De koellastberekening volgens VDI 2078 is gebaseerd op een gedefinieerde warmteperiode van 19 dagen met stijgende temperaturen tot de maximale ontwerptemperatuur op de werkelijke ontwerpdag, de CDD (Cooling Design Day). De jaarlijkse simulatie daarentegen gebruikt realistische weerpatronen van een heel jaar voor de berekening, d.w.z. de uur-gebaseerde testreferentiejaargegevens (TRY) van de Duitse Meteorologische Dienst(Deutscher Wetterdienst). De weergegevens van het TRY verschillen aanzienlijk van de zonnestralingswaarden en buitentemperaturen tijdens de gedefinieerde warmteperioden van de koellastberekening (zie Fig. 1a en 1b). Door de verschillende basisvoorwaarden verschillen de resultaten van de hoogste koellast tussen de koellastberekening en de jaarlijkse simulatie. Naast de hoogste koellast kan de jaarlijkse simulatie worden gebruikt om de jaarlijkse energievraag voor verwarming en koeling te berekenen, evenals de hoogste verwarmings- en koellast en de timing daarvan. Bovendien geeft de jaarlijkse simulatie de bedrijfsuren van het verwarmings- en koelsysteem voor het hele gebouw of voor afzonderlijke kamers.
De resultaten van de jaarlijkse simulatie kunnen onder andere worden gebruikt om verwarmings- en koelsystemen te ontwerpen met de hoogst mogelijke basisbelasting en de laagst mogelijke piekbelasting. Deze extra informatie van de jaarlijkse simulatie is beschikbaar zonder extra inspanning, omdat beide berekeningen worden uitgevoerd met dezelfde instellingen voor interne belastingen en temperatuurprofielen.
Voorbeeldproject
Met behulp van een voorbeeldproject moeten de verschillen tussen de resultaten van de jaarlijkse simulatie en de dynamische koellastberekening worden verduidelijkt. Ter vergelijking wordt een hoekkamer op de tweede verdieping met zuidwestelijke oriëntatie onderzocht (zie Fig. 2). Het gebouw bevindt zich in Aken, Duitsland en de interne belastingen komen overeen met de waarden uit de vorige delen van de artikelreeks en blijven ongewijzigd. In dit artikel worden de werkingsfactoren, het regelconcept en de weersgegevens beschouwd als variabele parameters. Koellastberekeningen worden herhaaldelijk uitgevoerd met variërende parameters en hun invloed op de resultaten wordt besproken.
Invloed van de bedrijfstijd van het koelsysteem
Bij het bekijken van de invloed van de bedrijfstijden wordt een continue bedrijfstijd van het koelsysteem (24 uur bedrijf op 7 dagen per week) vergeleken met een kortere bedrijfstijd (11 uur bedrijf op 5 werkdagen). Voor beide bedrijfstijden worden een koellastberekening en een jaarlijkse simulatie uitgevoerd. De curven op de ontwerpdag van de koellastberekening en de dag met de hoogste koelcapaciteit van de jaarlijkse simulatie worden getoond in Fig. 3. Bovendien wordt hier de jaarlijkse koelvraag van de twee jaarlijkse simulaties gegeven. De maximaal vereiste koelcapaciteit wordt aangegeven voor de "11h werking". Dit gedrag is voornamelijk te wijten aan de opslagcapaciteit van de componenten. In de "24-uurs werking" wordt de zonnewarmte die overdag is opgeslagen 's nachts via het koelsysteem afgevoerd. - Bij "11h werking" is de temperatuur van de componenten hoger aan het begin van de werkingstijd en kunnen de componenten overdag minder warmte opslaan, wat leidt tot een hogere koelcapaciteit. Als naast het maximale koelvermogen ook de jaarlijkse vraag naar koelenergie uit de jaarlijkse simulatie wordt bekeken, wordt duidelijk dat, hoewel de "11h werking" resulteert in hogere maximale koellasten, de jaarlijkse vraag naar energie lager is dan bij de "24h werking". De inschakelduur van het koelsysteem beïnvloedt dus niet alleen de koelbelasting, maar ook de jaarlijkse energievraag. Als de bedrijfstijd wordt verlengd, wordt de vereiste maximale koelcapaciteit lager en neemt de vraag naar koelenergie toe. Dit effect neemt toe naarmate de effectieve warmteopslagcapaciteit toeneemt.
