Zjednodušené dynamické tepelné modely stavebních konstrukcí ve styku se zemí: deska na zemi

Abstract

Práce analyzuje problematiku zjednodušeného dynamického modelování tepelného chování podlah na zemině. Poskytuje přehled existujících přístupů k řešení tohoto problému a následně využívá shromážděné informace k návrhu metody pro konstrukci náhradního 1D modelu podlahy na zemině použitelného v RC modelování. Geometrická interpretace modelu je založena na ekvivalentním rozměru podlahy. Hodnoty geometrických vlastností navrženého modelu byly zjištěny jemným laděním při zohlednění různých kombinací vstupních parametrů (geometrie objektu a míra tepelné izolace). Vyladěné hodnoty byly následně zpracovány matematickou regresí s cílem nalézt rovnice popisující jejich závislost na vstupních parametrech. Model byl testován za různých okrajových podmínek s ohledem na řadu kombinací vstupních parametrů porovnáváním s referenčními 3D FEM simulacemi. Byla zkoumána i možnost rozšíření modelu tak, aby zohledňoval účinky případné svislé tepelné izolace po obvodu. Navržené řešení tohoto problému bylo rovněž testováno při ročních harmonických okrajových teplotách. Výsledky vypočtené pomocí vyvinutého náhradního 1D modelu se ve všech provedených testech s dobrou spolehlivostí shodovaly s referenčními výsledky. Výpočetní čas se zkrátil z několika hodin potřebných pro 3D FEM výpočty na několik minut. Díky tomu se vyvinutý model stává použitelným nástrojem v raných fázích navrhování budov pro zajištění návrhu energeticky účinných budov. Známá omezení navrženého modelu a náměty pro další vývoj jsou uvedeny v závěru této práce.

This thesis analyses the problematics of the simplified dynamic thermal modelling of slab-on-ground floors. Constructions in contact with the ground are one of the most difficult problems in terms of heat loss calculations due to the large 3D block of soil. The thesis provides an overview of existing solutions of this issue and uses the gathered information to propose a method to construct a surrogate 1D model of a slab-on-ground floor. The values of geometrical properties of the model have been found through fine-tuning in different test cases. The found values have been processed by mathematical regression to find equations describing their dependency on selected input parameters. The model has been tested under different boundary conditions against reference 3D FEM simulations. A possibility to extend the model in order to account for the effects of vertical thermal insulation around the slab’s perimeter has been investigated. The results calculated using the developed surrogate 1D model have matched the reference results with good confidence in all performed tests. The computation time has decreased from several hours needed for 3D FEM calculations to several minutes. This renders the developed model to be a usable tool in early building design phases to ensure the design of energy efficient buildings. The known limitations of the proposed model and topics for further development are outlined at the end of this thesis.