EN Energy Optimal Control of Heating and Cooling Systems with Thermally Activated Ceilings Integrated with Ventilation in Educational Buildings

polish

PL W rozprawie podjęto się opracowania metody energooptymalnego sterowania systemami HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning -Ogrzewanie, Wentylacja i Klimatyzacja) z TABS (Thermally Activated Building Systems- Systemy Aktywacji Termicznej Konstrukcji Budynku) w budynkach edukacyjnych. Budynki edukacyjne charakteryzują się dynamicznie zmieniającymi się intensywnymi obciążeniami chłodniczymi w ciągu dnia pracy (zmienna liczba osób), oraz różnorodnym, sezonowym harmonogramem użytkowania. Przegrodą podlegającą aktywacji jest strop pomiędzy kondygnacjami. Celem rozprawy jest opracowanie metody sterowania TABS przy równoczesnym wykorzystaniu wentylacji do odprowadzenia części obciążeń termicznych dla zapewnienia parametrów komfortu cieplnego w założonych przedziałach, przy minimalnych nakładach energetycznych. Opracowano metodę sterowania systemem HVAC z TABS, będącą rozwinięciem metody sterowania UBB (Unknown-But-Bounded – nieznany, ale ograniczony [profil obciążeń]). Wyznaczono zbiór dopuszczalnych krzywych grzania i chłodzenia dla TABS. Następnie - rozwiązując zagadnienie optymalizacyjne - wyznaczono na podstawie funkcji celu (minimum zapotrzebowania na energię pierwotną do odprowadzenia obciążeń termicznych w pomieszczeniu) taką parę krzywych grzania i chłodzenia, dla której funkcja celu osiąga minimum. W ramach części aplikacyjnej pracy opracowano model symulacyjny z wykorzystaniem narzędzia TRNSYS17, w którym uwzględniono różne warunki otoczenia, dwie orientacje ścian zewnętrznych pomieszczenia oraz dwa warianty pracy wentylacji: DCV (Demand-Controlled Ventilation - wentylacja która dostosowuje strumień dostarczanego świeżego wg kryterium higienicznego) oraz VAV(Variable Air Volume - wentylacja o zmiennym strumieniu powietrza w funkcji odprowadzenia obciążeń termicznych).Weryfikację modelu wykonano na podstawie dostępnych danych empirycznych. W przypadku systemu HVAC z TABS i DCV (TABS+DCV) we wszystkich rozważanych scenariuszach dopuszczalny czas dyskomfortu cieplnego był przekroczony. Najdłużej oczekiwany przedział temperatury operatywnej utrzymywał się przez 14% czasu (80% całkowitego czasu-przegrzanie, 6% - przechłodzenie). Otrzymane wyniki badań symulacyjnych potwierdziły, że sterowanie systemem HVAC z TABS i VAV (TABS+VAV) z wykorzystaniem wyznaczonych dopuszczalnych krzywych grzania i chłodzenia pozwala na znaczną redukcję czasu przechłodzenia lub przegrzania pomieszczenia, oraz eliminację gwałtownych zmian temperatury. Czas, w którym temperatura operatywna mieści się w przedziale komfortowym osiąga nawet 94%. Wykazano, iż opracowany algorytm sterowania umożliwia kontrolowanie temperatury operatywnej powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach z uwzględnieniem dynamicznych zmian wewnętrznych obciążeń cieplnych. Dzięki czemu systemy HVAC z (TABS+VAV), w których wentylacja odprowadza część obciążeń termicznych mogą w bardziej efektywny sposób reagować na zmiany warunków, co przekłada się na lepszy komfort wewnętrzny. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono ponadto, iż dla sterowania optymalnego (optymalnej pary krzywych grzania i chłodzenia) zapotrzebowanie na energię pierwotną dla odprowadzenia obciążeń termicznych (funkcja celu) jest mniejsze o 3÷5% w stosunku do pozostałych sterowań dopuszczalnych, w zależności od przyjętego wariantu przełączenia trybu pracy stropu aktywowanego termicznie. Wykazano również, że nie istnieje jedno optymalne sterowanie (para krzywych grzania i chłodzenia) odpowiednie dla całego budynku, ale opracowana metoda pozwala na wyznaczenie sterowań optymalnych indywidualnie dla poszczególnych stref budynku.

EN In this dissertation, a method for energy-optimal control of HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems with TABS (Thermally Activated Building Systems) in educational buildings is developed. Educational buildings are characterized by dynamically changing cooling loads throughout the day (variable number of occupants) and diverse, seasonal usage schedules. The element subject to activation is the ceiling between floors. The aim of the dissertation is to develop a method for controlling TABS by utilizing ventilation to remove part of the thermal loads to ensure thermal comfort parameters within predefined ranges with minimal energy expenditure. A method for controlling an HVAC system with TABS was developed, which is an extension of the UBB (Unknown-But-Bounded) control method – resulting in the determination of a set of permissible heating and cooling curves for TABS. Subsequently, by solving an optimization problem, a pair of heating and cooling curves was determined based on the objective function (minimization of primary energy demand to remove thermal loads in the room), for which the objective function reaches a minimum. As a part of the application section of the work, a simulation model was developed using the TRNSYS17 tool, which considered various environmental conditions, two orientations of the room's external walls, and two variants of ventilation operation: DCV (Demand-Controlled Ventilation, which adjusts the supply of fresh air based on the current needs of the building or room) and VAV (Variable Air Volume ventilation). Validation was performed based on available empirical data. In the case of the HVAC system with DCV (TABS+DCV), none of the considered scenarios achieved a satisfactory duration where the room temperature remained within the comfort range. he longest expected range of operative temperature was maintained for 14% of the time (80% of the total time – overheating, 6% – undercooling). The obtained simulation results confirmed that controlling the HVAC system withVAV (TABS+VAV) using the determined permissible heating and cooling curves allows for a significant reduction in the time of room overcooling or overheating, as well as the elimination of rapid temperature changes. The time during which the operative temperature remains within the comfort range is up to 94%. It has been demonstrated that the developed control algorithm allows for controlling indoor air temperature in rooms considering dynamic changes in internal loads. As a result, HVAC systems with (TABS+VAV), in which ventilation removes part of the thermal loads, can respond more effectively to changing conditions, leading to better indoor comfort. Based on the obtained results, it was also found that for optimal control (optimal pair of heating and cooling curves), the primary energy demand for removing thermal loads (objective function) is 3-5% lower compared to other permissible controls, depending on the adopted switching variant of the thermally activated ceiling mode. It was also demonstrated that there is no single optimal control (pair of heating and cooling curves) suitable for the entire building, but the developed method allows for the determination of optimal controls individually for each zone of the building.

177

environmental engineering, mining and energy

DrOIN 2406

to2025232737

Download file

public

Joanna Ferdyn-Grygierek

Gliwice, Polska

12.11.2024

polish

Download file

public

Robert Sekret

Częstochowa, Polska

21.10.2024

polish

Download file

public

dissertation

Poznań, Polska

17.12.2024

Rada Dyscypliny Inżynieria Środowiska, Górnictwo i Energetyka Politechniki Poznańskiej

doktor nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie: inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka