Weather-forecast controlled heating systems in buildings : A comparison with traditional control systems

The aim of this essay is to investigate how forecast control can affect the energy consumption and the top effects for heating compared to the traditional control system in facilities with different building structures. In 2013 were the energy consumption 80 TWh for the heating and domestic hot water in resident buildings and facilities. This corresponds to 55 % of the total energy consumption within the building sector and facilities represent 28 % of the buildings. This indicates that there is room for efficiency for the heating systems in facilities.Demands from new directives for stricter energy consumptions for buildings are going to be established in the Swedish regulations and 19:th of June 2018 were the new amending directives published which need to be established in the Swedish regulations latest 10 March 2020. The demands on the buildings is pushed further and further. It is getting more difficult to reach the requirements from BBR and even more difficult to reach the requirements from environmental certifications like Miljöbyggnad. Therefore, it is important with detailed solutions that is able to lower the energy consumptions for the heating systems.A reference building has been used and created in the simulation software IDA ICE with three different building constructions to compare forecast control against the traditional control system. One with a large U-value and low amount of thermal mass, one with a smaller U-value and a low amount of thermal mass and one with a smaller U-value and a high amount of thermal mass.The centrally controlled forecast control is tested against the traditional controlled system for each building structure. Traditional controlled systems in facilities is normally using thermostatic valves, due to the lack of sustainability and the lack of maintenance the control systems are also tested without the thermostatic valves.The results for the forecast control indicate on an increase for the energy saving by 3.4 % without the thermostatic valves and an increase by 2.7 % with the thermostatic valves. The top effects can be improved with forecast control by 33 % without thermostatic valves and by 15 % with thermostatic valves. These improvements were made for the building construction with high amount of thermal mass. It is possible to argue for benefits with forecast control if it is installed in a heavy constructed building with regard to the decreased top effects. It is more difficult to argue for the benefits with regard to the energy consumption. Large benefits were found with in local control, especially for buildings with large U-value and low amount of thermal mass. The result indicated on an improvement of 30 % for the traditional control with thermostatic valves and of 28 % for the forecast control with thermostatic valves compared to the scenario without the thermostatic valves.Knowledge about the building characteristics has a significance for the choice of control system. According to the results forecast control may be a benefit with regard to the top effects if it is a heavy building construction. Regarding the energy consumption is the best strategy to carefully adjust and maintain the current traditional control system.Denna rapport har i avsikt att undersöka hur energianvändningen och värmeeffekterna för uppvärmning påverkas med prognosstyrning i jämförelse med traditionell styrning av värmesystem i lokaler av olika byggnadskonstruktioner. 2013 var energianvändningen 80 TWh för uppvärmning och tappvarmvatten i hushåll och lokalbyggnader. Detta motsvarade då 55 % av den totala energianvändningen inom sektorn där lokaler representerar 28 % av byggnaderna. Med andra ord finns det utrymme för effektivisering av uppvärmningen i lokaler.Krav från direktiv om skärpt energianvändning av byggnader måste införas i svenska regler. Den 19 juni 2018 publicerades nya ändringsdirektiv som måste vara införda i svenska regler senast den 10 mars 2020. Kraven på byggnader blir allt hårdare för att uppnå kraven som ställs från BBR och så även för att uppnå miljöcertifieringar som miljöbyggnad. Det blir alltså allt viktigare att hitta detaljlösningar som kan minska på energianvändningen på byggnader.För att ställa prognosstyrning mot traditionell styrning har en referensbyggnad använts. Den har byggts upp i simuleringsverktyget IDA ICE med tre olika byggnadskonstruktioner. Ett med både högt U-värde och liten termisk massa (originalkonstruktion), en med lägre U-värde men fortfarande liten termisk massa (lätt konstruktion) och en med lägre U-värde och mycket termisk massa (tung konstruktion).Den centralt styrda prognosstyrningen prövades sedan mot den traditionella styrningen för respektive byggnadskonstruktion. Med traditionell styrning används vanligtvis termosstatventiler i lokaler men då hållbarheten på dessa är låg vilket också underhållet av dessa kan vara, prövas även båda strategierna utan termostatventiler också.Resultatet visar att prognosstyrningen förbättrar energianvändningen som mest med 3.4 % i det fallet termostatventiler inte används och 2.7 % i det fallet termostatventiler används. Effekttopparna kan förbättras med 33 % utan termostatventiler och 15 % med termostatventiler. Dessa förbättringar genererades med den tunga konstruktionen. En tung konstruktion kan visa på fördelar med prognosstyrning med avseende på lägre effekttoppar. Utifrån resultaten går det däremot inte att se några fördelar med avseende på energianvändningen.Stora fördelar kunde däremot gå att se med lokal reglering med termostatventiler, vilket var särskilt gynnsamt för byggnader med högt U-värde och låg termisk massa. Resultatet visade då på en förbättring med 30 % för den traditionella styrningen och 28 % för prognosstyrningen när jämförelse med om de inte användes.En god förståelse av byggnadsstommens karaktär har en betydande roll för valet av reglersystem. Prognosstyrning kan vara fördelaktigt med avseende på toppeffekterna, framför allt med den tunga konstruktionen i resultatet. För att minska på energianvändningen är det dock troligtvis viktigast att se över och injustera det befintliga systemet på både central som lokal nivå.