• Energy Research

A eficiência energética é atualmente considerada um dos aspetos fundamentais para a sustentabilidade do planeta e, sabendo que os edifícios são responsáveis por grande parte do consumo energético, torna-se importante prever corretamente o seu comportamento. Programas de simulação dinâmica são instrumentos eficazes nesse domínio. Para além de estimar o consumo energético, estes ajudam os projetistas a comparar e dimensionar os sistemas de climatização a implementar. Os objetivos da presente dissertação são modelar, em simulação dinâmica, sistemas de climatização radiante, aplicar estes num caso-de-estudo de uma residência unifamiliar de um piso e comparar a sua aplicação em diferentes elementos da construção (pavimento, parede e teto). Pretende-se também que este trabalho resulte num guia de orientação à modelação de sistemas radiantes. A primeira fase da dissertação resume-se à explicação e orientação da modelação de sistemas radiantes no programa EnergyPlus. Depois é analisado o Caso-de-Estudo instalado com sistemas radiantes. O programa de simulação revelou-se versátil mas bastante complexo e, depois de analisados os resultados, concluiu-se que todas as localizações cumprem com as exigências de conforto mas a aplicação no pavimento e no teto através de painéis apresenta um menor consumo energético que nas paredes. Knowing that buildings are responsible for one of the biggest shares of energy demands, efficiency is considered a main issue for the sustainability of planet resources placing building behavior predictions on a raising importance level. Dynamic simulation software’s are effective tools in this area. In addition to estimating energy consumptions, they help designers and engineers comparing and designing HVAC systems to be implemented. The objective of this work is to modeling, in dynamic simulation, radiant systems, apply these on a case study of a low rise single-family house and compare the results under different constructions elements (floor, wall and ceiling). It is intended that this work will result in a guidance document for modeling of such systems. The first stage of the work concerns in the explanation and guidance of modeling radiant systems in EnergyPlus software. Then, the case study installed with radiant systems is analyzed. The simulation software interface offered versatility but complexity and after analyzing the results, it was concluded that all locations reached the comfort requirements. Application on floor and ceiling through radiant panels had a lower energy consumption than in walls. Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

A eficiência energética é atualmente considerada um dos aspetos fundamentais para a sustentabilidade do planeta e, sabendo que os edifícios são responsáveis por grande parte do consumo energético, torna-se importante prever corretamente o seu comportamento. Programas de simulação dinâmica são instrumentos eficazes nesse domínio. Para além de estimar o consumo energético, estes ajudam os projetistas a comparar e dimensionar os sistemas de climatização a implementar. Os objetivos da presente dissertação são modelar, em simulação dinâmica, sistemas de climatização radiante, aplicar estes num caso-de-estudo de uma residência unifamiliar de um piso e comparar a sua aplicação em diferentes elementos da construção (pavimento, parede e teto). Pretende-se também que este trabalho resulte num guia de orientação à modelação de sistemas radiantes. A primeira fase da dissertação resume-se à explicação e orientação da modelação de sistemas radiantes no programa EnergyPlus. Depois é analisado o Caso-de-Estudo instalado com sistemas radiantes. O programa de simulação revelou-se versátil mas bastante complexo e, depois de analisados os resultados, concluiu-se que todas as localizações cumprem com as exigências de conforto mas a aplicação no pavimento e no teto através de painéis apresenta um menor consumo energético que nas paredes. Knowing that buildings are responsible for one of the biggest shares of energy demands, efficiency is considered a main issue for the sustainability of planet resources placing building behavior predictions on a raising importance level. Dynamic simulation software’s are effective tools in this area. In addition to estimating energy consumptions, they help designers and engineers comparing and designing HVAC systems to be implemented. The objective of this work is to modeling, in dynamic simulation, radiant systems, apply these on a case study of a low rise single-family house and compare the results under different constructions elements (floor, wall and ceiling). It is intended that this work will result in a guidance document for modeling of such systems. The first stage of the work concerns in the explanation and guidance of modeling radiant systems in EnergyPlus software. Then, the case study installed with radiant systems is analyzed. The simulation software interface offered versatility but complexity and after analyzing the results, it was concluded that all locations reached the comfort requirements. Application on floor and ceiling through radiant panels had a lower energy consumption than in walls. Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

[No abstract available]

[No abstract available]

A radiant barrier system is, in general, a layer of foil facing an airspace, installed in the envelope of a building. Such systems are very effective in impeding radiant heat transfer and consequent heat gain, especially in southern residences. Before designing and installing a radiant barrier system, you should become familiar with the concept of radiant energy transfer. Design Note 6, Radiant Energy Transfer and Radiant Barrier Systems in Buildings, is required reading if you are not familiar with this concept.

