VA114 in het ontwerpproces

Transcriptie

1 VA114 in het ontwerpproces Een evenwicht tussen installaties, economie en architectuur Peter van den Engel

2 Inhoudsopgave Wat is VA114? Comfortmodellen Energie-evaluatie Werken met VA114 Simulatie laboratorium Doel en aanpak oefening 2

3 Wat is VA114? - Achtergrond Dynamisch rekenmodel: Energiestromen per uur over heel jaar Fouriervergelijkingen Volledig impliciete eindige differentiemethode Knooppunten worden doorgerekend Matrix vertrek (knooppunt convectie + straling op wandoppervlak en knooppunt lucht) Matrix wanden (knooppunt capaciteit + geleiding) Validatie via metingen TNO-gebouw, EDR-test,. 3

4 Wat is VA114? - Doel Berekenen te hoge en te lage temperaturen Bereken kwaliteit thermisch comfort Berekenen energie en vermogen Onderzoek installatieopzet Onderzoek kwaliteit gebouwschil 4

5 Wat is VA114? - Programma Kamermodel: 1 3 kamers, DOS-model Klimaatmodel: - Bijv en Zonnestraling (ook noord!) - Wind - Nachtelijke uitstraling 5

6 Wat is VA114? - Programma Uniforme omgeving: Windows-versie Heel gebouw, CAD-tekening inlezen (1 lijns!) Uitwisseling rekenmodulen Meer grafisch Complexe vormen Verwarmen of koelen vloeren en wanden 6

7 Wat is VA114? Plek VA114 VA114 / TRNSYS CFD T Massastroomprogramma s (bijv. Comis) 7

8 Comfort Fysische achtergrond Comfort is o.a. thermische gewaarwording, bepaald door: 1. Lucht- en stralingstemperatuur 2. Luchtsnelheid en variatie op luchtsnelheid (turbulentie) 3. Relatieve vochtigheid Achtergrond: 1. Clo-waarde (kledingweerstand meestal 0,7 of 0,9) 2. Metabolisme = M (warmteafgifte door activiteiten, meestal 1,2 = 70 W/m 2 lichaamsoppervlak = 126 W/p.p., latente warmte 40% + voelbare warmte 60%) 8

9 Comfort - Norm NEN-ISO

10 Comfort - Norm PMV = 3 PMV = 2 PMV = 1 PMV = 0 PMV = -1 PMV = -2 PMV = -3 Heet Warm Enigszins warm Comfortabel Enigszins koel Koel Koud 10

11 Comfort - Modellen Comfortmodellen: RGD: Te openen ramen: weegurenmethode Gesloten gevel: max. 25,5 o C tot 28 o C buitentemp. NPR-CR 1752 (klasse A, B en C = max. 27 o C) Max. 24 o C of 25, 26 of 28 o C Adaptief model bij te openen ramen Anders/geen Let op PMV- en PPD in ruimte (gevel kritisch) 11

12 Comfort RGD-model RGD-methode: 10 % werktijd = 0,1 x uur = 200 uur = 100 uur in de zomer, 100 uur in de winter PPD > 10%, PMV > + 0,5 of PMV < - 0,5 = ca. 100 uur PMV =0,7 of PPD = 15% 150 gewogen overschrijdingsweeguren en 150 onderschrijdingsweeguren (8-uur/d) 12

13 Comfort RGD-model PMV = 0,5, PPD = 10 % = ca. 25,6 o C = 1 gewogen overschrijdingsweeguur PMV = 1,0, PPD = 25% = ca. 27,5 o C = 2,5 gewogen overschrijdingsweeguur 13

14 Energie-evaluatie evaluatie - Verwarmen - 10 kwh thermisch = 10 (J/s) * * (s) = J = 36 MJ Verwarmen met ketel en gas: - 1 m 3 gas = 35,2 MJ (primair) = 9,8 kwh - Stel rendement HR-ketel = 90% - 10 kwh thermische energie = 10 / 0,90 = 11,1 kwh primaire energie = 1,13 m 3 gas 14

15 Energie-evaluatie evaluatie - Verwarmen - 10 kwh thermisch: Verwarmen met elektrische warmtepomp: - Warmtepomp C.O.P. = 4 - Nodig: 10 / 4 = 2,5 kwh elektrisch - Rendement centrale + levering: 39% - Nodig primaire energie: 2,5 / 0,39 = 6,4 kwh Leg kental vast in MJ primaire energie per jaar per m 2 vloeroppevlak 15

