Fizyka Budowli a wymagania w zakresie charakterystyk użytkowych cz. IIcharakterystyk użytkowych cz. II

Dr inż. Aleksander PanekDr inż. Aleksander PanekWydział Inżynierii Środowiska

Politechnika Warszawska

Aplikacje Fizyki Budowli a wymagania budowlane

Cykl trzech wykładów:

Aplikacje Fizyki Budowli a wymagania budowlane

1. Komponenty budynku – definicje, metody, wymagania, trendy

2. Wybrane charakterystyki użytkowe budynku a wymagania2. Wybrane charakterystyki użytkowe budynku a wymagania

3. Budynek, energia i środowisko

Przygotowane na seminarium w Wojanowie na podstawie wyników projektu Przygotowane na seminarium w Wojanowie na podstawie wyników projektu STEP

Wybrane charakterystyki użytkowe budynku Wybrane charakterystyki użytkowe budynku a wymagania

Plan prezentacjiPlan prezentacji

Właściwości użytkoweEnergia związana z użytkownaiemEnergia związana z użytkownaiembudynkuWymagania energetyczneWymagania energetyczneMierzyć czy liczyćMetody obliczenioweMetody obliczenioweMetoda miesięcznaMetoda godzinowaWybrane właściwości metod Wybrane właściwości metod obliczeniowychWnioskiWnioski

Podziękowania Podziękowania

Z których prac czerpałem pełnymi garściamiZ których prac czerpałem pełnymi garściami

i wielu innym kolegom z innych uczelni

Właściwości lub charakterystyki użytkowe budynku obejmują Właściwości lub charakterystyki użytkowe budynku obejmują m.in..następujące zagadnienia:

Zagadnienia środowiskowe (globalnie)Zagadnienia środowiskowe (globalnie)� Zużycie energii,� Zużycie wody� Generowanie odpadów� Generowanie odpadów� Emisje

Zagadnienia zdrowotne (społeczne)Zagadnienia zdrowotne (społeczne)� Środowisko wewnętrzne� Otoczenie budynku • Środowisko – to m.in. oddziaływanie

budynku na środowiskoZagadnienia Ekonomiczne

� Koszty budowy i utrzymania� Dostępność

budynku na środowisko

• Gospodarka – m.in. zużycie zasobów naturalnych

Społeczeństwo – m.in. jakość środowiska � Dostępność� Skomunikowanie� Zużycie zasobów

• Społeczeństwo – m.in. jakość środowiska wewnętrznego

Można wyróżnić wiele właściwości użytkowych budynków.Można wyróżnić wiele właściwości użytkowych budynków.

Zintegrowana charakterystyka użytkowa obejmuje ponad 100 różnych cech nazywanych sub-kryteriami, kryteriami, różnych cech nazywanych sub-kryteriami, kryteriami, kategoriami , działami w zależności od celów klasyfikacji

Spośród wielu cech jedną z najważniejszych jest energia najważniejszych jest energia rozpatrywana w cyklu życia obiektu:

� Energia skumulowana w materiałach budowlanychmateriałach budowlanych

� Energia niezbędna do wzniesienia budynku

� Energia eksploatacyjna budynku � Energia eksploatacyjna budynku (ogrzewanie, chłodzenie, oświetlenie, napędy, wyposażenie, oświetlenie, napędy, wyposażenie, napraw, remontów i wymian)

� Energia rozbiórki , ponownego wykorzystania i zużyta w procesie odzysku

Energia jest ważnaEnergia jest wyodrębnionym rozpatrywanym podczas oceny oddziaływania budynków na środowisko. Emisje związane z procesami energetycznymi to 80% wszystkich emisji do powietrza. Odpowiadają one za najbardziej znaczące

Energia jest ważna

wszystkich emisji do powietrza. Odpowiadają one za najbardziej znaczące oddziaływania na środowisko m.in. zmiany klimatyczne, depozycję substancji zakwaszających, smog i stężenie cząstek pyłu.zakwaszających, smog i stężenie cząstek pyłu.

W ciągu życia budynku faza eksploatacji i użytkowania dominują w sensie czasu i zużycia energii. Około 85% oddziaływań na środowisko jest z nimi czasu i zużycia energii. Około 85% oddziaływań na środowisko jest z nimi związanych ale zależy od cyklu istnienia budynku (np. 20 czy 200 lat).

Energia zużywana w procesach użytkowania budynków to około 50% energii zużywanej w krajach rozwiniętych. Transport zwykle zużywa 30% energii, w tym 5% na transport materiałów budowlanych. Kolejne 5% to energia tym 5% na transport materiałów budowlanych. Kolejne 5% to energia zużywana w produkcji materiałów budowlanych. W sumie daje to około 10% energii skumulowanej w materiałach budowlanych.

Wymagania energetyczne, ocena energetyczna. Jaki wskaźnik wymagań przyjąć?Jaki wskaźnik wymagań przyjąć?

