Modelling of Natural Ventilation and Night Cooling - by the Loop Equation Method

Research output: Book/ReportPh.D. thesisResearch

Abstract

Jensen, Rasmus Lund Modelling of Natural Ventilation and Night Cooling - by the Loop Equation Method. Ph.D. Thesis. Department of Building Technology and Structural Engineering, Aalborg University, ISSN 1397-7953 R0402 (262 pages). The thesis is in Danish. English Summary The latest decades’ focusing on energy efficiency and indoor climate has meant a rediscovery of natural ventilation. The architectural style of today and the appearance of the computer have meant that there has been, and still is, a great need of computation models which quickly and accurately are able to compute the consequences by use of natural and hybrid ventilation. Today more than one third of the primary energy consumption in the industrialized countries goes to heating, cooling and ventilation of buildings (ECBCS 2000). To encourage natural ventilation and by this process reduce the energy consumption two important barriers are identified: • Lack of accessible non-expert programs for computation of natural ventilation under realistic conditions • Uncertainty in proportion to the effect of night cooling in the light of this the following two problems are drawn up • Develop an easy to use computer model for computation of natural ventilation and the correlation with the thermal conditions of the building • Develop a model for computation of the effect of night cooling by natural ventilation Computation of natural ventilation When this work started only a few building simulation programs existed which were able to consider both natural ventilation and the thermal properties of the building. This has not changed and still today there are only a few building simulation programs that are capable of combining the two things. In Denmark the thermal simulation program BSim, developed by the Danish Building Research Institute (SBI), is used in most large construction projects. The program is widespread and hereby it constitutes a de facto standard in Denmark. In the light of this it has been chosen to extend BSim with a multi-zone model for computation of natural ventilation. Multi-zone model A review of the literature for computation of natural ventilation was done intending to draw up a multi-zone model. Two different ways for drawing up an equation system were identified, the Nodal method and the Loop Equation Method. It soon became apparent that regulation methods for multi-zone models, that make it possible to fulfil the requirements in the individual zones in the building, were much limited. The need of a sturdy and flexible regulation resulted in elaboration of a regulation strategy for the openings. In view of this a multi-zone model was based on the Loop Equation Method including control strategy implemented in the thermal simulation program BSim. Computation of night cooling At the computation of the effect of night cooling primarily simple estimate models or thermal simulation programs are used. However, while the simple models are good at giving an estimate in the beginning of the construction phase they lack accuracy to be used in the design phase. Thermal simulation programs are often used here, but these programs suffer from the use of standard convective heat transfer coefficients for free convection and thus they are not considering the air flow pattern and a local temperature at the surfaces. Because of this it is chosen to extend BSim with a model for computation of night cooling which considers the local velocity and temperature at the ceiling. An extensive literature review of measuring of convective heat transfer coefficients for buildings showed that most expressions were built on experiments with small plates. The few full-scale experiments which were carried out showed that results from small plates must be handled cautiously in buildings as the velocity conditions are quite different. A review of the very few models for determination of a convective heat transfer coefficient at thermal building simulation showed two different approaches. By one of them knowledge from the flow technique was used, including flow elements to compute the air flow pattern in the room and determine the convective heat transfer coefficient on that basis. This approach made use of the large knowledge that exists of flow conditions in buildings. The other approach consisted in gathering so many terms for convective heat transfer coefficients for different flow patterns as possible and to make routines to choose the best suitable one. This approach was based on the presence of sufficiently enough and exact expressions for convective heat transfer coefficients. On the basis of the above-mentioned considerations a simple model based on flow elements was worked out. The principle of the model was to divide the ceiling into two parts – one with free convection and one with forced convection. Because of the division of the ceiling the energy exchange between air and the ceiling was computed on basis of the local temperature and a convective heat transfer coefficient for the flow type in question. Finally, a fictive convective heat transfer coefficient for the use in the thermal simulation program, which caused the same energy exchange as computed for the two sub-surfaces, was computed. The model was implemented in BSim.
Translated title of the contributionModelling of Natural Ventilation and Night Cooling - by the Loop Equation Method
Original languageDanish
Place of PublicationAalborg
PublisherInstitut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet
Number of pages262
Publication statusPublished - 2005

Fingerprint

Ventilation
Cooling
Heat transfer coefficients
Ceilings
Flow patterns
Natural convection
Energy utilization
Air
Forced convection
Hot Temperature
Structural design
Temperature
Energy efficiency
Thermodynamic properties
Experiments
Heating

Keywords

  • Multizone airflow model
  • Loop equations
  • Multizone thermal model
  • Convective heat transfer coefficient
  • Natural ventilation
  • Night cooling
  • Full-scale mesurements

Cite this

Jensen, R. L. (2005). Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden. Aalborg: Institut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet.
Jensen, Rasmus Lund. / Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden. Aalborg : Institut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet, 2005. 262 p.
@phdthesis{63333130a86a11da8341000ea68e967b,
title = "Modellering af naturlig ventilation og natk{\o}ling- ved hj{\ae}lp af ringmetoden",
abstract = "De seneste {\aa}rtiers fokusering p{\aa} energieffektivitet og indeklima har betydet en genopfindelse af naturlig ventilation. Dagens byggeskik og fremkomsten af computeren har betydet at der har v{\ae}ret og stadig er et stort behov for beregningsmodeller der hurtigt og pr{\ae}cist kan beregne konsekvenserne ved brug af naturlig og hybrid ventilation. I dag g{\aa}r mere end en tredjedel af det prim{\ae}re energiforbrug i de industrialiserede lande til opvarmning, k{\o}ling og ventilation af bygninger (ECBCS 2000). For at fremme naturlig ventilation og derigennem mindske energiforbruget er to vigtige barrierer identificeret: • Mangel p{\aa} tilg{\ae}ngelige ikke ekspert programmer til beregning af naturlig ventilation ved realistiske forhold • Usikkerhed i forhold til effekten af natk{\o}lingen P{\aa} baggrund heraf er f{\o}lgende to problemer opstillet • Udvikle let anvendelig computermodel til beregning af naturlig ventilation og samspillet med bygningens termiske forhold • Udvikle model til beregning af effekten ved natk{\o}ling med naturlig ventilation 1.1 Beregning af naturlig ventilation Da dette arbejde startede og stadig i dag er der kun ganske f{\aa} bygningssimuleringsprogrammer der kan tage hensyn til b{\aa}de naturlig ventilation og bygningen termiske egenskaber. I Danmark benyttes det termiske simuleringsprogram BSim, udviklet af Statens Byggeforskningsinstitut (SBi) ved de fleste st{\o}rre byggesager. Programmet er udbredt og udg{\o}r dermed en de facto standard i Danmark. P{\aa} den baggrund er det valgt at udvide BSim med en multizonemodel til beregning af naturlig ventilation. 1.2 Multizone model En gennemgang af litteraturen for beregning af naturlig ventilation blev gennemf{\o}rt med henblik p{\aa} at opstille en multizone model. To forskellige m{\aa}der til opstilling af ligningssystemet blev identificeret, Knudemetoden og Ringmetoden. Det viste sig at reguleringsmetoder for multizone modeller, s{\aa} det er muligt at opfylde behovene i de enkelte zoner i bygningen var meget begr{\ae}nsede. Behovet for en robust og fleksibel regulering f{\o}rte til udarbejdelsen af en reguleringsstrategi for {\aa}bningerne. P{\aa} denne baggrund blev en multizone model baseret p{\aa} ringmetoden [Loop