District cooling energy demand. Validation of the building envelope model.

The thesis project concerns the realization and calibration of a dynamic energy model to support the analysis of the behaviour of a district cooling system. The research is part of the work developed for an European project named INDIGO started in 01/03/2016 that aims to develop a more efficient, intelligent and economical competitive generation of District Cooling (DC) systems by improving the existing system planning, control and management tools. This project has received funding from European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement n° 696098. The study presented in this thesis deals with the creation of a model that allows the calculation of the internal temperatures of the zones, the surface temperatures of the selected structures and the thermal flows across them in order to create a model with the same behaviour as the existing building. The model is relative to the Aztarain Building, a building that is part of the Basurto Hospital, in Bilbao. The process of the creation and calibration of a dynamic simulation model was based on a measurement campaign that allowed to retrieve data relative to the envelope behaviour: the zone internal temperature, the surface inside temperature and surface outside temperature of the chosen structure and the thermal flux across wall and roof on their internal side. One of the most important passages has been to retrieve the meteorological data relative to the same period of the year in which the measurement campaign was carried out. With that data a weather file was created. The weather file is necessary to carry out a simulation with boundary conditions that correspond to the real conditions in the same period. The model has been created through two programs for the dynamic simulation, DesignBuilder and EnergyPlus. The geometry (3D model) and the properties of the envelope (stratigraphy of walls and roofs, properties of the glass) have been modelled with DesignBuilder. EnergyPlus is the calculation engine of DesignBuilder and it has been used to specify additional parameters, e.g. the ventilation, the internal gain, the cooling system, the meteorological data and other parameters such as equations for the convection. The decision to work in first place on DesignBuilder and in second place using EnergyPlus has been taken to allow a better data and analysis management through the EnergyPlus interface. The connection between the two software was possible exporting the model created in DesignBuilder as an .idf file and importing the same file in EnergyPlus. The model presented in this thesis includes the envelope properties, the internal gains, the air infiltration, the weather data. That model can exchange data with a model of the Air Handling Units (AHUs) developed in Modelica. As a further step, the model of the AHU can exchange data with the district cooling system model. The goal of the modelling activities is the creation of the tool for the improvement of the district cooling system and of its control logics. The exchange of information between EnergyPlus and Modelica is possible through the FMI interface that allows to exchange data from a software to another. For the calibration two different methods present in literature have been selected. The parameters obtained with those methods express the difference between the data measured onsite and the data obtained from the simulation. A sensitivity analysis that aims to understand which input parameters we can modify in order to improve the model was carried out. The goal of the analysis is the minimisation of the parameters that express the error.

Il progetto di tesi riguarda la realizzazione e la calibrazione di un modello energetico dinamico a supporto dell'analisi del comportamento di un sistema di teleraffrescamento (district cooling, DC). La ricerca fa parte del lavoro sviluppato per un progetto europeo denominato INDIGO iniziato nel 01/03/2016 che mira a sviluppare una generazione più efficiente, intelligente ed economicamente competitiva dei sistemi di teleraffrescamento (DC) migliorando l’impianto esistente, il controllo e il sistema di gestione. Questo progetto ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea nell'ambito della convenzione di sovvenzione (grant agreement) 696098. Lo studio presentato in questa tesi riguarda la realizzazione di un modello che consente il calcolo delle temperature interne delle zone, delle temperature superficiali delle strutture selezionate e dei flussi termici attraverso di esse al fine di creare un modello con lo stesso comportamento dell’edificio esistente. Il modello è relativo all'Aztaran Building, un edificio che fa parte dell'Ospedale Basurto, a Bilbao. Il processo di creazione e calibrazione del modello di simulazione dinamico è basato su una campagna di misurazione che ha permesso di recuperare i dati relativi al comportamento dell'involucro: la temperatura interna della zona, la temperatura interna della superficie, la temperatura esterna della struttura scelta ed il flusso termico attraverso di esso valutato sul suo lato interno. Uno dei passaggi più importanti è stato il recupero dei dati meteorologici relativi allo stesso periodo dell'anno in cui è stata effettuata la campagna di misurazione. Si è fatto ricorso a dati disponibili online. Con quei dati è stato creato un file meteo. Il file meteo è necessario per eseguire una simulazione con condizioni al contorno che corrispondono alle condizioni reali nello stesso periodo. Il modello è stato creato attraverso due programmi per la simulazione dinamica, DesignBuilder ed EnergyPlus. La geometria (modello 3D) e le proprietà dell'involucro (stratigrafia di pareti e tetti, proprietà del vetro) sono state modellate con DesignBuilder. EnergyPlus è il motore di calcolo di DesignBuilder ed è stato utilizzato per specificare parametri aggiuntivi, ad esempio la ventilazione, il guadagno interno, il sistema di raffreddamento, i dati meteorologici e altri parametri come le equazioni per la convezione. La decisione di lavorare inizialmente su DesignBuilder e in secondo luogo di utilizzare EnergyPlus è stata presa per consentire una migliore gestione dei dati e delle analisi attraverso l'interfaccia EnergyPlus. La connessione tra i due software è stata possibile esportando il modello creato in DesignBuilder come file .idf e importando lo stesso file in EnergyPlus. Il modello presentato in questa tesi include le proprietà dell'involucro, i guadagni interni, l'infiltrazione dell'aria, i dati meteorologici. Quel modello può scambiare dati con un modello di unità di trattamento aria (UTA) sviluppato in Modelica. Come ulteriore passo, il modello di UTA può scambiare dati con il modello del teleraffrescamento. L'obiettivo delle attività di modellizzazione è la creazione dello strumento per il miglioramento del teleraffrescamento e delle sue logiche di controllo. Lo scambio di informazioni tra EnergyPlus e Modelica è possibile attraverso l'interfaccia FMI che consente di scambiare dati da un software a un altro. Per la calibrazione sono stati selezionati due diversi metodi presenti in letteratura. I parametri ottenuti con questi metodi esprimono la differenza tra i dati misurati in loco ed i dati ottenuti dalla simulazione. È stata eseguita un'analisi di sensitività che mira a capire quali parametri di input possiamo modificare per migliorare il modello. L'obiettivo dell'analisi è la minimizzazione dei parametri che esprimono l'errore.