• Zapotrzebowanie na energię dla pomieszczeń• Zapotrzebowanie na energię dla pomieszczeń• Zapotrzebowanie na energię dla realizacji konkretnego procesu

(ogrzewanie, chłodzenie)Zapotrzebowanie na energię dla konkretnego systemu lub • Zapotrzebowanie na energię dla konkretnego systemu lub instalacji (wentylacja mechaniczna, klimatyzacja, centralne ogrzewanie)ogrzewanie)

• Zużycie energii do realizacji procesu• Energia dostarczona• Energia dostarczona• Energia końcowa• Energia użyteczna • Energia pierwotna• Energia pierwotna

Wymagania i metoda ich weryfikacji

Charakterystyki komponentówCharakterystyki komponentówCharakterystyki komponentówCharakterystyki komponentów, , , , współczynniki współczynniki współczynniki współczynniki ---- UUUU Straty ciepła Straty ciepła Straty ciepła Straty ciepła Energia netto na potrzeby Energia netto na potrzeby Energia netto na potrzeby Energia netto na potrzeby

ogrzewaniaogrzewaniaogrzewaniaogrzewania

Energia dostarczanaEnergia dostarczanaEnergia dostarczanaEnergia dostarczana Całkowite zużycie energii Całkowite zużycie energii Całkowite zużycie energii Całkowite zużycie energii Emisja COEmisja COEmisja COEmisja CO2222

COCO2

Obliczenia vs Pomiary

Jakie zużycie chcemy liczyć?Jakie zużycie chcemy liczyć?

• Ogrzewanie pomieszczeń • Ogrzewanie pomieszczeń • Chłodzenie pomieszczeń• Przygotowanie ciepłej wody• Przygotowanie ciepłej wody• Oświetlenie elektryczne• Regulacja wilgotności powietrza ?• Regulacja wilgotności powietrza ?• Zapewnienie czystości powietrza (np. szpitale) ?• Gotowanie ?• Gotowanie ?• Wyposażenie biurowe ?• ???• ???

W dalszej części wykładu przedstawiono dokładniej problemy związane z szacunkiem zapotrzebowania na energię eksploatacyjną a właściwie na cele szacunkiem zapotrzebowania na energię eksploatacyjną a właściwie na cele bytowe w celu wprowadzenia oceny jakości energetycznej budynku.

Obliczanie zapotrzebowania na energięObliczanie zapotrzebowania na energię

Granica bilansu:„Przestrzeń ogrzewana”QT

QS

Q „Przestrzeń ogrzewana”

Energia użytecznaQV

QT Qi

c,eQ Qh CO2WytwarzanieDystrybucja Magazy

nowanie

QgQsQd

Energia pierwotna

Dostawa

Energia końcowaGranica bilansu: „Budynek”

Narastanie niedokładności w procesie oceny

Pozyskanie ObliczeniaWarto ści

Narastanie niedokładności w procesie oceny

Pozyskanie danych

wejściowych

30 %

Obliczenia

10 %

Warto ści domy ślne

5 %Proces oceny30 % oceny

Nie

dokł

adno

ść

Nie

dokł

adno

Nie

dokł

adno

Wpływ ró żnych aspektów na dokładno ść oszacowania całosezonowego zu życia energii oszacowania całosezonowego zu życia energii

Wg danych holenderskich !!!

Pomiary

• Można stosować tylko w odniesieniu do budynków istniejących,

Pomiary

• Można stosować tylko w odniesieniu do budynków istniejących,• Wiarygodne wyniki daje dopiero pomiar uśredniony z kliku lat,• Pomiar może bardzo silnie fałszować wyniki w budynkach nie

użytkowanych,użytkowanych,• Pomiar jest możliwy tylko w przypadku wybranych źródeł energii

(energia elektryczna, gaz, ciepło sieciowe) w przypadku węgla, drewna, LPG zużycie bazowałoby na zadeklarowanym przez drewna, LPG zużycie bazowałoby na zadeklarowanym przez właściciela,

• Pomiar jest bardzo silnie uzależniony od sposobu użytkowania • Pomiar jest bardzo silnie uzależniony od sposobu użytkowania budynku (metodyka przeliczająca zużycie na standardowe warunki użytkowania była by zbliżona do metodyki obliczeniowej),

• Dążenie do zaniżania zużycia energii mogłoby prowadzić do • Dążenie do zaniżania zużycia energii mogłoby prowadzić do ograniczania wymiany powietrza i problemów zdrowotnych mieszkańców oraz do zawilgocenia budynkówmieszkańców oraz do zawilgocenia budynków

• W przypadku budynków użyteczności publicznej oświetlenie musi posiadać odrębny podlicznik

A może jakość energetyczną istniejącego budynku można określić za pomocą pomiarów?A może jakość energetyczną istniejącego budynku można określić za pomocą pomiarów?

≠ + +≠ + +

Budynki biurowe – Szwecja wg STEM

kWh/m2

District heating etcElectric heating + heatpumpDistrict coolingElectric Cooling

Budynki biurowe – Szwecja wg STEM

kWh/m2

400,0

450,0

500,0

District coolingElectric CoolingElectric condensing coolingVentilationLightingPumpsPC

300,0

350,0

400,0 PCMainfraim/serverPrinterCopierCompressed airSmall kitchenKitchen

Średnia

202 kWh/m2

150,0

200,0

250,0KitchenLiftWashing machineCar heaterOther

202 kWh/m2

50,0

100,0

150,0

-50,0

0,0

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121

Dostarczyła uzasadnienie wprowadzenia Dostarczyła uzasadnienie wprowadzenia nowych wymagań pozostawiając

Krajom Członkowskim wybór sposobu ich Krajom Członkowskim wybór sposobu ich wdrożenia