Equation Method] med tilh{\o}rende regulering blev implementeret i det termiske simuleringsprogram BSim. 1.3 Beregning af natk{\o}ling Ved beregning af effekten af natk{\o}ling benyttes prim{\ae}rt simple overslagsmodeller eller termiske simuleringsprogrammer. Hvor de simple modeller er gode til at give et overslag i starten af byggefasen mangler de n{\o}jagtighed til at kunne anvendes i designfasen. Her benyttes ofte termiske simuleringsprogrammer, men disse lider som ofte af at de bruger standard konvektive varmeovergangstal for fri konvektion og dermed ikke kan tage hensyn til str{\o}mningsbilledet eller en lokal temperatur ved fladerne. P{\aa} den baggrund er det valgt at udvide BSim med en model til beregning af natk{\o}ling der kan tage hensyn til lokal hastighed og temperatur ved loftet. En omfattende litteraturgennemgang af m{\aa}linger af konvektive varmeovergangstal for bygninger viste at de fleste udtryk byggede p{\aa} fors{\o}g med sm{\aa} plader. De f{\aa} fuldskala fors{\o}g der er blevet gennemf{\o}rt viste at resultater fra sm{\aa} plader skal benyttes med forsigtighed i bygninger, da str{\o}mningsforholdene er ganske forskellige. En gennemgang af de ganske f{\aa} modeller til bestemmelse af et konvektive varmeovergangstal ved termisk bygningssimulering viste to forskellige tilgange. Ved den ene blev der benyttet viden fra str{\o}mningsteknikken, herunder str{\o}mningselementer til at beregne str{\o}mningsbilledet i rummet og bestemme det konvektive varmeovergangstal p{\aa} den baggrund. Denne tilgang udnyttede den store viden der er om str{\o}mningsforhold i bygninger. Den anden tilgang bestod i at samle s{\aa} mange udtryk for konvektive varmeovergangstal for forskellige str{\o}mningsm{\o}nstre som muligt og lave rutiner til at v{\ae}lge det bedst egnede. Denne tilgang baseredes p{\aa} tilstedev{\ae}relsen af tilstr{\ae}kkeligt mange og n{\o}jagtige udtryk for konvektive varmeovergangstal. P{\aa} baggrund af ovenst{\aa}ende blev der udarbejdet en simpel model baseret p{\aa} str{\o}mningselementer. Princippet i modellen var at bestemme, for hvor stor en del af loftet str{\o}mningen var tvungen (udeluft) og for hvor stor en del (resten) str{\o}mningen kunne anses for at v{\ae}re fri (rumluft). P{\aa} baggrund af opdelingen af loftet blev energiudvekslingen mellem luften og loftet beregnet p{\aa} baggrund af den lokale temperatur og et konvektive varmeovergangstal for den p{\aa}g{\ae}ldende str{\o}mningstype. Endeligt blev der beregnet et fiktivt konvektive varmeovergangstal til brug i det termiske simuleringsprogram der medf{\o}rte samme energiudveksling som beregnet for de to delflader. Modellen blev implementeret i BSim.",
keywords = "Multizone airflow model, Loop equations, Multizone thermal model, Convective heat transfer coefficient, Natural ventilation, Night cooling, Full-scale mesurements, Multizone airflow model, Loop equations, Multizone thermal model, Convective heat transfer coefficient, Natural ventilation, Night cooling, Full-scale mesurements",
author = "Jensen, {Rasmus Lund}",
year = "2005",
language = "Dansk",
publisher = "Institut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet",

