Prediction of power and energy use in dwellings : Addressing apects of thermal mass and occupant behaviour
(2020) In TVIT- Abstract
- Households are responsible for approximately 26 % of the annual energy use in the EU. Following the EU-directives regarding energy performance in buildings, international initiatives have been taken in Europe to help countries to define and include guidelines in their own building codes, for example, to establish the concept of zero energy buildings, ZEBs. This concept includes passive building energy-saving technologies, energy-efficient building services systems and renewable energy generation technologies. It is usually very difficult for a building to use zero energy and the concept has therefore been developed to include so-called net-zero energy buildings, or nearly zero energy buildings. These are usually defined as having a... (More)
- Households are responsible for approximately 26 % of the annual energy use in the EU. Following the EU-directives regarding energy performance in buildings, international initiatives have been taken in Europe to help countries to define and include guidelines in their own building codes, for example, to establish the concept of zero energy buildings, ZEBs. This concept includes passive building energy-saving technologies, energy-efficient building services systems and renewable energy generation technologies. It is usually very difficult for a building to use zero energy and the concept has therefore been developed to include so-called net-zero energy buildings, or nearly zero energy buildings. These are usually defined as having a net-zero energy use on an annual basis and a nearly-zero energy use if they have a significantly lower use than stipulated in the respective national building codes. Technological advances have resulted in new buildings being very well insulated and, subsequently, using very little energy. However, the focus has now moved towards the use of renewable energy rather than only looking at the amount of energy used. Energy production can be achieved via numerous different arrangements and can be utilized in ways that are dependent on the time of day and the weather. Taking these different aspects into consideration, it can be assumed that the temporal variations regarding production can vary significantly. The heating demand of a building depends on the outdoor climate and the occupants’ behaviour, which leads to an uncertain situation with regard to matching the renewable production and demand, and even more so when the occupants’ behaviour is subject to temporal variations. In addition to the temporal variations, occupant actions or preferences are subject to large stochastic variations within a population. Thus, when designing to meet these challenges, the temporal resolution would have to be higher with regard not only to demand but also to the renewable energy production, in order to provide general benefits as well as covering a larger part of the possible future scenarios.
This thesis aims show how the use of household electricity and domestic hot water varies and how these variations impact the energy and power demand of buildings. Additionally, in order to achieve a higher possible level of load matching there is a need to time shift power loads. This is another building operation process that has been investigated.
The primary method in both cases has been to use building simulations with large amounts of measurement data for occupant behaviour as input to the simulation models. By randomly inserting different measurement data sets, and running simulations repeatedly, the outcomes were hundreds of annual energy and power demands that varied with the variation of the input.
Furthermore, load shifting was investigated by abruptly reducing the heating power supply to buildings. The heat stored in the building envelope and furniture was then used to reduce the effects on the indoor temperature. This thesis examines the temperature drops caused by such power reductions and the various factors that affect the size of the temperature drops, such as the thermal mass and the properties of the building envelope, as well as the stochastic behaviour of the occupants that creates the internal heat load,
(Less) - Abstract (Swedish)