16 Energie-evaluatie evaluatie - Koelen Electrische koelmachine: C.O.P. = bijv. 4 Energieopslag in de bodem: C.O.P. = bijv. 12 Kosten gas en elektriciteit hangen af van: - Afname per jaar - Pieken Leg kental vast in MJ primaire energie per jaar per m 2 vloeroppervlak 16

17 Werken met VA114 - Ontwerp Bepalen ontwerpparameters: - glaspercentage - zonwering, reliëf, massa, kleur gevel - gebouwmassa, isolatie - vrije koeling - verlichting, computers, mensen 17

18 Werken met VA114 - Dynamiek Afgekoelde gebouwmassa dempt pieken Natuurlijke ventilatie dempt (vaak) pieken binnentemperatuur buitentemperatuur Welke bandbreedte is acceptabel? 18

19 Werken met VA114 - Stookseizoen Reductie verwarming jan april sept dec Voorwaarde: pas op te veel koeling 19

20 Werken met VA114 - Stooklijn Gunstige stooklijn in toevoerlucht T buiten o C T toevoer o C T toevoer o C 20

21 Werken met VA114 - Stooklijn Gunstige stooklijn in toevoerlucht, minder gelijktijdig verwarmen en koelen: T buiten o C T toevoer o C T toevoer o C 21

22 Werken met VA114 - Stooklijn Strategieën koeling en verwarming - in voor- najaar centraal iets te koud, in zomer iets te warm: óf verwarmen óf koelen - lokale correcties met radiatoren, koelplafonds of luchthoeveelheid; let op setpoints! 22

23 Werken met VA114 - Uitgangspunten Eisen/rol opdrachtgever (kosten/kwaliteit) Eisen/rol architect-installatieadviseur (beeld, techniek) Instrument ontwerpproces installaties en gebouw (dimensionering, regeltechniek) 23

24 Werken met VA114 - Trends Bij kantoren maximaal 5-voudig equivalente luchtwisseling (meestal) bij glas LTA = 0,60, ZTA = 0,30 Ontwikkelingen: Hoge bezettingsgraad (cockpits!) Lange gebruikstijden Variabel gebruik (wisselende interne warmte) Minder pc en verlichtingswarmte 24

25 Werken met VA114 - Mogelijkheden Energie op jaarbasis vaststellen (let op ontvochtiging) Minimaliseren verwarmen en koelen Dimensioneren koelconvectoren: let op te openen ramen en vocht (T aanvoer >18 o C) Eerste inschatting bijzondere ruimten (serres) 25

26 Werken met VA114 - Evaluatie Oplossingen toetsen aan kwaliteiten t.a.v.: a. Comfort b. Energie c. Regeling d. Economie en uitvoerbaarheid 26

27 Laboratorium - CFD uitgangspunten Praktijk: Containers in gebouw Luchttoevoer Warmtebron van apparaat Luchtafvoer 27

28 Laboratorium - Temperaturen temperatuur T = 5K bij 750 W hoofdwarmtebron 28

29 Laboratorium - Luchtsnelheden luchtsnelheid, ca. 0,20 m/s i.p.v. 0,05 m/s 29

30 Laboratorium Regeltechniek Stel T = max. 1 K: 19,0 < T <21 o C Ruime eis, want T = max. 0,1 K 19,9 < T < 20,1 o C komt voor Onderzoek VA114/Capsol: Regelmogelijkheden VA114 Wisselende interne warmtebelasting Interne warmte W 30

31 Laboratorium - Regeltechniek Kwaliteit simulatieprogramma s ligt vooral in nabootsing werkelijke regeling Regelen met lucht: snel maar duur (kost veel ruimte, veel inblaasoppervlak) Regelen met water: traag, al gauw lage luchtsnelheden Ga zuinig om met geconditioneerde lucht 31

32 Laboratorium - Regeltechniek Stel dagbedrijf Nacht/weekendbedrijf = W = W Temperatuur/ vermogen warmtelast W temperatuur W Tijd 32

