Problem integracji systemów sterowania stropami aktywowanymi termicznie i wentylacji w budynkach edukacyjnych

• Autorzy: Pałaszyńska Katarzyna , Bandurski Karol , Porowski Mieczysław

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2024.3.4

Warianty tytułu

The problem of integrating control systems for thermally activated building slabs and ventilation in educational buildings

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono zagadnienie sterowania systemami HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning) ze stropami aktywowanymi termicznie - TABS (ang. Thermally Activated Building Slabs) dla budynków edukacyjnych charakteryzujących się dużymi i zmiennymi w czasie wewnętrznymi obciążeniami chłodniczymi. Zidentyfikowano problem odprowadzenia obciążeń chłodniczych przez system TABS w tych budynkach, zaproponowano wykorzystanie powietrza wentylacyjnego do odprowadzenia części tych obciążeń oraz porównano proste algorytmy sterowania integrujące system TABS i system powietrzny. Jako narzędzia badawcze opracowano model symulacyjny działania tego systemu w ciągu całego roku w programie TRNSYS17. Rozwiązano problem wyboru sterowania energooptymalnego, w którym ograniczeniami było spełnienie warunków komfortu cieplnego (temperatury odczuwlanej w wymaganym przedziale), a funkcją celu minimum zapotrzebowania na energię pierwotną systemu HVAC w ciągu roku. Algorytmy sterowania systemem TABS oparto na krzywych grzania i chłodzenia wyznaczonych na podstawie metody UBB (ang. Unknown-But-Bounded - nieznany, ale ograniczony [profil obciążeń]), w których temperatury przełączenia wyznaczono opierając się na oryginalnej autorskiej metodzie. Obliczenia przeprowadzono dla studium przypadku - sali wykładowej w budynku edukacyjnym. Wykazano, iż tylko współpraca systemu TABS z wentylacją działającą również na potrzeby odprowadzenia części obciążeń termicznych - TABS+VAV (ang. Variable Air Volume), pozwala na utrzymanie wartości temperatury odczuwalnej w wymaganym przedziale komfortu cieplnego - 83% czasu użytkowania dla najkorzystniejszego komfortowo wariantu sterowania. W przypadku, gdy wentylacja działała wyłącznie na potrzeby higieniczne - TABS+DCV (ang. Demand Control Ventilation) czas, w którym temperatura odczuwalna mieściła się w przedziale komfortowym wynosił dla najkorzystniejszego wariantu sterowania tylko 14% czasu użytkowania pomieszczenia.

EN

In the article, the issue of control HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) systems with thermally activated building systems (TABS) in educational buildings, characterized by large and dynamically changing internal cooling loads, is presented. The problem of dissipating cooling loads through the TABS system in this kind of building was identified. The use of ventilation air to dissipate a portion of these loads was proposed, and simple control algorithms integrating the TABS system and the air system were compared. A simulation model of the system’s operation throughout the year was developed using the TRNSYS17 program as a research tool. The optimization problem of selecting energy-optimal control was solved, where the constraints were to meet thermal comfort conditions (operative temperature within the required range), and the objective function was to minimize the primary energy demand of the HVAC system throughout the year. TABS system control algorithms were based on: heating and cooling curves determined with the Unknown-But-Bounded (UBB) method and switching temperatures were determined with an original author’s method. Calculations were carried out for a case study - a lecture room in an educational building. It was demonstrated that only the integration of the TABS system with ventilation, also acting to dissipate part of the thermal loads TABS+VAV (Variable Air Volume), allows maintaining the operative temperature within the required comfort range for 83% of the occupation time for the most favorable comfort control variant. In the case where ventilation only served hygiene purposes - TABS+DCV (Demand Control Ventilation), the time of operative temperature within the comfort range was only 14% of the room’s occupation time for the most favorable control variant.

Słowa kluczowe

PL

TABS; TRNSYS; VAV; DCV; sterowanie energooszczędne; użytkownicy; komfort cieplny

EN

TABS; TRNSYS; VAV; DCV; energy efficient control; users; thermal comfort

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 3
• Strony: 31--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Pałaszyńska Katarzyna

• Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Poznańska

• https://orcid.org/0000-0002-3403-7536

autor

Bandurski Karol

• Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Poznańska

• https://orcid.org/0000-0001-8578-7233

autor

Porowski Mieczysław

• Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Poznańska

• https://orcid.org/0000-0002-9793-6133

Bibliografia

• [1] Asanati, K. et al. 2021. Healthier schools during the COVID-19 pandemic: ventilation, testing and vaccination. Journal of the Royal Society of Medicine. 114, 4 (Feb. 2021), 160-163. DOI: https://doi.org/10.177/0141076821992449.
• [2] Burridge, H.C. et al. 2021. The ventilation of buildings and other mitigating measures for COVID-19: a focus on wintertime. Proceedings of the Royal Society A. 477, 2247 (Mar. 2021). DOI: https://doi.org/10.1098/RSPA.2020.0855.
• [3] Chung, W.J. and Lim, J.H. 2019. Cooling operation guidelines of thermally activated building system considering the condensation risk in hot and humid climate. Energy and Buildings. 193, (Jun. 2019), 226-239. DOI:https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.03.049.
• [4] Chung, W.J. and Lim, J.H. 2018. Improved Thermally Activated Building System Design Method Considering Integration of Air Systems. Advances in Civil Engineering. 2018, (2018). DOI:https://doi.org/10.1155/2018/4928746.
• [5] Dharmasastha, K. et al. 2020. Experimental investigation of thermally activated glass fibre reinforced gypsum roof. Energy and Buildings. 228, (Dec. 2020), 110424. DOI:https://doi.org/10.1016/J.ENBUILD.2020.110424.
• [6] Gwerder, M. et al. 2008. Control of thermally-activated building systems (TABS). Applied Energy. 85, 7 (Jul. 2008), 565-581. DOI:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2007.08.001.
• [7] Gwerder, M. et al. 2007. Control Of Thermally Activated Building Systems. Proceedings of Clima 2007 - WellBeeing Indoors. 85, June (2007). DOI:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2007.08.001.
• [8] Gwerder, M. et al. 2009. Control of thermally activated building systems (TABS) in intermittent operation with pulse width modulation. Applied Energy. 86, 9 (Sep. 2009), 1606-1616. DOI:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.01.008.
• [9] International Organization for Standardization 2012. ISO 11855-4 Building Environment Design - Design, Dimensioning, Installation and Control of Embedded Radiant Heating and Cooling Systems - Part 4: Dimensioning and calculation of the dynamic heating and cooling capacity of Thermo Active Building Systems
• [10] Lehmann, B. et al. 2013. Intermediate complexity model for Model Predictive Control of Integrated Room Automation. Energy and Buildings. 58, (Mar. 2013), 250-262. DOI:https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.12.007.
• [11] Lehmann, B. et al. 2011. Thermally activated building systems (TABS): Energy efficiency as a function of control strategy, hydronic circuit topology and (cold) generation system. Applied Energy. 88, 1 (Jan. 2011), 180-191. DOI:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.08.010.
• [12] Manca, S. et al. 2020. The effect of school design on users’ responses: A systematic review (2008-2017). Sustainability (Switzerland). 12, 8 (Apr. 2020). DOI:https://doi.org/10.3390/SU12083453.
• [13] Meierhans, R.A. 1993. Slab Cooling and Earth Coupling. ASHRAE Transactions. 99(2), (1993), 511-518. DOI:https://doi.org/DE-93-02-4.
• [14] Oldewurtel, F. et al. 2012. Use of model predictive control and weather forecasts for energy efficient building climate control. Energy and Buildings. 45, (Feb. 2012), 15-27. DOI:https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.09.022.
• [15] Olesen, B.W. et al. 2002. Control of Slab Heating and Cooling Systems Studied by Dynamic Computer Simulations. Ashrae Transactions. (2002), 698-707.
• [16] Olesen, B.W. et al. 2006. Dynamic evaluation of the cooling capacity of thermo-active building systems. ASHRAE Transactions. 112 PART 1, (2006), 350-357.
• [17] Olesen, B.W. 2007. Operation and control of thermally activated slab heating and cooling systems. IAQVEC 2007 Proceedings - 6th International Conference on Indoor Air Quality, Ventilation and Energy Conservation in Buildings: Sustainable Built Environment. 1, (2007), 1069-1076.
• [18] Olesen, B.W. 2012. Using building mass to heat and cool. ASHRAE Journal. 54, 2 (2012), 44-52.
• [19] Porowski 2011. Sterowanie energooptymalne klimatyzacją sal operacyjnych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja. 3, (2011), 109-114.
• [20] Porowski 2011. Strategia energooptymalnego sterowania układu klimatyzacyjnego przy dopuszczalnych przedziałach tolerancji parametrów. 2, (2011), 69-75.
• [21] Ratajczak, K. et al. 2023. Recent Achievements in Research on Thermal Comfort and Ventilation in the Aspect of Providing People with Appropriate Conditions in Different Types of Buildings-Semi-Systematic Review. Energies 2023, Vol. 16, Page 6254. 16, 17 (Aug. 2023), 6254. DOI:https://doi.org/10.3390/EN16176254.
• [22] Schmelas, M. et al. 2015. Adaptive predictive control of thermo-active building systems (TABS) based on a multiple regression algorithm. Energy and Buildings. 103, (Oct. 2015), 14-28. DOI:https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.06.012.
• [23] Sinacka, J. et al. 2019. Wpływ profilu użytkowania pomieszczenia na zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia w budynku ze stropami grzewczo-chłodzącymi. Instal. Nr 10, (2019). DOI:https://doi.org/10.36119/15.2019.10.5.
• [24] Tödtli, J. et al. 2009. Regelung und Steuerung von thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS). Bauphysik. 31, 5 (Oct. 2009), 319-325. DOI: https://doi.org/10.1002/BAPI.200910042.
• [25] Yu, T. et al. 2015. Experimental investigation of cooling performance of a novel HVAC system combining natural ventilation with diffuse ceiling inlet and TABS. Energy and Buildings. 105, (2015), 165-177. DOI:https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.07.039.
• [26] Zeiler, W. and Boxem, G. 2009. Effects of thermal activated building systems in schools on thermal comfort in winter. Building and Environment. 44, 11 (2009), 2308-2317. DOI:https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2009.05.005.
• [27] Pałaszyńska, K. et al. 2024. Czy dynamika TABS podąża za dynamiką planu zajęć? Badania pomiarowe i ankietowe w budynku typu nZEB. CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA. 1, 1 (2024), 18-26. DOI: https://doi.org/10.15199/9.2024.1.4.