A radiant barrier system is, in general, a layer of foil facing an airspace, installed in the envelope of a building. Such systems are very effective in impeding radiant heat transfer and consequent heat gain, especially in southern residences. Before designing and installing a radiant barrier system, you should become familiar with the concept of radiant energy transfer. Design Note 6, Radiant Energy Transfer and Radiant Barrier Systems in Buildings, is required reading if you are not familiar with this concept.

Continuous mechanical hedging may lead to a marked decrease of spur and fruit formation in apple trees when the radiant energy in the canopy decreases to less than 30% of its exterior level/3/. Since no information is yet available on the relationship of radiant energy, tree arrangement and pruning method in pears, the present investigation attempts to address this subject.

Continuous mechanical hedging may lead to a marked decrease of spur and fruit formation in apple trees when the radiant energy in the canopy decreases to less than 30% of its exterior level/3/. Since no information is yet available on the relationship of radiant energy, tree arrangement and pruning method in pears, the present investigation attempts to address this subject.

This thesis is an experimental-numerical study for the thermal comfort assessment of radiant heating system for different heating configuration such as from a wall, ceiling and combination of both that is installed in a test room with dimensions of 4m x 4m x 3m. Comfort evaluation was done by using the PMV (The Predicted Mean Vote) - PPD (Predicted Percentage of Dissatisfaction) index developed by Fanger [1]. In addition, for each heating scenario, human body exergy balance was calculated and the effect of exergy consumption rate on thermal comfort was evaluated. The data generated during the tests are used in numerical model for the validation of it. Numerical model is used to investigate the air temperature distribution, velocity fields for different cases. Three different heating configurations were evaluated in numerical model as same as experimental study. Wall heating, ceiling heating wall and ceiling heating scenarios were explored in terms of PMV thermal comfort index and human body exergy balance approach.All the numerical analysis studies were conducted using the Academic version of ANSYS 17.1, which is a commercial package program for numerical modelling. It contains special modules for different stages of the modelling process. After the three-dimensional room geometry was created in the Design Modeler module, the meshing module was subjected to decomposition using the finite volume method. Numerical solutions were made in Fluent, a widely used computational fluid dynamics module. The temperature and velocity fields were visually inspected using CFD-Post software as the final processor program. The natural convection was modelled using the Boussinesq approach, and the standard k-ε model which is a common numerical solution was picked to model turbulence. A Discrete Ordinates model with no scattering was used for radiative heat transfer. Numerical solution results were compared with different mesh numbers and mesh independence was observed.Radiant panels have been investigated to provide and maintain thermal comfort at different surface set temperatures. In the given set values, temperature distribution in the vertical and horizontal direction, mean