Problem integracji systemów sterowania stropami aktywowanymi termicznie i wentylacji w budynkach edukacyjnych

W artykule przedstawiono zagadnienie sterowania systemami HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning) ze stropami aktywowanymi termicznie - TABS (ang. Thermally Activated Building Slabs) dla budynków edukacyjnych charakteryzujących się dużymi i zmiennymi w czasie wewnętrznymi obciążeniami chłodniczymi. Zidentyfikowano problem odprowadzenia obciążeń chłodniczych przez system TABS w tych budynkach, zaproponowano wykorzystanie powietrza wentylacyjnego do odprowadzenia części tych obciążeń oraz porównano proste algorytmy sterowania integrujące system TABS i system powietrzny. Jako narzędzia badawcze opracowano model symulacyjny działania tego systemu w ciągu całego roku w programie TRNSYS17. Rozwiązano problem wyboru sterowania energooptymalnego, w którym ograniczeniami było spełnienie warunków komfortu cieplnego (temperatury odczuwalnej w wymaganym przedziale), a funkcją celu minimum zapotrzebowania na energię pierwotną systemu HVAC w ciągu roku. Algorytmy sterowania systemem TABS oparto na krzywych grzania i chłodzenia wyznaczonych na podstawie metody UBB (ang. Unknown-But-Bounded - nieznany, ale ograniczony [profil obciążeń]), w których temperatury przełączenia wyznaczono opierając się na oryginalnej autorskiej metodzie. Obliczenia przeprowadzono dla studium przypadku - sali wykładowej w budynku edukacyjnym. Wykazano, iż tylko współpraca systemu TABS z wentylacją działającą również na potrzeby odprowadzenia części obciążeń termicznych - TABS+VAV (ang. Variable Air Volume), pozwala na utrzymanie wartości temperatury odczuwalnej w wymaganym przedziale komfortu cieplnego - 83% czasu użytkowania dla najkorzystniejszego komfortowo wariantu sterowania. W przypadku, gdy wentylacja działała wyłącznie na potrzeby higieniczne - TABS+DCV (ang. Demand Control Ventilation) czas, w którym temperatura odczuwalna mieściła się w przedziale komfortowym wynosił dla najkorzystniejszego wariantu sterowania tylko 14% czasu użytkowania pomieszczenia.

---

In the article, the issue of control HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) systems with thermally activated building systems (TABS) in educational buildings, characterized by large and dynamically changing internal cooling loads, is presented. The problem of dissipating cooling loads through the TABS system in this kind of building was identified. The use of ventilation air to dissipate a portion of these loads was proposed, and simple control algorithms integrating the TABS system and the air system were compared. A simulation model of the system’s operation throughout the year was developed using the TRNSYS17 program as a research tool. The optimization problem of selecting energy-optimal control was solved, where the constraints were to meet thermal comfort conditions (operative temperature within the required range), and the objective function was to minimize the primary energy demand of the HVAC system throughout the year. TABS system control algorithms were based on: heating and cooling curves determined with the Unknown-But-Bounded (UBB) method and switching temperatures were determined with an original author’s method. Calculations were carried out for a case study - a lecture room in an educational building. It was demonstrated that only the integration of the TABS system with ventilation, also acting to dissipate part of the thermal loads TABS+VAV (Variable Air Volume), allows maintaining the operative temperature within the required comfort range for 83% of the occupation time for the most favorable comfort control variant. In the case where ventilation only served hygiene purposes - TABS+DCV (Demand Control Ventilation), the time of operative temperature within the comfort range was only 14% of the room’s occupation time for the most favorable control variant.