Paradigmeskifte mod robuste bygningssimuleringer

v. Torben Østergård, ErhvervsPhD-studerende MOE & Aalborg Universitet

JUNI 2016 SIDE 1

• JA! (sandsynligvis)

• Privat og generelt

– Tilbagebetalingstid < yy år

– Huskøb: maks. yy kr.

– Osv.

• Bygninger

– Energiforbrug = yy kWh/år

– Antal h overtemp. = yy h > 26 °C

– Dagslysfaktor = 2,2 %

Laver du ”usikre” beregninger?!

JUNI 2016 SIDE 2

Paradigmeskifte væk fra deterministiske beregninger

• Opgør med deterministiske

beregninger!

• Medtag usikkerheder!

– Muliggør bedre design

– Mere robusthed

– Reelle beregninger

– Realistiske forventninger

JUNI 2016 SIDE 3

• 2004-07 Fysik, Aarhus Universitet (~Bachelor)

• 2007-13 MSc, Architectural Engineering, Aarhus Universitet

• 2011- Ingeniør hos MOE, Rådgivende Ingeniører

• 2014-17 ErhvervsPhD, Aalborg Universitet & MOE

• PhD’en: Mål at forbedre anvendelse af bygningssimuleringer i den kritiske

tidlige designfase ved brug af probabilistisk modellering, usikkerheds- og

følsomhedsanalyser og vidensbaserede databaser.

Om mig

JUNI 2016 SIDE 4

Fysiske egenskaber

• Imperfektioner, lækager, snavs, skyggende træer, …

Brugeradfærd

• Setpunkter for opvarmning/køling, brugstid,

solafskærmning, naturlig ventilation, ...

Vejret

• Aldrig ”standard” DRY år, sol, vindhastighed, …

Modelrealisme og software

• Månedsgennemsnit, timebasis, minutbasis

• Begrænsninger i muligheder, nøjagtighed af algoritmer, …

– Randbetingelser og gridstørrelse i CFD

– Skygger i Be10

Usikkerheder…?

JUNI 2016 SIDE 5

Metode: overblik

JUNI 2016 SIDE 6

1. Grove skøn fra erfaringer

2. Litteratur

3. Bygherre: erfaringer & tidligere målinger

4. Foretage nye målinger

5. Erfaringsdatabase?

Krav… hvor stor sikkerhed?

? Maks + 25%

? Middelværdi / Median

• Præcis geometri og leverandørspecifikationer

– Eks. vindue:

• 948 mm x 1188 mm

• U = 1,17 W/m² K

• g = 0,51

– Eks. ventilation.

• Varmegenvinding = 0,886

• SEL = 0,922

CASE: Ny bolig

JUNI 2016 SIDE 7

CASE: Angiv fordelingsfunktioner

JUNI 2016 SIDE 8

Parameter Unit Fordeling m s Min Maks

Varmekap. Wh/K m² Normal 100 4 92 108

Setpunkt, opv. C Normal 22 0,71 20 24

Floor area m² Uniform 199 200

U loft W/m² K Normal 0,09 0,0005 0,08 0,1

U terræn W/m² K Normal 0,09 0,0005 0,08 0,1

U væg W/m² K Normal 0,15 0,0075 0,135 0,165

Linjetab, fund. W/m K Uniform 0,08 0,12

Linjetab, vin. W/m K Uniform 0 0,02

g-værdi - Normal 0,51 0,02 0,45 0,57

Vent qm,s l/s m² Uniform 0,3 0,5

Nat. vent. l/s m² Uniform 0,6 1,8

Infiltration l/s m² Uniform 0,082 0,008

Vent. SEL - Normal 0,922 0,018 0,89 0,96

Vent. vgv - Normal 0,886 0,018 0,85 0,92

Personer W/m² Normal 1,59 0,50 0,5 2,9

Udstyr W/m² Normal 2,93 0,67 1,44 4,9

Cirk. Pumpe W Normal 45 0,9 43,2 46,8

VBV l/ m² Normal 250 40 170 330

VBV beholder W/K Normal 1,63 0,25 1,13 2,13

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

90 95 100 105 110

PD

F

Varmekapacitet, Wh/K m²

s

m

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

- 0,60 1,20 1,80

PD

F

Naturlig ventilation, l/s m²

1. Vælg prøvetagningsstrategi (sampling)

2. Foretag simuleringer

Med Be10… 1000 simuleringer ~ 2-3 minutter

Sampling og simulering

JUNI 2016 SIDE 9

x 1000

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

0

20

40

60

80

100

120

140

160

32,8

34,6

36,5

38,3

40,2

42,0

43,9

45,7

47,5

49,4

51,2

53,1

54,9

56,7

58,6

60,4

62,3

64,1

66,0

67,8

Frekven

s

An

tal

sim

ule

rin

ger

Samlet energibehov

Histogram Normalfordeling

• Usikkerhedsanalyse ift. brugeradfærd, materialer, m.m.

• Middel 47,0 5,0 kWh/m2

Resultater = sandsynlighedsfordelinger

JUNI 2016 SIDE 10

Reference 41,4 ved 20 °C

Reference 47,5 ved 22 °C

Usikkerhed (DRY vejrdata)

Spredninger for forskellige output

JUNI 2016 SIDE 11

Total Rumopv. VB Overtemp. El

Median 46,9 27,5 15,9 0 3,3

75% kvartil 50,4 30,825 17,3 7,3 3,5

Maks 67,8 47,3 20,1 15,7 3,9

Min 32,8 15,5 11,2 0 2,8

25% kvartil 43,3 24,6 14,5 0 3,1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

kW

h/

m²

Maks

Middel

Min

• Studiet af hvordan usikkerhed i en models output kan tilskrives forskellige

usikkerheder i modellens inputs.

• …aka. ”hvad betyder mest?”

Global Følsomhedsanalyse

JUNI 2016 SIDE 12

18%

15%

15% 13%

13%

6%

4%

4% 12%

Samlet energibehov

1. Udstyr

2. Infiltration

3. Setpunkt, opv.

4. Personer

5. VBV

6. Vent qm,s

7. Vent. vgv

8. U væg

11 least sensitive input

• Studiet af hvordan usikkerhed i en models output kan tilskrives forskellige

usikkerheder i modellens inputs.

• Aka. ”hvad betyder mest?”

Global Følsomhedsanalyse

JUNI 2016 SIDE 13

58%

14%

10%

8%

2%

2% 1% 1%

4%

Overtemperaturer

1. Nat. vent.

2. Udstyr

3. Personer

4. g-værdi

5. Varmekap.

6. U loft

7. Infiltration

8. U væg

11 least sensitive input

• Ændringer kan påvirke:

– Termisk komfort

– Dagslys

– Materialeforbrug

– Brugen af bygningen

– osv.

PAS PÅ… ensidigt fokus på energi

JUNI 2016 SIDE 14

1. Lav uniforme inputfordelinger

2. Foretag Monte Carlo simuleringer (1000+)

3. Filtrer resultaterne i forhold til krav/ønsker

4. Observér hvilke input, der giver acceptable resultater

Monte Carlo Filtering

JUNI 2016 SIDE 15

• Analysér sammen med arkitekt, bygherre og entreprenør

Interaktiv analyse

JUNI 2016 SIDE 16

• Se mere på buildingdesign.moe.dk ”research project”

(forventet ”klar” ved udgangen af november)

Interesseret i mere?

JUNI 2016 SIDE 17