Ewolucja wymagań w Polsce – budynki wielorodzinne –Ewolucja wymagań w Polsce – budynki wielorodzinne –porównanie uśrednione

do 1966 1967-1985 1985 - 1992do 1966240-350 kWh/m2 r

1967-1985

240-280 kWh/m2 r

1985 - 1992160-200 kWh/m2 r

??1993-1997

120-160 kWh/m2 r

po 1998 -2008

90 -120 kWh/m2 r

po 2008

Odnoszenie ocenianych budynków do

budynków referencyjnychbudynków referencyjnych

Sposób 1Sposób 2

Sposób 1Sposób 2

WZE =WZE =

Wymagania energetyczne, ocena energetyczna Wymagania energetyczne, ocena energetyczna W Polsce wybrano wymagania mieszane dla komponentów budynku i energię

pierwotną weryfikowane obliczeniowo

1) W budynkach mieszkalnych do ogrzewania i wentylacji oraz przygotowania

ciepłej wody użytkowej (EPH+W) w ciągu roku:

a) dla A/Ve ≤ 0,2; EPH+W = 73 + ∆EP; [kWh/(m2 · rok)],a) dla A/Ve ≤ 0,2; EPH+W = 73 + ∆EP; [kWh/(m · rok)],b) dla 0,2 ≤ A/Ve ≤ 1,05; EPH+W = 55 + 90 · (A/Ve + ∆EP; [kWh/(m2 · rok)],c) dla A/Ve ≥ 1,05; EPH+W = 149,5 + ∆EP; [kWh/(m2 · rok)]

2) W budynkach mieszkalnych do ogrzewania, wentylacji i chłodzenia oraz

przygotowania ciepłej wody użytkowej (EPHC+W) w ciągu roku:

EPHC+W = EPH+W + (5 + 15 · Aw,e/Af) (1 - 0,2 · A/Ve) · Af,c/Af; [kWh/(m2 · rok)]HC+W H+W w,e f e f,c f

3) W budynkach zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej i produkcyjnych

do ogrzewania, wentylacji i chłodzenia oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej i

oświetlenia wbudowanego (EP ) w ciągu roku:oświetlenia wbudowanego (EPHC+W+L) w ciągu roku:

EPHC+W+L = EPH+W + (10 + 60 · Aw,e/Af) (1 - 0,2 · A/Ve) · Af,c/Af; [kWh/(m2 · rok)]

LUBLp. Rodzaj przegrody i temperatura w pomieszczeniu

Współczynnik przenikania ciepła

U(max)

[W/(m2 ·K)] 1 2 3

1 Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym,

Lp. Rodzaj przegrody i temperatura w pomieszczeniu

Współczynnik przenikania ciepła

U(max)

[W/(m2 ·K)] 1 2 3

1 Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym,

LUB

1 Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym, niezależnie od rodzaju ściany):

a) przy ti > 16°C 0,30

b) przy ti ≤ 16°C

0,80

2 Ściany wewnętrzne pomiędzy pomieszczeniami ogrzewanymi a nieogrzewanymi, klatkami schodowymi lub korytarzami

1,00

1 Ściany zewnętrzne (stykające się z powietrzem zewnętrznym, niezależnie od rodzaju ściany):

a) przy ti > 16°C 0,30 b) przy ti ≤ 16°C 0,65

2 Ściany wewnętrzne między pomieszczeniami ogrzewanymi a klatkami schodowymi lub korytarzami

3,00*)

nieogrzewanymi, klatkami schodowymi lub korytarzami

3 Ściany przyległe do szczelin dylatacyjnych o szerokości:

a) do 5 cm, trwale zamkniętych i wypełnionych izolacją cieplną na głębokości co najmniej 20 cm

b) powyżej 5 cm, niezależnie od przyjętego sposobu zamknięcia i zaizolowania szczeliny

1,00

0,70

4 Ściany nieogrzewanych kondygnacji podziemnych bez wymagań

3 Ściany przylegające do szczelin dylatacyjnych o szerokości: a) do 5 cm, trwale zamkniętych i wypełnionych izolacją cieplną

na głębokość co najmniej 20 cm

3,00 b) powyżej 5 cm, niezależnie od przyjętego sposobu zamknięcia

i zaizolowania szczeliny

0,70 bez wymagań

5 Dachy, stropodachy i stropy pod nieogrzewanymi poddaszami lub nad przejazdami:

a) przy ti > 16°C 0,25 b) przy 8°C < ti ≤ 16°C 0,50

6 Stropy nad piwnicami nieogrzewanymi i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi, podłogi na gruncie

0,45

4 Ściany nieogrzewanych kondygnacji podziemnych bez wymagań

5 Dachy, stropodachy i stropy pod nieogrzewanymi poddaszami lub nad przejazdami:

a) przy ti > 16°C 0,25 b) przy 8°C < ti ≤ 16°C 0,50

podpodłogowymi, podłogi na gruncie 0,45

7 Stropy nad ogrzewanymi kondygnacjami podziemnymi bez wymagań

8 Ściany wewnętrzne oddzielające pomieszczenie ogrzewane od nieogrzewanego

1,00

ti – Temperatura obliczeniowa w pomieszczeniu zgodnie z § 134 ust. 2 rozporządzenia.

6 Stropy nad nieogrzewanymi kondygnacjami podziemnymi i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi, posadzki na gruncie

0,45

7 Stropy nad piwnicami ogrzewanymi bez wymagań

ti – Temperatura obliczeniowa w pomieszczeniu zgodnie z § 134 ust. 2 rozporządzenia.

*) Jeżeli przy drzwiach wejściowych do budynku nie ma przedsionka, to wartość współczynnika U ściany wewnętrznej przy klatce schodowej na parterze nie powinna być większa niż 1,0 W/(m2· K). ti – Temperatura obliczeniowa w pomieszczeniu zgodnie z § 134 ust. 2 rozporządzenia.

klatce schodowej na parterze nie powinna być większa niż 1,0 W/(m · K).

Budynek mieszkalny Budynek użyteczności publicznej

Metody obliczenioweMetody obliczeniowePodział ze względu na krok obliczeniowy:

• Metody roczne,• Metody miesięczne,

Podział ze względu na krok obliczeniowy:

• Metody miesięczne,• Metody godzinowe,

Podział ze względu na dynamikę cieplną budynku:

• Metody statyczne,• Metody quasi-dynamiczne,• Metody quasi-dynamiczne,• Metody dynamiczne,

Metody obliczenioweMetody obliczeniowePopularne metody wyznaczania zapotrzebowania na ciepło i chłód:

• roczne metody bilansowe – (stopniodni)

i chłód:

• roczne metody bilansowe – (stopniodni)• quasi-statyczne metody bilansowe miesięczne (PN-B-02025),• quasi-statyczne miesięczne metody bilansowe (PN EN ISO -

13790-2008) ,13790-2008) ,• uproszczone metody godzinowe dynamiki cieplnej budynków

(PN EN ISO - 13790-2008) ,(PN EN ISO - 13790-2008) ,• pełne symulacje dynamiki cieplnej budynku.

Dane wejściowe do obliczeń dla Dane wejściowe do obliczeń dla każdej z metodkażdej z metod

Dane obliczane jednokrotnie:

• Współczynniki strat ciepła przez przegrody nieprzezroczyste,

• Współczynniki strat ciepła dla przegród przezroczystych,• Współczynniki strat ciepła dla przegród przezroczystych,• Współczynniki przejmowania ciepła od powierzchni

wewnętrznych,wewnętrznych,• Parametry dynamiki cieplnej analizowanego budynku

Dane wejściowe do obliczeńDane wejściowe do obliczeń

Dane obliczane dla każdego kroku czasu:

• Strumień ciepła promieniowania słonecznego,• Strumień ciepła promieniowania długofalowego,• Strumień wewnętrznych zysków ciepła,• Strumień wewnętrznych zysków ciepła,

Parametry zmienne:Parametry zmienne:

• Temperatura powietrza zewnętrznego,• Temperatura powietrza nawiewanego,• Temperatura powietrza nawiewanego,• Wymagane temperatury ogrzewania i chłodzenia strefy,

Budowa modeli obliczeniowychBudowa modeli obliczeniowychModuł bilansu energii

Przegrody Bilans energii powietrza Przegrody zewnętrzne

Bilans energii powietrza strefy Przegrody wewnętrzne

Moduł meteo

Dynamika cieplna

Harmonogramy Materiały

Konstrukcja Wewnętrzne zyski ciepła Strefy

Dane meteoro- Dane

Typowe przebiegi Dane Wentylacja

Promieniowanie słonecznemeteoro-

logiczne

Dane materiało

we

przebiegi Dane geometryc

zne

e słoneczne

Dane

Metoda bilansowa -miesięcznaMetoda bilansowa -miesięczna

Zapotrzebowanie na ciepłoZapotrzebowanie na ciepło

Zyski ciepła w

QQQQ ⋅−== ηOgrzewanie:

Zyski ciepła w stanie ustalonym:

gnHgnHhtHcontndHndH QQQQ ,,,,,, ⋅−== ηStraty ciepła w stanie ustalonym:

Współczynnik wykorzystania wykorzystania zysków ciepła

Zapotrzebowanie na chłódZapotrzebowanie na chłódChłodzenie:Chłodzenie:

Straty ciepła w stanie ustalonym:

htClsCgnCcontndCndC QQQQ ,,,,,, ⋅−== ηstanie ustalonym:

htClsCgnCcontndCndC QQQQ ,,,,,, ⋅−== ηZyski ciepła w stanie ustalonym: Współczynnik stanie ustalonym: Współczynnik

wykorzystania zysków/strat ciepłazysków/strat ciepła

Współczynniki wykorzystania zysków / strat Współczynniki wykorzystania zysków / strat

ciepła ciepła ciepła ciepła

Parametry zależne od pojemności cieplnej gnH ,ηlsC ,η

Parametry zależne od pojemności cieplnej przestrzeni o regulowanej temperaturze

gnH ,ηlsC ,

gnH ,η

Współczynniki wykorzystania zysków / Współczynniki wykorzystania zysków / strat ciepła

LegendaLegenda1 stała czasowa 8 h (mała bezwładność)

2 stała czasowa 1 d

3 stała czasowa 2 d

4 stała czasowa 7 d 4 stała czasowa 7 d

5 stała czasowa równa nieskończoności (duża bezwładność)

Współczynnik wykorzystania strat ciepła

Legenda

Współczynnik wykorzystania strat ciepła

Legenda1 stała czasowa 8 h (mała bezwładność)

2 stała czasowa 1 d

3 stała czasowa 2 d

4 stała czasowa 7 d 4 stała czasowa 7 d

5 stała czasowa równa nieskończoności (duża bezwładność)

Wartości parametru numerycznego, Wartości parametru numerycznego, aH,0 (aC,0) i stałej czasowej odniesienia,

τ (τ ) na postawie PN-EN ISO τH,0 (τC,0) na postawie PN-EN ISO 13790:2009 13790:2009

Typ metody a (a ) τ (τ )Typ metody aH,0 (aC,0) τH,0 (τC,0)

Miesięczna metoda obliczeń 1,0 15

Sezonowa metoda obliczeń 0,8 30Sezonowa metoda obliczeń 0,8 30

Wartości a0 i τ0 mogą być też podane na poziomie krajowym.Wartości a0 i τ0 mogą być też podane na poziomie krajowym.

