Dynamisch simuleren van bentonkernactivering in gebouwen. BKA dynamisch simuleren?

Transcriptie

1 Dynamisch simuleren van bentonkernactivering in gebouwen GEOTABS workshop 4 juni 2012 Maarten Sourbron KU Leuven, Departement Mechanica, Onderzoeksgroep Simulatie van Thermische Systemen BKA dynamisch simuleren? Interactie gebouw-bka Interactie BKA-installatie 1

2 Inhoud Betonkernactivering (BKA) in dynamische simulatie BKA in EnergyPlus (v ) en TRNSYS ( ) Warmte-overdracht BKA ruimte Andere BKA-configuraties Resultaten met dynamische simulatie BKA: 3D warmteoverdracht y z x 2

3 Dynamische simulatie Gebouwzone: 1 dimensionaal puntmodel TRNSYS: energiebalans met 1 (of meerdere) airnodes per zone EnergyPlus: energiebalans met 1 airnode per zone Dynamische simulatie van BKA Nodig: 1D BKA-model Gegeven: Toestand BKA en zones boven en beneden Input: T water,aanvoer BKA Output: Q water-beton T water,terugvoer 3

4 EMPA-BKA-model in EnergyPlus Wand/vloer m.b.v. transferfunctie T hs = Temperatuur ter hoogte van heat source m.b.v energiebalans (van de huidige en vorige tijdstappen) TABS = warmtewisselaar tussen water en beton (op constante temperatuur) ε-ntu methode bepaalt warmtevermogen q (W/m²) q = f ( T, ; T ; ε; vloereigenschappen) water aanvoer hs Regeling en hydraulica geïntegreerd in model Beperking van de flexibiliteit EMPA-BKA-model in TRNSYS EMPA: Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research Boek: Thermoaktive Bauteilsysteme tabs 4

5 EMPA-BKA-model in TRNSYS Warmteoverdracht in RC-model RC = weerstand-capaciteit-model EMPA-BKA-model: 2D 1D BKA ruimte Water beton BKA ruimte 5

6 EMPA-BKA-model: 2D 1D EMPA-BKA-model: 2D 1D R d, i d = λ i beton Enkel functie van de betonlaag Equivalente gemiddelde kerntemperatuur T c Enkel functie van de buiseigenschappen en van de pasafstand d x dx ln π d t, o d d i t, o Rx als > 0.3 en < 0.2 2πλ d d t x x 6

7 EMPA-BKA-model: 2D 1D R w : Convectie-weerstand water-leiding T w : watertemperatuur T c : Gemiddelde betontemperatuur ter hoogte van de leidingen R t : Conductieweerstand leiding R x : Equivalente BKA-weerstand EMPA-BKA-model: z elimineren Invloed van de z-richting elimineren T water,aanvoer T water,gemiddeld a.h.v. LMTD-methode warmtewisselaars & 1 ( T ) Q = A Tw, aanvoer w, gem Rz R z = f(waterdebiet, buiseig., pasafstand, eig. betonvloer) 7

8 EMPA-BKA-model: z elimineren Effect van 1D-aanpak bij plotse veranderingen van T w,aanvoer : Energiebalans moet blijven gelden Q& uit water = Q& in beton 1 mc & T T T T R (,, ) = (, ) p w aanvoer w terugvoer w aanvoer betonkern tot A B als A<B EMPA-BKA-model: z elimineren Effect van 1D-aanpak bij plotse veranderingen van T w,aanvoer : Energiebalans moet blijven gelden Autosegmentation - functie in TRNSYS: laag debiet of lange leiding 8

9 EMPA-BKA-model: 3D 1D R w : Convectie-weerstand water-leiding R z : Lengte -weerstand leiding Q vloer T vloer-opp T ws : wateraanvoertemperatuur T w,mean : gem. watertemperatuur R t : Conductieweerstand leiding Q plafond T c : Gem. betontemp. t.h.v. de leidingen T plafond-opp R x : Equivalente BKA-weerstand Warmteoverdracht: BKA ruimte Straling Conductie Convectie 9

10 Warmteoverdracht: BKA ruimte 2 manieren van warmteoverdracht: Natuurlijke convectie tussen oppervlak en lucht Straling tussen oppervlakken Warmteoverdracht: BKA ruimte 10

11 Warmteoverdracht: BKA ruimte EN15377: straling+convectie! Vloerverwarming of plafondkoeling: 0.1 ( θ, θ ) A( θ, θ ) Q& = 8.92 S m i S m i Plafond verwarming: (, ) Q& = A θ θ 6 S m i Vloer koeling (, ) Q& = A θ θ 7 S m i Warmteoverdracht: BKA ruimte Natuurlijke convectie: Dichtheidsverschil zet lucht in beweging Stratificatie van de lucht Straling: Q& = h A T 4 4 ( 1 2 ) Q& = σε A T T r c ( T ) ruimtelucht Temperatuursverschil tussen 2 oppervlakken Sterk temperatuursafhankelijk In dynamische gebouwmodellen wordt lange-golfstraling tussen de verschillende oppervlakken in rekening gebracht opp in functie van temperatuursverschil en geometrie van de ruimte 11

12 Convectiecoëfficiënt h c c D T te n m Convectiecoëfficiënt h c 12

13 Invloed van hydr. diameter op h c Stralingscoëfficiënt h r Drijvende kracht: temperatuursverschil tussen 2 oppervlakken 4 4 Q& r = σε A( T1 T2 ) met T1 = Topp, BKA en T2 = T 3 T1 + T Q& = h 2 r A( Topp, BKA T ) = σε A4 ( T1 T2 ) 2 met r 3 4( m ) ( 1 2 ) ( T ) = σε A T T T = h A T ( ) [ ] h = σε 4 T met T in K r m 13

14 Verhouding convectie-straling Verhouding convectie-straling 14

15 Convectiecoëfficiënt h c in TRNSYS Convectiecoëfficiënt h c in TRNSYS Internal calculation!! 15

16 Convectiecoëfficiënt h c in EnergyPlus h c ( T T ) = 3.1 surface air Iets hogere waarde voor gekoeld plafond dan voor verwarmde vloer Automatisch Internal calculation! Andere configuraties ECHO Climadeck Geen homogene vloer meer Niet voldaan aan randvoorwaarde EMPA-model di 0.3 d > x 16

17 Andere configuraties ECHO Climadeck Met equivalente λ o.w.v. convectie in de holtes tijdens VERWARMING, bv.: KP20: λ = ipv W/mK KP28: λ = ipv W/mK KP40: λ = ipv W/mK Andere configuraties Airdeck 17

18 Andere configuraties Airdeck (cfr. aanpak Wout Parys in GEOTABS-project) Andere configuraties Airdeck (cfr. aanpak Wout Parys in GEOTABS-project) Volume-gewogen eig.: λ=1.35 W/mK en ρc=1140 kj/m3k Equivalent model met 1 laag (standaard EMPA-model): λ=3.8 W/mK en ρc=1000 kj/m3k Equivalent model met 2 lagen: onderste laag metλ=2.1 W/mK enρc=1500 kj/m3k, en bovenste laag metλ=2.2 W/mK en ρc= 1200 kj/m3k Dummy -zone in TRNSYS 18

19 BKA dynamisch simuleren? bv. 20cm betonvloer C = 403 kj/k.m² T=1K met bv. 60 W/m² 1 u 52 min Interactie gebouw-bka Interactie BKA-installatie Stap watertemperatuur Tijdsconstante betonoppervlak: 4 u 18 min Siemens DESIGO TABS control module Algoritme ontwikkeld o.b.v. dynamische simulaties Samenwerking Siemens EMPA Basic heating/cooling curve control Typical in building control, static approach Sequence control Water temperature control Purge mode to determine TABS temperature by measuring water temperature Avoid switching between heating and cooling Room temperature control (optional) Adapting the heating/cooling curve Cyclic pump operation (patented part) Reduce pump time by higher heating temperatures and lower cooling temperatures 19

20 BKA feedback temperatuur? Temperatuur-setpunten Welke temperatuur als feedback signaal? Koeling - dode band - verwarming BKA feedback temperatuur? Oppervlakte-temperatuur T s 20

21 Effect op beperkt productievermogen W/m² 52 W/m² 26 W/m² Effect op beperkt productievermogen x: Vermogen water BKA --: Vermogen BKA ruimte 8 uur circuleren (1 waarde per uur getoond) Fo = dimensieloze tijd: Fo = 1 t = 11,2 uur 21

22 Afwisselende zone-werking Volledig productievermogen beschikbaar voor deel van het gebouw Profiteren van thermische massa van BKA 2 zones: Zuid en Noord Totaal opgesteld vermogen: 52 W/m² Effect van nachtverlaging % meer verwarming + 3-4% meer koeling Nachtverlaging van 9PM tot 6AM Nachtverlaging van 9PM tot 3AM Geen nachtverlaging 22

23 Geen zonwering? 70% meer koeling-energie (primair) 16 keer meer discomfort-uren! Primair energieverbruik koeling + verwarming Discomfort-uren in PPD-uur Vragen? 23