Invloed van het regelconcept
VDI 2078 beschrijft verschillende regelconcepten voor de werking van het koelsysteem. Er zijn regelconcepten met constante of buitentemperatuurgeregelde ruimtetemperaturen. Verder zijn er regelconcepten met een temperatuurband, waarbij een 2-punts of proportionele regeling kan worden gebruikt. De mate van invloed van de regelconcepten op het vereiste koelvermogen en de vraag naar koelenergie wordt hieronder geïllustreerd aan de hand van vier regelconcepten. Hiervoor worden de maximale waarden uit de koellastberekening en de jaarsimulatie berekend voor de hoekkamer bij "24-uurs werking". Fig. 4 toont de doeltemperaturen van de regelconcepten. Regelconcept A regelt de ruimte op een constante kamertemperatuur van 22 °C. Met dit regelconcept wordt de ruimte gekoeld zodra de ruimtetemperatuur stijgt zonder te koelen, d.w.z. wanneer er meer energie aan de ruimte wordt toegevoerd dan deze kan afvoeren. Om ervoor te zorgen dat de kamertemperatuur altijd constant blijft, wordt de ruimte ook onmiddellijk verwarmd als er minder energie naar de ruimte wordt toegevoerd dan deze via de buitenoppervlakken afvoert. Ook voor regelconcept B wordt een constante kamertemperatuur gebruikt. In dit geval is de kamertemperatuur gekoppeld aan de buitentemperatuur. Tot een buitentemperatuur van 26 °C wordt een kamertemperatuur van 22 °C toegepast, net als bij regelconcept B. Bij hogere buitentemperaturen wordt de kamertemperatuur lineair verhoogd tot 26 °C. De regelconcepten C en E zijn 2-puntsregelingen. Bij 2-puntsregelingen wordt een temperatuurbereik gedefinieerd waarbinnen de ruimtetemperatuur mag schommelen. Het temperatuurbereik wordt gedefinieerd door een minimale en maximale ruimtetemperatuur. Het koelen begint wanneer de kamertemperatuur boven de maximumtemperatuur stijgt. In regelconcept C is de minimale kamertemperatuur ingesteld op 22 °C en heeft het een temperatuurband van 4 K, zodat de ruimte wordt gekoeld vanaf een kamertemperatuur van 26 °C. - Net als bij regelconcept B is de minimale kamertemperatuur in regelconcept E gekoppeld aan de buitentemperatuur. In tegenstelling tot regelconcept B stijgt de kamertemperatuur in regelconcept E al bij een buitentemperatuur van 18 °C. Aangezien de maximale ruimtetemperatuur ook 26 °C is, is de stijging van de ruimtetemperatuur in regelconcept E lager dan in regelconcept B. De resultaten van de berekeningen voor het maximale koelvermogen staan in afb. 5 en die van de jaarlijkse behoefte aan koelenergie in afb. 6.
Zoals al werd getoond voor de bedrijfstijden, is het maximale koelvermogen in de jaarlijkse simulatie ook iets hoger voor de regelconcepten dan voor de berekening van de koellast. Een vergelijking van de regelconcepten laat zien dat het hoogste koelvermogen vereist is voor regelconcept A. Het vereiste vermogen is lager bij regelconcepten B en C. De laagste koellast wordt bereikt met regelconcept E. Aan de andere kant heeft regelconcept C de laagste jaarlijkse energievraag voor koeling. De verschillen tussen de regelconcepten zijn te wijten aan de verschillende maximaal toegestane ruimtetemperaturen en de verschillen in de belastingsprofielen.
Het grootste verschil tussen de buitentemperatuur en de kamertemperatuur treedt op bij regelconcept A. Bij regelconcepten B en E, die uitgaan van de buitentemperatuur, stijgt de kamertemperatuur tot 26 °C in de namiddag van de ontwerpdag en is dus hoger dan bij regelconcept A, dat een constante temperatuur van 22 °C heeft. Door de lagere ruimtetemperatuur vereist regelconcept A de hoogste koelcapaciteit. De bewegende kamertemperatuur die afhangt van de buitentemperatuur beïnvloedt ook het belastingsprofiel van de koellast. Dit verschilt aanzienlijk van een belastingsprofiel met een constante kamertemperatuur. Om het verschil te illustreren, worden de belastingscurven van beide 2-punts regelconcepten vergeleken in Fig. 7. In regelconcept C (constante kamertemperatuur) neemt de koellast gedurende de dag toe en wordt de hoogste koellast bereikt om 17:00 uur.
Daarentegen wordt de hoogste koellast in regelconcept E (bewegende kamertemperatuur) al om 8 uur 's ochtends bereikt. Door de stijgende buitentemperatuur en de constante binnentemperatuur wordt de hoogste koellast in de regelconcepten met constante kamertemperatuur 's middags bereikt, omdat de buitentemperatuur op dat moment het hoogst is en de muren overdag zijn opgewarmd. Met regelconcept E daarentegen is de kamertemperatuur het laagst in de ochtend en nog voordat de directe zonnestraling de kamer bereikt (ramen op het zuiden/westen georiënteerd), stijgt de buitentemperatuur en dus ook de gewenste kamertemperatuur. De stijgende gewenste kamertemperatuur compenseert de toenemende zonnewarmte in de kamer en de koelbelasting neemt af gedurende de dag. Het feit dat de maximale koellast voor regelconcept C met de constante kamertemperatuur hoger is dan voor regelconcept E, komt door de lage wandtemperaturen. Door de lage gewenste kamertemperatuur 's nachts hebben de muren 's morgens een lagere temperatuur dan in regelconcept C. Dit is vooral te zien aan het hogere koelvermogen gedurende de nacht. Door de lagere wandtemperaturen kunnen de wanden overdag meer energie absorberen en de maximale koellast verlagen. De grotere koeling 's nachts verklaart ook waarom de laagste jaarlijkse energievraag voor koeling wordt bereikt met regelconcept C: dit regelconcept gebruikt altijd de hoogste gewenste kamertemperatuur van 26 °C om te koelen.
Verschillende testreferentiejaren
De testreferentiejaren (TRY) die worden gebruikt voor de berekening van de jaarlijkse simulatie, zijn gebaseerd op weergegevens die voor elk uur van het jaar een representatieve waarde opleveren. De Duitse weerdienst levert gratis de TRY voor heel Duitsland met een resolutie van één vierkante kilometer. Voor elk van deze locaties zijn zes verschillende datasets opgenomen. Er worden twee referentieperioden geleverd. De TRY-2015 hebben betrekking op weergegevens van 1995 tot 2012 en vertegenwoordigen het heden. De tweede referentieperiode TRY-2045 vertegenwoordigt een toekomstige prognose. Deze wordt bepaald op basis van weermodellen en vertegenwoordigt de periode van het jaar 2031 tot 2060. Voor beide referentieperioden worden TRY-gegevens geleverd voor een "normaal jaar", een "extreme zomer" en een "extreme winter". Het normale jaar van TRY-2015 komt overeen met een gemiddelde van alle jaren van de geselecteerde periode. Voor extreme TRY wordt één jaar met het corresponderende warmste of koudste halfjaar geselecteerd uit de periode (zomer: apr.-sept.; winter: okt.-maart). - De huidige extreme TRY komen dus overeen met de werkelijke gegevens van één jaar en het normale jaar wordt gecreëerd door middeling.
Fig. 8 en Fig. 9 tonen de belastingen en jaarlijkse energievraag voor verwarming en koeling voor de zes TRY-gegevens. In tegenstelling tot wat op het eerste gezicht verwacht zou kunnen worden, is de hoogste koelbelasting vereist in de huidige extreme zomer en niet in de extreme zomer van de toekomstige prognose. Ook de koellast van de extreme winter is hoger dan de koellast van het normale jaar. De jaarlijkse energievraag voor koeling komt weer overeen met de verwachting dat tijdens de extreme zomer de meeste energie nodig is voor koeling. Tijdens het normale jaar nemen zowel de koelbelasting als de energievraag voor koeling toe tussen de huidige gegevens en de toekomstige prognose. De resultaten voor verwarming komen ook overeen met de verwachting dat de verwarmingsbelasting en energievraag in de toekomstige prognoses lager zijn dan in het huidige TRY. Verder valt op dat het huidige normale jaar vergelijkbare resultaten oplevert, net als de toekomstige extreme winter.
De beschreven resultaten kunnen worden verklaard door de temperaturen van het TRY nader te bekijken. De afzonderlijke uren van het jaar zijn in oplopende volgorde gesorteerd op basis van de temperatuur. Dit leidt niet tot een chronologische weergave, maar de eerste waarde komt overeen met de laagste temperatuur en het laatste uur met de hoogste waarde van de corresponderende TRY. Fig. 10 toont de warmste uren van het jaar. De maximumtemperaturen in de huidige extreme zomer zijn hoger dan in de waarden van de toekomstige voorspelling, wat de hogere koellast kan rechtvaardigen. Gedurende het grootste deel van de tijd zijn de temperaturen van de toekomstige voorspelling hoger dan voor de huidige extreme zomer, wat resulteert in de hogere jaarlijkse energievraag voor koeling. Voor het normale jaar ligt de toekomstige voorspelling ongeveer 1,5 K hoger dan voor het huidige normale jaar, zonder dat de temperatuurcurven elkaar snijden.
Wanneer we kijken naar de laagste temperaturen tijdens het jaar, zijn de temperaturen van het huidige normale jaar en de toekomstige extreme winter bijna gelijk (zie Fig. 11), wat ook de vergelijkbare resultaten van de warmtebelasting en de energievraag voor verwarming verklaart. Voor zowel de toekomstige voorspellingen als het huidige TRY liggen de laagste temperaturen in hetzelfde bereik, op ongeveer -7 °C. Het aantal uren met negatieve buitentemperaturen in het toekomstige normale jaar bedraagt slechts ongeveer een kwart van de 960 uren van de huidige extreme winter. Uit de vergelijkbare laagste buitentemperatuur en de grote verschillen in het aantal meer negatieve buitentemperaturen, kunnen we afleiden dat de verschillen tussen de maximale warmtebelasting tussen de TRY kleiner zijn dan in de jaarlijkse energievraag voor verwarming.
Samenvatting
De overwegingen van de bedrijfsmodus, de regelconcepten en de verschillende testreferentiejaren tonen de verschillen in de resultaten en hun oorzaak tussen een koellastberekening en een jaarlijkse simulatie. De gedefinieerde verwarmingsperiode voor de koellastberekening eindigt met de ontwerpdag en voor de jaarlijkse simulatie wordt een heel jaar berekend. Er worden al verschillende resultaten verkregen door de verschillende weergegevens in de beschouwde periodes. De vergelijkingen van de berekende koellast en het hoogste koelvermogen in de jaarlijkse simulatie laten zien dat de jaarlijkse simulatie in het voorbeeld resulteert in iets hogere vermogens over het hele jaar. De verschillen zijn echter klein en liggen onder de 6% voor alle waarnemingen, behalve voor de "11h bedrijf" van het koelsysteem. Een veel grotere invloed komt van de keuze van de verschillende bedrijfsmodi van het systeem, zoals de instellingen voor het regelconcept.
Uit alle overwegingen in dit artikel moet ook worden benadrukt dat bij het vergelijken van verschillende systeemconcepten niet alleen rekening moet worden gehouden met de maximale koelcapaciteit, maar ook met de jaarlijkse energievraag. Een hogere koellast komt niet direct overeen met een hogere jaarlijkse energievraag.
Omdat de resultaten van de jaarlijkse simulatie nog meer informatie geven die kan worden gebruikt voor een goed ontwerp van de gebouwsystemen - zonder dat het meer moeite kost om gegevens in te voeren - moet de jaarlijkse simulatie aanvullend worden gebruikt, vooral bij het vergelijken van verschillende systeemconcepten.
Dit artikel over het gebruik van jaarlijkse simulaties markeert voorlopig het einde van de artikelreeks over koellastberekening. Beginnend met de ontwikkeling van de koellastberekening van de tabelmethode uit de jaren 1970 naar het huidige dynamische model, via een meer gedetailleerde analyse van de invloed van de invoergegevens voor de interne en externe belastingen, hebben de artikelen hopelijk bijgedragen aan een betere beoordeling van de invloed van de randvoorwaarden en invoergegevens op de resultaten van een koellastberekening en aan een betere plausibiliteitscontrole van de resultaten zelf.
Als de vorige artikelen uit deze serie niet meer voor u beschikbaar zijn, kunt u ze altijd hier vinden: Koellastberekening deel 3