achtergrond document: gebruiksfase - …sustainable-steel.eu/downloads/nl/lvs3_background_use...
TRANSCRIPT
ACHTERGROND DOCUMENT: GEBRUIKSFASE - OPERATIONELE ENERGIE
November 2014
Onderbouwing van de duurzaamheid van staalconstructies= Large Valorisation on Sustainability of Steel Structures
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
Inhoud
– Inleiding
– Gebouw locatie en klimaat
– Methode om energieverbruik te berekenen
– Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase)
12/10/2014 2
– Referentie compartiment (EN15265:2007)
– Referentie appartement (aangepast aan EN15265:2007)
– Case studie woongebouw
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 3
Inleiding
SB_Steel (2014), Sustainable Building Project in Steel. Draft final report. RFSR-CT-2010-00027. Research Programme of the Research Fund for Coal and Steel.
Het algoritme voor het bepalen van
energieverbruik in de gebruiksfase is
ontwikkeld in RFCS onderzoeksproject
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 4
InleidingDe thermische prestatie en energie efficiency van gebouwen hangt af van veel
variabelen.
Daarom is het
erg uitdagend om
precies de
operationele
energie van een
gebouw te
bepalen.
Dit is nog moeilijker in de ontwerpfasen gezien de schaarse beschikbaarheid
en onnauwkeurigheid van inputdata.
Klimaat:- luchttemperatuur
- zonnestralen
- luchtvochtigheid
- windsnelheid en richting
- grondtemperatuur
- daglicht uren
Menselijke factoren:- gebruik
- functie
- interne warmtewinst
Gebouwschil:- Coëfficiënt gebouwvorm
- Gebouworientatie
- Luchtdichtheid
- Ondoorzichtige onderdelen
(wanden, dak, etc)
- Isolatie, koudebruggen
- ramen, glas, kozijn- zonneschermen, overstekken
Installaties:
- apparaten
- verlichting, daglicht
- verwarming, air-conditioning
- ventilatie,
warmteterugwinning -
warmwatervoorziening
e.g. Automatische
Controle
e.g
. V
en
tila
tie
Co
ntr
ole
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 5
Gebouwlokatie en klimaatDe lokatie van het gebouw, in termen van klimaatcondities, is van vitaal belang bijthermische berekeningen. Twee belangrijke klimaatparameters moeten gedefinieerdworden om een energieberekening te maken: • luchttemperatuur; • zonnestraling op een oppervlak met een bepaalde oriëntatie.
De meeste klimaatdata komt van de EnergyPlus database (EERE-USDoE, 2014) en de rest komt van de partners in het onderzoeksproject.
-5
0
5
10
15
20
25
0
50
100
150
200
250
300
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Air Tem
pe
rature [˚C
]
Sola
r R
adia
tio
n [
W/m
2]
North
East
South
West
Horiz.
Air Temp.
Timisoara (RO)
EERE-USDoE (2014), Energy Efficiency and Renewable Energy Website van het United States Department of Energy: http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data2.cfm/ region=6_europe_wmo_region_6
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 6
Gebouwlokatie en klimaatDe methodologie is op dit moment gecalibreerd op 5 klimaatregio’s en geclassifceerdvolgens Köppen-Geiger: (i) Csa; (ii) Csb; (iii) Cfb; (iv) Dfb; (v) Dfc.
