Analysis of a Thermo-Active Building System in a Modern Norwegian Office Building

Abstract

Termoaktive Bygningssystemer (TABS) er et konsept for oppvarming og kjøling av bygg som utnytter termisk aktivering av bygningskroppen for å forbedre konstruksjonens termiske egenskaper. Det Nye Regjeringskvartalet som skal stå ferdig 2029 skal benytte seg av TABS i form av termoaktive dekken av betong som det primære varme- og kjølesystemet i flere av etasjene. COWI, konsulent innen VVS for prosjektet, presenterte en tredelt problemstilling som er blitt forsøkt løst i denne oppgaven: 1) TABS er et konsept som i stor grad benytter seg av eksponert betong under både kjøle- og varmemodus. Da Regjeringskvartalet først og fremst er et kontorbygg, er det underlagt strenge krav når det gjelder akustikken i bygget. Eksponert betong kan gi utfordringer med gjenklang, hvilket er grunnen til at lyddempende, vertikale bafler er montert under himlingen. Førstedelen av problemstillingen vil være å undersøke effekten disse baflene har på varme- og kjøleeffekten. 2) For å redusere trykktap i vannrørene som er innstøpt i betongdekkene, er det blitt tatt opp til vurdering å endre røravstanden fra 150 mm til 200 mm. Endringen i avstand og dens effekt på varme- og kjøleeffekten skal gjøres rede for. 3) Som et siste punkt skal effekten av TABS i et representativt landskap i Nye Regjeringskvartalet gjøres rede for. Her skal eventuelle resultater fra punkt 1 og 2 inkluderes. Det er blitt benyttet forskjellige numeriske metoder for hvert av punktene. Den første problemstillingen ble undersøkt ved bruk av CFD. Til problemstilling nr. 2 ble det anvendt elementmetode. For den siste problemstillingen ble det anvendt et dynamisk bygningssimuleringsprogram. Resultatene fra simuleringene viser at strålingsvarme fra og til betongdekket ble redusert med hhv. 23.6% og 22.9% under varme- og kjølemodus. Dette til tross, viser resultatene at varme- og kjøleeffekt ikke ble nevneverdig redusert som følger av baflene. Endringen i vannrørsavstand gav en reduksjon av varmegjennomgangstallet mellom vannet og betongen på 2.3% og 3.6% for hhv. Varme- og kjølemodus. Den siste simuleringen viste at TABS er i stand til å redusere peak-verdiene for kjøling betraktelig og ellers holde en mer stabil drift av hele systemet, enn konvensjonelle varme- og kjølemetoder, samtidig som tilstrekkelig temperatur vedlikeholdes.

Thermo-Active Building Systems (TABS) is a concept which utilizes thermal activation of building elements to improve its thermal properties in terms of passive heating and cooling. The new offices for the Norwegian government, which are to be finished by 2029, are having TABS in the form of thermally active slabs installed in their buildings. COWI has been hired as one of the consultants for heating, cooling, and air-conditioning (HVAC) of the project. They gave a threefold issue which will be solved in this thesis: 1) TABS as a heating- and cooling unit utilizes heavily on exposed concrete to be functioning to its highest potential. This being a building housing many office landscapes, this creates a challenge for the acoustic environment, which is why sound-absorbing vertical baffles are to be installed soffit the ceiling. The first objective of this thesis is to document the effect sound-absorbing dampers have on a concrete ceiling applied with TABS. 2) To reduce pressure-loss in the hydronic pipes embedded in the slabs, the spacing of the pipes is changed from 150 mm to 200 mm (center-to-center). This change of spacing and its effect on the heating and cooling by the TABS is to be investigated. 3) The overall performance of TABS compared to conventional heating- and cooling methods is to be investigated, using the results acquired from the first two issues. Numerical methods have been applied to solve the problems; computational fluid dynamics for the first problem, the Finite Element Method for the second problem, whilst a dynamic building performance software was used for the last problem. The results show that, while the radiative heat emitted and absorbed by the slab is reduced by 23.6% and 22.9% for heating and cooling respectively, the overall performance of TABS is not compromised by the appliance of sound-absorbing baffles. The change in pipe spacing provides a reduced heat transfer coefficient between the flowing water and the slab of 2.3% and 3.6% for heating and cooling, respectively. The last simulation showed that TABS can reduce peak values for cooling and maintain a stable supply of heat and cooling throughout the day, without compromising the indoor temperatures.