ACHTERGROND DOCUMENT: GEBRUIKSFASE - …sustainable-steel.eu/downloads/nl/LVS3_Background_Use phaseNL.pdfDe meeste klimaatdata komt van de EnergyPlus database (EERE-USDoE, 2014) en

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



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



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



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

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data2.cfm/region=6_europe_wmo_region_6



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



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



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.



12/10/2014 9

EnergieberekeningM

aan

de

lijks

eq

uas

y-st

ead

y-st

ate

me

tho

de



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).



12/10/2014 11


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




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



12/10/2014 13




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.



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



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%



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



12/10/2014 18

Casestudie woongebouw

Aanzicht Noord-West

Aanzicht Zuid-West

Tweeverdiepings woongebouw met een lichtgewicht staalconstructie in Coimbra.



12/10/2014 19


Layout vloerengebouw

N

Kitchen

Living room

WC

Garage BedRoom1

WC

WC

BedRoom3

BedRoom2Terrace

voo

rgev

el



12/10/2014 20


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



12/10/2014 21


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.



12/10/2014 22


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:



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%).

Documents

ACHTERGROND DOCUMENT: GEBRUIKSFASE - …sustainable-steel.eu/downloads/nl/LVS3_Background_Use phaseNL.pdfDe meeste klimaatdata komt van de EnergyPlus database (EERE-USDoE, 2014) en