radiant temperature and air velocity values in the room were examined. It has been observed that the exergy consumption values in the radiant heating system are close to the lowest values stated in the literature. Also, the temperature distribution in the room is considerably lower than all conventional systems. This demonstrates that radiant systems using low quality energy sources provide efficient, environmentally-friendly comfort solutions. It should be stated that it is a preliminary study for the location-based heating technologies and this method can be an innovative solution for heating / cooling industry. Therefore, it can be further evaluated in future research studies. Bu tez çalışmasında boyutları 4m x 4m x 3m olan bir odanın duvar ve tavan radyant panellerle ısıtması ve ikisinin bir arada olduğu ısıtma konfigurasyonları için deneysel ve sayısal konfor değerlendirmesi yapılmıştır. Bu tezde Fanger [1] tarafından geliştirilen standart termal konfor değerlendirme ölçeği olarak kabul edilen Tahmini Ortalama Konfor Oylaması (PMV- The Predicted Mean Vote) ve Tahmini Memnuniyetsizlik Oranı (PPD- Predicted Percentage of Dissatisfaction) değerleri her bir durum için hesaplanmıştır. Ayrıca her senaryo için insan vücudunun ekserji dengesi hesaplanarak, vücudun tükettiği ekserji değerinin konfora olan etkisi araştırılmıştır. Sayısal model, test odasında oluşturulan deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Belirlenen senaryolar, PMV-PPD termal konfor indeksi ve insan vücudu ekserji dengesi yaklaşımı kullanılarak değerlendirilmiştir. Sayısal model yardımıyla oda içerisinde farklı durumlar için hava sıcaklık dağılımı ve hava hızı dağılımı incelenmiştir. Sayısal analiz çalışmaları, dünya genelinde yaygın olarak kullanılan bir ticari paket program olan ve arayüzünde farklı modelleme araçları bulunan ANSYS 17.1'in akademik versiyonu kullanılarak yapılmıştır. Odanın geometrisi Design Modeler modülünde tasarlanmıştır. Sonrasında yazılımın Meshing modülünde sonlu hacimler metodu kullanılarak ayrıklaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı olan Fluent yazılımı kullanılarak sayısal çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analizlerin sonuçları, CFD-Post yazılımında detaylı görseller ve hesap fonksiyonları ile birlikte incelenmiştir. Sıcaklık ve hız dağılımı, bu bölümde incelenmiştir. Doğal taşınımda Boussinesq yaklaşımı, türbülansın modellenmesinde standart k-ε modeli ve radyasyonla ısı transferi için Discrete Ordinates modeli saçılma dahil edilmeden kullanılmıştır. Sayısal çözüm sonuçları farklı mesh sayılarında kıyaslamıştır ve mesh bağımsızlığının olduğu gözlenmiştir. Panellerin ayarlanan yüzey sıcaklıklarında termal konforu sağlayıp sağlamadıkları incelenmiştir. Verilen set değerlerinde oda içerisinde düşey ve yatay yöndeki sıcaklık dağılımı, ortalama ışınımsal sıcaklık ve hava hızı değerleri incelenmiştir. Radyant ısıtma sisteminde ekserji tüketim değerlerinin literatürde belirtilen en düşük değerlere yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu da radyant sistemlerin düşük kalitede (low-ex) enerji kaynaklarını kullanarak, klasik sistemlere göre daha çevreci ve ekonomik bir iklimlendirme çözümü olduğunu ortaya koymaktadır. Bu tez içerisinde yer alan farklı konumlardan ışınım ile ısıtma yapılması hususu, gelecekte kullanıcıya sunulabilecek yenilikçi bir yöntemdir ve konum bazlı ısıtma-soğutma çözümleri için bir ön çalışma niteliğinde olduğu belirtilmelidir. 153

