Simulation Investigation on Energy Consumption of Air-Conditioning Systems  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
127907
Type PD
Principal investigator Kassai, Miklós
Title in Hungarian Klímatechnikai rendszerek energiafelhasználásának szimulációs vizsgálata
Title in English Simulation Investigation on Energy Consumption of Air-Conditioning Systems
Keywords in Hungarian klímatechnikai rendszer, energiafelhasználás, szimulációs eljárás
Keywords in English air-conditioning system, energy consumption, simulation procedure
Discipline
Power Engineering (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Building air-conditioning
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Building Service Engineering and Process Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2018-09-01
Closing date 2021-08-31
Funding (in million HUF) 15.807
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A témában általam végzett korábbi kutatást és kísérleti eredményeket alapul véve, a célom olyan szimulációs modellek kidolgozása, melyek alkalmasak a lakossági, középületekben és kereskedelemben alkalmazott klímatechnikai rendszerek energiafelhasználásának vizsgálatára:

A lakossági körben alkalmazott klímatechnikai rendszer energetikai vizsgálata:

1. Szimulációs modell kidolgozása családi ház energiafelhasználásának vizsgálatára.
2. Energetikai összehasonlító vizsgálat végzése hőszivattyú és kondenzációs gázkazán esetében.
3. Az energiafelhasználás és a megtérülési idő összehasonlítása.

A középületekben alkalmazott klímatechnikai rendszer energetikai vizsgálata:

1. Szimulációs eljárás kidolgozása a középületekben alkalmazott klímaközpont energiafelhasználásának különböző éghajlaton történő vizsgálatára.
2. Az elméletileg maximálisan kinyerhető hőenergia meghatározása, tekintetbe véve a vizsgált klímaközpont üzemeltetési idejét is.
3. Tervezői segéddiagramok fejlesztése.

A kereskedelmi körben alkalmazott klímatechnikai rendszer energetikai vizsgálata:

1. Szimulációs modell kidolgozása hűtőkamrákban alkalmazott klímatechnikai rendszer energiafelhasználásának vizsgálatára.
2. Az szimuláció során kapott eredmények összehasonlítása a kutatás korábbi szakaszában végzett kísérleti eredményekkel.
3. A hűtőkamrába betárolt áru hűtőkamra levegőjének hőmérsékletére, a hűtési teljesítményre és a felhasznált energiára gyakorolt tranziens hatásának vizsgálata.

Célom, az eredmények rangos nemzetközi és hazai konferenciákon és lektorált folyóiratokba történő publikálása.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az energetikai számításokat végző szimulációs programok fontos támogatást nyújtanak az épületgépészeti tervező mérnökök számára az épület energiafelhasználásának csökkentése érdekében. Manapság a tervezőknek szükségük van olyan eszközökre, amelynek nagyon egyedi kérdések megválaszolásában is választ adnak már a tervező munka kezdeti fázisában. Így az energetikai számításokat végző szimulációs programok használatával a tervezők könnyebben tudnak döntést hozni a méretezési kérdésekben is (pl. fűtés, hűtés). A tervezők megvizsgálhatják az épület hőtechnikai tulajdonságait a kivitelezés előtt, és szimulációs eljárással meghatározhatják a meglévő épületek energiafelhasználását a jelenlegi állapotukban, és javaslatot adhatnak a leghatékonyabb energetikai felújításhoz. A témában általam végzett korábbi kutatást és kísérleti eredményeket alapul véve, a célom olyan szimulációs modellek kidolgozása, melyek alkalmasak a lakossági, középületekben és kereskedelemben alkalmazott klímatechnikai rendszerek energiafelhasználásának pontos meghatározására.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Magyarország energiafelhasználásának közel 40 %-át a lakosság, illetve a lakosság által használt épületek (lakóépületek) energiafelhasználása adja. Ez az arány az Európai Unió tagállamaiban is hasonló. Ha figyelembe vesszük az iparban és a közlekedésben lévő hasonló rendeltetésű épületeket is (pl. irodák), ez az érték megközelíti az 50 %-ot. Ezen belül meghatározó hányadot jelent a klimatizálás energiafelhasználása. A klímatechnikai rendszerek energiafelhasználása kétféle módon határozható meg. Az üzemelő klímaközpontok esetén a tényleges fogyasztási adatok méréssel pontosan meghatározhatók. A 2002/91/EK direktíva alapján a tervezés fázisában is meg kell tudunk határozni az épület várható éves energiafelhasználást. A kutatási téma aktualitását is mutatja, hogy a jelenleg rendelkezésre álló szakirodalmi számítási módszerek és adatok csupán a klímaközpontok energiafelhasználásának hozzávetőleges becslését teszik lehetővé. Nincsenek pontos, egyértelmű módszerek. A témában végzett eddigi hazai és nemzetközi irodalom, vonatkozó rendeletek és kutatási eredmények tanulmányosát alapul véve különösen fontosnak tartom olyan szimulációs modellek kidolgozását, mely a klímatechnikai rendszereknek a jelenleg gyakorlatban alkalmazott számítási módszerekhez képest jóval pontosabb, a valóságot jobban megközelítő energetikai vizsgálatát teszi lehetővé.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Statisztikai adatok azt bizonyítják, hogy az országban egyre szélesebb körben alkalmaznak az otthonokban, középületekben, és kereskedelmi épületekben klímatechnikai rendszereket. Ezeknél az épületeknél jelentősen megnő a klímaközpontok által biztosított szellőztetés részaránya a teljes energiafelhasználásban. Hasonló problémával kell számolni az utólagosan hőszigeteléssel ellátott épületek üzemeltetésekor is. Ebben az esetben a klímaközpontok energiaszükséglete relatíve nagyobb hányadot képvisel az épület teljes gépészeti rendszerének energiafelhasználásában. Célom a klímatechnikai rendszerek energiatudatos épületgépészeti tervezésének elősegítése, a jelenlegi méretező számítási eljárások továbbfejlesztésével és a tervezői adatok bővítésével. A kutatás elvégzéséhez célom olyan szimulációs eljárások kidolgozása, melynek alkalmazása a klímatechnikai rendszereknek a jelenleg gyakorlatban elsajátított energetikai méretezési módszerekhez képest jóval pontosabb, a valóságot jobban megközelítő eredményeket nyújthat. Így célom az épületgépészeti mérnökök és tervezők támogatása is épületek még pontosabb energetikai tanúsítványának készítéséhez.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Based on the previous research and performed experimental results in the theme, the object of my research proposal is to work out simulation models to investigate the energy consumption of air-conditioning systems used in residential, public and commercial sectors:

Energetic investigation of air-conditioning system used in residential sector:

1. Development of simulation model to investigate the energy consumption of a single family house.
2. Working a comparative energetic investigation out of a heat pump system and condensing gas boiler system.
3. Comparing the amount of annual energy consumption and payback period.

Energetic investigation of air-conditioning system used in public sector:

1. Investigate the energy recovery potentials with simulation in central air conditioning systems used in public sector under different climatic conditions.
2. Determination of the theoretically recoverable maximum heat energy, considering also the operation time of the investigated central air conditioning systems.
3. Development of designing science graphs.

Energetic investigation of air-conditioning system used in commercial sector:

1. Development of simulation model to estimate the energy consumption of air-conditioning systems used in commercial cold stores.
2. Comparing the simulation results with the experimental results performed in the previous investigation in the topic.
3. Transient investigation of the goods stored in cold store having effects on the indoor air temperature of the cold store, cooling energy performance and consumed energy.

Publication the results at international and national conferences and to reviewed scientific journals.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Energy simulation software tools are an important support used for building service designers to reduce the cost of energy in buildings. Nowadays, designers need tools that answer to very specific questions even during the initial design phase. Through the use of energy simulation software designers can consider specific choices, (e.g., heating and cooling). Designers can also predict the thermal behaviour of buildings prior to their construction and simulate the costs of energy in existent buildings in their current conditions, establishing the best thermal retrofitting measures to adopt in the buildings under analysis. Based on the previous research and performed experimental results in the theme, the object of my research proposal is to work out simulation models to determine the energy consumption of air-conditioning systems with high accuracy, used in residential, public and commercial sectors.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The population and residential buildings represent almost 40% of the total energy consumption in Hungary. Their share is similar in the EU countries. If the buildings used of the industrial and transport sector are also taken into consideration, this figure even reaches 50%. The major part of this 50% is used for air-conditioning systems. The energy consumption of air-conditioning systems can be calculated in two ways. In the case of operating air handling units the actual consumption data can be exactly determined from measurements. However according to Directive 2002/91/EC on the energy performance of buildings (EPBD) it is also important to determine the expected energy consumption of buildings in the design phase. The timeliness of this research theme shows that the actual available calculation procedures provide only rough estimations for analysing the energy consumption of air-conditioning systems. There are no exact and detailed methods. Based on the national and international research studies and regulations it would be particularly significant to develop simulation models to enable the energetic investigation of air-conditioning systems in more detail and more realistically than with the recent methods provide in the current engineering practice.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Statistical data show that air-conditioning in residential, public and commercial buildings is increasingly applied. In these buildings the ventilation proportion is significantly increased in the whole building energy consumption. There are similar problems in the operation of subsequently thermally insulated buildings. In this case the energy consumption of the central air-conditioning systems is a major proportion of the energy consumption of whole building services. My aim is to improve the energy conscious air-conditioning design and develop the current calculation procedures and completing design data. To achieve this, my object is to work out simulation procedures to determine the energy consumption of air-conditioning systems used in residential, public and commercial sectors with more detail method and more realistically results than provided the recent regulations. By this way my aim is to support also the building service engineers and designers to make more exact energy certifications for buildings.