Integration, evaluation and modeling of thermal comfort in energy efficiency measures : comparing electric heating systems

Léger, Jérémie (2019). Integration, evaluation and modeling of thermal comfort in energy efficiency measures : comparing electric heating systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Electric heating systems do not to perform all equally in terms of energy consumption. In fact, by changing the heat distribution, thermal comfort can be achieved with less energy consumed. In this thesis, the optimal heat distributions and the heat distributions of electric heating devices are investigated and compared. In the first part of this work, the design, construction, control and validation of a climatic chamber is presented. This experimental tool is essential to compare electric heaters at equal thermal comfort. In what follows, a novel method of investigating the optimal heat distribution numerically is presented. In this method, the concept of virtual heaters is introduced. Virtual heaters are a set of two heat distributions: one that maximizes the total heat loss of a room, while maintaining thermal comfort inside this room; whereas the other minimizes the total heat loss, while still maintaining the same thermal comfort. Using the virtual heaters energy consumption, three new performance indices are introduced. The first performance index measures the effectiveness of a heater to distribute heat; the second measure the significance of the heat distribution inside a room from an energy consumption standpoint; the third measure how the difference in energy from the virtual heater and a real heater. The minimum energy loss can also be used as a measure of the room’s energy efficiency, while the maximum virtual heater gives an indication on heat distributions to avoid. Expanding the investigation on heat distribution, the bi-climatic chamber tool is then used to investigate the temperature distribution and energy consumption of three electric heating systems. The results from this experiment show that not all electric heating systems distribute heat in the same way, and from this fact, they do not all have the same energy consumption when providing similar thermal comfort. The convection heater experimentally tested here outperformed the radiant heater and baseboard heater. The experimental heat distribution results are also compared with those of the virtual heater. Both methods agree that avoiding to heating the windows is most efficient. This comparison also serves, in part, as a validation of the method used to find virtual heaters. Other validations for key calculations in the virtual heater models include: comparing tabulated results to calculated results for the thermal comfort model; and comparing simplified solutions calculated analytically by hand to the one calculated by the model for the heat transfer model. Finally, the virtual heaters are used to investigate how optimal heat distributions change with respect to the room geometry and insulation parameters. Investigated parameters were varied individually to quantify their effects on the energy consumption, the heat distribution, and the sensibility of the room heat loss to heat distribution. Interestingly, the window size, the window insulation level and the air infiltration/exfiltration rate can drastically change the minimum energy consumption heat distribution. It was observed that when increasing each of these three parameters, optimal heat distribution changed from heating the air volume to floor heating. The results also showed that most geometric and insulation parameters can influence the sensibility of heat loss to heat distribution. The percentage increase of energy consumption for the maximum virtual heater when compared to the minimum virtual heater was observed to range from 27.4% to 86.0% for the tested cases. The window insulation was found to be the predominant factor influencing the sensibility of heat loss.

In summary, this thesis presents a new concept termed virtual heater that is useful in the investigation of indoor heat distribution. Using the virtual heaters and their associated performance indices, the optimal heat distributions for different room geometry and insulation topologies, and the efficiency of some electric heating devices were assessed. Heat distribution can have a significant effect on the energy consumption of heaters and should be considered in building design. Virtual heaters are tools that can undoubtedly help to find more general understandings of optimal indoor heat distribution.

Titre traduit

Intégration, évaluation et modélisation du confort thermique dans des mesures d’efficacité énergétiques : comparer des systèmes de chauffage électriques