Opracowanie krajowych danych

referencyjnych a i ττττ (przykład Grecji)864 budynków biurowych 192 budynków handlowych

576 hoteli 384 szpitali

referencyjnych a0 i ττττ0 (przykład Grecji)

Variable a for Office Buildings CLIMATIC ZONE C

y = -0.002x + 0.17380.25

0.3

Variable a for Commercial Buildings CLIMATIC ZONE C

y = -0.0025x + 0.1605

0.2

0.25

576 hoteli 384 szpitali

y = -0.002x + 0.1738

0.05

0.1

0.15

0.2

Var

iabl

e a

0.05

0.1

0.15

Var

iabl

e a

0

0 5 10 15 20 25Time Constant τ

0

0 5 10 15 20 25Time Constant τ

Variable a for Accommodation Buildings CLIMATIC ZONE C

y = -0.0016x + 0.22450.3

0.35

Variable a for Hospital Buildings CLIMATIC ZONE C

y = 8E-05x + 0.1202

0.25

y = -0.0016x + 0.2245

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Var

iabl

e a

y = 8E-05x + 0.1202

0.05

0.1

0.15

0.2

Var

iabl

e a

0

0 5 10 15 20 25

Time Constant τ

0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0Time Constant τ

Zmniejszono rozbieżności pomiędzy metodą miesięczną a dokładną (TRANSYS) do ok. 5-10%

Stała czasowa przestrzeni o regulowanej

temperaturzetemperaturze

Wewnętrzna pojemność cieplna przestrzeni o regulowanej Wewnętrzna pojemność cieplna przestrzeni o regulowanej temperaturze [J/K] – zawiera pojemność cieplną przegród zewnętrznych i wewnętrznych.zewnętrznych i wewnętrznych.

Skorygowany zastępczy Skorygowany zastępczy Skorygowany zastępczy współczynnik strat ciepła przez przenikanie [W/K].

Skorygowany zastępczy współczynnik strat ciepła przez wentylację [W/K].

Pojemność cieplnaPojemność cieplna

Pole powierzchni elementu budynku [m2].

Powierzchniowa pojemność cieplna -Iloczyn gęstości, ciepła właściwego i budynku [m2].Iloczyn gęstości, ciepła właściwego i grubości materiału [J/m2K].

Tabela 11— Maksymalna grubo ść do rozpatrywania do wewn ętrznej pojemno ści cieplnej

Maksymalna grubo ść Zastosowanie

Maksymalna grubo ść

M

Określenie czynnika wykorzystania zysków lub strat (okres wahań: 1 d)

0,10

Pojemność cieplna

Tabela 1 — Warto ści zast ępcze parametrów dynamicznych

Metoda miesi ęczna i Prosta metoda godzino wa

Klasa a

Metoda miesi ęczna i sezonowa Prosta metoda godzino wa

Cm Am Cm

J/K b m2 J/K J/K b m2 J/K

Bardzo lekka 80 000 × Af 2,5 × Af 80 000 × Af

Lekka 110 000 × Af 2,5 × Af 110 000 × Af f f f

Średnia 165 000 × Af 2,5 × Af 165 000 × Af

Ciężka 260 000 × Af 3,0 × Af 260 000 × Af

Bardzo ciężka 370 000 × Af 3,5 × A 370 000 × A Bardzo ciężka 370 000 × Af 3,5 × Af 370 000 × Af

a Może być sprecyzowana na poziomie krajowym. B Patrz dyskusja w Rozdziale G.7 na temat, czy wymagana czy też nie jest wymagana korekta do wewnętrznej pojemności cieplnej dla metody miesięcznej i sezonowej, biorąca pod uwagę wewnętrznej pojemności cieplnej dla metody miesięcznej i sezonowej, biorąca pod uwagę współczynnik przejmowania ciepła.

Jerzy.Sowa@is.pw.edu.pl

Prosta metoda godzinowaProsta metoda godzinowa

Rozwiązanie numeryczne jednowęzłowego

modelu budynkumodelu budynku

Po podstawieniu równania różniczkowego modelu budynku o Po podstawieniu równania różniczkowego modelu budynku o skupionej pojemności cieplnej do metody numerycznej otrzymujemy równanie:

Po przekształceniu równania i przyjęciu kroku czasu równego 1 godzinie czyli 3600 s otrzymuje się zależność:godzinie czyli 3600 s otrzymuje się zależność:

Wyznaczanie niezbędnej mocy

ogrzewania/chłodzeniaogrzewania/chłodzenia

Dla każdej godziny wyznacza się temperaturę powietrza Dla każdej godziny wyznacza się temperaturę powietrza wewnętrznego przy wewnętrznego przy braku mocy cieplnejbraku mocy cieplnej dostarczanej do strefy dostarczanej do strefy wewnętrznego przy wewnętrznego przy braku mocy cieplnejbraku mocy cieplnej dostarczanej do strefy dostarczanej do strefy oraz przy dostarczanej mocy cieplnej oraz przy dostarczanej mocy cieplnej 10 W/10 W/mm22 ..