Main Climates: Precipitation: Temperature:
A: equatoriaal
B: droog
C: gematigd
warm
D: sneeuw
E: polair
W: woestijn
S: steppe
f: vochtig
s: droge zomer
w: droge winter
m: moesson
h: heet droog
k: koud droog
a: heet zomer
b: warme zomer
c: koude zomer
d: extreem
continentaal
F: polair vorst
T: polair
toendra
Dfb
Cfb
Csb
Csa
Dfc
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 7
Plaats LandKlimaatRegio Plaats Land
KlimaatRegio Plaats Land
KlimaatRegio
Amsterdam Nederland Cfb Kiev Oekraine Dfb Oslo Noorwegen Dfb
Ankara Turkije Csb Kiruna Zweden Dfc Ostersund Zweden Dfc
Arhanglesk Rusland Dfc Kraków Polen Cfb Paris Frankrijk Cfb
Athens Griekenland Csa La Coruña Spanje Csb Porto Portugal Csb
Barcelona Spanje Csa Lisbon Portugal Csa Poznan Poland Cfb
Berlin Duitsland Cfb Ljubljana Slovenie Cfb Prague Tsjechie Cfb
Bilbao Spanje Cfb London Engeland Cfb Rome Italie Csa
Bratislava Slowakije Cfb Lublin Poland Dfb Salamanca Spanje Csb
Brussel Belgie Cfb Madrid Spanje Csa Sanremo Italie Csb
Cluj-Napoca Roemenie Dfb Marseille Frankrijk Csa Sevilla Spanje Csa
Coimbra Portugal Csb Milan Italie Cfb Stockholm Sweden Dfb
Gdansk Polen Cfb Minsk Belarus Dfb Tampere Finland Dfc
Genova Italie Csb Montpellier Frankrijk Csa Timisoara Roemenie Cfb
Graz Oostenrijk Dfb Moscow Rusland Dfb Vienna Oostenrijk Dfb
Hamburg Duitsland Cfb Munich Duitsland Cfb Warsaw Polen Dfb
Helsinki Finland Dfb Nantes Frankrijk Cfb Wroclaw Polen Cfb
Istambul Turkije Csa Nice Frankrijk Csb
Katowice Polen Cfb Opole Polen Cfb
Gebouwlokatie en klimaat Databases 52 plaatsen
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 8
Berekeningsmethode energieverbruikHet vereenvoudigde algoritme in AMECO 3 bepaalt de gebouw energie voor:
•Verwarming;
•Koeling;
•Warm tapwater.
Het algoritme is gebaseerd op een aantal internationale normen:
Berekening verwarming en koeling volgens maandelijkse quasi-steady-state
methode volgens ISO 13790 (2008).
Het energieverbruik voor warm tapwater volgens EN 15316-3-1 (2007).
ISO 13790 (2008), Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling, CEN – European committee for Standardization.
EN 15316-3-1 (2007), Heating systems in buildings – Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies –Part 3.1 Domestic hot water systems, characterisation of needs (tapping requirements), CEN – European committee for Standardization.
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 9
EnergieberekeningM
aan
de
lijks
eq
uas
y-st
ead
y-st
ate
me
tho
de
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 10
Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase)
LOKATIE voor een specifieke stad of klimaatregio:i) luchttemperatuur; ii) zonnestraling op een vlak met een gegeven orientatie.
GEBOUWFUNCTIE: bijv. wonen, kantoren, winkels of industrie.
GEBOUWSCHIL gebaseerd op componenten (bijv. wanden, vloeren, daken, beganegrond, openingen).
GEBOUWAFMETINGEN en ORIENTATIE (bijv. lengte, breedte, hoogte en aantalverdiepingen).
BINNENCONDITIES: verwarming- en koeltemperatuur, ventilatievoud voor ventilatie.
INSTALLATIES voor verwarming, koeling en warm tapwater.
Belangrijkste invoer
Belangrijkste uitvoerEnergie voor verwarming, koeling en warm tapwater.
Warmtebalans voor belangrijkste gebouwonderdelen (bijv. wanden, daken, ramen).
