Energy related occupant behaviour - In situ thermal sensing

Abstract

Energibruk i bygninger har vært et viktig tema for å redusere det totale energiforbruk. For både boliger og industribygg er 50 \% av energien i Norge brukt til å oppnå termisk komfort ved romoppvarming eller –kjøling. Nye bygninger har sett forbedringer ved å benytte denne energien mer effektivt ved å anvende den termiske energien kun der den er nødvendig, men utviklingen må fortsette. I Norge, sammen med mange andre land, tar sikte på å redusere energiforbruket, og målet i bransjen er å finne en effektiv måte å utnytte energi på for å opprettholde den termisk komforten.

Menneskelig termisk oppfattelse og komfort er et emne av økt interesse og relevans for folk som tilbringer sin tid i et innemiljø. Brukeroppførsel er et betydelig element i termisk oppfatning. Det er direkte forbundet med personlig bekledning og aktivitetsnivå og kan være vanskelig å bestemme. Omgivende parametere, for eksempel temperatur og lufthastighet, er andre faktorer som kan vurderes sammen med det psykologiske elementet. Termisk komfort blir et komplekst studieområde hvor mange aspekter kan vurderes, og bør i tillegg gjøres med hensyn til energiforbruket.

Denne studien tar sikte på å øke kunnskapen om adferd i en kontorcelle under visse gitt termiske forhold. Et eksperiment ble gjennomført, som fant sted i Trondheim på våren når klimaforholdene regnes som varme. Korte undersøkelser av det relevant emneet ble gjennomført og interessante funn fra andre studier er presentert. Ved utviklingen av en termisk modell, inspirert av "Fanger's modell" og den "adaptive modellen", ble det utarbeidet et evalueringsskjema for forsøkspersonen. Oppfattelse av termiske forhold ble rapportert med hensyn på psykologiske og personlige parametere. Utnyttelse av et dybderegistreringskamera (Microsoft Kinect) registrerte deltakerens oppførsel under forsøket. Innsamling av kvalitative data produserte en sky av informasjon om oppfatningen av enkelte termiske miljøer.

For å skaffe seg informasjon om det termiske miljøet ble en CFD-modell utarbeidet til å være en representasjon av virkeligheten. Modellen ble først tegnet i SolidWorks CAD-program, og overført videre til simuleringsprogrammet, ANSYS. Det ble bygget to geometriske modeller, en ventilasjonsmodell og en modell for kammeret, som representerer eksperimentet. Geometriene måtte «meshes» ved å anvende forskjellige metoder for å sikre kvaliteten. Ved å simulere forholdene i ANSYS Fluent ble fire forskjellige turbulensmodeller testet og evaluert. K - $ \ epsilon $ RNG ble etter å ha justert modellegenskapene funnet egnet til å representere virkeligheten. For å begrense antall omgivende parametre å undersøke, ble bare 'temperatur' og 'lufthastighet' undersøkt i denne studien.

Fire forskjellige luftstrømmer ble indusert i kammeret. Det ble også undersøkt virkningen av en radiator, som ga temperaturer opp til 30 $^{\circ}$C ved å bruke forskjellige effekter. Dataene fra simuleringen ble koblet direkte til de registrerte bevegelsene utført av instrumentet Kinect. Hvert punkt på forsøkspersonens kropp, hadde en viss verdi av temperatur og lufthastighet. Eksponering av temperatur og hastighet, for 25 steder, gjennom en periode på en full arbeidsdag, kunne nå analyseres grundig. Disse kvantitative dataene gjør det mulig å fastslå årsaker til evalueringene under forsøkene.

Deltakeren tilpasset seg det som kunne betraktes som ubehagelige forhold. To like scenarioer ble gjennomført med noen dagers mellomrom, og evalueringen var forskjellig i de to. De kvantitative dataene er like for de to scenarioene, men de kvalitative dataene var forskjellige. Forsøkspersonen rapporterte også en fysisk endring. Den personlige parameteren; "svette", hadde blitt redusert. Tilpasning til innemiljø var i dette tilfellet tilstede under svært varme innendørsforhold.

Energy use in buildings has been a major substance of reducing total energy consumption. Concerning both residential and non-residential buildings, 50 \% of the energy in Norway is used to achieve thermal comfort by space heating or cooling. New buildings have seen improvement by utilising this energy more effectively by appointing this thermal energy where it is needed but the development must continue. As Norway, along with many other countries, aiming to reduce energy consumption, finding an efficient way to utilise energy for maintaining thermal comfort is the target in the industry.

Human thermal sensation and comfort is a subject of increased interest and relevance for people who spend their time in an indoor environment. Occupant behaviour is a substantial element in thermal perception. It is directly connected to persons clothing and activity level and can be difficult to predict. Ambient parameters, such as temperature and air velocity, are other parameters to consider along with the psychological element. Thermal comfort becomes a complex field of study where many aspects could be considered, and should, in addition, be done with caution to energy consumption.

This study aims to cultivate more knowledge about occupant behaviour inside an office cell under certain given thermal conditions. An experiment was carried out, which took place in Trondheim during spring when the climate conditions are considered warm. Brief investigations of the relevant subject were conducted and interesting findings from other studies are presented. By obtaining a thermal model, inspired by the 'Fanger's model' and the 'adaptive model', an evaluation form was prepared for the participant. Sensation about indoor thermal conditions was reported among psychological and personal parameters. The utilisation of a depth registration camera (Microsoft Kinect) recorded the participant's behaviour during the experiment. Collection of qualitative data by the subject produced a cloud of information about the perception of certain thermal environments.

To procure information about the thermal environment, a CFD model was carried out to be a representation of reality. The model was first drawn in SolidWorks CAD program and transferred further to the simulation program, ANSYS. There were build two geometries, a pipe model and a chamber model, to represent the experiment. The geometries had to be meshed by applying different mesh methods to ensure the quality. By simulating the conditions in ANSYS Fluent, four different turbulence models were tested and evaluated. The k-$\epsilon$ RNG was, after tuning the model characteristics, found to present the reality to an acceptable level. To narrow the number of ambient parameters to examine, only 'temperature' and 'air velocity' was examined in this study.

Four different air flows were induced in to the chamber. There was also investigated the impact of a radiator, which rendered temperatures up to 30 $^{\circ}$C by applying different effects. The data from the simulation was directly appointed to the registered joint locations conducted by the Kinect. Each joint location, for every time step during the experiment, had a certain value of temperature and air velocity attached. Exposure of temperature and velocity, for 25 location points, through a period of a full working day, could now be thoroughly analysed. This quantitative data makes it possible to pinpoint reasons for the subject's evaluations during the experiments.

The participant adapted to what could be considered as unpleasant conditions. Two equal scenarios were run with some days in between and the evaluation was different in those two. The quantitative data are equal for those two scenarios but the qualitative data were different. The subject also reported a physical change. The personal parameter; 'sweat rate', had been reduced. Adaption towards the indoor environment was, in this case, present during very warm indoor conditions.