Exploration of optimisation solutions for a radiant floor system

Abstract

The building sector is responsible for 36% of total energy consumption and this contributes to 40% of total carbon dioxide emissions. In the coming years, the construction sector will grow even more. This is why there has been a global interest in finding solutions to reduce the energy consumption of commercial, industrial and also residential buildings. In order to improve the comfort of buildings and closed spaces, the use of solutions and systems that promote the heating and cooling of these spaces is common. Radiant floor systems have quite a lot of potential to reduce energy consumption of buildings and consequently their carbon footprint. The objective of this dissertation is to optimize a radiant floor system. For this optimization, different ways and tools on how to achieve this are studied and applied in the system, identifying at the same time the parameters that determine its performance. Multiple examples of radiant floors were studied and analysed including the heating transfer phenomena involving them. An optimization model will be generated resorting to different objective functions, constraints and variables to recommend a solution with the best possible result. Using analytical equations, a parametric study was done using a reference radiant floor system structure with parameters previously defined. It was found that the distance between the piping and the surface of the system, tube spacing and thickness of the layers are the most important parameters when it comes to heat flux output. To perform numerical simulations, the Design Exploration process has been followed to efficiently carry out this study, using a module called DesignXplorer, part of the commercial software ANSYS. Local sensitivities were found where the same conclusions as before were stated. Using analytical equations and numerical simulations, resourcing to Excel and Ansys optimization algorithms respectively, some optimized solutions are presented and discussed.

O setor da construção é responsável por 36% do consumo total de energia e isso contribui para 40% das emissões totais de dióxido de carbono. Nos próximos anos, o setor de construção vai crescer ainda mais. Esta é a razão pela qual tem havido um interesse global para arranjar soluções para reduzir o consumo de energia de edifícios comerciais, industriais e também residenciais. Para melhorar o conforto térmico dos edifícios e espaços fechados, é comum a utilização de soluções e sistemas que promovem o aquecimento e arrefecimento desses espaços. Os sistemas de piso radiante têm bastante potencial para reduzir o consumo energético de edifícios e consequentemente reduzir a pegada de carbono dos mesmos. Este trabalho tem como objetivo otimizar um sistema de piso radiante. Para concretizar esta otimização são estudadas diferentes formas e ferramentas de como o conseguir e por fim a sua aplicação no sistema, identificando ao mesmo tempo, os parâmetros que determinam o seu desempenho. Neste trabalho foram analisados e estudados vários exemplos de pisos radiantes, e os processos de transferência de calor envolvidos nos mesmos. Um modelo de otimização foi desenvolvido recorrendo a diferentes funções objetivo, restrições e variáveis para recomendar uma solução ótima. Utilizando equações analíticas, foi feito um estudo paramétrico usando uma estrutura de sistema de piso radiante de referência com parâmetros previamente definidos. Verificou-se que a distância entre a tubulação e a superfícies do sistema, o espaçamento entre tubos e a espessura das camadas são os parâmetros mais importantes quando se trata do fluxo de calor. Para realizar as simulações numéricas, seguiu-se o processo de Design Exploration para realizar este estudo de forma eficiente, utilizando um módulo denominado DesignXplorer, parte do software comercial ANSYS. As sensibilidades locais foram calculadas pelo software onde as mesmas conclusões de antes foram tiradas. Através de equações analíticas e simulações numéricas, usando algoritmos de otimização do Excel e do Ansys respectivamente, algumas soluções otimizadas são apresentadas e discutidas.