Moc dostarczanado strefydo strefy

10 W/m2Wymagana temperaturapowietrza wewnętrznego

0

10 W/m powietrza wewnętrznego

Obliczona temperaturapowietrza wewnętrznego

0

Porównanie metodPorównanie metod

• Metoda godzinowa – używa się godzinowych harmonogramów godzinowych harmonogramów wykorzystania, schematów czasowych itp. , a wyniki całkowane czasowych itp. , a wyniki całkowane są po czasie (sumowane dla wszystkich godzin 8760)wszystkich godzin 8760)

• Metoda miesięczna - stosuje się uśrednione dane wejściowe (aby to wykonać poprawnie wymagany jest wykonać poprawnie wymagany jest dość duży wkład pracy ~ 720 godzin w miesiącu), a wyniki sumowane są w miesiącu), a wyniki sumowane są po miesiącach (12)

Parametry wilgotnościowe powietrzaParametry wilgotnościowe powietrzaParametry wilgotnościowe powietrzaParametry wilgotnościowe powietrza

Procedury obliczeń w normie PN-EN ISO 13790:2009 sąograniczone jedynie do jawnego ciepła i chłodu, co oznacza, że nieograniczone jedynie do jawnego ciepła i chłodu, co oznacza, że niesą brane pod uwagę ani procesy nawilżania ani osuszaniapowietrza.powietrza.

Zużycie energii na nawilżanie powietrza i osuszanie jest obliczane wnormach związanych.normach związanych.

Pomijanie w analizach zużycia ciepła utajonego prowadzi do bardzoPomijanie w analizach zużycia ciepła utajonego prowadzi do bardzodużych błędów. Jednocześnie zużycie energii na te cele jest bardzosilnie uzależnione nie tylko od przyjętego zakresu regulacjisilnie uzależnione nie tylko od przyjętego zakresu regulacjiparametrów wilgotnościowych powietrza, ale także od samegorodzaju instalacji klimatyzacyjnej.

Obliczenia godzinowe uwzględniające także wentylację mechaniczną i klimatyzacjęmechaniczną i klimatyzację

Metoda 6R1C+AHUMetoda 6R1C+AHU

Konieczność WalidacjiKonieczność Walidacji

Software symulacyjny

BESTESTBESTEST

• Tests 600, 620, 640, 650 – budynek lekki• Tests 600, 620, 640, 650 – budynek lekki

• Tests 900, 920, 940, 950 – budynek ciężkicapacitycapacity •Test 600, 900 – okna niezacienione

południowe,

•Test 620, 900 – okna niezacienione •Test 620, 900 – okna niezacienione na wschód i zachód,

•Test 640, 940 – takie same jak 600 i

Rzut izometryczny – Test 600

900 z termostatem,

•Test 650, 950 – takie same jak 600 i900 z termostatem i sterowaniem

Klimat: Denver, USA

900 z termostatem i sterowaniem wentylacją

Porównano wyniki z następującymi programami symulacyjnymi: ESP, BLAST, DOE 2, Porównano wyniki z następującymi programami symulacyjnymi: ESP, BLAST, DOE 2, SRES/SUN, SERIRES, S3PAS, TRNSYS and TASE

BESTEST Rezultaty weryfikacji 6R1C + AHU

Annual energy use for heating Annual energy use for cooling Minimum Maximum Average 6R1C Minimum Maximum Average 6R1C Case

MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh 600 4,296 5,709 5,090 4,599 6,137 7,964 6,832 6,526 600 4,296 5,709 5,090 4,599 6,137 7,964 6,832 6,526 620 4,613 5,944 5,407 5,278 3,417 5,004 4,218 5,139 640 2,751 3,803 3,207 2,773 5,952 7,811 6,592 6,526 650 0,000 0,000 0,000 0,000 4,816 6,545 5,482 5,569 900 1,170 2,041 1,745 1,564 2,132 3,415 2,678 2,764 920 3,313 4,300 3,973 3,489 1,840 3,092 2,552 2,998 940 0,793 1,411 1,160 0,854 2,079 3,241 2,578 2,764 950 0,000 0,000 0,000 0,000 0,387 0,921 0,605 1,752 950 0,000 0,000 0,000 0,000 0,387 0,921 0,605 1,752

Większość testów metody 6R1C+AHU przeszło weryfikację BESTEST–Większość testów metody 6R1C+AHU przeszło weryfikację BESTEST–jedynie test 950 w przypadku chłodzenia nie przeszedł – wymaga to dalszych badań.

Testy 610, 630, 910 nie zostały przeprowadzone gdyż model 6R1C+AHU Testy 610, 630, 910 nie zostały przeprowadzone gdyż model 6R1C+AHU nie zawiera analizy zacienienia.

Profile użytkowania a zależność A/V

40,0

42,0

44,0

nik

sezo

now

ego

zapo

trzeb

owan

ia n

a en

ergi

ę d

o og

rzew

ania

E [k

Wh/

(m3r

ok)] 12,0

14,0

16,0

nik

sezo

now

ego

zapo

trzeb

owan

ia n

a en

ergi

ę d

o ch

łodz

enia

E [k

Wh/

(m3r

ok)]

Profile użytkowania a zależność A/V

34,0

36,0

38,0

40,0

źni

k se

zono

weg

o za

potrz

ebow

ania

na

ener

gię

ogrz

ewan

ia E

[kW

h/(m

3rok

)]

8,0

10,0

12,0

źni

k se

zono

weg

o za

potrz

ebow

ania

na

ener

gię

chło

dzen

ia E

[kW

h/(m

3rok

)]

28,0

30,0

32,0

Wsk

aźni

k se

zono

weg

o za

potrz

ebow

ania

na

ener

giog

rzew

ania

E [k

Wh/

(m3r

ok)]

