Analysis and modelling of heat energy use in an office building utilizing monitoring data and building simulations

Abstract

Denne oppgaven har som målsetning å analysere og modellere varmeenergien til et kontorbygg i Trondheim, Norge.

En evaluering av den instrallerte kapasiteten til varmeanlegget ble gjennomført. Under denne analysen ble det oppdaget avvik i måledata. En analyse av de registrerte måleverdiene ble dermed inkludert i oppgaven.

Oppvarming av bygget foregår via tilluft. Anbefalinger for å velge en slik løsning til å distribuere varme i et bygg er presentert i oppgaven. Bygget ser ut til å møte disse anbefalingene, men brukerne av bygget opplevde et kaldt inneklima. Denne oppgaven inkluderer også noen prinsipper som er viktig for å drifte et bygg med en slik løsning.

En IDA ICE modell av bygningen er utviklet og kalibrert ved å bruk av empiriske data. En analyse av den stegvise kalibreringen er gjennomført. Dette inkluderer en sensitivitetsanalyse på luftmengder, setpunktverdier for oppvarming og påvirkningen av interne laster.

To timeplaner for interne laster er anvendt som input i modellen. En evaluering av påvirkningen fra varmeagivelsen til utstyr i "standby", viste at det totale varmebehovet sank med 20% i sammenligning med et bygg med ingen varmeavgivelse utenfor brukstid.

Modellen ble kalibrert ved å bruke grenseveridene foreslått av ASHRAE for gjennomsnittlige avvik og varians mellom målte og simulerte timesbaserte verdier. Modellen nådde grenseverdiene og ble vurdert som tilstrekkelig til analyse av varmeenergien i bygget. Simuleringene er brukt for å validere noen av funnene i analysen av måledata.

Det ble funnet store avvik mellom variabler som temperatur og luftmengder mellom måledata og modell. Modellen legger et grunnlag for videre kalibrering, og anerkjenner det omfattende og detaljerte mengde måledata som er tilgjengelig fra byggets SD-anlegg.

This thesis aims to study and model the heat energy use of a non-residential building in Trondheim, Norway.

An evaluation of the installed capacity of the central heating system is carried out. Studying the measured heat energy supplied by heat pump indicates how the heat pump may be oversized. The heat pump runs on part load many hours of the year, which in turn reduces efficiency and lifetime of the equipment.

Evaluating district heating heat energy measurements unveiled the same divergence between installed capacity and actual heat use. This may have unfavorable impacts on the district heating hydraulic system.

The building distributes heat using ventilation air. Certain criteria for choosing this heat distribution solution are presented. While the building appears to meet these criteria, occupants found some rooms to be too cold. The thesis highlights certain principles which are of importance when operating a building using ventilation air as heating.

An IDA ICE model of the building is developed and calibrated using empirical data input. Each input is studied separately to evaluate the effect on heat energy. This included supply air flow rate, internal heat gain and set point values for heating.

The effect of power use of appliances on standby is evaluated. Total heat energy use decreased by almost 20% when comparing a model that includes lights and appliances on standby with a model where there was no internal heat gain outside operating hours. The indoor temperatures were closer to desired set point values with reduced internal load heat gain.

The model was calibrated using ASHRAE suggested limits for average error and variance of hourly heat rate over a year. The model reached the ASHRAE benchmarks and was decided adequate for analyses of the heat energy use. Output from the calibrated model attempts to validate some findings in the measured heat energy data.

Large discrepancies in variables such as indoor temperature and air flow rates between measured data and model data were uncovered. The building model lays a groundwork for further calibration, appreciating the comprehensive, detailed amount of data available from the building energy management system.