This thesis is an experimental-numerical study for the thermal comfort assessment of radiant heating system for different heating configuration such as from a wall, ceiling and combination of both that is installed in a test room with dimensions of 4m x 4m x 3m. Comfort evaluation was done by using the PMV (The Predicted Mean Vote) - PPD (Predicted Percentage of Dissatisfaction) index developed by Fanger [1]. In addition, for each heating scenario, human body exergy balance was calculated and the effect of exergy consumption rate on thermal comfort was evaluated. The data generated during the tests are used in numerical model for the validation of it. Numerical model is used to investigate the air temperature distribution, velocity fields for different cases. Three different heating configurations were evaluated in numerical model as same as experimental study. Wall heating, ceiling heating wall and ceiling heating scenarios were explored in terms of PMV thermal comfort index and human body exergy balance approach.All the numerical analysis studies were conducted using the Academic version of ANSYS 17.1, which is a commercial package program for numerical modelling. It contains special modules for different stages of the modelling process. After the three-dimensional room geometry was created in the Design Modeler module, the meshing module was subjected to decomposition using the finite volume method. Numerical solutions were made in Fluent, a widely used computational fluid dynamics module. The temperature and velocity fields were visually inspected using CFD-Post software as the final processor program. The natural convection was modelled using the Boussinesq approach, and the standard k-ε model which is a common numerical solution was picked to model turbulence. A Discrete Ordinates model with no scattering was used for radiative heat transfer. Numerical solution results were compared with different mesh numbers and mesh independence was observed.Radiant panels have been investigated to provide and maintain thermal comfort at different surface set temperatures. In the given set values, temperature distribution in the vertical and horizontal direction, mean radiant temperature and air velocity values in the room were examined. It has been observed that the exergy consumption values in the radiant heating system are close to the lowest values stated in the literature. Also, the temperature distribution in the room is considerably lower than all conventional systems. This demonstrates that radiant systems using low quality energy sources provide efficient, environmentally-friendly comfort solutions. It should be stated that it is a preliminary study for the location-based heating technologies and this method can be an innovative solution for heating / cooling industry. Therefore, it can be further evaluated in future research studies. Bu tez çalışmasında boyutları 4m x 4m x 3m olan bir odanın duvar ve tavan radyant panellerle ısıtması ve ikisinin bir arada olduğu ısıtma konfigurasyonları için deneysel ve sayısal konfor değerlendirmesi yapılmıştır. Bu tezde Fanger [1] tarafından geliştirilen standart termal konfor değerlendirme ölçeği olarak kabul edilen Tahmini Ortalama Konfor Oylaması (PMV- The Predicted Mean Vote) ve Tahmini Memnuniyetsizlik Oranı (PPD- Predicted Percentage of Dissatisfaction) değerleri her bir durum için hesaplanmıştır. Ayrıca her senaryo için insan vücudunun ekserji dengesi hesaplanarak, vücudun tükettiği ekserji değerinin konfora olan etkisi araştırılmıştır. Sayısal model, test odasında oluşturulan deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Belirlenen senaryolar, PMV-PPD termal konfor indeksi ve insan vücudu ekserji dengesi yaklaşımı kullanılarak değerlendirilmiştir. Sayısal model yardımıyla oda içerisinde farklı durumlar için hava sıcaklık dağılımı ve hava hızı dağılımı incelenmiştir. Sayısal analiz çalışmaları, dünya genelinde yaygın olarak kullanılan bir ticari paket program olan ve arayüzünde farklı modelleme araçları bulunan ANSYS 17.1'in akademik versiyonu kullanılarak yapılmıştır. Odanın geometrisi Design Modeler modülünde tasarlanmıştır. Sonrasında yazılımın Meshing modülünde sonlu hacimler metodu kullanılarak ayrıklaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı olan Fluent yazılımı kullanılarak sayısal çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analizlerin sonuçları, CFD-Post yazılımında detaylı görseller ve hesap fonksiyonları ile birlikte incelenmiştir. Sıcaklık ve hız dağılımı, bu bölümde incelenmiştir. Doğal taşınımda Boussinesq yaklaşımı, türbülansın modellenmesinde standart k-ε modeli ve radyasyonla ısı transferi için Discrete Ordinates modeli saçılma dahil edilmeden kullanılmıştır. Sayısal çözüm sonuçları farklı mesh sayılarında kıyaslamıştır ve mesh bağımsızlığının olduğu gözlenmiştir. Panellerin ayarlanan yüzey sıcaklıklarında termal konforu sağlayıp sağlamadıkları incelenmiştir. Verilen set değerlerinde oda içerisinde düşey ve yatay yöndeki sıcaklık dağılımı, ortalama ışınımsal sıcaklık ve hava hızı değerleri incelenmiştir. Radyant ısıtma sisteminde ekserji tüketim değerlerinin literatürde belirtilen en düşük değerlere yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu da radyant sistemlerin düşük kalitede (low-ex) enerji kaynaklarını kullanarak, klasik sistemlere göre daha çevreci ve ekonomik bir iklimlendirme çözümü olduğunu ortaya koymaktadır. Bu tez içerisinde yer alan farklı konumlardan ışınım ile ısıtma yapılması hususu, gelecekte kullanıcıya sunulabilecek yenilikçi bir yöntemdir ve konum bazlı ısıtma-soğutma çözümleri için bir ön çalışma niteliğinde olduğu belirtilmelidir. 153