Modelling, Simulation and Control of Double Skin Façades

Abstract

Norsk sammendrag

Adaptive fasader kan redusere energiforbruket i bygninger uten å gå på bekostning av komfort. Disse fasadene står i interaksjon med flere sammenkoblede domener, som dagslys, innendørs luftkvalitet, termisk komfort og energibruk, som ofte er under gjensidig påvirkning. De "dynamiske" og "adaptive" prinsippene antyder at disse fasadene bør tilpasse sine termo-optiske egenskaper dynamisk som respons på transiente grensebetingelser (enten eksterne, som klima, eller interne, som brukerbehov) samtidig som de tar høyde for skiftende prioriteringer (dvs. å minimere bygningens energiforbruk, maksimere bruken av dagslys, osv.).

Mange ulike fasadesystemer kan klassifiseres som adaptive fasader. Dobbeltfasader (DSF) er fasader med høy transparens og adaptive evner, da de tillater utnyttelse av solenergi for å oppnå både solvarmetilskudd og dagslys, med formål å redusere energiforbruket til bygningsklimatisering og gi bedre termiske og visuelle komfortforhold sammenlignet med en tradisjonell enkeltfasade. Det adaptive prinsippet i en DSF er basert på dynamisk styring av ventilasjonsstrømmen i luftrommet mellom den innvendige fasaden og det ytre skallet, ofte i kombinasjon med et solskjermingssystem installert i luftrommet for å oppnå balansert ytelse under ulike forhold. Denne typen fasade krever integrering av flere kontrollerbare elementer i et intelligent styringssystem drevet av en passende strategi for å utnytte hvert elements potensiale fullt ut og optimalisere ytelsen.

Denne doktoravhandlingen har som mål å adressere den nåværende mangelen på modeller som kan representere fleksible dobbeltfasader (en naturlig eller mekanisk ventilert fasade med integrert solskjerming som er i stand til å skifte mellom flere konfigurasjoner) og å forstå ytelsene til et slikt system ved å utforske mulighetene i verktøyene som forskere og rådgivere har til rådighet: BES (Building Energy Simulation). Målet er å fullt ut forstå potensialet til en fleksibel DSF og identifisere de mest effektive styringsstrategiene for å optimalisere ytelsen. For å oppnå dette måtte BES-verktøyets evner til å simulere den termiske, fluidmekaniske og optiske oppførselen til tradisjonelle DSF-er og interaksjonene mellom DSF-er og andre bygningssystemer undersøkes nøyaktig. Dette leder til hovedspørsmålet:

Hvordan kan en adaptiv fasade basert på et fleksibelt DSF-konsept modelleres, simuleres og styres? Hovedforskningspørsmålet ble besvart gjennom en rekke spesifikke delspørsmål (RQs):

RQ1. Hva er de nåværende mulighetene til å modellere en DSF med eksisterende BES-verktøy?

RQ2. Hva er ytelsen til de tilgjengelige modellene i BES-verktøyene?

RQ3. Hvilke forbedringer er nødvendig for å modellere en adaptiv fasade basert på konseptet med en fleksibel DSF?

RQ4. Hva er en passende tilnærming for å kontrollere adaptive fasader for å utnytte deres potensial fullt ut?

For å besvare disse spørsmålene var forskningsdesignet strukturert rundt syv forskningsaktiviteter, og resultatene ble presentert i seks fagfellevurderte artikler (P1-P6). Tilnærmingen som var nødvendig for å fylle kunnskapsgapet som ble presentert, inkluderte følgende aktiviteter: å gjennomføre en litteraturgjennomgang for å identifisere potensialet til nåværende praksiser for modellering og styring av DSF, avdekke det eksisterende forskningsgapet og retningen for den overordnede forskningen. Kjernen i arbeidet var "Modellering og simulering", siden bruk av modeller av DSF er grunnlaget for alt det publiserte arbeidet, og dermed var det en måte å besvare alle forskningsspørsmålene på. "Sensitivitetsanalyser" ble utført for å identifisere de viktigste parameterne å fokusere på i design og modellering av DSF. Gjentakende og tett sammenkoblede elementer i det presenterte forskningsarbeidet var "Datainnsamling og -behandling" og "Modellvalidering", som ble brukt til å besvare de første tre forskningsspørsmålene. Til slutt var "Co-Simulering" nødvendig for å utvikle en "Avansert Styring" av modellen og for å besvare det siste forskningsspørsmålet. Figur 3 viser sammenhengen mellom forskningsspørsmålene, forskningsaktivitetene og artiklene som er inkludert i avhandlingen. Ved å utføre disse forskningsaktivitetene, undersøkte denne avhandlingen påliteligheten og evnen ulike BES- verktøy har til å simulere ytelsen til DSF-er og identifiserte utfordringene designere kan møte når de bruker disse verktøyene. Sammenligningen av numeriske simuleringer og eksperimentelle data ble utført for ulike DSF- konfigurasjoner og på en rekke termofysiske størrelser, og antagelsene til hver modell som ble brukt, ble analysert grundig. Resultatene viste at ingen av verktøyene presterer betydelig bedre enn de andre, men noen verktøy gir bedre prediksjoner når fokuset er rettet mot spesifikke termofysiske størrelser, mens andre bør velges hvis fokuset er på andre størrelser.