- Hushållen står för cirka 26 % av den årliga energianvändningen i EU. Som följd av EU:s direktiv om energiprestanda i byggnader har det genomförts internationella initiativ i Europa för att hjälpa länder att definiera och inkludera riktlinjer i sina egna byggregler, till exempel för att etablera konceptet nollenergibyggnader. Detta koncept inkluderar passiv-teknik for energibesparande byggande, energieffektiva VVS-system och teknik för produktion av förnybar energi. Det är vanligtvis mycket svårt att designa en byggnad för inte behöva använda någon uppvärmningsenergi och därför har en förändring av konceptet gjorts för att inkludera så kallade netto-nollbyggnader eller nära-nollenergibyggnader. De definieras vanligtvis som byggnadermed en... (More)
- Hushållen står för cirka 26 % av den årliga energianvändningen i EU. Som följd av EU:s direktiv om energiprestanda i byggnader har det genomförts internationella initiativ i Europa för att hjälpa länder att definiera och inkludera riktlinjer i sina egna byggregler, till exempel för att etablera konceptet nollenergibyggnader. Detta koncept inkluderar passiv-teknik for energibesparande byggande, energieffektiva VVS-system och teknik för produktion av förnybar energi. Det är vanligtvis mycket svårt att designa en byggnad för inte behöva använda någon uppvärmningsenergi och därför har en förändring av konceptet gjorts för att inkludera så kallade netto-nollbyggnader eller nära-nollenergibyggnader. De definieras vanligtvis som byggnadermed en energianvändning som är på årsbasis netto-noll eller nästan noll genom att ha betydligt lägre energianvändning än vad byggreglerna kräver. Teknologiska framsteg har inneburit att nya byggnader idag är mycket välisolerade och använder därför väldigt lite energi. Fokus har nu flyttats mot användning av förnybar energi snarare än att enbart titta på mängden. Förnybara energikällor kan se olika ut och vara uppbyggda på olika sätt, med en möjlighet att användas som är beroende av tidpunkten på dygnet och vädret. Med hänsyn tagen till alla dessa olika aspekter är den sammanfattande slutsatsen att den tidsmässiga variationen av energianvändningen kan vara avsevärd. En byggnads värmebehov beror på utomhusklimatet och de boendes beteenden vilket leder till en osäker situation när det gäller att matcha den förnybara produktionen med efterfrågan på energi. Ännu svårare blir det i ett designskede när de boendes beteenden ska modelleras, vilket är svårt att göra om man, som idag, använder årsmedelvärden i statiska scheman. Utöver dessa förenklingar är de boendes preferenser och beteenden föremål för stora stokastiska variationer inom en befolkning. Således, vid utformning av byggnader under sådana omständigheter, måste den temporala upplösningen vara högre inte bara vad gäller efterfrågan men också för den förnybara energiproduktionen för att designen ska fungera både i stort såväl som för att täcka en större del av möjliga framtida scenarier.
Syftet med denna avhandling är att visa hur användningen av hushållens el och varmvatten varierar och hur denna variation påverkar byggnaders energi- och effektbehov. För att energianvändning för uppvärmning ska använda en större andel förnyelsebara energikällor är lastförflyttningar ett att gå till väga. Något man då kan använda är byggnadernas inneboende tröghet och den värme som finns lagrad i byggnaden, vilket är något som också undersökts i avhandlingen.
Den primära metoden för dessa undersökningar har varit att använda byggnadssimuleringar med en stor mängd mätdata om de boendes beteenden som indata i modellerna. Genom att därefter slumpmässigt skapa olika boende konstellation kunde olika typer av boende, representerade av mätdataserier, simuleras. Detta kunde göras upprepade gånger och gav som resultat hundratals årliga energi- och effektbehov som varierade i beroende på variationen i indata.
Vidare har lastförflyttning undersökts genom att värmeffekttillförseln i en byggnad plötsligt sänkts, och värmen som lagrats i klimatskalet och inredning använts för att minska påverkan på inomhustemperaturen. Denna avhandling undersöker temperaturfallen efter sådana sänkningar och de olika aspekterna som påverkar storleken på temperaturfallen, såsom den termiska massan, byggnadsskalets egenskaper och de stokastiska beteenden hos brukarna som ger upphov till de inre värmelasten.
(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/da53c96d-ed57-4517-9779-8024f61707b2
- author
- Fransson, Victor LU
- supervisor
-
- Dennis Johansson LU
- Hans Bagge LU
- opponent
-
- Prof.. Olofsson, Thomas, Umeå University, Sweden.