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Összehasonlítva a TRNSYS dinamikus szimulációs eszköz és a WinWatt alkalmazásával kapott energiafogyasztási értékeket, megállapítható, hogy a hazai rendelet túlméretez. Az eltérés mértéke a ténylegesen mért lakossági hőszivattyús fogyasztási adatok és a kifejlesztett dinamikus energetikai méretező szimulációs modell között 1,11% a 7/2006 TNM rendelet szerinti módszerrel 12,51%! A kutatómunka következő szakaszában nagyszámú időjárásadaton alapuló tervezéshez is használható segédtáblázatokat hoztunk létre, melyekkel bármelyik vizsgált nagynépességű világvárosban becsülhető a tervezett szellőztető berendezésben realizálható energiamegtakarítás mértéke tetszőleges hónapban, tetszőleges üzemeltetési időintervallumokban. A kereskedelemi szektorban használatos hűtőkamrák hűtésére alkalmazott különböző szabályozású (ON-OFF és PID) klímatechnikai rendszer termikus paramétereinek vizsgálata során a lehűlési idő 4 órát vett igénybe a betárolt áru a 27 °C kezdeti hőmérséklettől körülbelül 1 ° C-ig történő hűtése során. Az energiafogyasztás 17 996 kWh volt a PID-el és 19 068 kWh volt az ON / OFF szabályozott hűtőrendszerrel. A lehűlés során, a két rendszeren végzett tranziens vizsgálatok eredménye alapján megállapítható, hogy az 5 [kg] áru hűtése 4 óra alatt 1,072 kWh (5,62%) energia megtakarítást és 28,16 Ft költség megtakarítást eredményezett, figyelembe véve a hazai ipari fogyasztói energiaár (26 Ft / kWh), a PID szabályozott rendszerrel az ON / OFF vezérelt rendszerhez képest.
Results in English
Using the 3 years measured consumption data given by the investor, the result shows that the difference between the measured consumption data and simulated date by TRNSYS is only 1,11% and by WinWatt (based on Ministerial Decree TNM 7/2006) is 12,51%, which is quite high. Based on a comparison of the expected annually recoverable thermal energy of examined cities, a sequence of cities can be drawn up on the basis of expected total recoverable thermal energy, revealing unexpected similarities, which are not necessarily predictable from the climate zones of the given investigated world cities. In the third research year, the study focused to the investigation of thermal and energetic properties of PID and ON-OFF controlled commercial refrigeration system. The result of the transient investigation of 5 [kg] goods, placed in the chamber, showed that it takes almost 4 hours to cool down the goods from the initial temperature of 27 [°C] to around 1 [°C] and the energy consumption is 17,996 kWh with PID and 19,068 kWh with ON/OFF controlled refrigeration systems. Investigating the energy and as well as the economic impacts of the two systems under transient conditions, the cooling of 5 [kg] goods in 4 hours resulted 1,072 kWh (5,62 %) energy saving and 0,08672 EUR saving, considering the national industrial consumer energy price (0,0809 EUR/kWh), with the PID controlled system compared to the ON/OFF controlled system.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=127907
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kassai Miklós: Családi ház termikus modellezése dinamikus szimulációval, Magyar Épületgépészet, 2018
Miklos Kassai: Heat Pump Heating System Development of Educational Building based on Energy, Economical and Environmental Impacts, Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering, 2019
Miklos Kassai: Recovering Heat from Condenser Unit Produced Refrigerant System in Food Processing Facility, Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering, 2019
Kassai Miklós: Családi ház energetikai vizsgálata dinamikus szimulációval, Magyar Épületgépészet, 2019
Miklos Kassai: Development and experimental validation of a TRNSYS model for energy design of air-to-water heat pump system, Thermal Science, 2019
Kassai Miklós: Családi ház termikus modellezése dinamikus szimulációval, Magyar Épületgépészet, LXVII évfolyam, 2018/12. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 3-10., 2018
Miklos Kassai: Heat Pump Heating System Development of Educational Building based on Energy, Economical and Environmental Impacts, Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering, ISSN: 0324-6051 pp. 1-7. (2019). DOI: 10.3311/PPme.13872, 2019