2,0

4,0

6,0

Wsk

aźni

k se

zono

weg

o za

potrz

ebow

ania

na

ener

gich

łodz

enia

E [k

Wh/

(m3r

ok)]

26,0

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

A/V

Metoda bilansowa

Audytor OZC

TRNSYS

0,0

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

A/V

Metoda bilansowa

TRNSYSTRNSYS

Maksymalna wymagana wartość wskaźnika

Audytor OZC profile użytkowania zyski na m2

TRNSYS profile użytkowania zyski na m2

Metoda godzinowa profile użytkowania zyski na m2

TRNSYS profile użytkowania

Metoda godzinowa profile użytkowania

TRNSYS

TRNSYS profile użytkowania zyski na m2

Metoda godzinowa profile użytkowania zyski na m2

TRNSYS profile użytkowania

E wg arkuszy metoda godzinowa harmonogramMetoda godzinowa profile użytkowania E wg arkuszy metoda godzinowa harmonogram

Ogrzewanie Chłodzenie

Wartości parametru numerycznego, aH,0 (aC,0) i stałej Wartości parametru numerycznego, aH,0 (aC,0) i stałej czasowej odniesienia, τH,0 (τC,0) na postawie PN-EN

ISO 13790:2009OgrzewanieOgrzewanie

TRNSYS

monthlyTRNSYSn

k Q

QQ

ne

−⋅= ∑

=1

%1001

08

16

-40,00%

-35,00%

-30,00%

-25,00%

-20,00%

-15,00%

-10,00%

a0 [-]

ΔQ

[%

]

Chłodzenie

-10,00%

-5,00%

0,00%

5,00%

10,00%

ΔQ

[%

]

τ0 [h] 0

816

-100,00%

-80,00%

-60,00%8

16-40,00%

-20,00%

0,00%

20,00%

40,00%

a0 [-]

ΔQ

[%

]

a0=2 40,00%

τ0 [h] a0=2 τ0=50

Lepiej czy gorzejLepiej czy gorzej

160

Porównanie wymagań –tylko ogrzewanie

100

120

140

60

80

100

Ty

tuł

osi

Eknowewt

Ekstarewtη=0,909h=2,8

20

40h=2,8wi=1,2

0

0,0

1

0,0

7

0,1

3

0,1

9

0,2

5

0,3

1

0,3

7

0,4

3

0,4

9

0,5

5

0,6

1

0,6

7

0,7

3

0,7

9

0,8

5

0,9

1

0,9

7

1,0

3

1,0

9

1,1

5

1,2

1

1,2

7

1,3

3

1,3

9

Mostki cieplne w obliczeniach a wymaganiaMostki cieplne w obliczeniach a wymagania

Wartość graniczna EP na ogrzewanie zgodnie z obowiązującymi Warunkami Wartość graniczna EP na ogrzewanie zgodnie z obowiązującymi Warunkami Technicznymi dla budynku wielorodzinnego wynosi 96,94 a dla budynku jednorodzinnego 144 kWh/m2/rok. Jeśli porównamy wartość 96,94 z obliczeniami uwzględniającymi mostki cieplne to zauważymy, że nawet dla budynku idealnie zaprojektowanego nie możemy spełnić wymagania budynku idealnie zaprojektowanego nie możemy spełnić wymagania energetycznego! Wszystkie wartości EP są większe niż 96,94, a uwzględnianie mostków cieplnych tylko powiększa tę różnicę. Odwrotny wniosek można sformułować dla budynku jednorodzinnego, wszystkie wartości EP (obliczenia sformułować dla budynku jednorodzinnego, wszystkie wartości EP (obliczenia dokładne) i (obliczenia uproszczone) są mniejsze niż 144.

Zgodność wymagań dla komponentów z Zgodność wymagań dla komponentów z wymaganiami użytkowymi

36,0

38,040,0 Obliczenia E

w ariant 1 Obliczenia E

30,032,0

34,036,0

E [k

Wh/

m3r

ok]

Obliczenia Ew ariant 2Obliczenia Ew ariant 3Obliczenia Eaktualne

22,0

24,026,0

28,0

A/V [1/m]

E [k

Wh/

m3r

ok]

aktualne WymaganiaEmax

20,022,0

0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20

A/V [1/m]

Korekcja klimatycznaKorekcja klimatyczna

Q = a * ΔT – b * I – cQCSI;H;loc = aH* ΔTi,e;H;loc – bH * Isol;H;loc – cH

• Jak obliczyć aH, bH and cH?

QCSI;H;loc = Htr+v * ΔTi,e;H;loc – Σ(Agl*ggl) * Isol;H;loc – Qint QCSI;H;loc = Htr+v * ΔTi,e;H;loc – Σ(Agl*ggl) * Isol;H;loc – Qint

• Htr+v , Σ(Agl*ggl) i Qint dla wybranego obiektu • Htr+v , Σ(Agl*ggl) i Qint dla wybranego obiektu lub klasy obiektów

Jak uwzględnić ogrzewanie i chłodzenie?Jak uwzględnić ogrzewanie i chłodzenie?Chcemy określić zależność zużycia energii końcowej od warunków klimatycznych.klimatycznych.

Jak zdefiniować współczynnik korekcji klimatycznej? Jako jeden współczynnik dla ogrzewania i chłodzenia czy jako dwa osobne współczynniki.

– Poprzez sumowanie CSIH, CSIC, etc.? : CSI = CSI + CSI ??CSItot = CSIH + CSIC ??

– Nie jeśli skale są normalizowane niezależnie.

