Doctorandus/a PhD student

Naam: Damien Picard

Partners

KU Leuven

Promotor / Supervisor

Prof. dr. ir. Lieve Helsen

Samenvatting van het onderzoek / Summary of Research

Sinds mei 2010 verplicht de Europese richtlijn 2010/31/EN de lidstaten het energiegebruik van gebouwen drastisch te verminderen, hun energie efficiëntie te verhogen net als hun aandeel hernieuwbare energie. Een van de door de richtlijnen aanbevelen technologieën is de warmtepomp omdat deze elektriciteit efficiënt kan gebruiken om thermisch energie uit een warmte of koude-bron te extraheren. Dit werk beschouwt gebouwen uitgerust met het bijzonder efficiënte hybride GEOTABS systeem (bestaande uit betonkernactivering dat thermisch gevoed wordt door een grondgekoppelde warmtepomp (Eng. GSHP) en optioneel aangevuld met een condenserende gasketel, koelmachine en bijkomende afgiftesysteem). Het hoofddoel van dit onderzoek is dan om het thermische comfort en de energie efficiëntie van grote hybride GEOTABS gebouwen te verbeteren door Modelgebaseerde Predictieve Regeling (MPC) toe te passen en de rendabiliteit van zo’n systeem te verhogen door de grootte en de type van het verwarmings- en koelsysteem te optimaliseren. 
Hiervoor werden energiesimulatiemodellen van een bestaande kantoorgebouw, een school, een rusthuis en een appartementsgebouw opgesteld, gebruik makend van en uitbreidend op de open source Modelica bibliotheek IDEAS, om over een brede waaier aan hybride GEOTABS gebouwen te beschikken. De modellen bevatten de gebouwschil, de verwarmings-, ventilatie en luchtbehandelingssystemen (Engl. HVAC), de bezetting en een regelgebaseerde regeling (Engl. RBC). Verder werd er een methode ontwikkeld om het gebouwschilmodel lineair te maken en zo een wiskundig eenvoudig maar toch zeer accuraat regelaarmodel voor MPC te bekomen. De methode laat toe om de nietlineaire vergelijkingen die niet van de modeltoestanden afhangen, automatisch voor te berekenen terwijl de andere vergelijkingen lineair worden gemaakt. De bekomen regelaarmodellen kunnen dan door een toolchain worden gebruikt die lineaire MPCs op een semi-automatische manier genereert en hun regelprestatie op jaarbasis test. Als laatste werd er een Python tool ontwikkeld om de rendabiliteit en CO2 uitstoot van hybride GEOTABS systemen te optimaliseren. 
Als belangrijkste resultaat, bleek dat hybride GEOTABS systemen in staat waren om hoog thermisch comfort te halen in alle onderzochte gebouwen wanneer deze door MPC werden geregeld. Dit bevestigt dat hybride GEOTABS systemen voor een brede waaier van gebouwentypes geschikt zijn wanneer ze goed geregeld zijn. Bovendien halen de ontwikkelde MPCs een besparing in energiekosten van 30 tot 50% en een significante verhoging van het thermisch comfort ten opzichte van standaard RBC regelaars door zowel de thermische vermogens van de BKA, de bijkomende afgiftesysteem en de ventilatie aanvoertemperatuur tegelijkertijd te optimaliseren. Daarentegen bleken RBCs uit de huidige praktijk niet altijd in staat te zijn om voor het nodige comfort te zorgen, bijvoorbeeld wanneer het GEOTABS gebouw niet met een snel-reagerend systeem, zoals een ventilatiegroep met verwarmings- en koelbatterij, was uitgerust om het vermogen van BKA bij te vullen of wanneer delen van het gebouw met thermische behoeften die significant van elkaar verschillen door eenzelfde productiesysteem worden gevoed. Daarnaast toont dit werk dat, aangezien er geen sterke correlatie tussen de MPC regelacties en de buitentemperatuur van de vorige of toekomstige dagen bestaat, de regelacties van een MPC niet door stooklijn gebaseerde RBCs kunnen worden nagebootst. Ten laatste toont de economische optimalisatie en CO2 uitstoot analyse van HVAC systemen dat GEOTABS systemen zonder bijkomende productie en afgiftesystemen typisch tussen de 1 tot 1.8 keer duurder zijn dan conventionele systemen (nl. condenserende gasketel en koelmachine gekoppeld aan ventilo-convectoren) maar dat goed ontworpen hybride GEOTABS systemen meestal de laagste huidige kost over de 20 jaar levensduur van een gebouw hebben, terwijl ze 20 tot 50% minder CO2 uitstoot veroorzaken dan conventionele systemen. Hybride GEOTABS systemen kunnen dus beide economisch en ecologisch zeer voordelig zijn als ze over het hele gebouwlevensduur worden beoordeeld en het is dus aangeraden om de installatie van zo’n systeem voor grote gebouwen altijd te overwegen. 
Dit werk brengt een significant bijdrage tot het vakgebied van energiesimulatie van gebouwen en optimale regeling door de ontwikkeling van nieuwe modellen en tools door het nieuwe boorveld model, de bijdrage tot de ontwikkeling van de open source bibliotheken IDEAS en Annex60, en het creëren van een grotendeels geautomatiseerde methode om accurate lineaire gebouwmodellen voor MPC te bekomen. De ontwikkelde MPCs halen bovendien een besparing in energiekosten van 30 tot 50% en een significante verhoging van het comfort, wat de typisch 15 tot 25% besparing in energiekosten die in de literatuur te vinden is, ver overschrijdt. De python tool uit dit werk helpt bovendien de industrie verder door een ontwerpingenieur te ondersteunen bij het kiezen en dimensioneren van HVAC systemen.

Volledige tekst van het doctoraat / full text

Examencommissie / Board of examiners

Prof. dr. ir. Lieve Helsen (promotor) 
Prof. dr. ir. Willy Sansen (voorzitter/chairman) 
Prof. dr. ir. Goele Pipeleers (secretaris/secretary) 
Prof. dr. ir. Dirk Saelens 
Dr. Michael Wetter , Lawrence Berkeley National Laboratory 
Prof. dr. Wim Boydens , Universiteit Gent + Studiebureau Boydens