OPTIMIZATION OF ENERGY SYSTEMS FOR NEARLY ZERO ENERGY BUILDINGS USING DYNAMIC SIMULATIONS

U doktorskoj disertaciji obrađen je optimirani pristup analizi zgrada s njihovim tehničkim sustavima koje se obnavljaju u cilju postizanja zgrade približno nulte energije. Pristup se temelji na primjeni numeričkih dinamičkih simulacijskih modela koji uključuju zgradu i tehničke sustave, na kojima se provodi cjelovita parametarska optimizacija. Pristupom se uvažava međusobna interakcija zgrade i tehničkih sustava kroz njeno oblikovanje i svojstva koja utječu na potrošnju energije, karakteristiku opreme, konfiguraciju i strategiju upravljanja tehničkih sustava, uz uvažavanje promjenjivih rubnih uvjeta. Pogodnost primjene numeričkih dinamičkih simulacija za analizu tehničkih sustava zgrada približno nulte energije utvrđena je kroz izradu numeričkih dinamičkih modela i njihovo vrednovanje usporedbom s rezultatima eksperimentalnih mjerenja stvarnih sustava. Modeliranje potrošnje toplinske energije provedeno je na višezonskom modelu zgrade u programskom paketu Trnsys. Postavljeni su numerički dinamički simulacijski modeli tehničkih sustava koji omogućuju nove znanstvene spoznaje o njihovoj konfiguraciji i kriterijima za primjenu te usmjeravaju i olakšavaju projektiranje tehničkih sustava zgrada približno nulte energije u čvrstoj vezi s arhitektonsko građevinskim mjerama toplinske zaštite zgrade. Izrađeni su novi numerički modeli kompresijskih dizalica topline voda voda i zrak voda prošireni uvođenjem karakteristika uređaja kod djelomičnog opterećenja i mogućnošću djelomičnog i potpunog povrata topline prikladni za rad na Trnsys simulacijskom sučelju. Formuliran je optimizacijski problem određivanja fizikalnih svojstava zgrade u interakciji s tehničkim sustavima, za koji je razvijena specijalizirana optimizacijska metoda bazirana na genetskom algoritmu. Simulacijski alat razvijen u disertaciji omogućava detaljne analize za postizanje cjelovitih optimalnih tehničkih rješenja kroz energetske, ekonomske i ekološke pokazatelje. Alat je testiran i primijenjen za područje umjerene mediteranske klime kroz lokacije jadranske Hrvatske. Preporučena su optimalna rješenja koja mogu osigurati ostvarenje toplinske razine potrošnje zgrade približno nulte energije kod njene obnove. Ukazano je na nedostatke postojećih definicija zgrada približno nulte energije u regulativi Republike Hrvatske. Razvijeni alat može poslužiti boljoj analizi i uspostavljanju kriterija za referentne zgrade približno nulte energije, ne samo u području jadranske već i kontinentalne Hrvatske i šire, u cilju pomoći kod donošenja budućih propisa jer predstavlja jedinstven pristup identifikacije rješenja.The optimized tool for analysis of existing buildings with technical systems in scope of achieving nearly zero energy building in building refurbishment is developed in the presented thesis. The approach is based on the application of numerical dynamic simulation of a building with integrated technical system in a complete parametric optimization. The mutual interaction of building with its technical system is comprised through its design and features that affect energy consumption, characteristic of equipment, design and management strategy of a technical system, including dynamic boundary conditions. The feasibility of numerical simulations application for dynamic analysis of nearly zero energy buildings technical systems is determined through the development of numerical dynamic models which are validated by comparison with field measurements results. Heat consumption modelling is carried out on a multi-zone building model using Trnsys software. The set of numerical dynamic simulations of technical systems is created which enables new scientific conclusions on system configuration and criteria for the application. These simulations facilitate the design of technical systems of nearly zero energy buildings in connection with passive energy efficiency measures. New numerical models of water to water and air to water compression heat pumps are created by implementing the characteristics at partial load conditions and the possibility of partial and total heat recovery. The models are suitable for operation in Trnsys simulations. The formulated optimization problem determines the physical properties of building envelope in interaction with building technical systems. This specialized optimization method is based on a genetic algorithm. This simulation tool provides a detailed analysis for the achievement of complete optimal technical solutions through energy, economic and environmental indicators. In scope of thesis, the tool has been tested and applied in the area of mild Mediterranean climate, the Croatian part of Adriatic coast. The optimal solutions that can ensure the achievement of the consumption level of nearly zero energy building are recommended. The shortcomings of the existing definition of nearly zero energy buildings it the Croatian regulations are pointed out. This tool can be used for better analysis and establishing of criteria for the nearly zero energy reference buildings. It is suitable for application in Croatia and beyond in order to help in decision on future regulations because it represents an unique approach to identify solutions