Sammenligningen av ulike verktøy og DSF-konfigurasjoner avdekket at det mangler modeller i eksisterende verktøy som kan utnytte driftsevnen til en fleksibel dobbeltfasade fullt ut. Fasadens fulle dynamiske egenskaper ble utforsket ved å utvikle en fleksibel DSF-modell i IDA ICE som kunne bytte mellom ti ulike ventilasjonsstrategier og endre posisjonen til den innebygde solskjermingen. Ut fra den eksisterende modellen som kommer med IDA- ICE ble en mer fleksibel modell utviklet og forbedret for å ta kontroll over tilkoblingen mellom hulrommet og innemiljøet eller utemiljøet mens simuleringen kjører. Sammenligningen med eksperimentelle data viste at nøyaktigheten av modellprediksjonene var i tråd med resultatene som ble oppnådd ved å anvende én ventilasjonsstrategi om gangen. Det viktigste aspektet ved denne forbedrede modellen er dens evne til å integrere både naturlige og mekaniske ventilasjonsstrategier og tillate muligheten for å endre driftsmoduser innenfor samme simulering.

Den presenterte modellen ble brukt til å utvikle en passende styringsstrategi som kunne integrere de adaptive egenskapene til fasaden og de andre aktive bygningssystemene. Flere tilnærminger ble evaluert, og en ny flerdomeneregulering ble utviklet. Denne styringstilnærmingen gjør det mulig å optimalt styre enhver type adaptiv fasade ved hjelp av bygningsenergisimuleringsverktøy. Den foreslåtte styringslogikken kan være verdifull for å optimalisere bygningens ytelse og oppnå ønskede luftkvalitet, dagslys og termiske forhold.

Denne studien er rettet mot både FoU- og fagmiljøer i arkitekt og rådgiverbransjen. Den første gruppen kunne videre undersøke ytelsen til dette konseptet og utvide kunnskapen om utfordringer og muligheter ved modellering (og styring) av avanserte fasadesystemer i BES. Videre kan arbeidet beskrevet i denne avhandlingen være nyttig som en demonstrasjon av hvordan man bruker eksisterende BES-verktøy til å modellere fasadekomponenter med avanserte funksjoner for klimatisering som ikke finnes i modulene som er innebygd i en BES-utgivelse. Dette kan bidra til å øke utbredelsen av mer avanserte klimatiseringsteknologier i byggesektoren, og gi klimaskallet en helt ny rolle.

English abstract Adaptive envelopes can reduce energy use in buildings while achieving high levels of comfort. These envelopes dynamically interact with multiple interconnected domains, such as daylight, indoor air quality, thermal comfort, and energy use, which can often conflict with one another. The ‘dynamic’ and ‘adaptive principles imply that such envelopes should dynamically adjust their thermo-optical properties in response to transient boundary conditions (either external, such as climate, or internal, such as occupant requirements) and to changing priorities (i.e., minimising the building energy use, maximising the use of natural light, etc.).

Many different façade systems can be classified as adaptive façades. Double skin façades (DSFs) are highly transparent façades with adaptive capabilities, as they allow the exploitation of solar energy to allow both passive solar thermal gains and daylighting, with the aim of reducing energy use for building climatisation and providing better thermal and visual comfort conditions compared to a traditional single-skin façade. The adaptive principle in a DSF is based on the dynamic management of the ventilation flow in the façade cavity, often in combination with a shading system installed in the cavity to achieve balanced performance under variable conditions. This type of envelope requires the integration of multiple controllable elements with an intelligent control system driven by a suitable strategy to fully exploit their potential and optimise their performance.