33 Laboratroium - Oplossingen Dag- en nachtbedrijf lucht (verschillende hoeveelheden) Variabel volumesysteem (minimaal ca. 20%) Regelen met water, kiezen voor lage setpoints buiten dagbedrijf (20 o C<?) Verlaag warmtelast (intern koelen) Vergroot massa + geleiding (buffer) Voorkom gelijktijdig verwarmen en koelen! 33

34 Laboratorium - Energie In hoeverre wordt gelijktijdig verwarmen en koelen voorkomen? Op welke wijze zou gedurende bepaalde perioden relatief efficient gelijktijdig kunnen worden verwarmd en gekoeld? Hoe groot is de invloed van opwarming via de gevel of afkoeling via de gevel op de regeling van de temperatuur in het laboratorium en het energiegebruik? 34

35 VA114 practicum Peter van den Engel Elisa Boelman

36 Eerste oefening VA114 Doel: invoer + uitvoer leren kennen Stap 1a: interpretatie gegevens Stap 1b: resultaten presenteren/uitwisselen Stap 2a: invoer installaties Stap 2b: resultaten controleren 36

37 Eerste oefening - interpretatie Berekening met testbestand: 20/3, 26/8, 20/10, 28/12 (data dubbel ckecken!) Invoer lezen natuurlijke ventilatie/infiltratie uitstekende geveldelen BF gegevens wand locale/centrale INS mechanische ventilatie interne warmtelast 37

38 Eerste oefening - interpretatie Berekening met testbestand: 20/3, 26/8, 20/10, 28/12 Uitvoer lezen per uur en dag jaar temperaturen energiestromen (zoninstraling, warmte/koude levering) centrale luchtbehandeling Resultaten presenteren/uitwisselen 38

39 Voorbeeld daguitvoer 39

40 Voorbeeld jaaruitvoer 40

41 Voorbeeld jaaruitvoer - temperaturen 41

42 Eerste oefening - invoer Invoer klimaatbeheersingsystemen natuurlijke ventilatie + cv als startpunt (testbestand) winter: n=1.5; zomer: n=6 passief gebouw (cv weghalen uit testbestand) winter: n=1.5; zomer: n=6 luchtverwarming en koeling (toevoegen) winter + zomer CAV, n=6, oneindig vermogen Resultaten controleren 42

43 Tweede oefening VA114 Doel: gebouwinvoer + interactie gebouw-installaties Stap 1: invoer gebouw Stap 2: invoer kantoor 43

44 Tweede oefening eigen kantoor Ga uit van kantoor in eigen ontwerp Ga uit van zelf ontworpen gevel Ga uit van standaardgegevens voor interne warmtelast 44

45 Tweede oefening invoer gebouw Invoer in test bestand: eigen wanden glas + zonwering uitstekende geveldeel geometrie aanpassen 45

46 Tweede oefening - kantoor Testbestand met eigen gevel gebruiken Invoer interne belasting + ventilatie bezetting: 2 personen = 160 W verlichting: 10 W/m 2 apparatuur: 200 W aanwezigheid: 8 uur/dag of 24 uur/dag benodigde ventilatie: 50 m 3 /uur persoon Aanpassing klimaatinstallaties: thermische energiebehoefte + comfort 46

47 Tweede oefening resultaten Overschrijdings-/onderschrijdingsuren Jaarverbruik verwarming Hoogst uurverbruik winter Zonnewarmte 47

48 Tweede oefening resultaten Jaarverbruik verwarming/koeling Gewogen overschrijdingsuren Hoogst uurverbruik zomer/winter Vrije koeling / zonnewarmte 48

49 Derde oefening VA114 Doel: bijzondere ruimtes analyseren conflicterende eisen aanpakken Stap 1: formulering binnenklimaateisen lab, Stap 2: invoer interne belasting lab Stap 3: aanpassingen (BK en/of INS) 49

50 Derde oefening - laboratoria Interne belasting bezetting: 5 personen = 400 W verlichting: 10 W/m 2 apparatuur: 1,5 ~ 3 kw (1500 ~ 3000 W, nacht/dag) temperatuureisen: 20 C ± 1 C t bij lucht inblaas: 7 C (t ruimte - t inblaas ) 50

51 Derde oefening - laboratoria Ga uit van eigen laboratorium Luchtwisselingen per uur: n = 10~30, gemiddeld 15 hoeveelheid lucht variëren met belasting (VAV) Aanvullend gekoeld water (lokale warmtebronnen) CAV / VAV en water => set points 51

