中仿科技社区中心

HAMLab

(Matlab 7 or higher required)

http://sts.bwk.tue.nl/hamlab/　　

Last update: 2009 July

Please read this first: Note that every thing on the webstite is free for research & education. However, if our models have inspired you, please refer to the scientific publication: Schijndel, A.W.M. van (2007). Integrated heat air and moisture modeling and simulation. Eindhoven: Technische Universiteit, PhD thesis, 200 pages http://alexandria.tue.nl/extra2/200612401.pdf or this website.

Quick Guide to Install&Start HAMBase : HAMBase_start.pdf

 What is HAMLab?

HAMLab (Heat, Air and Moisture simulation Laboratory) is basically a collection of mfiles that runs at the MatLab/Simulink/FemLab simulation environment. The developed tools are divided into four categories

* HAMBASE: HAM transport in multizone building models, developed in MatLab/SimuLink.

* HAMSYS:   Building SYStems models, developed in SimuLink

* HAMDET:   DETailed (up to 3D) building physics models, developed in FEMLab

* HAMOP:    OPtimal operation and parameter Optimization, developed in the optimizationToolbox

HAMLab is a research tool. Commercial use of the tool and its data is prohibited. It will be regularly updated (with a new release number). All referred files can be found at the files-button. They contain documents (.pdf) and MatLab files (.zip)

Objectives.

The main objective is the development of a heat, air and moisture modeling and simulation laboratory (HAMLab), for the target groups design and science.

The HAM modeling and simulation requirements are quit different for the target groups design and science. For design, current actual topics are: a) Integration: Designing becomes more challenging due to the increase of the complexity of the interaction between building, indoor climate and building systems and the increase of the required performance criteria. Simulation of the whole building is sometimes the only option to evaluate the performance-based designs. Basically, there are two strategies to integrate models: coupling of stand-alone programs and coupling within a single software simulation environment. The latter is the strategy of the present study. b) Rapid prototyping: The earlier simulation results become available during the design process, the better. c) Optimization: This is an inherent part of the design. Numerical optimization tools are capable of further refining design parameters and improving the building operation. The requirement for science is more classical. It is important to have a modeling and simulation environment at one's disposal for evaluation of d) State-of–art models: It is important to develop, test and evaluate new knowledge in the area of building physics and to have reference models for the verification of simplified models. e) Simplified models: Often the state-of-art models are not directly applicable for design purposes, due to long simulation runtimes or due to high resolutions. Sometimes even simulating the state-of-art model itself can be very difficult and simplifications are inevitable.

HAMBASE (Heat, Air and Moisture, Building And Systems Engineering tool) is an evolution of WaVo (Warmte en Vocht, English: Heat and Moisture) which was originally developed by M.H. (Martin) de Wit. The approach of WAVO turned out to be excellent for mak　ing S-functions for MATLAB-SIMULINK and enabling the simulation of complicated HVAC installations and controls simultaneously with the building. This new development started recently and will go on in future. The climate data are provided by KNMI (1971-2004). Commercial use is prohibited.

Objectives

* Indoor climate design (temperature and Rh) of multizone buildings

* Energy and (de)humidification simulation

* Rapid prototyping

* HAM building model component to used with HAMSYS (see below), for the design of HVAC systems

Files

HAMBase_start.pdf:  How to Start HAMBase

Hambase09Mrt.zip:  Latest update MatLab/SimuLink files of HAMBase for MatLab version 7.x

HAMBaseTheory.pdf : Scientific description of HAMBase including validation studies

HAMBaseInputOutput.pdf : Input-Output description of HAMBase

HAMBase2SimuLink.pdf:  How to export HAMBase mfile to SimuLink and add control

StandardOfficeExample.pdf  Exercise on building a standard office & cooling control model in SimuLink, including officeExercisemfiles.zip  mfiles.

Sensitivity analysis tool

The files below present an example of how HAMBase can be used as sensitivity analysis tool applied for Case 600 of the BESTest. The aim of this work is to provide a starting point for performing parameter sensitivity studies for other HAMBase models.

Introduction to HAMBase Sensitivity analysis tool for Case 600.pdf  Guideline

Exercises1_3Sol.pdf  Solution Exercises

accompanyingpapers.zip  Background information

BESTESTSens.zip  mfiles

BPSToolbox

This toolbox ( BPSToolbox.zip ) provides additional functions voor building physics and systems calculations (See bpstoolslist.m for present tools)

HAMSYS  (Heat, Air and Moisture building SYStems simulation) is a collection SimuLink models for the simulation of fast (order ~seconds) response of building systems.  The SimuLink models are simulated using SFunctions.

