A thermal model of the building for the design of temperature control algorithms

• Autorzy: Skruch P.

Identyfikatory

DOI

10.7494/automat.2014.18.1.9

Warianty tytułu

PL

Model cieplny budynku do projektowania algorytmów sterowania procesem ogrzewania pomieszczeń

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents an efficient and effective method for modeling the temperature dynamics in buildings. The method relies on the simultaneous application of heat transfer and engineering thermodynamics principles. The model takes into consideration dissipated thermal power from the room (heat loses by conduction and ventilation) and applied thermal power to the room (radiator, solar, and internal heat gains). The model parameters can be determined uniquely from the geometry of the building and thermal properties of construction materials. The model can be used to research and validate the algorithms for thermal control in the building. An exemplary building structure is used to verify the theoretical analysis and mathematical formulation. The example includes creating the model, calculating the parameters, designing the temperature control algorithm, and making the simulations.

PL

W pracy przedstawiono efektywne i skuteczne podejście do modelowania dynamiki zmian temperatury w pomieszczeniach budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Konstrukcja modelu matematycznego opiera się na jednoczesnym wykorzystaniu podstawowych zasad termodynamiki oraz praktycznych metod inżynieryjnych dotyczących obliczania parametrów cieplnych elementów konstrukcyjnych budynku. Model uwzględnia moc cieplną traconą przez pomieszczenie (ciepło tracone przez przewodnictwo oraz wentylację) oraz moc cieplną dostarczoną do pomieszczenia (ciepło z instalacji grzewczej, promieniowanie słoneczne, wewnętrzne zyski ciepła). Parametry modelu są obliczane z geometrii budynku i na podstawie właściwości termicznych materiałów budowlanych. Model może być wykorzystany do projektowania i analizy algorytmów sterowania procesem ogrzewania pomieszczeń. Praca zawiera również przykład modelu matematycznego, który został zbudowany przy wykorzystaniu rozważanego podejścia dla jednokondygnacyjnego budynku mieszkalnego. W symulacjach komputerowych zbadano zmiany temperatury w poszczególnych pomieszczeniach przy typowej instalacji grzewczej, w której ogrzewanie pomieszczeń jest sterowane przez niezależnie działające baterie termostatyczne.

Słowa kluczowe

EN

modeling; simulation; building; temperature dynamics; heat transfer

PL

modelowanie; symulacja komputerowa; budynek; dynamika zmian temperatury; przewodnictwo cieplne

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Automatyka / Automatics
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 18, no. 1
• Strony: 9--21
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Skruch P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics, Department of Automatics, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Andersen K., Madsen H., Hansen L., Modelling the heat dynamics of a building using stochastic differential equations. Energy and Buildings, 31(1):13–24, 2000.
• [2] CIBSE, Guide A: Environmental design, 2006. https://www.cibseknowledgeportal.co.uk. Accessed 29 August 2012.
• [3] Fourier J., The Analytical Theory of Heat. Dover Publicatons, Inc., New York, USA, 1955.
• [4] Gouda M., Danaher S., Underwood C., Low-order model for the simulation of a building and its heating system. Building Services Engineering Research and Technology, 21(3):199–208, 2000.
• [5] Gouda M., Danaher S., Underwood C., Building thermal model reduction using nonlinear constrained optimization. Building and Environment, 37(12):1255–1265, 2002.
• [6] Jakob M., Heat Transfer. John Willey & Sons, New York, USA, 1949.
• [7] Lienhard IV J.H., Lienhard V J.H., A Heat Transfer Textbook. 3rd Edition. Phlogiston Press, Cambrige, Massachusetts, USA, 2008.
• [8] Lu X., Modelling of heat and moisture transfer in buildings: I. model program. Energy and Buildings, 34(10):1033–1044, 2002.
• [9] Lu X., Clements-Croome D., Viljanen M., Past, present and future mathematical models for buildings: focus on intelligent buildings (part 1). Intelligent Buildings International, 1(1):23–38, 2009.
• [10] Lu X., Clements-Croome D., Viljanen M., Past, present and future mathematical models for buildings: focus on intelligent buildings (part 2). Intelligent Buildings International, 1(2):131–141, 2009b.
• [11] McAdams W., Heat Transmission. 3rd ed. McGraw-Hill Book Company, New York, USA, 1954.
• [12] Polish Committee for Standardization, PN-B-03430:1983. Ventilation in dwelling and public utility buildings - Specifications, 1983. http://www.pkn.pl. Accessed 29 August 2012.
• [13] Polish Committee for Standardization, PN-EN 442-1:1999. Radiators and convectors – Technical specifications and requirements, 1999. http://www.pkn.pl. Accessed 29 August 2012.
• [14] Polish Committee for Standardization, PN-EN ISO 6946:2008. Building components and building elements. Thermal resistance and thermal transmittance – Calculation method, 2008. http://www.pkn.pl. Accessed 29 August 2012.
• [15] Polish Committee for Standardization, PN-EN ISO 13790:2009. Thermal performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling, 2009. http://www.pkn.pl. Accessed 29 August 2012.
• [16]mPoulikakos D., Conduction Heat Transfer. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, USA, 1994