Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

Περιγραφή:
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών

ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

ΓΕΩΡΓΙΑΣ ΒΕΝΙΑΝΑΚΗ

με θέμα

Μοντελοποίηση, Προσομοίωση για Ενεργειακό Έλεγχο Συστήματος Κλιματισμού σε Κτίριο
Modeling, Simulation for Energy Control of HVAC System in Building

Πέμπτη 31 Μαΐου 2018, 1 μ.μ.
Αίθουσα 145.Π42, Κτίριο Επιστημών, Πολυτεχνειούπολη

Εξεταστική Επιτροπή
Καθηγητής Γεώργιος Σταυρακάκης (επιβλέπων)
Καθηγητής Μιχαήλ Ζερβάκης
Δρ Ελευθερία Σεργάκη (συνεπιβλέπουσα)

Περίληψη

Σήμερα, λόγω των ραγδαίων καιρικών αλλαγών και του τρόπου ζωής των ανθρώπων, η εγκατάσταση μονάδων κλιματισμού στους κλειστούς χώρους είναι επιτακτική. Η ανάγκη προστασίας του περιβάλλοντος, μείωσης των ρύπων, καθώς και οικονομικοί λόγοι καθιστούν αναγκαία την εκπόνηση μελέτης βελτιστοποίησης του σχεδιασμού της εγκατάστασης και της λειτουργίας του κλιματισμού ενός κτηρίου. Η μελέτη βελτιστοποίησης σχεδιασμού εγκατάστασης αφορά: (i) στην βέλτιστη διαστασιολόγηση και (ii) στην βέλτιστη επιλογή τεχνολογίας κλιματισμού, λαμβάνοντας υπόψη το ισοζύγιο ροών θερμότητας που παρατηρούνται στο υπό μελέτη κτήριο, σύμφωνα με τις ανάγκες χρήσης του, τις κλιματικές συνθήκες στη διάρκεια του έτους και το κόστος εγκατάστασης και συντήρησης του κλιματισμού στον χρόνο ζωής του. Ο ακριβής υπολογισμός των ροών θερμότητας μεταξύ του υπό μελέτη εγκατάστασης κτηρίου ως προς τον εξωτερικό περιβάλλοντα χώρο, καθώς και στους εσωτερικούς του χώρους, εξαρτάται επιπλέον των κλιματικών συνθηκών, από τα κατασκευαστικά στοιχειά του κτηρίου, το είδος και τη χρήση του κάθε εσωτερικού χώρου του κτηρίου. Ο υπολογισμός των ροών θερμότητας είναι μαθηματικά πολύπλοκος και γίνεται μέσω διαθέσιμων προγραμμάτων γνωστών ως προγράμματα «Ενεργειακής Προσομοίωσης Κτηρίων» (Energy Building Simulation).

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη βέλτιστης διαστασιολόγησης και βέλτιστης επιλογής τεχνολογίας κλιματισμού μεταξύ τριών τεχνολογιών κλιματισμού: 1) Μεταβλητού όγκου αέρα (VAV), 2) Μεταβλητής ροής ψυκτικού μέσου (VFR), 3) Ανεμιστήρες (FCU), για μια διώροφη κατοικία 128,57 τμ ως κτίριο αναφοράς σε τρεις διαφορετικές κλιματικές περιοχές, στις πόλεις Αθήνα, Ανδραβίδα και Θεσσαλονίκη. Το κτήριο αναφοράς σχεδιάστηκε αναλυτικά με το ελεύθερο πρόγραμμα Google Sketch Up και προσομοιώθηκε ενεργειακά με τη χρήση του ελεύθερου λογισμικού EnergyPlus, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας (ΤΕΕ), λαμβάνοντας υπόψη τη διαρρύθμιση του κτιρίου, την κατασκευή, τα χρονοδιαγράμματα λειτουργίας, τα συστήματα κλιματισμού (φωτισμός, HVAC κλπ.) και τα ποσοστά χρησιμότητας που παρέχει ο χρήστης, μαζί με δεδομένα καιρού, για την εκτέλεση μιας ωριαίας προσομοίωσης του κτηρίου.