}

Jensen, RL 2005, Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden. Institut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet, Aalborg.

Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden. / Jensen, Rasmus Lund.

Aalborg : Institut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet, 2005. 262 p.

Research output: Book/ReportPh.D. thesisResearch

TY - BOOK

T1 - Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden

AU - Jensen, Rasmus Lund

PY - 2005

Y1 - 2005

N2 - De seneste årtiers fokusering på energieffektivitet og indeklima har betydet en genopfindelse af naturlig ventilation. Dagens byggeskik og fremkomsten af computeren har betydet at der har været og stadig er et stort behov for beregningsmodeller der hurtigt og præcist kan beregne konsekvenserne ved brug af naturlig og hybrid ventilation. I dag går mere end en tredjedel af det primære energiforbrug i de industrialiserede lande til opvarmning, køling og ventilation af bygninger (ECBCS 2000). For at fremme naturlig ventilation og derigennem mindske energiforbruget er to vigtige barrierer identificeret: • Mangel på tilgængelige ikke ekspert programmer til beregning af naturlig ventilation ved realistiske forhold • Usikkerhed i forhold til effekten af natkølingen På baggrund heraf er følgende to problemer opstillet • Udvikle let anvendelig computermodel til beregning af naturlig ventilation og samspillet med bygningens termiske forhold • Udvikle model til beregning af effekten ved natkøling med naturlig ventilation 1.1 Beregning af naturlig ventilation Da dette arbejde startede og stadig i dag er der kun ganske få bygningssimuleringsprogrammer der kan tage hensyn til både naturlig ventilation og bygningen termiske egenskaber. I Danmark benyttes det termiske simuleringsprogram BSim, udviklet af Statens Byggeforskningsinstitut (SBi) ved de fleste større byggesager. Programmet er udbredt og udgør dermed en de facto standard i Danmark. På den baggrund er det valgt at udvide BSim med en multizonemodel til beregning af naturlig ventilation. 1.2 Multizone model En gennemgang af litteraturen for beregning af naturlig ventilation blev gennemført med henblik på at opstille en multizone model. To forskellige måder til opstilling af ligningssystemet blev identificeret, Knudemetoden og Ringmetoden. Det viste sig at reguleringsmetoder for multizone modeller, så det er muligt at opfylde behovene i de enkelte zoner i bygningen var meget begrænsede. Behovet for en robust og fleksibel regulering førte til udarbejdelsen af en reguleringsstrategi for åbningerne. På denne baggrund blev en multizone model baseret på ringmetoden [Loop Equation Method] med tilhørende regulering blev implementeret i det termiske simuleringsprogram BSim. 1.3 Beregning af natkøling Ved beregning af effekten af natkøling benyttes primært simple overslagsmodeller eller termiske simuleringsprogrammer. Hvor de simple modeller er gode til at give et overslag i starten af byggefasen mangler de nøjagtighed til at kunne anvendes i designfasen. Her benyttes ofte termiske simuleringsprogrammer, men disse lider som ofte af at de bruger standard konvektive varmeovergangstal for fri konvektion og dermed ikke kan tage hensyn til strømningsbilledet eller en lokal temperatur ved fladerne. På den baggrund er det valgt at udvide BSim med en model til beregning af natkøling der kan tage hensyn til lokal hastighed og temperatur ved loftet. En omfattende litteraturgennemgang af målinger af konvektive varmeovergangstal for bygninger viste at de fleste udtryk byggede på forsøg med små plader. De få fuldskala forsøg der er blevet gennemført viste at resultater fra små plader skal benyttes med forsigtighed i bygninger, da strømningsforholdene er ganske forskellige. En gennemgang af de ganske få modeller til bestemmelse af et konvektive varmeovergangstal ved termisk bygningssimulering viste to forskellige tilgange. Ved den ene blev der benyttet viden fra strømningsteknikken, herunder strømningselementer til at beregne strømningsbilledet i rummet og bestemme det konvektive varmeovergangstal på den baggrund. Denne tilgang udnyttede den store viden der er om strømningsforhold i bygninger. Den anden tilgang bestod i at samle så mange udtryk for konvektive varmeovergangstal for forskellige strømningsmønstre som muligt og lave rutiner til at vælge det bedst egnede. Denne tilgang baseredes på tilstedeværelsen af tilstrækkeligt mange og nøjagtige udtryk for konvektive varmeovergangstal. På baggrund af ovenstående blev der udarbejdet en simpel model baseret på strømningselementer. Princippet i modellen var at bestemme, for hvor stor en del af loftet strømningen var tvungen (udeluft) og for hvor stor en del (resten) strømningen kunne anses for at være fri (rumluft). På baggrund af opdelingen af loftet blev energiudvekslingen mellem luften og loftet beregnet på baggrund af den lokale temperatur og et konvektive varmeovergangstal for den pågældende strømningstype. Endeligt blev der beregnet et fiktivt konvektive varmeovergangstal til brug i det termiske simuleringsprogram der medførte samme energiudveksling som beregnet for de to delflader. Modellen blev implementeret i BSim.