- organization
- alternative title
- Bedömning av effekt- och energianvändning i bostäder : Fokus på termisk massa och boendes beteende
- publishing date
- 2020-05-13
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Byggnadssimulering, Termisk massa, Värmetröghet, boendes beteende, hushållsel, varmvatten, building simulation, thermal mass, thermal inertia, occupant behaviour, household electricity, domestic hot water
- in
- TVIT
- edition
- 1
- pages
- 215 pages
- publisher
- Lund University, Lund Institute of Technology, Division of Building Services, P.O. Box 118, SE-22100 LUND, Sweden,
- defense location
- Lecture hall V:C, building V, John Ericssons väg 1, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund. Follow via Zoom: https://lu-se.zoom.us/j/66884212111
- defense date
- 2020-06-08 13:00:00
- ISSN
- 1652-6783
- ISBN
- 978-91-85415-11-3
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- da53c96d-ed57-4517-9779-8024f61707b2
- date added to LUP
- 2020-05-13 10:10:48
- date last changed
- 2020-06-22 10:22:08
@phdthesis{da53c96d-ed57-4517-9779-8024f61707b2,
abstract = {{Households are responsible for approximately 26 % of the annual energy use in the EU. Following the EU-directives regarding energy performance in buildings, international initiatives have been taken in Europe to help countries to define and include guidelines in their own building codes, for example, to establish the concept of zero energy buildings, ZEBs. This concept includes passive building energy-saving technologies, energy-efficient building services systems and renewable energy generation technologies. It is usually very difficult for a building to use zero energy and the concept has therefore been developed to include so-called net-zero energy buildings, or nearly zero energy buildings. These are usually defined as having a net-zero energy use on an annual basis and a nearly-zero energy use if they have a significantly lower use than stipulated in the respective national building codes. Technological advances have resulted in new buildings being very well insulated and, subsequently, using very little energy. However, the focus has now moved towards the use of renewable energy rather than only looking at the amount of energy used. Energy production can be achieved via numerous different arrangements and can be utilized in ways that are dependent on the time of day and the weather. Taking these different aspects into consideration, it can be assumed that the temporal variations regarding production can vary significantly. The heating demand of a building depends on the outdoor climate and the occupants’ behaviour, which leads to an uncertain situation with regard to matching the renewable production and demand, and even more so when the occupants’ behaviour is subject to temporal variations. In addition to the temporal variations, occupant actions or preferences are subject to large stochastic variations within a population. Thus, when designing to meet these challenges, the temporal resolution would have to be higher with regard not only to demand but also to the renewable energy production, in order to provide general benefits as well as covering a larger part of the possible future scenarios.<br/>This thesis aims show how the use of household electricity and domestic hot water varies and how these variations impact the energy and power demand of buildings. Additionally, in order to achieve a higher possible level of load matching there is a need to time shift power loads. This is another building operation process that has been investigated. <br/>The primary method in both cases has been to use building simulations with large amounts of measurement data for occupant behaviour as input to the simulation models. By randomly inserting different measurement data sets, and running simulations repeatedly, the outcomes were hundreds of annual energy and power demands that varied with the variation of the input.<br/>Furthermore, load shifting was investigated by abruptly reducing the heating power supply to buildings. The heat stored in the building envelope and furniture was then used to reduce the effects on the indoor temperature. This thesis examines the temperature drops caused by such power reductions and the various factors that affect the size of the temperature drops, such as the thermal mass and the properties of the building envelope, as well as the stochastic behaviour of the occupants that creates the internal heat load, <br/>}},
author = {{Fransson, Victor}},
isbn = {{978-91-85415-11-3}},
issn = {{1652-6783}},
keywords = {{Byggnadssimulering; Termisk massa; Värmetröghet; boendes beteende; hushållsel; varmvatten; building simulation; thermal mass; thermal inertia; occupant behaviour; household electricity; domestic hot water}},
language = {{eng}},
month = {{05}},
publisher = {{Lund University, Lund Institute of Technology, Division of Building Services, P.O. Box 118, SE-22100 LUND, Sweden,}},
school = {{Lund University}},
series = {{TVIT}},
title = {{Prediction of power and energy use in dwellings : Addressing apects of thermal mass and occupant behaviour}},
url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/79528145/Thesis_without_Papers_VF_200511.pdf}},
year = {{2020}},
}