Objectives

*HVAC equipment design

*Controller design

Files

The main part of the models are already included in the HAMBase file.  More models and developments can be found at the next webpage of the MatLab website:

http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/loadFile.do?objectId=4367&objectType=file

HAMDET  (Heat, Air and Moisture DETail simulation) is a collection of FemLab/SimuLink mfiles for detailed PDE based simulation of up to 3D geometries.

Objectives

*HAM simulation of (3D) building constructions

*Airflow simulation in rooms and around buildings

COMSOL (former FemLab) is evaluated as solver for building physics problems based on partial differential equations (PDEs). The subject is a 2D dynamic airflow problem modeled using Navier Stokes and buoyancy. Literature results are compared with FemLab simulations. All results show a very good agreement with measurements.  FemLab facilitates exporting models to Simulink. The solvers can be chosen from the standard solvers of SimuLink. In this example, the problem of a complex airflow model that needs a solver that is not present in the standard solver list of SimuLink is solved, by writing an S-function in which a FemLab mfile is called. FemLab is used for modeling 2D and 3D heat and moisture (ham) transport. FemLab is used for modeling a 2D thermal bridge problem. The SimuLink model ISE is used as a reference building model. For the coupling of the FemLab model, the standard export facility to SimuLink is used. The integrated model can be used to evaluate possible condensation problems at building constructions.

FemLab files (former COMSOL)

FemLabPDFandMfiles.zip
2DAnd3DMoistureTransport.pdf
2DAnd3DMoistureTransport.zip

COMSOL files

(2007 Nov) This files presents a first modeling guide and corresponding models for the modeling and simulation of up to full 3D dynamic Heat, Air & Moisture (HAM) transport in building constructions.

HAM Construction GUIDE version 1.0 (pdf)

HAM Construction files for COMSOL with MatLab (zip)

HAM Construction files for COMSOL 3.3 (zip)

(2008 Feb) HAMSTAD Benchmark no 1 Insulated roof:

Report (pdf)

All files including COMSOL & MatLab (zip)

(2008 April) HAM 2D With the A of Air.  This work presents a case study on the modeling and simulation of 2D heat and moisture transport with and without air movement for a building construction

Movies & Snapshots

COMSOL mph Files

COMSOL integrated into SimuLink files using SFunctions

paper (pdf)
COMSOL & SimuLink files

HAMOP  (Heat, Air and Moisture OPtimization)  is a collection of optimization models to be used at the  MatLab/SimuLink/FemLab environment including the MatLab  Optimization Toolbox. The models included a case study on an optimal operation of a complex power plant.

Objectives

*Design parameters optimization

*Optimal operation

Files

HAMOP.zip

HAMOP_doc1.pdf

GRAPHICS

M.H.J. Martens, contributed mfiles to get graphical output. It is possible to:
- plot data over time
- plot data in a Mollier diagram
- plot years, months and weeks
- compare data with demands for the indoor climate
- compare data with other data

Files

IndoorClimate.zip

instruction_guide_IndoorClimate.pdf

DiagramsII.zip

HAMLab Highlights

 Annex 41 (2004-2008) HAMLab is used one of the simulation tools for this project. The annex aims to acquire a better knowledge of the whole building heat, air and moisture balance and its effects on indoor environment, on energy consumption for heating, cooling, air humidification and air drying, and on the envelope's durability, and follows on from Annexes 14, 24 and 32.

Webpage:  http://www.kuleuven.ac.be/bwf/projects/annex41/index.htm

Model:  2D HAM with Wind Construction file for COMSOL 3.3 (zip)

ST2/ME2 files: Preliminary paper (pdf) ; the Comsol models (zip) and  the movies (zip)

ST1 Special assigment files: Preliminary paper (pdf) ; the Comsol 3.3 model (zip) and  the movies (zip)

Integrated Heat Air and Moisture Modeling and Simulation (2007, PhD thesis)

An overall objective of our work is to improve building and systems performances in terms of durability, comfort and economics. In order to predict, improve and meet a certain set of performance requirements related to the indoor climate of buildings, the associated energy demand, the heating, venting and air conditioning systems and the durability of the building and its interior, simulation tools are indispensable. 
In the field of heat, air and moisture transport in building and systems, much progress on the modeling and simulation tools has been established. However, the use of these tools in an integrated building simulation environment is still limited. Also a lot of modeling work has been done for energy related building systems, such as solar systems, heat pump systems and heat storage systems. Often, these models focus on the systems and not on the coupled problem of building and systems. 

