Reduction approaches in thermal building simulations for an industrial food production facility

Abstract

Neue Entwicklungen und erhöhte Anforderungen an thermische Gebäudesimulationen, speziell in Bezug auf Einfacheit des Modells und notwendiger Simulationszeit, steigern den Bedarf an vereinfachten thermischen Gebäudesimulationen. Basierend auf der Widerstand-Kapazitäts (RC) Methode wurde ein Simulationsmodell erstellt. Dieses besteht aus instationären Energiebilanzgleichungen für die Raumluft, die Wände und die Wandoberflächen. Die Wärmespeicherkapazität der Wände ist ein wichtiger Bestandteil des Modells und es kann daher vielseitig angewandt werden. Das vorgestellte Simulationsmodell wurde in der gleichungsbasierten Modelica Sprache implementiert. Der Heiz- und Kühlbedarf sowie die Raumtemperatur einer industriellen Lebensmittelproduktionsstätte wurden mit diesem Model simuliert. Verglichen mit einer detailierten EnergyPlus-Simulation zeigt das vorgestellte Modell einen guten Kompromiss aus Genauigkeit und benötigter Simulationszeit. Der modulare Aufbau des Modelles erlaubt dieses weiter zu vereinfachen. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf das Modell zu zeigen wurden mehrere Vereinfachungen durchgeführt. Ein simpleres Konvektonsmodell reduziert die Simulationszeit signifikant, bei einer ähnlich hohen Genauigkeit der Simulationsergebnisse im Vergleich zum genauen Konvektionsmodell. Daher eignet sich das einfache Konvektionsmodell sehr gut für die Anwendung in der frühen Designphase eines Gebäudes.

New technologies and increased requirements in thermal building simulations, especially in terms of simplicity and computation time, boost the development of simplified building simulations. A simplified thermal building simulation model based on the resistance capacitance method is introduced. The model consists of transient energy balance equations for the zone air, walls and the wall surfaces. The thermal capacity of walls is taken into account, which makes the model suitable for a wide range of applications. The introduced thermal building model is implemented in the equation-based Modelica language. With the help of this model an industrial food production facility is analyzed in terms of heating and cooling demand as well as indoor air temperature. The results are compared to a detailed EnergyPlus simulation and the accuracy and computation time are discussed. The modular concept of the proposed model allows to easily simplify it. Various simplifications were conducted in order to show the influence of certain parameters on the model. Especially the simplified convection model leads to a significantly reduced computation time while maintaining a similar accuracy as the more complex convection model. This makes it particularly suitable for the use in the early design phase.