Résumé traduit

Les systèmes de chauffage électriques n’ont pas tous une même performance. En effet, un simple changement de la distribution de chaleur peut engendrer une réduction de la consommation énergétique tout en maintenant le confort thermique. Dans le cadre de cette thèse, la distribution de chaleur optimale ainsi que la distribution de chaleur de certains systèmes de chauffage électriques sont étudiées et comparées. La première partie de ce travail consiste en la conception, la construction, la programmation du contrôle et la validation d’une chambre bi-climatique. Cet outil expérimental est essentiel pour comparer des systèmes de chauffage électriques à confort thermique égal. Par la suite, une nouvelle méthode numérique d’investigation de la distribution de chaleur optimale est présentée. Dans cette méthode, le concept du chauffage virtuel est introduit. Les chauffages virtuels sont un ensemble de deux systèmes de chauffage: le premier maximise la perte de chaleur d’une pièce tout en maintenant le confort thermique à l’intérieur de celle-ci; tandis que le deuxième minimise la perte de chaleur en maintenant lui aussi le même confort thermique. En utilisant la consommation énergétique des chauffages virtuels, trois nouveaux indices de performance sont introduits. Le premier mesure l’efficacité d’une distribution de chaleur. Le deuxième mesure la sensibilité de la consommation énergétique d’une pièce à la distribution de chaleur. Le troisième mesure l’écart entre le meilleur système de chauffage et un vrai système de chauffage. La consommation énergétique minimale peut aussi être utilisée comme une mesure de la performance énergétique d’une pièce. La distribution de chaleur maximale est utile pour indiquer la distribution de chaleur à éviter. En approfondissant l’investigation sur la distribution de chaleur, la chambre bi-climatique est utilisée pour étudier la distribution de température et la consommation énergétique de trois systèmes de chauffage électriques. Les résultats expérimentaux montrent que les systèmes de chauffage électriques ne distribuent pas tous la chaleur d’une même façon, et de ce fait, ne consomment pas tous la même quantité d’énergie pour atteindre le même confort thermique. Le convecteur testé a la meilleure performance énergétique quand on le compare à la plinthe électrique et au système de chauffage radiant de cette expérience. Les résultats sur la distribution de chaleur sont aussi comparés avec ceux des chauffages virtuels. Les deux méthodes montrent que chauffer les fenêtres n’est pas efficace. Cette comparaison sert aussi à valider en partie la méthode utilisée pour déterminer les chauffages virtuels. Entre autre, la méthode pour déterminer les chauffages virtuels fût aussi validée par: une comparaison de valeurs tabulées aux valeurs calculées pour le confort thermique; et une comparaison de solutions simplifiées calculées à la main aux valeurs calculées par le programme. Dans une dernière étape, les chauffages virtuels sont utilisés pour investiguer comment la distribution de chaleur optimale est influencée par la géométrie et l’isolation d’une pièce. Chaque paramètre investigué est varié individuellement pour quantifier leurs influence sur la consommation énergétique, la distribution de chaleur et la sensibilité de la consommation énergétique de la pièce à la distribution de chaleur. Ces résultats montrent que la taille de la fenêtre, l’isolation de la fenêtre et l’infiltration/exfiltration totale peuvent changer la distribution de chaleur associée au chauffage virtuel minimum. En augmentant chacun de ces trois paramètres, la distribution de chaleur a changé d’un chauffage uniquement au volume d’air à un chauffage qui progressivement chauffe davantage le plancher et par la suite le plafond. Les résultats ont aussi montré que la plupart des paramètres géométriques et d’isolation peuvent influencer la sensibilité de la consommation énergétique à la distribution de chaleur. Dans le pire des cas testés, la consommation énergétique maximum consomme 86% plus d’énergie que la consommation minimum. Le meilleur des cas montre que ce chiffre peut être réduit à 27%. L’isolation de la fenêtre est le paramètre qui a le plus d’influence sur la sensibilité à la distribution de chaleur.

Pour résumer, cette thèse présente une nouvelle façon d’aborder le problème de la distribution de chaleur optimale. Les chauffages virtuels permettent la définition de nouveaux indices de performance qui ont été utiles pour investiguer la performance des systèmes de chauffage et des pièces d’un point de vue de la distribution de chaleur. Par une comparaison expérimentale, il peut être conclu que la distribution de chaleur a une influence sur la consommation énergétique et devrait être considérée dans la conception d’un bâtiment. Le chauffage virtuel est sans doute un outil qui servira à mieux comprendre comment atteindre des distributions de chaleur optimales.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 277-290).
Mots-clés libres:	vote moyen prédit, confort thermique, chauffage optimale, chauffage virtuel, efficacité énergétique, chauffage électrique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 oct. 2019 20:26
Dernière modification:	04 oct. 2019 20:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2368

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