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 11
Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase)
Belangrijkste uitgangspunten energie VERWARMING, QH,nd :
1) Warmtebalans gaat uit van CONTINU verwarmen:
a) QH,ht Totale warmteoverdracht (transmissie + ventilatie)
b) QH,gn Totale warmtewinst (intern + zon)
c) ηH,gn Benuttingsfactor
2) Correctie voor NIET CONTINU verwarmen:
a) Reductiefactor voor NIET CONTINU verwarmen (aH,red)
(warmteverliezen)
QH,nd = QH,nd,cont = QH,ht − ηH,gn QH,gn
QH,nd,interm = aH,red QH,nd,cont
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase)
Belangrijkste uitgangspunten voor energie KOELING*, QC,nd :
1) Warmtebalans gaat uit van CONTINU koelen:
a) QC,ht Totale warmteoverdracht (transmissie + ventilatie)
b) QC,gn Totale warmtewinst (intern + zonnewarmte)
c) ηC,ls Benuttingsfactor voor koeling
2) Correctie voor NIET CONTINU koelen :
a) Reductiefactor NIET CONTINU koelen
QH,nd = QH,nd,cont = QH,ht − ηH,gn QH,gn
* Zelfde aanpak als voor verwarmen
QC,nd = QC,nd,cont = QC,gn − ηC,ls QC,ht
Vergelijking met
verwarmen
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 13
Algoritme voor energieberekening (gebruiksfase)
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 14
Energieberekening
Het algoritme om de energie te berekenen voor verwarming/koeling van het
gebouw is gecalibreerd en de nauwkeurigheid is op een aantal niveaus getest.
(Santos et al. 2014):
• Referentie compartiment (EN 15265:2007);
• Referentie appartement (ontleend aan EN 15265:2007);
• Casestudie woongebouw
EN 15265 (2007), Energy performance of buildings - Calculation of energy needs for space heating and cooling using dynamic methods - General criteria and validation procedures. CEN - European Committee for Standardization.
P. SANTOS; R. MARTINS; H. GERVÁSIO; L. SIMÕES DA SILVA, “Assessment of building operational energy at early stages of design – A monthly quasi-steady-state approach”, Energy and Buildings (ISSN: 0378-7788), vol. 79, pp. 58–73, 2014.
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 15
Referentie compartiment (EN 15265:2007)
De norm beschrijft 12 voorbeelden voor een testcompartiment.
Deze test-voorbeelden laten de invloed zien van belangrijke parameters in het energiealgoritme, als: zonwering, thermische massa, niet continu of continue HVAC systemen, interne winsten, etc.
(Info
rmatief) Test 1 Referentie Case
Test 2 Hoger warmteaccumulerend vermogen
Test 3 Geen Interne warmtewinst
Test 4 Geen zonwering
Nie
tcontinu
HV
AC
(Norm
atief) Test 5 = Test1 +
HVAC van
8h00-18h00 (maandag
tot vrijdag)
Test 6 = Test2 +
Test 7 = Test3 +
Test 8 = Test4 +
Nie
tcontinu
HV
AC
+ E
xte
rn
Dak
(Norm
ative)
Test 9 = Test5 +
Extern DakTest 10 = Test6 +
Test 11 = Test7 +
Test 12 = Test8 +
3.6 m
5.5 m2.8 m
N
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
16
Referentie compartiment (EN 15265:2007)
De nauwkeurigheid van het algoritme hangt af van: de test-case, de maand en de verwarmings- of koelmodus.
Maandelijkse nauwkeurigheid van het algoritme voor verwarmen en koelen: Twaalf test-cases van EN 15265:2007.
b) Koelena) Verwarmen
Maximale maandelijkse afwijking < 12%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
J F M A M J J A S O N D
Erro
r
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
J F M A M J J A S O N D
Erro
r
Test 1
Test 2
Test 3
Test 4
Test 5
Test 6
Test 7
Test 8
Test 9
Test 10
Test 11
Test 12
Maximale maandelijkse afwijking < 7%
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 17
Referentie appartement (conform EN15265:2007)
Referentiegebouw om de correctiefactoren te calibreren
a) Gebouwmodel (binnenmaten)
b) Thermische eigenschappen van de gebouwschil
Omdat het maandelijkse algoritme als doel heeft het energieverbruik van het gebouw te bepalenen niet alleen een compartiment zoals beschreven in EN 15265 (2007), worden alle calibraties en een nieuw aantal test-cases uitgevoerd voor een specifiek gebouw (appartement) zoalshieronder weergegeven.
