Natural Ventilation Modeling in ZEB Lab

Abstract

Bygninger står for 40% av det totale energiforbruket i Europa, og 36% av CO2-utslippene. Høy energieffektivitet i norsk bygningsmasse er derfor en viktig del av det å skape en bærekraftig fremtid og innfri energimål. Nullutslippsbygninger (ZEB) er en viktig del av løsningen. De er energieffektive, og gjennom levetiden kompenseres bygningsutslipp ved lokal, fornybar energiproduksjon.

ZEB Lab er ett slikt bygg som for tiden reises i Trondheim, Norge. Dette samarbeidsprosjektet mellom NTNU og SINTEF skal resultere i et såkalt ‘living lab’ brukt som kontor, undervisningsareal, og laboratoriet. Med fire etasjer og et bruksareal på 1800m2 er tanken å monitorere energibruk og ha et sted for fullskala forskning på nullutslippsbygninger. Målet med denne masteroppgaven har vært å utforske og modellere naturlig ventilasjon og tilhørende komfort i ZEB Lab.

Teori har blitt studert for å forstå de fysiske lovene som danner grunnlaget for luftveksling i naturlig og hybrid ventilasjon. En detaljert litteraturstudie har blitt utført, og flaggskipprosjekter har blitt studert. En modell av bygget er implementert, og simuleringer er utført i programmet DesignBuilder.

Målet med modellen i DesignBuilder har vært å evaluere naturlig ventilasjon og komfort i ZEB Lab om sommeren. Blant sonene som har blitt analysert finner man kantina, vindfang, møterom, tvilling-rom, åpent arbeidslandskap, og kunnskapssenteret i fjerde etasje. Logiske resultater er funnet, samt noen uregelmessigheter.

Stort sett har naturlig ventilasjon gitt tilstrekkelige luftmengder. Predicted Mean Vote (PMV) har vært mellom -1,5 og -1 i løpet av arbeidsdagen. Beboere kommer til å føle seg litt kalde, men komfortkrav er innfridd. Forskjellige scenarioer ble modellert, og Open Workspace (WS) 3.2 og 3.3 ble sammenlignet. Luftmengder var høyest når solskjerming ble fjernet, muligens grunnet større ventilasjon drevet av temperaturforskjeller. Vind-effekten i naturlig ventilasjon har blitt analysert og verifisert til å oppføre seg logisk med importert værdata. Operativ temperatur har vist seg å øke betraktelig i scenarioet uten solskjerming. PMV har fulgt utviklingen i operativ temperatur tett.

DesignBuilder har vist seg å være et interessant simuleringsverktøy med mye tilgjengelig funksjonalitet. Multi-sone, transient, termisk simulering med ekte værdata er mulig for både naturlig, hybrid og mekanisk ventilasjon. En begrensning med verktøyet har vært mangelen på mulighet for detaljert luftstrømsanalyse fra en sone til en annen.

Buildings account for 40% of the total energy consumption in Europe and create 36% of the CO2 emissions. Achieving high energy efficiency in the Norwegian building stock will therefore play an integral part in creating a sustainable future and meeting our energy goals. Zero Emission Buildings are a large part of the solution, as over their lifetime they compensate for released emissions by their energy-efficient features and renewable energy production on-site.

ZEB Lab is one such project currently under construction in Trondheim, Norway. This NTNU and SINTEF collaboration will be a living lab, used for office space, education, research and, of course, as a laboratory. Spanning four floors and 1800m2, the goal is to monitor energy use and have an area for full-scale research on Zero Energy Buildings. The object of this thesis has been to explore and model natural ventilation in ZEB Lab.

Theory has been studied to understand physical laws governing air flow processes in natural and hybrid ventilation. A detailed literature study has been performed, and flagship projects explored. A model has been created, and simulations performed in the whole building energy performance simulator DesignBuilder. The focus of the model in DesignBuilder has been to evaluate natural ventilation and comfort conditions in ZEB Lab during summertime. Analyzed zones are the Canteen, Windbreaker 1, Meeting room 2.1 and 3.1, Twin cell 1, Open Workspace (WS) 3.2 and 3.3 and the Knowledge center. Logical results have been obtained but inexplicable anomalies have also been found.

Generally, ventilation air volumes have been found sufficient using only natural ventilation in the simulations. Predicted Mean Vote (PMV) has been found to be between -1.5 and -1 for occupied hours in all zones. Occupants will feel slightly cold, but the comfort requirements are fulfilled.

When comparing results from Open Workspace (WS) 3.2 and 3.2 different scenarios were modeled. Ventilation air volumes were highest when simulating without shading, possibly attributed to higher temperature difference driven flow.

Wind effects of natural ventilation have been cross-checked and verified to be logical using supplied weather data. Operative temperature has been proven to rise considerably in the scenario without shading. PMV has followed changes in operative temperature closely.

DesignBuilder has been proven as an interesting simulation tool with many features and functionality. Multi-zone, transient, thermal simulation with real weather data is possible for both natural and mechanical ventilation. The main drawback has been the lack of detailed zone-to-zone airflow analysis.