Een dynamisch simulatiemodel voor gebruik in het vroege ontwerpstadium: een praktijkvoorbeeld.

Transcriptie

1 Een dynamisch simulatiemodel voor gebruik in het vroege ontwerpstadium: een praktijkvoorbeeld. P. Standaert & Z. Somogyi 1 PHYSIBEL Conferentie Beter ontwerp door gebouwprestatie simulatie, , Petten Samenvatting Het gebruik van een dynamisch simulatiemodel zoals het Physibel programma CAPSOL vergt een zekere bouwfysische kennis omwille van de specifiek bouwfysische parameters die de gebruiker dient te definiëren naast de meer algemene gebouwdata. Daarom lijkt een samenwerking tussen ontwerper en bouwfysicus reeds van in een vroeg ontwerpstadium aangewezen. Nochtans is er een reële behoefte om het effect van bepaalde ontwerpparameters via een druk op de knop te kennen. Een praktisch voorbeeld hiervan is het volgende. Een producent van zonweringen in Vlaanderen, internationaal actief, was sterk geïnteresseerd in een dynamisch simulatiemodel om het effect van zonwering te kennen op thermisch comfort en koelenergievraag. Het model moest bij prospectie, een situatie te vergelijken met een vroeg ontwerpstadium, kunnen ingezet worden door niet-bouwfysici. Het gebruik van het programma CAPSOL leek dus uitgesloten. Toch werd bewust geopteerd om het CAPSOL reken-model te gebruiken, maar dit van een specifieke interface te voorzien, met volgende uitgangspunten: - De interface laat toe enkel de door de opdrachtgever goed gekende parameters te wijzigen: gebouwtype, geografische positie, oriëntatie, glassoort, glaspercentage, zonweringtype (geen, binnen, buiten), zonweringdoek (gamma producent), koeling aan/uit. - Parameters waarvoor een bouwfysische expertise nodig is kunnen niet gewijzigd worden. Redelijke aannamen voor een beperkt aantal gebouwtypes waren nodig. - De rapportering der resultaten gebeurt via een vast en eenvoudig formaat. Niet enkel de relevante resultaten (temperatuuroverschrijdingen en energievraag voor koeling) worden gerapporteerd, maar ook alle data. Dit laat een objectieve controle van de analyse toe. De gerealiseerde interface beantwoordt aan de behoeften van de opdrachtgever en levert kwalitatief goede resultaten door het gebruik van een gevalideerd rekenmodel. De uitgangspunten kunnen gebruikt worden voor het ontwikkelen van een rekenmodel-interface voor gebruik in een bredere context. Inleiding De bedoeling van voorliggende tekst is aan te tonen dat een relatief ingewikkeld en gevalideerd rekenmodel met succes gebruikt kan worden, niet enkel door bouwfysici, maar ook door bouwfysica-leken in het vroegere ontwerpstadium. Daartoe wordt eerst het rekenmodel CAPSOL uitgelegd. Dit model is bedoeld voor gebruik door bouwfysici. Daarna wordt de CAPSOL Visual Interface toegelicht. In deze interface is de moeilijkheidsgraad om het rekenmodel CAPSOL te gebruiken in belangrijke mate gereduceerd. 1 Dr. ir. P. Standaert, Physibel Dr. ir. Z. Somogyi, Physibel

2 I. HET PROGRAMMA CAPSOL Het programma CAPSOL simuleert multizonaal dynamisch thermisch gedrag. 5 basisschema s verklaren de simulatieprincipes: 1. Interzonale warmtestromen door geleiding, convectie en infrarode straling. 2. Geleiding, convectie, infrarode straling en zonnestraling in basis en geavanceerde wandtypes. 3. Verwerking van zonnestraling in zones. 4. Randvoorwaarden: bekende temperaturen, vermogens en massastromen. 5. Temperatuurcontroles voor verwarming en koeling: vermogens, massastromen en zonneschermen, e.a. 1. Interzonale warmtestromen door geleiding, convectie en infrarode straling (Figuur 1) V Rr E S AW Rr Rc IV Cz I Rcr BW Cm Rm Rcr E Figuur 1. Basisschema 1 CAPSOL gaat uit van een netwerk van thermische weerstanden en thermische condensatoren. Uitgaande van de in een aantal knopen gedefinieerde randvoorwaarden, worden de temperaturen in de knopen en de warmtestromen in en tussen de knopen voor elke tijdstap berekend. Elke wand ( wand als algemene term voor wanden, vloeren, daken, beglazingen, ) wordt gemodelleerd als een serie van weerstanden (R) en condensatoren (Cm). 2 wandtypen zijn mogelijk: het basiswandtype (BW) met enkel geleidingsweerstanden en het geavanceerde wandtype (AW) met voor holten een convectieve weerstand parallel aan een stralingsweerstand. Wanden scheiden de zones. Diverse zonetypen zijn mogelijk. Zones zijn extern of intern: interne zones (I, IV) hebben een volume en bijgevolg een zonecondensator (Cz), externe zones (E, ES) niet. Eén externe zone kan een zon-zone (ES) zijn. Voor interne zones kan men de oppervlaktewarmtestromen door convectie en infrarode straling ofwel koppelen (I) door gebruik van samengestelde weerstanden voor convectie en infrarode straling (Rcr) ofwel scheiden (IV) door gebruik van convectieve weerstanden (Rc) en hoekfactorafhankelijke weerstanden voor infrarode straling (Rr). Interzonale massastromen (V) komen overeen met natuurlijke en mechanische ventilatie. 2 / 10