OnderdeelU-waarde
[W/m2.K] [J/m2.K]
buitenwand 0.493 81297
binnenwand - 9146
Dak 0.243 6697
Begane grondvloer - 63380
mκ
mκ Areal heat capacity
Test case GFR [%] NGWR [%] SGWR [%] Zonwering
T135 36 54
ON
T2 OFF
T325 20 40
ON
T4 OFF
T515 12 24
ON
T6 OFF
GFR: verhouding glasoppervlak-vloeroppervlak; NGWR: verhouding beglazing op het noorden -
geveloppervlak;
SGWR: verhouding beglazing op het zuiden – geveloppervlak..
c) Belangrijkste variabelen van de test-cases
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 18
Casestudie woongebouw
Aanzicht Noord-West
Aanzicht Zuid-West
Tweeverdiepings woongebouw met een lichtgewicht staalconstructie in Coimbra.
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 19
Casestudie woongebouw
Layout vloerengebouw
N
Kitchen
Living room
WC
Garage BedRoom1
WC
WC
BedRoom3
BedRoom2Terrace
voo
rgev
el
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 20
Casestudie woongebouw
Dak vloer
verdiepingsvloer
Beganegrond vloer
OnderdeelU-waarde
[W/m2.K] [J/m2.K]
Dak 0.37 13435
verdiepingsvloer - 61062
Beganegrond
vloer0.60 65957
Buitenwand 0.29 13391
Binnenwand - 26782
Ondoorzichtige gebouwschil:
Buitenwand
mκ
Thermische eigenschappen:
Binnenwand
Glas:
MaterialenU-waarde
[W/m2.K]SHGC
PVC frame met dubbelglas(8+6 mm, met luchtspouw 14 mm)
2.60 0.78
Thermische eigenschappen:
SHGC – Solar heat gain coefficient
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 21
Casestudie woongebouw
Beschaduwing op 10 augustus.
3D tekening van het DsB model
Het model is opgebouwd uit 10 thermische zones
plattegronden
Tools:
a) Basement b) Ground floor c) First floor
Kitchen
Corridor and Stairs
Corridor and Stairs
BedR2
BedRoom1
Living room
WC WC
WC
Crawl space
BedR3
De resultaten zijn bepaald met dynamische simulaties.
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 22
Casestudie woongebouw
314
139
65
7
157
251
29
332
647
565
462
96
932
2133
0
500
1000
1500
2000
2500
0
100
200
300
400
500
600
700
J F M A M J J A S O N D Annual
[kW
h/y
ear]
[kW
h]
QH,nd,ISO
QH,nd,Dyn
QC,nd,ISO
QC,nd,Dyn
Gebouwenergie voor koeling en verwarming: dynamischesimulatie (Dyn) versus maandelijks algoritme (ISO)
Gemiddelde afwijking: -7.2%
Resultaten:
EUROPEAN CONVENTION FOR CONSTRUCTIONAL STEELWORK • CONVENTION EUROPEENNE DE LA CONSTRUCTION METALLIQUE • EUROPÄISCHE KONVENTION FÜR STAHLBAU
LARGE VALORISATION ON SUSTAINABILITY OF STEEL STRUCTURES
12/10/2014 23
• Het beoordelen van materiaalenergie en operationele energie is essentieel
voor levenscyclusanalyse.
• Het nauwkeurig bepalen van de operationele energie van een gebouw is niet
eenvoudig omdat er zoveel variabelen zijn.
• Een eenvoudig algoritme, op basis van internationale normen, is gebruikt om
het energieverbruik te bepalen voor verwarmen, koelen en warmtapwater.
• De nauwkeurigheid van de maandelijkse quasi-steady-state methode conform
ISO13790 is getoetst aan een aantal geavanceerde dynamische
berekeningen.
• De vergelijking van de resultaten laat zien dat de nauwkeurigheid van deze methode
voldoende is (gemiddelde afwijking < 10%).