This doctoral thesis aims to address the current lack of models for flexible double skin façades (a naturally or mechanically ventilated façade with an integrated shading device DSF able to switch between multiple configurations) and understand the performances of such a system by exploring the capabilities of the tools researchers and practitioners have at their disposal: BES (Building Energy Simulation). The goal is to fully understand the potential of a flexible DSF and identify the most effective control strategies to optimise its performance. To achieve this, BES tools’ capabilities to simulate the thermal, fluid mechanics, and optical behaviour of traditional DSFs and the interactions between DSFs and other building systems needed to be accurately investigated. This led to the development of the main research question:

How can an adaptive façade based on a flexible DSF concept be modelled, simulated, and controlled?

The main research question was answered through a set of specific sub-questions (RQs):

RQ1. What are the current possibilities to model a DSF with the existing BES tools?

RQ2. What is the performance of the available models in the BES tools?

RQ3. What improvements are needed to model an adaptive façade based on the concept of a flexible DSF?

RQ4. What is a suitable approach to control adaptive façades to fully exploit their potential?

The research design was structured around seven research activities to answer these questions, and their results were presented in six peer-reviewed papers (P1-P6). The approach necessary to fill the presented knowledge gap included the following activities: conducting a literature review to identify the potential of the current practices in modelling and controlling DSFs, uncovering the existing research gap, and directing the course of the overall research. The core of the work was ‘Modelling and Simulation’ since the adoption of models of DSFs is at the base of all the published work, and thus, it was a means to answer all the research questions. ‘Sensitivity analyses’ were carried out to identify the most important parameters to focus on in the design and modelling of DSFs. Recurrent and tightly linked elements in the presented research work were ‘Experimental Data-Collection and Processing’ and ‘Model Validation’, which were used to answer the first three research questions. Finally, ‘Co-Simulation’ was necessary to develop an ‘Advanced Control’ of the model and to answer the last research question. Figure 3 shows the links between the research questions, the research activities and the papers included in the thesis.

By carrying out these research activities, this thesis investigated the reliability and capabilities of different BES tools in simulating the performance of DSFs and identified the challenges designers may face when using these tools. The comparison of the numerical simulations and experimental data was carried out for different DSF configurations and on a series of significant thermophysical quantities, and the assumptions of each model employed were analysed in depth. The results showed that no tool performs significantly better than others, but some tools offer better predictions when the focus is placed on specific thermophysical quantities, while others should be chosen if the focus is on different ones.

The multi-tool comparison of different DSF configurations highlighted the lack of a model able to fully utilise the operational capability of a fully flexible double-skin façade. The façade’s full dynamics were explored by developing, in IDA ICE, a flexible DSF model able to switch between ten different cavity ventilation strategies and change the shading device position in the cavity. Starting from the existing in-built model, an enhanced model was developed and improved to control the connection between the cavity and the indoor or outdoor environment during the simulation runtime. The comparison with experimental data showed that its prediction accuracy was in line with the results obtained by applying a single ventilation strategy one at a time. The key aspect of this enhanced model is its ability to integrate both natural and mechanical ventilation strategies and allow the possibility of changing operation modes within the same simulation.

The presented model was employed to develop a suitable control strategy that could integrate the adaptive capabilities of the envelope and the other active building systems. Several approaches for their control were evaluated, and a novel multi-domain optimal control was developed. This control approach allows for any type of adaptive façade to be optimally controlled using building energy simulation tools. The proposed control approach can be valuable for optimising the building envelope’s performance and achieving the desired thermal, daylighting, and air quality conditions.

This study is aimed at both the R&D and professional communities. The first group could further investigate the performance of this concept and expand knowledge about the challenges and possibilities in modelling (and controlling) advanced façade systems in BES. Furthermore, the work described in this thesis could be useful as a demonstration of how to use existing BES tools to model advanced functionalities for building envelope systems that are not found in the modules embedded in a BES release. This could increase the adoption of more advanced technologies in the building sector, giving the envelope a whole new role.