3 2. Geleiding, convectie, infrarode straling en zonnestraling in basiswandtypen en geavanceerde wandtypen (Figuur 2) DIR INT DIR INT DIF DIF GR GR α α f(α) f(α) Rm Rr Figuur 2. Basisschema 2 Het warmtetransport door wanden wordt voor het basiswandtype en het geavanceerde wandtype verschillend gesimuleerd: - Het basiswandtype bevat enkel geleidingsweerstanden (Rm), i.e. equivalente thermische weerstanden voor holten. Het geavanceerde wandtype modelleert holten door een convectieve weerstand (Rc) parallel aan een stralingsweerstand (Rr). - Het basiswandtype staat zonreflecties enkel toe aan het externe en interne wandoppervlak. Het geavanceerde wandtype laat daarentegen ook meervoudige interne zonreflecties toe. Voor beide wandtypen geldt: - De zonreflectie op een extern oppervlak, zijnde de som van directe (DIR), diffuse (DIF) en via de grond gereflecteerde (GRF) zonnestraling, is afhankelijk van de invalshoek. - Invallende zonnestraling op een intern oppervlak (INT), afkomstig van wandoppervlakken grenzend aan de interne zone, wordt op dezelfde manier behandeld als zonnestraling op een extern oppervlak, behalve dat geen hoekafhankelijke reflectie wordt beschouwd. 3. Verwerking van zonnestraling in zones (Figuur 3) De verwerking van zonnestraling op een extern oppervlak (1) wordt voor beide wandtypen behandeld in het basisschema 2. Zonnestraling die door een externe wand een zone binnenkomt (2) wordt verdeeld over de wandoppervlakken (3) proportioneel aan de gedefinieerde zonreceptiepercentages. De rest (4) wordt geïnjecteerd in de zonecondensator. Zonnestraling die invalt op een intern oppervlak (3) wordt op dezelfde manier behandeld als zonnestraling op een extern oppervlak (1), behalve dat geen hoekafhankelijke reflectie wordt beschouwd. Zonnestraling die via interne wanden (5) binnenkomt in een volgende zone wordt op dezelfde manier beschouwd als invallende zonnestraling via externe wanden (2). Zonreflecties op een intern oppervlak worden diffuus beschouwd (6) en worden verdeeld volgens stralingsprincipes gebruik makend van de oppervlaktehoekfactoren. De principes van basisschema 2 worden hierbij gebruikt, zodat de straling kan doordringen naar andere interne of externe zones (7). Op deze manier wordt invallende zonnestraling op een extern oppervlak (1) verdeeld over de condensatoren van de wandoppervlakteknopen Cm (8), de condensatoren van de interne wandknopen (cf. CAPSOL-basisschema 2), de zonecondensatoren Cz (4) en wordt gedeeltelijk teruggezonden naar de externe zone(s). Rc 3 / 10

4 Cz Cm Figuur 3. Basisschema Randvoorwaarden: bekende temperaturen, vermogens en massastromen (Figuur 4) qglob qdif q1 q1 qir Qsol Qir Qm Qm Qm q1 q1 Qfree Qfree AW BW q2 q2 Figuur 4. Basisschema 4 De randvoorwaarden die op het netwerk van thermische weerstanden en condensatoren worden toegepast zijn: - de bekende zonetemperaturen (q1, q2), toegepast in de respectievelijke zoneknopen, - de zonnewarmtevermogens (Qsol), geïnjecteerd in de wand- en zoneknopen (verkregen door de zonneprocesor (cf. CAPSOL-basisschema's 2 en 3) uit de zonnedata, de globale horizontale zonnestraling (qglob) en de diffuse horizontale zonnestraling (qdif), 4 / 10