52 Derde oefening - laboratoria Dag-/nachtbedrijf Volume lucht Water-/luchtsystemen 52

53 Vierde oefening optimalisering eigen ontwerp Doel: toepassing besef mogelijkheden / grenzen model vertaling: concreet abstract concreet optimalisatie eigen ontwerp (BK en INS) Varieer externe warmtelast en bandbreedte temperatuurregeling in laboratorium 53

54 Tips bestandsbeheer Eigen initialen gebruiken bij bestandsnamen, b.v. Piet Jansen PJN Klaartje de Boer KBR Versies onderscheiden PJN1, PJN2, etc. Matrix maken (excel) met parameters, waarden, versies Backups maken tijdens het werken 54

55 Tips voorbeeld datasheet PARAMETERS Vergelijking alleen met zelfde kleur mogelijk U-glas U dicht Massa Glas% Zonwering TEMP SET POINT RAMEN OPEN BIJ: Verlaging? Variant (W/m2K) (W/m2K) (%) (grc.) (grc.) BUITEN G0D0 2,0 0,5 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G4D0 1,0 0,5 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G6D0 0,5 0,5 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G0D1 2,0 0,4 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G0D2 2,0 0,2 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G0D3 2,0 0,1 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G4D1 1,0 0,4 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G4D2 1,0 0,2 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht G4D3 1,0 0,1 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht R_G75 1,0 0,2 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht R_G50h 1,0 0,2 referentie 50% Op, geen balk. 22 / nacht R_G25 1,0 0,2 referentie 25% Op, geen balk. 22 / nacht R 1,0 0,2 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht R_O1 1,0 0,2 referentie 75% Schakelend 22 / nacht R_O2 1,0 0,2 referentie 75% Altijd neer 22 / nacht R_ZON1 1,0 0,2 referentie 75% Op, breed 22 / nacht R_ZON2 1,0 0,2 referentie 75% Op, diep balk 22 / nacht R_50_Li 1,0 0,2 licht 50% hor Op, geen balk. 22 / nacht R_50 1,0 0,2 referentie 50% hor Op, geen balk. 22 / nacht R_50 Zw 1,0 0,2 zwaar 50% hor Op, geen balk. 22 / nacht R 1,0 0,2 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht Rx 1,0 0,2 referentie 75% Op, geen balk. 22 / nacht Rx _Nv1 1,0 0,2 referentie 50% hor Op, geen balk. 22 / geen Rx 1,0 0,2 referentie 50% hor Op, geen balk. 22 / nacht Rx_Nv2 1,0 0,2 referentie 50% hor Op, geen balk. 22 / d en n Rx_L-N3 1,0 0,2 licht 50% hor Op, geen balk. 22 / d en n Rx_Z-N3 1,0 0,2 zwaar 50% hor Op, geen balk. 22 / d en n Rx_L-N4 1,0 0,2 licht 50% hor Op, geen balk. 22 / d en n Rx_Z-N4 1,0 0,2 zwaar 50% hor Op, geen balk. 22 / d en n Onderzochte parameter Afwijkend ten opzichte van referentie Uitkomst G4D2 = G_75 = R = Referentie met invoerfout (raam open bij 20grC) Rx Referentie zonder invoerfout, alles in het grijs is zonder invoerfout Ook hier invoerfout: De temp van vertrek 1 (waar we niet naar keken is 22/10 grc. De temp van vertrek 2 is gewoon 22/18 grc gebleven! Dus Rx_L_N4 en Rx_Z_N4 zijn niet bruikbaar! 55

56 Handleidingen VA114, DOS-versie, op website Installaties VA114, Uniforme Omgeving, op website VABI: Producten handleidingen - Gebouwsimulatie Gebouwinvoer en wandtoewijzing Gebruikershandleiding Gebouwprogramma s Naslagwerk Gebouwprogramma s 56

57 INFO DATA D:\PUBLIC\VA114 bestanden\ \BESTAND \PROJ C:\VABI\ \BESTAND \PROJ Uitvoer oefening: C:\VABI\WERK invoer model: \VA114UIT.A uitvoer berekening: \VA114UIT.B Gebruik uitvoervisualisatie 57