AB - De seneste årtiers fokusering på energieffektivitet og indeklima har betydet en genopfindelse af naturlig ventilation. Dagens byggeskik og fremkomsten af computeren har betydet at der har været og stadig er et stort behov for beregningsmodeller der hurtigt og præcist kan beregne konsekvenserne ved brug af naturlig og hybrid ventilation. I dag går mere end en tredjedel af det primære energiforbrug i de industrialiserede lande til opvarmning, køling og ventilation af bygninger (ECBCS 2000). For at fremme naturlig ventilation og derigennem mindske energiforbruget er to vigtige barrierer identificeret: • Mangel på tilgængelige ikke ekspert programmer til beregning af naturlig ventilation ved realistiske forhold • Usikkerhed i forhold til effekten af natkølingen På baggrund heraf er følgende to problemer opstillet • Udvikle let anvendelig computermodel til beregning af naturlig ventilation og samspillet med bygningens termiske forhold • Udvikle model til beregning af effekten ved natkøling med naturlig ventilation 1.1 Beregning af naturlig ventilation Da dette arbejde startede og stadig i dag er der kun ganske få bygningssimuleringsprogrammer der kan tage hensyn til både naturlig ventilation og bygningen termiske egenskaber. I Danmark benyttes det termiske simuleringsprogram BSim, udviklet af Statens Byggeforskningsinstitut (SBi) ved de fleste større byggesager. Programmet er udbredt og udgør dermed en de facto standard i Danmark. På den baggrund er det valgt at udvide BSim med en multizonemodel til beregning af naturlig ventilation. 1.2 Multizone model En gennemgang af litteraturen for beregning af naturlig ventilation blev gennemført med henblik på at opstille en multizone model. To forskellige måder til opstilling af ligningssystemet blev identificeret, Knudemetoden og Ringmetoden. Det viste sig at reguleringsmetoder for multizone modeller, så det er muligt at opfylde behovene i de enkelte zoner i bygningen var meget begrænsede. Behovet for en robust og fleksibel regulering førte til udarbejdelsen af en reguleringsstrategi for åbningerne. På denne baggrund blev en multizone model baseret på ringmetoden [Loop Equation Method] med tilhørende regulering blev implementeret i det termiske simuleringsprogram BSim. 1.3 Beregning af natkøling Ved beregning af effekten af natkøling benyttes primært simple overslagsmodeller eller termiske simuleringsprogrammer. Hvor de simple modeller er gode til at give et overslag i starten af byggefasen mangler de nøjagtighed til at kunne anvendes i designfasen. Her benyttes ofte termiske simuleringsprogrammer, men disse lider som ofte af at de bruger standard konvektive varmeovergangstal for fri konvektion og dermed ikke kan tage hensyn til strømningsbilledet eller en lokal temperatur ved fladerne. På den baggrund er det valgt at udvide BSim med en model til beregning af natkøling der kan tage hensyn til lokal hastighed og temperatur ved loftet. En omfattende litteraturgennemgang af målinger af konvektive varmeovergangstal for bygninger viste at de fleste udtryk byggede på forsøg med små plader. De få fuldskala forsøg der er blevet gennemført viste at resultater fra små plader skal benyttes med forsigtighed i bygninger, da strømningsforholdene er ganske forskellige. En gennemgang af de ganske få modeller til bestemmelse af et konvektive varmeovergangstal ved termisk bygningssimulering viste to forskellige tilgange. Ved den ene blev der benyttet viden fra strømningsteknikken, herunder strømningselementer til at beregne strømningsbilledet i rummet og bestemme det konvektive varmeovergangstal på den baggrund. Denne tilgang udnyttede den store viden der er om strømningsforhold i bygninger. Den anden tilgang bestod i at samle så mange udtryk for konvektive varmeovergangstal for forskellige strømningsmønstre som muligt og lave rutiner til at vælge det bedst egnede. Denne tilgang baseredes på tilstedeværelsen af tilstrækkeligt mange og nøjagtige udtryk for konvektive varmeovergangstal. På baggrund af ovenstående blev der udarbejdet en simpel model baseret på strømningselementer. Princippet i modellen var at bestemme, for hvor stor en del af loftet strømningen var tvungen (udeluft) og for hvor stor en del (resten) strømningen kunne anses for at være fri (rumluft). På baggrund af opdelingen af loftet blev energiudvekslingen mellem luften og loftet beregnet på baggrund af den lokale temperatur og et konvektive varmeovergangstal for den pågældende strømningstype. Endeligt blev der beregnet et fiktivt konvektive varmeovergangstal til brug i det termiske simuleringsprogram der medførte samme energiudveksling som beregnet for de to delflader. Modellen blev implementeret i BSim.

KW - Multizone airflow model

KW - Loop equations

KW - Multizone thermal model

KW - Convective heat transfer coefficient

KW - Natural ventilation

KW - Night cooling

KW - Full-scale mesurements

KW - Multizone airflow model

KW - Loop equations

KW - Multizone thermal model

KW - Convective heat transfer coefficient

KW - Natural ventilation

KW - Night cooling

KW - Full-scale mesurements

M3 - Ph.d.-afhandling

BT - Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden

PB - Institut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet

CY - Aalborg

ER -

Jensen RL. Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden. Aalborg: Institut for Bygningsteknik, Aalborg Universitet, 2005. 262 p.