5 - de interne warmte (Qintern), i.e. de warmte die wordt afgegeven door mensen, verlichting en appartuur in interne zones, die wordt geïnjecteerd in de betreffende zoneknoop, - de vermogens van de infrarode hemelstraling (Qir), verkregen uit de infrarode straling (qir), die wordt geïnjecteerd in de externe oppervlakteknopen, - de interzonale massastromen (Qm). Alle randvoorwaarden zijn tijdfuncties. CAPSOL maakt gebruik van zowel bestand-gedefinieerde functies als parameter-gedefinieerde functies (bijvoorbeeld sinus, stap, constant). Bestand-gedefinieerde functies met klimaatdata (temperatuur en zonnestraling) zoals Europese testreferentiejaren, zijn beschikbaar. 5. Temperatuurcontroles voor verwarming en koeling: vermogens, massastromen en zonneschermen, e.a. (Figuur 5) S Qmc C qtc C qtc q qth q qth Qc Qc Figuur 5. Basisschema 5 CAPSOL maakt het mogelijk de temperatuur van zone- en wandknopen als volgt te regelen. Wanneer de temperatuur in de knoop, binnen vooraf vastgestelde marges, niet overeenkomt met de door de gebruiker gedefinieerde doeltemperatuurfuncties voor verwarming (qth) en voor koeling (qtc), volgt er een controleactie. Er zijn 3 typen controle-acties mogelijk: - Een vermogen (Qc), positief in geval van verwarming, negatief in geval van koeling, wordt geïnjecteerd in een zone- of wandknoop van het netwerk. Dit maakt de simulatie mogelijk van bijvoorbeeld lucht-, radiator- en vloerverwarming of -koeling. - Een massastroomuitwisseling (Qmc) tussen de beschouwde zone en een andere zone wordt toegepast. Dit komt overeen met mechanische ventilatie. - Een zonnescherm wordt toegepast voor een (transparante) wand. Dit wordt gerealiseerd door de betreffende wand te vervangen door een wand met andere zonreflectie-, transmissie- en absorptiefactoren. Op die manier kan men verschillende zonneschermtypen op verschillende posities (binnen, buiten, tussen de glaslagen) simuleren. 5 / 10

6 6. Gebruik van het programma CAPSOL Bij het praktisch gebruik van het programma CAPSOL zijn 3 belangrijke stappen te onderkennen: 1. De conversie van het gestelde probleem naar een model dat met CAPSOL gesimuleerd kan worden. 2. De invoer van de modeldata in CAPSOL. 3. De interpretatie van de resultaten. De basisschema s tonen dat CAPSOL op relatief abstracte bouwstenen is gebaseerd. Dit biedt enerzijds veel mogelijkheden, bijvoorbeeld: - verwarming (of koeling) via lucht, radiator, vloer,... - warmtewisselaars, bv. voorverwarming of voorkoeling via kanalen in de grond, - regelbare zonwering (binnen, buiten of...), - dubbele gevels, met diverse ventilatiestrategieën. Anderzijds moet de gebruiker zelf het model construeren. Er is immers geen knop voor vloerverwarming, zonwering, warmtewisselaar of dubbele gevel. Daarom vraagt de eerste stap een belangrijke bouwfysische expertise. Ook de tweede stap vergt voor bepaalde parameters een belangrijke bouwfysische expertise. De gebruiker dient vertrouwd te zijn met begrippen zoals bijvoorbeeld infrarood, kortgolvig, convectieve overgangscoëfficiënt, hoekfactor en tijdsconstante. Figuur 6 en Figuur 7 tonen een aantal invoermodules en geven zo een idee van de nodige invoerdata. Tenslotte vergt ook de derde stap, de interpretatie van de resultaten, een bouwfysische expertise. Figuur 6. Definiëren van zones, wanden, functies en interzonale ventilatie in CAPSOL. 6 / 10

7 Figuur 7. CAPSOL Functie editor II. EEN VEREENVOUDIGDE CAPSOL INTERFACE 1. Opzet Een producent van zonweringen in Vlaanderen, ook internationaal actief, had een grote interesse in CAPSOL om het effect van zonwering op thermisch comfort en koelenergievraag te begroten. Randvoorwaarden voor het gebruik waren echter onder meer: - Het programma moet gebruikt worden door de technisch commerciële medewerkers. Deze medewerkers zijn geen bouwfysici. - Het programma moet snel (enkele minuten) antwoord geven. Uit het voorgaande is duidelijk dat het programma CAPSOL hieraan niet beantwoordt. Om enerzijds toch de voordelen van het programma CAPSOL (gevalideerde simulatie) te behouden en daarnaast ook te voldoen aan deze randvoorwaarden werd geopteerd voor het volgende: - Er wordt een nieuwe interface gebouwd. De interface laat toe een beperkt aantal parameters te wijzigen. Deze parameters zullen representatief zijn voor de problematiek van zonweringen. Deze nieuwe interface vervangt de bestaande interface (die toelaat alle parameters te wijzigen). - Vanuit de interface kan men het rekenhart van CAPSOL opstarten. - De berekening resulteert in een automatische voldoende duidelijke rapportering. 2. CAPSOL Visual Interface: invoer van gegevens De nieuwe interface, CAPSOL Visual Interface genaamd, wordt afgebeeld in Figuur 8. 7 / 10

