A thermal model of the building for the design of temperature control algorithms

Abstract

W pracy przedstawiono efektywne i skuteczne podejście do modelowania dynamiki zmian temperatury w pomieszczeniach budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Konstrukcja modelu matematycznego opiera się na jednoczesnym wykorzystaniu podstawowych zasad termodynamiki oraz praktycznych metod inżynieryjnych dotyczących obliczania parametrów cieplnych elementów konstrukcyjnych budynku. Model uwzględnia moc cieplną traconą przez pomieszczenie (ciepło tracone przez przewodnictwo oraz wentylację) oraz moc cieplną dostarczoną do pomieszczenia (ciepło z instalacji grzewczej, promieniowanie słoneczne, wewnętrzne zyski ciepła). Parametry modelu są obliczane z geometrii budynku i na podstawie właściwości termicznych materiałów budowlanych. Model może być wykorzystany do projektowania i analizy algorytmów sterowania procesem ogrzewania pomieszczeń. Praca zawiera również przykład modelu matematycznego, który został zbudowany przy wykorzystaniu rozważanego podejścia dla jednokondygnacyjnego budynku mieszkalnego. W symulacjach komputerowych zbadano zmiany temperatury w poszczególnych pomieszczeniach przy typowej instalacji grzewczej, w której ogrzewanie pomieszczeń jest sterowane przez niezależnie działające baterie termostatyczne.

This paper presents an efficient and effective method for modeling the temperature dynamics in buildings. The method relies on the simultaneous application of heat transfer and engineering thermodynamics principles. The model takes into consideration dissipated thermal power from the room (heat loses by conduction and ventilation) and applied thermal power to the room (radiator, solar, and internal heat gains). The model parameters can be determined uniquely from the geometry of the building and thermal properties of construction materials. The model can be used to research and validate the algorithms for thermal control in the building. An exemplary building structure is used to verify the theoretical analysis and mathematical formulation. The example includes creating the model, calculating the parameters, designing the temperature control algorithm, and making the simulations.