Miklos Kassai: Recovering Heat from Condenser Unit Produced Refrigerant System in Food Processing Facility, Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering, ISSN: 0324-6051 pp. 1-10. DOI: 10.3311/PPme.14044, 2019
Kassai Miklós: Családi ház energetikai vizsgálata dinamikus szimulációval, Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/4. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 1-6., 2019
Miklos Kassai: Development and experimental validation of a TRNSYS model for energy design of air-to-water heat pump system, Thermal Science, vol. 24, No. 2A, pp. 893-902, DOI: 10.2298/TSCI181206070K, 2019
Laith Al-Hyari, Miklos Kassai: Experimental Investigation on Sensible Effectiveness of Desiccant Rotary Energy Recovery Unit, EXPRES 2019, Subotica, Serbia, 11-13. April, 2019, pp. 11-15., ISBN 978-86-919769-4-1, 2019
Miklos Kassai: Thermal Simulation of Refrigeration Systems, EXPRES 2019, Subotica, Serbia, 11-13. April, 2019, pp. 6-11., ISBN 978-86-919769-4-1, 2019
Miklos Kassai, Laith Al-Hyari: Ellenáramú polimer membrán anyagú entalpiás és polisztirol anyagú normál hőcserélős hővisszanyerős szellőztető berendezés hatásfokának kísérleti vizsgálata, Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/5. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 7-16., 2019
Miklos Kassai: Ellenáramú polimer membrán entalpiás és polisztirol anyagú hővisszanyerős lakásszellőztető berendezés energiahatékonyságának vizsgálata különböző éghajlatú Európai régiók, Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/6. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 7-11., 2019
Miklos Kassai: A szellőzéstechnikában visszanyerhető hő vizsgálata különböző éghajlatokon, Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/10. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 3-11., 2019
Miklos Kassai, Laith Al-Hyari: Experimental Investigation on Operation Parameters of 3Å Molecular Sieve Desiccant Coated Total Energy Recovery Wheel for Maximum Effectiveness, Thermal Science, Volume 24, Issue 3 Part B, pp. 2113-2124, DOI: 10.2298/TSCI181106014X, 2020
Miklos Kassai, Laith Al-Hyari: Investigation of Ventilation Energy Recovery with Polymer Membrane Material based Counter-flow Energy Exchanger for Nearly Zero-Energy Buildings, Energies, vol. 12(9), 1727, pp. 1-21, DOI: 10.3390/en12091727, 2019
Miklos Kassai: Energy Performance Investigation of a Direct Expansion Ventilation Cooling System with a Heat Wheel, Energies, vol. 12(22), 4267, pp. 1-16, DOI: 10.3390/en12224267, 2019
Miklos Kassai, Richard Simon: Simulation model development for energetic investigation of refrigeration systems, EXPRES 2020, 12th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources and Efficiency, ISBN-978-86-919769-2-7, Subotica, Serbia, 17-19. April, 2020., 2020
Kassai Miklós, Simon Richárd: Hűtőkamra fogyasztásának kísérleti vizsgálata PID szabályzású DC inverteres hűtőaggregátok alkalmazásával, Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/11. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 3-8., 2019
Kassai Miklós, Simon Richárd: PID és ON-OFF szabályozású hűtéstechnikai rendszer termikus szimulációs modellezése, Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/12. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 11-14., 2019
Kassai Miklós, Simon Richárd: Hűtéstechnikai rendszer energetikai vizsgálata dinamikus szimulációval, Magyar Épületgépészet, LXIX. évfolyam, 2020/1-2. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 3-7., 2020
Miklos Kassai: Developed Direct Current Refrigeration Technique to Improve the Sustainability of Sausage Drying Process, Journal of Sustainable Development of Energy Water and Environment Systems-JSDEWES, Vol. 7(4), pp. 631-640, DOI: http://dx.doi.org/10.13044/j.sdewes.d7.0278, 2019
Laith Al-Hyari, Miklos Kassai: Development and Experimental Validation of TRNSYS Simulation Model for Heat Wheel Operated in Air Handling Unit, Energies, 13(18), 4957; DOI: 10.3390/en13184957, 2020, 2020
Laith Al-Hyari, Miklos Kassai: Development of TRNSYS Model for Energy Performance Simulation of Variable Refrigerant Air Flow Air-Conditioning System combined with Energy Recovery Ventilation, International Journal of Green Energy, Vol.: 18., Issue: 4., pp. 390-401., DOI: https://doi.org/10.1080/15435075.2020.1865365, 2021
Miklos Kassai: Investigation of the thermal behavior and energy consumption of refrigeration systems, Thermal Science, Vol. 25., Issue: 1, Part A, pp. 73-83., DOI: 10.2298/TSCI190213170K, 2021



Back »