This thesis presents the development and evaluation of an integrated heat, air and moisture simulation environment for modeling and simulating dynamic heat, air and moisture processes in buildings and systems. All models are implemented in the computational software package MatLab with the use of SimuLink and Comsol. The main advantages of this approach are: 
First, the simulation environment is promising in solving both time and spatial related multi-scale problems. 
Second, the simulation environment facilitates flexible linking of models. 
Third, the environment is transparent, so the implementation of models is relatively easy. It offers a way to further improve the usage and exchange of already developed models of involved parties.

More than 25 different heat, air and moisture related models are included in this work. Most of the models are successfully verified (by analytical solutions or by comparison with other simulation results) and/or validated (by experimental data). The use of the simulation environment regarding design problems is demonstrated with case studies.

Overall is concluded that the simulation environment is capable of solving a large range of integrated heat, air and moisture problems. Furthermore, it is promising in solving current modeling problems caused by either the difference in time constants between heating venting and air conditioning components and the building response or problems caused by the lack of building simulation tools that include 2D and 3D detail simulation capabilities. 
The case studies presented in this thesis show that the simulation environment can be a very useful tool for solving performance-based design problems.

Indoor climate and HVAC system design of Walloon Church in Delft (2003)

The project presents the characteristics of the Walloon Church in Delft (Netherlands) and a description of constraints for the indoor climate, giving criteria for the indoor air temperature and relative humidity with the focus on the preservation of the monumental organ. The setpoint operation of the HVAC system is evaluated by simulation using MatLab, FemLab and Simulink models. The next main model components are presented and combined in a single integrated SimuLink model: 1) a WaVo Simulink building model for simulating the indoor temperature and relative humidity, 2) a FemLab PDE model for simulating detailed dynamic moisture transport in the monumental wood (organ) and 3) a Simulink controller model. The building model is validated with measurements. The main advantage of the integrated model is that it directly simulates the impact of HVAC control setpoint strategies on the indoor climate and the organ. Two types of control strategies are discussed. The first type is a limited indoor air temperature changing rate. The second type is a limited indoor air relative humidity changing rate. Recommendations from international literature suggest that 1) a changing rate of 2 K/h will preserve the interior of churches and 2) a limited drying rate is important for the conservation of monumental wood. This preliminary study shows that a limitation of indoor air temperature changing rate of 2 K/h can reduce the peak drying rates by a factor 20 and a limitation of the relative humidity changing rate of 2 %/h can reduce the peak drying rates by a factor 50. The second strategy has the disadvantage that the heating time is not constant.

Reference: Van Schijndel, A.W.M. et all, 2003, Optimal setpoint operation of the climate control of a monumental church, Proc. of 2TH Int.Conf. on research in building physics, Leuven, pp 777-784

Application of FemLab for building physics problems (2003)

The software package FemLab is evaluated as solver for building physics problems based on partial differential equations (PDEs). The software is designed to simulate systems of coupled PDEs, 1D, 2D or 3D, non-linear and time dependent. An important feature of FemLab is that the user can focus on the model (PDE coefficients on the domain and boundary) and does not have to spend much time on solving and visualization.  In order to show this feature and give an example of the working of the  program, the complete code for solving as well as the results are given for a simple 2D steady state heat transfer problem. The reliability is tested for two very different building physics problems:  A 2D dynamic airflow problem, modeled using Navier Stokes and buoyancy, and a 1D dynamic non-linear moisture transport in a porous material. These simulation results are validated and show a good agreement with measurements. FemLab's capability of simulating 3D problems is shown by a dynamic combined heat and moisture transport problem. This example is a 3D extension of a given 2D problem from IEA Annex 24.  For all models the crucial part of the code (geometry, PDEs and boundary specifications) are given. The FemLab software is written in the MatLab environment and therefore it is possible to use the visualization tools, toolboxes and all other programs written in MatLab. The conclusion of the evaluation is that FemLab is a very powerful and flexible environment for solving scientific and engineering building physics problems.

Reference: Van Schijndel, A.W.M.,  2003, Modeling and solving building physics problems with Femlab, Building and Environment, vol 38/2 pp 319-327