/ m 2 K] [-] [-] Zonwering op 1,2 0,6 0,1 Zonwering neer 1,2 0,2 0,1 Tabel 2.1: Eigenschappen beglazing referentievertrek Figuur 2.1: Referentievertrek 2.2 Installatietechnische gegevens Ventilatie Het referentievertrek is voorzien van gebalanceerde ventilatie waarbij er mechanisch lucht wordt toe- en afgevoerd met een hoeveelheid van 625 m 3 /h Verwarming Het totale warmteverlies van het referentievertrek bedraagt 9380 W, onderverdeelt in de volgende posten: transmissieverlies : 1740 W infiltratieverlies : 600 W opwarmtoeslag : 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 Interne warmtelast De interne warmtelast is verdeeld over de posten apparatuur, personen en verlichting. Personen Aantal : 31 Warmteafgifte Apparatuur Personal computer : 150 : 80 W/ persoon (voelbaar) W TV/ Stereo : 200 W Beamer : 150 W Verlichting : 10 W/ m 2

13 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.

14 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 Figuur 3.1: Principe watervoerende gereduceerd. leidingen in kern betonconstructie. [uit: 4]

15 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 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;

16 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 neutraal enigszins warm heet koel warm 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 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, C Zomer, clo = 0, C Maximaal gemiddelde luchtsnelheid Zomer 0,18 m/s Winter 0,15 m/s Contacttemperatuur van de vloer C Zittende werkzaamheden minimaal 20 C Ventilatie Onderwijsfunctie (B2) 3,5 dm 3 /s m 2 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.

17 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: zomersituatie: minimaal 20 C minimaal 21,5 C maximaal 24,5 C maximaal 25,5 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 maximaal 5% van de gebruikstijd; ruimtetemperatuur T > 28 C maximaal 1% van de gebruikstijd. 4.2 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 5,5 W/ m 2 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 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 = 11 W/(m².K) Vloer: alpha = 7 W/(m².K) Verwarmen Koelen Figuur 4.1: Het afgegeven vermogen van vloeren en plafonds bij koelen en verwarmen.

18 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 W/ m 2 K C W/ m 2 verwarmen koelen max. min. verwarmen koelen verwarmen koelen vloer 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 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.

19 15 Vloersysteem Plafondsysteem Betonkernsysteem 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 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/ m 2 K] ZTA-waarde [ - ] gevel 0,32 dak 0,32 beglazing 1,1 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: Zonwering neer indien zonbelasting > 300 W/m 2 ; Zonwering op indien zonbelasting > 250 W/m 2. Automatisch bediende buitenzonwering: Zonwering neer indien zonbelasting > 250 W/m 2 ;

20 16 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 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

21 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 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 Rendement [%] COP [-] HR-verwarmingsketel 90 Compressiekoelmachine 2,3 Warmtepomp - gasgestookt - elektrisch Tabel 4.5: Rendementen diverse warmte- en/ of koudeopwekkers.

22 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; toevoeging van een starttijd en lengte van de werkdag; uitbreiding van de kostenbepaling met een hoog en laag energietarief. 5.1 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. klimaat Figuur 5.1: Schematische weergave ISE-model Q solar Q internal zone Te T internal mass Q heating/cooling Q solar Q internal zone ISE T facade internal T facade external T setpoint Q heating/cooling T internal 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 koelvermogen binnenzijde interne warmtebelasting Q internal zone temperatuur constructie T facade external buitenzijde externe warmtebelasting door de zon Q solar temperatuur binnenlucht T internal

23 19 Tabel 5.1: Input- en outputgrootheden ISE-model 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. 5.2 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 R3 Rv Ti1 T5 T4 Tw_in Rx R1 R2 T2 Rx T1 T1 T1 Rp Ruimte 2 T3 Ti2 Figuur 5.2: Schematische weergave betonkernactiverings- constructie Figuur 5.3: Toelichting bij wiskundige vergelijking R x Bij figuur 5.2 geldt als verklaring voor de symbolen: Symbool Benaming Eenheid Symbool Benaming Eenheid T 1 T 2 T 3 T 4 water retourtemperatuur C temperatuur kern C constructie plafondtemperatuur C temperatuur constructie C R 1 R 2 R 3 warmteweerstand kern K/ W plafond warmteweerstand kern K/ W vloer warmteweerstand K/ W