Τα συγκριτικά αποτελέσματα για το κτήριο αναφοράς στις διαφορετικές πόλεις έδειξαν ότι: στη Θεσσαλονίκη χρειάζεται τα διπλάσια φορτία για θέρμανση σε σχέση με τις δύο άλλες πόλεις, στην Ανδραβίδα τα φορτία ψύξης είναι σχεδόν ίδια με της θέρμανσης, ενώ, στην Αθήνα χρειάζεται 28% περισσότερα φορτία για ψύξη σε σύγκριση με τις άλλες δύο πόλεις. Ακόμα, τα συγκριτικά αποτελέσματα μεταξύ των διαφορετικού τύπου κλιματιστικών συστημάτων, για την Αθήνα και τη Θεσσαλονίκη, έδειξαν ότι: Το σύστημα VRV έχει τη χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, καθώς και το χαμηλότερο κόστος λειτουργίας ͘ ενώ, το σύστημα FCU έχει τη μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Όσον αφορά το σύστημα VAV, έχει ελαφρώς λιγότερη κατανάλωση ενέργειας από το σύστημα FCU, αλλά ταυτόχρονα έχει τη μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας για ψύξη μεταξύ των τριών συστημάτων. Τέλος, η ανάλυση του κόστους ζωής έδειξε ότι και στις τρεις πόλεις το VRF σύστημα αποτελεί την οικονομικότερη επιλογή, καθώς το κόστος ζωής του για τα πρώτα 15 χρόνια είναι 150% μικρότερο από τη δεύτερη οικονομικότερη επιλογή.

Επιπλέον, στα πλαίσια της Διπλωματικής έγινε εκτεταμένη βιβλιογραφική έρευνα και δοκιμές των διαθέσιμων ελεύθερων προγραμμάτων ενεργειακής προσομοίωσης κτηρίων που είναι δημοφιλή στην Ευρώπη, Ασία και Αμερική: (i) EnergyPlus, (ii) DOE –2 Building Energy Use and Cost Analysis Software (United States), (iii) DeST building simulation tool (Tsinghua University, China), (iv) ESP –r (Clarke and McLean, Europe) και του εμπορικού TRYNSYS® (USA).

Abstract

Today, due to the rapid weather changes and the way people live, the installation of air conditioning units in enclosed spaces is imperative. The need to protect the environment, reduce pollutants, and economic reasons make it necessary to carry out optimal studies for the design and installation of the air conditioning of a building. The optimal designing study concerns: (i) the optimal sizing and (ii) the optimal choice of air-conditioning technology, taking into account the heat flow balance observed in the building under study, according to its needs of use, climatic conditions during the year and the cost of installing and maintaining air conditioning in its lifetime. The exact calculation of the heat flow between the enclosed building and the external environment, depends on the climatic conditions, the type and the use of each building's interior. Calculation of heat flows is a complex and can be done through available programs known as "Energy Building Simulation Programs (BEMPs)”.

The subject of this diploma thesis is the above study of optimal design and optimum choice of air conditioning technology between three air conditioning technologies: 1) Variable Air Volume (VAV), 2) Variable VFR, 3) Fan Coils Unit (FCU), been put in a two-storey residence of 128.57 m2 as reference building, in three different climatic areas, the cities of: Athens, Andravida and Thessaloniki. The reference building was designed in detail with the free Google Sketch Up program and was energetically modeled using the EnergyPlus free software, according to the specifications of the Technical Chamber of Greece (TEE), taking into account the layout of the building, the construction, the operating schedules, (lighting, HVAC, etc.) and user utility rates, along with weather data, to perform an hourly simulation of the building and estimate utility bills.

The comparative results between the cities showed that: Thessaloniki needs twice the load for heating compared to the other two cities, Andravida needs almost the same loads for both cooling and heating, while Athens needs 28% more freight for cooling compared to the other two cities. In addition, the comparative results between the different types of air conditioning systems have shown that: The VRV system has the lowest energy consumption and the lowest operating cost while the FCU system has the most energy consumption. As far as the VAV system is concerned, it has slightly less energy consumption than the FCU system, but at the same time it has the largest power consumption for cooling between the three systems. Finally, the cost-of-living analysis showed that in all three cities the VRF system is the most economical option, as the cost of living for the first 15 years is 150% less than the second most economical option.

Furthermore, in this Thesis, extensive literature research and testing of the most famous available energy simulation building programs in Asia, Europe and USA, were carried out: (i) EnergyPlus (Europe), (ii) DOE -2 Building Energy Use and Cost Analysis Software (USA), (iii) DeST building simulation tool (Tsinghua University, China), (iv) ESP-r (Clarke and McLean, Europe) and commercial TRYNSYS® (USA).