– Np.: Warszawa miałaby: CSI = 1 + 1 , podczas gdy – Np.: Warszawa miałaby: CSItot = 1 + 1 , podczas gdy wiemy, że „obciążenie” ogrzewaniem CSIH jest większe niż chłodzeniem. A może CSIchłodzeniem. A może

CH

H

CSICSI

CSI

+

Identyfikacja parametrów Identyfikacja parametrów • Założenia:• Założenia:

– Typowe wartości A*U-zmieniają się w zakresie: 300 <-> 150 W/K:

aH

zakresie: 300 <-> 150 W/K:

� aH = 300 – 5 * ΔTi,e;H;loc

– Typowe wartości zmieniają się w zakresie :

ΔTi,e;H;loc

– Typowe wartości zmieniają się w zakresie :

� bH = 12 – 0,02 * Isol;loc

– Typowe wewnętrzne zyski przyjmujemy stałe – Typowe wewnętrzne zyski przyjmujemy stałe � CH = 800

bH

Isol

H

Współczynnik korekcji klimatycznej - przykład

Country City CSI_H CSI_C CSI_T

Współczynnik korekcji klimatycznej - przykład

Country City CSI_H CSI_C CSI_T BE Brussels 1,00 0,00 1,00 CZ Prague 1,16 0,02 1,17 DE Berlin 1,14 0,02 1,16 DE Berlin 1,14 0,02 1,16 DK Copenhagen 1,13 0,00 1,13 ES Madrid 0,52 0,44 0,96 ES Madrid 0,52 0,44 0,96 FI Helsinki 1,57 0,00 1,57 FR Paris 0,84 0,06 0,89 IT Rome 0,40 0,45 0,85 IT Rome 0,40 0,45 0,85 NL De Bilt 1,00 0,00 1,00 NO Oslo 1,47 0,00 1,47 NO Oslo 1,47 0,00 1,47 PL Warsaw 1,34 0,00 1,34

WNIOSKIWNIOSKI

Pojawienie się normy PN-EN ISO 13790:2009 w języku polskimmoże stanowić bardzo dobry impuls do poprawy polskichmoże stanowić bardzo dobry impuls do poprawy polskichrozwiązań w dziedzinie określania całorocznego zużycia energii wbudynkach.budynkach.

Standard ten może mieć bardzo duże znaczenie edukacyjne dlawielu specjalistów stosujących wcześniej jedynie uproszczonewielu specjalistów stosujących wcześniej jedynie uproszczonemetodyki obliczania zużycia energii w budynkach

Stopień skomplikowania normy, jej wariantowość oraz silneStopień skomplikowania normy, jej wariantowość oraz silnesprzężenia z innymi normami ISO i CEN powodują, żewykorzystanie tej normy przez krajowy system prawawykorzystanie tej normy przez krajowy system prawabudowlanego wymagało będzie bardzo starannego przygotowania

Na poziomie przygotowania aktów wykonawczych prawabudowlanego podstawowe decyzje będą dotyczyły precyzyjnegowyboru opcji obliczeń. Należałoby raz jeszcze zastanowić się czywyboru opcji obliczeń. Należałoby raz jeszcze zastanowić się czydla zaawansowanych technologicznie nowoczesnychklimatyzowanych budynków użyteczności publicznej metodyklimatyzowanych budynków użyteczności publicznej metodymiesięczne są wystarczająco dokładne.

W przypadku rozwiązań opcjonalnych, aby uzyskaćW przypadku rozwiązań opcjonalnych, aby uzyskaćjednoznaczne procedury obliczeniowe, należałoby takżeprecyzyjnie określić, w których miejscach wprowadza sięprecyzyjnie określić, w których miejscach wprowadza sięrozwiązania specyficzne dla Polski z w których przypadkachnależy stosować uproszczone, domyślne wartości podawanenależy stosować uproszczone, domyślne wartości podawaneprzez normę.

Biorąc pod uwagę liczbę i wagę koniecznych wyborów związanychz pełnym wdrożeniem Dyrektywy 91/2002 i jej RECAST a takżez pełnym wdrożeniem Dyrektywy 91/2002 i jej RECAST a takżewykozrzystania normy PN-EN ISO 1379:2009 nie powinny być onewynikiem prostych decyzji urzędniczych, ale powinny wynikać zwynikiem prostych decyzji urzędniczych, ale powinny wynikać zpogłębionej analizy wykonanej przy wykorzystaniu potencjałunaukowo-badawczego najlepszych ośrodków w Polsce.naukowo-badawczego najlepszych ośrodków w Polsce.

Dziękuję za uwagę i zapraszamdo odwiedzin strony STEPdo odwiedzin strony STEP

Aleksander PanekWydział Inżynierii ŚrodowiskaPolitechnika WarszawskaAleksander.panek@is.pw.edu.pl

Projekt STEPProjekt STEPwww.is.pw.edu.pl/step

Wsparcie udzielone przez Islandii, Liechtenstein i Norwegii poprzez Wsparcie udzielone przez Islandii, Liechtenstein i Norwegii poprzez Wsparcie udzielone przez Islandii, Liechtenstein i Norwegii poprzez Wsparcie udzielone przez Islandii, Liechtenstein i Norwegii poprzez dofinansowanie ze dofinansowanie ze dofinansowanie ze dofinansowanie ze śśśśrodkrodkrodkrodków Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru w Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru w Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru w Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu FinansowegoGospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu FinansowegoGospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu FinansowegoGospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu Finansowego