8 Figuur 8. CAPSOL Visual Interface Figuur 9. CAPSOL Visual Interface: vooraf gedefinieerde gebouwen. Er werd besloten de simulatie te beperken tot 4 vooraf gedefinieerde gebouwen: Office, Landscape Office, Veranda, Corner Office (Figuur 8 en Figuur 9). De hiertoe nodige parameters (samenstelling en oppervlaktes van constructiedelen, vrije warmtewinsten, gewenste temperatuurprofielen, verwarming, ventilatie, rekentijdstap en zo meer) zijn hierbij vast en kunnen dus niet door de gebruiker worden gewijzigd. Op die manier is de bouwfysische expertise nodig voor de conversie van het gestelde probleem naar een rekenmodel, dit is de bovenvermelde stap 1 bij het gebruik van CAPSOL, hier niet vereist. In de interface is het aantal door de gebruiker te definiëren invoerdata, dit is de bovenvermelde stap 2 bij het gebruik van CAPSOL, sterk verminderd, en wel zodanig dat dit geen bouwfysische expertise vergt. De volgende invoerparameters zijn wel wijzigbaar: - Berekeningsperiode van één jaar of 14 dagen naar keuze. - Keuze van buitenklimaat aan de hand van een aantal gedefinieerde klimaatstations (Figuur 10). - Oriëntatie. - Procentuele beglazing in de façade. - U-waarde van de beglazing. - Zonwering aan/uit. - Zonwering type (transmissie, reflectie, absorptie coëfficiënten, etc.). - Zonwering plaatsing buiten/binnen. - Koeling aan/uit. 8 / 10

9 Figuur 10. CAPSOL Visual Interface: keuze van Europese testreferentiejaren. Ook werden bepaalde parameters visueel voorgesteld, bv. de oriëntatie en het type zonnewering. Dit laatste levert een interessante meerwaarde voor de gebruiker (producent van doeken). 3. CAPSOL Visual Interface: rapportering De interface bevat een startknop voor de simulatie met CAPSOL. Na de berekening in enkele seconden, wordt automatisch een rapport gegenereerd in MS-Word formaat (Figuur 11). Dit rapport bevat de gegevens van de simulatie, ook de gegevens die niet variabel zijn in de interface. Figuur 11. CAPSOL Visual Interface: rapportering. 9 / 10

10 Daarnaast worden ook volgende resultaten gerapporteerd: - maximale temperatuur, - duur met temperatuur >25 C, - duur met temperatuur >28 C, - energievraag voor verwarming per m² glas. - energievraag voor koeling per m² glas. In geval van een 14 daagse berekening worden ook een aantal grafieken afgebeeld (Figuur 12): - globale horizontale en diffuse horizontale zonnestraling, - effectieve zonstraling op gevels, - temperaturen binnen en buiten, - werking (aan/uit) van de zonwering, - koelenergievraag. Figuur 12. CAPSOL Visual Interface: grafieken in rapportering voor een 14-daagse periode. De gerapporteerde resultaten, temperatuuroverschrijdingen en koelenergievragen, hebben direct betrekking op het effect van de zonwering. Het laat de gebruiker toe relatief snel diverse alternatieven te onderzoeken zonder een bouwfysische expertise te vergen, zoals die nodig is bij de interpretatie van de resultaten bij CAPSOL (zie de bovenvermelde stap 3 bij het gebruik van CAPSOL). 4. Evaluatie De CAPSOL Visual Interface wordt momenteel door de opdrachtgever met succes ingezet ter ondersteuning van zijn technisch-commerciële activiteiten, en dit in diverse landen in 5 continenten. Zij het dat de interface niet alle mogelijkheden levert zoals die in CAPSOL zelf, laat ze toe goed onderbouwde simulaties uit te voeren, die relevant zijn voor de beoordeling van zonweringen met betrekking tot thermisch comfort en koelenergievraag. 10 / 10