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Main Title: Dynamic exergy-based methods for improving the operation of building energy systems
Translated Title: Dynamische Exergiebasierte Methoden zur Betriebsoptimierung von Gebäudeenergiesystemen
Author(s): Sayadi, Saeed
Advisor(s): Tsatsaronis, George
Referee(s): Tsatsaronis, George
Morozyuk, Tetyana
Müller, Dirk
Blanco-Marigorta, Ana María
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The objective of the present research is the operational assessment of building energy systems through the application of conventional and advanced exergy-based methods. Two different case studies are considered here. The first one is a theoretical single-office building equipped with heating and ventilation systems, located in a typical cold-climate region. The second case study is a real-life system, including a large building and its complex heating and cooling systems, located in Aachen, Germany. Since the first case study is theoretical, mathematical heat and mass transfer models representing the system’s dynamic behavior were first formulated. Then all dynamic exergy-based methods were developed and applied to this model. Unlike the first case study, the second one is a real existing building with an extensive data collection and monitoring system, which offers the opportunity to apply all methodologies developed for the first case study to a “real” system. Consequently, the input data for the exergy-based operational assessment of the second case study comes from the various temperature, pressure, and volume flow rate sensors installed in different parts of the considered building. The present study provides a step-by-step framework for conducting dynamic exergy-based methods for building energy systems using a small and a large-scale case study. Two novel approaches for performing dynamic advanced exergetic analysis are proposed in this study for the first time. The first method, called the method of Serial F/P Arrangement, splits the dynamic exergy destruction into endogenous and exogenous parts, and the second one, called the Design-Based Approach, obtains the avoidable and unavoidable exergy destruction in dynamic systems. Moreover, the dynamic formulation of exergoeconomic analysis, taking into account the stored/discharged costs in different system components at different times, is also presented for the first time in the current research study. As a general rule of thumb, only between 15% to 25% of the total exergy destruction caused in the operation of building energy systems can be avoided. Approximately one-quarter of this avoidable exergy destruction is endogenous, and the rest is exogenous. This means improving the interconnections among system components through the implementation of better control systems has a stronger effect on the performance of the overall system than improving single components of the system. Based on the results of dynamic advanced exergetic and exergoeconomic analyses, four new dimensionless performance indicators for evaluating the “operation” of dynamic systems are introduced. Results obtained from both case studies confirm that these new exergy-based parameters provide valuable insights into the operational assessment of systems and can identify components with the highest priorities for optimization.
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, den Betrieb dynamischer Systeme durch Anwendung konventioneller und erweiterter exergiebasierter Methoden zu bewerten. Dabei wurden zwei verschiedenen Fallstudien untersucht. Bei der ersten handelt es sich um ein theoretisches Einzelbürogebäude, ausgestattet mit Heizungs- und Lüftungssystemen, in einer Region mit typisch kaltem Klima. Die zweite Fallstudie ist ein reales System, bestehend aus einem großen Mehrzweckgebäude und dessen komplexen Heiz- und Kühlsystemen, in Aachen, Deutschland. Anhand der ersten Fallstudie wurden zunächst mathematische Wärme- und Stoffübertragungsmodelle formuliert, die das dynamische Verhalten des Systems darstellen. Zur thermodynamischen Bewertung des Systems wurden dynamische exergiebasierte Methoden entwickelt und auf die formulierten Modelle angewandt. In der zweiten Fallstudie wurden die entwickelten dynamischen exergiebasierten Methoden auf ein reales, bestehendes Mehrzweckgebäude mit einem umfangreichen Datenerfassungs- und Überwachungssystem angewandt. Die Eingangsdaten für die exergiebasierte Betriebsbewertung dieser Fallstudie wurden von Temperatur-, Druck- und Durchflusssensoren, die in verschiedenen Teilen des betrachteten Gebäudes eingebaut wurden, erfasst. Die vorliegende Arbeit entwickelt einen schrittweise aufgebauten Rahmen für die Durchführung “dynamischer” exergetischer Methoden für Gebäudeenergiesysteme. Es werden zwei neue Ansätze für die Durchführung dynamischer erweiterter Exergieanalysen vorgestellt: Die erste Methode, die als Methode der Reihenanordnung von Aufwand/Produkt bezeichnet wird, teilt die dynamische Exergievernichtung in endogene und exogene Anteile auf; die zweite Methode, die als designbasierter Ansatz bezeichnet wird, befasst sich mit der Berechnung von vermeidbaren und unvermeidbaren Exergievernichtungen in dynamischen Systemen. Darüber hinaus stellt diese Forschungsarbeit zum ersten Mal die dynamische Formulierung einer exergoökonomischen Analyse vor, die die be- und entladenen Kosten in den einzelnen Komponenten zu unterschiedlichen Zeitpunkten berücksichtigt. Aus den Ergebnissen dieser Studie kann festgestellt werden, dass nur zwischen 15% und 25% der gesamten Exergievernichtung, die bei dem Betrieb von Gebäudeenergiesystemen verursacht wird, vermieden werden können. Davon ist etwa ein Viertel endogen und drei Viertel exogen. Daraus folgt, dass die Optimierung der gegenseitigen Beeinflussung der Systemkomponenten durch die Implementierung besserer Regelungssysteme einen stärkeren Einfluss auf die Effizienz des Gesamtsystems hat als die Verbesserung einzelner Komponenten des Systems. Basierend auf den Ergebnissen der erweiterten exergetischen und exergoökonomischen Analysen werden vier neue dimensionslose Kennzahlen zur “Betriebsbewertung” dynamischer Systeme eingeführt. Die aus beiden Fallstudien gewonnenen Ergebnisse bestätigen, dass diese neuen exergiebasierten Parameter wertvolle Einblicke in die Betriebsbewertung von Systemen ermöglichen und Komponenten mit den höchsten Optimierungsprioritäten identifizieren können.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12096
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10971
Exam Date: 30-Nov-2020
Issue Date: Dec-2020
Date Available: 10-Dec-2020
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): exergy-based methods
building energy systems
dynamic modeling
exergoeconomic analysis
advanced exergy analysis
exergiebasierte Methoden
Gebäudeenergiesysteme
dynamische Modellierung
exergoökonomische Analyse
erweiterte Exergieanalyse
Sponsor/Funder: BMWi, 03ET1218B, EnOB/EnBop - Exergiebasierte Regelungsstrategien für die Heiz- und Raumlufttechnik, Anwendung exergiebasierter Methoden zur Optimierung der Energiebereitstellung
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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