24 20 Symbool Benaming Eenheid Symbool Benaming Eenheid vloerzijde vloerbedekking T 5 T i1 T i2 T w_in temperatuur vloerbedekking ruimtetemperatuur 1 ruimtetemperatuur 2 wateraanvoertemperatuur C C C C R p R v R x warmteovergangsweerstand plafondzijde warmteovergangsweerstand vloerzijde vervangingsweerstand K/ W K/ W K/ W Bij de modellering wordt verondersteld dat de temperatuur aan de buitenzijde van de leiding gelijk is aan de heersende watertemperatuur. De vervangingsweerstand R x wordt gegeven als de weerstand waarmee de warmtestromen in de constructie kunnen worden beschreven [8]. Voor de wiskundige vergelijking van de vervangingsweerstand R x geldt: d x d x ln R π δ x = 2 π λ A b leiding waarbij geldt (zie ook figuur 5.3): d x : steek [m] δ (delta) : leidingdiameter [m] λ b : warmtegeleidingscoëfficiënt constructie [W/ m K] A leiding : oppervlakte buitenzijde leidingen [m 2 ] Bij de toepassing van de vervangingsweerstand R x moet tevens gelden: dinbouw > 0, 3 ; d x d constructie d inbouw > 0, 3 en d δ < 0, 2. d x x Op basis van de hiervoor gegeven figuren 5.2 en 5.3 en de wiskundige vergelijking van de vervangingsweerstand R x kan een analogon worden opgesteld van de betonkernactiveringsconstructie. Deze is weergeven in figuur 5.4. R2 T4 R3 T5 Rv Tw_in T1 1/2 Rx T2 C4 C5 Ti Cw C2 R1 T3 Rp 1/2 Rx C3 Figuur 5.4: Analogon betonkernactiveringsconstructie

25 21

26 22 In aanvulling op de symbolen bij figuur 5.3 geldt: Symbool Benaming Eenheid T i C w C 2 C 3 C 4 C 5 ruimtetemperatuur capaciteit van de waterinhoud van de registers C J/ K ¼ C constructie J/ K ¼ C constructie J/ K ¼ C constructie + ½ C vloerbedekking J/ K ½ C vloerbedekking J/ K C constructie capaciteit van de betonconstructie J/ K C vloerbedekking capaciteit van de vloerbedekking J/ K In afwijking van figuur 5.2 wordt nu verondersteld dat T i1 en T i2 de ruimtetemperatuur van één en dezelfde ruimte betreffen en daardoor het symbool T i krijgen Differentiaalvergelijkingen Op basis van het analogon uit figuur 5.4 kan het volgende stelsel differentiaalvergelijkingen worden opgesteld: dt 1 T 1 T2 Cw = m water cwater ( Tw _ in T1 ) dt 2 Rx dt2 T1 T T 2 w _ in T2 T2 T4 T2 T C2 = + dt 2 R 2 R R R C C C dt dt 3 dt dt 4 dt dt 5 x T2 T3 = R 1 T2 T = R 2 4 T4 T5 = R 3 T3 Ti R p T4 T R v 3 x 5 T5 Ti R waarbij: m water : massastroom water door leidingregisters [kg/ s] c water : soortelijke warmte van het water [J/ kg K] 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 Input- en outputgrootheden en parameters Input De binnentemperatuur T i. Deze zal worden gekoppeld aan de output van het ISE-model, te weten T internal. De wateraanvoertemperatuur T w_in. Deze zal worden gekoppeld aan de output van het later in

27 23 dit hoofdstuk besproken submodel regeling wateraanvoertemperatuur. De warmteoverdrachtscoëfficiënten α p en α v. 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 R p en R v. Output De temperaturen T 1 tot en met T 5. 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 : het koel-/ verwarmingsvermogen van het plafond [W] Q_BKA : het koel-/ verwarmingsvermogen van de vloer en het plafond [W] Q_water : het waterzijdige koel-/ verwaringsvermogen [W] Hierbij geldt: Q _ vloer A α T ( Ti ) ( T T ) = bouwdeel v 5 = Abouwdeel p 3 Q _ plafond α Q _ BKA = Q _ vloer + Q _ plafond Q _ water = m water c water ( T T ) w _ in i 1 waarbij: A bouwdeel : oppervlakte van het betreffende constructieonderdeel [m 2 ] Parameters De capaciteiten C w en C 2 tot en met C 5. De weerstanden R p, R v, R x en R 1 tot en met R 3. 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 A bouwdeel. De steek van de leidingen d x. De leidingdiameter δ. De lengte van de leidingen van het leidingregister. Dit ter bepaling van de oppervlakte buitenzijde leiding A leiding. De hoeveelheid water in de leidingregisters ter bepaling van de capaciteit Cw. De massastroom water m water.

28 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 R = [K/ W] λ A C = ρ c A d [J/ K] waarbij: d : dikte [m] A : oppervlakte [m 2 ] λ : warmtegeleidingscoëfficiënt [W/ m K] ρ : dichtheid [kg/ m3] c : soortelijke warmte [J/ kg K] 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. Figuur 5.5: Simulink-model betonkernactiverings- constructie 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 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: dt dt dt dt dt dt = 3,72 10 = 3, = 1, dt 4 6 = 3, dt dt 5 5 = 9, dt

29 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 Warmteoverdrachtscoëfficiënt [W/ m 2 K] verwarmen koelen vloer 11 7 plafond 6 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 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

30 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 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

31 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 Figuur 5.9: Prioriteitsregeling tussen BKA en LBK bepaald, zoals weergegeven in figuur 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 Figuur 5.10: PID-regelaar uit block heating/cooling luchtbehandelingskast echter niet primair wordt capacities van het ISE-model.