MARCIN FURTAK, MAŁG

PROJEKTOWANIE BUDYNKOPTYMALIZACJI WIELOK

BUILDINGS DESIGNING

S t r e s z c z e n i e

W artykule przedstawiono modo oceny jakości energetycznej projektowanego budynku jednorodzinnego. Zaproponowano nowe ujwspółpracy architekta z inwestorem, bazujrze rozwiązań projektowych.dzinnym mieszkalnym zaprojektowanym w tradycyjny sposób a budynkiem o obniniu na energię. Określono ró

Słowa kluczowe: proces projektowania, optymalizacja wielokryterialna, budynek energooszczbudynek niskoenergetyczny

A b s t r a c t

The paper presents possibilities of making use of a tool such as multicriteria optimization to evaluate energy quality of a building designed cooperation was proposed, based on conscious, as far as energy evaluation is concerned, choice of design solutions. The example compares onea building in which energy demand is lowered. The difference in the costs of energy quality change of a building was defined.

Keywords: designing proces, multicriteria optimization, energy

∗ Dr arch. inż. Marcin Furtak

Budowlanych, Wydział Inż

MARCIN FURTAK, MAŁGORZATA FEDORCZAK-CISAK∗

PROJEKTOWANIE BUDYNKÓW Z WYKORZYSTANIEM OPTYMALIZACJI WIELOKRYTERIALNEJ

BUILDINGS DESIGNING WITH MULTICRITERIA OPTIMIZATION TOOL

W artykule przedstawiono możliwość wykorzystania narzędzia, jakim jest optymalizacja wieloci energetycznej projektowanego budynku jednorodzinnego. Zaproponowano nowe uj

współpracy architekta z inwestorem, bazujące na świadomym pod względem oceny energetycznej wybo projektowych. W przykładzie przedstawiono porównanie pomiędzy budynkiem jednoro

dzinnym mieszkalnym zaprojektowanym w tradycyjny sposób a budynkiem o obniżonym zapotrzebowaślono różnicę kosztów zmiany jakości energetycznej budynku.

proces projektowania, optymalizacja wielokryterialna, budynek energooszczbudynek niskoenergetyczny

The paper presents possibilities of making use of a tool such as multicriteria optimization to evaluate energy quality of a building designed for one family. New presentation of architect cooperation was proposed, based on conscious, as far as energy evaluation is concerned, choice of design

The example compares one-family residential building designed in a traditional waa building in which energy demand is lowered. The difference in the costs of energy quality change of

designing proces, multicriteria optimization, energy-saving building, low-energy building

. Marcin Furtak; dr inż. Małgorzata Fedorczak-Cisak, Instytut Materiałów i Konstrukcji

Budowlanych, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska.

ÓW Z WYKORZYSTANIEM

WITH MULTICRITERIA

jest optymalizacja wielokryterialna ci energetycznej projektowanego budynku jednorodzinnego. Zaproponowano nowe ujęcie

dem oceny energetycznej wybo-dzy budynkiem jednoro-

onym zapotrzebowa-

proces projektowania, optymalizacja wielokryterialna, budynek energooszczędny,

The paper presents possibilities of making use of a tool such as multicriteria optimization to evaluate for one family. New presentation of architect – contractor

cooperation was proposed, based on conscious, as far as energy evaluation is concerned, choice of design family residential building designed in a traditional way to

a building in which energy demand is lowered. The difference in the costs of energy quality change of

energy building

Instytut Materiałów i Konstrukcji

60

 

1. Wstęp

Jednym z głównych działań polityki Unii Europejskiej w ramach strategii zrównoważo-nego rozwoju w budownictwie jest ograniczenie zużycia energii (programy ramowe, fundu-sze strukturalne). Problem ten jest szczególnie istotny w sektorze komunalno-bytowym. Zużycie energii do ogrzewania budynków wciąż stanowi w Polsce znaczący procent cał-kowitego zużycia energii w kraju. Działania w tym obszarze, zarówno dotyczące termomo-dernizacji budynków istniejących, jak i tworzenia nowych projektów, należą do jednych z bardziej efektywnych.

W obszarze budynków nowo projektowanych wybór charakteru budynku ze względu na zużycie energii dokonywany jest już w fazie tworzenia założeń projektowych. Informacje na temat możliwości wyboru budynku o określonej energochłonności są coraz łatwiej dostępne przyszłym inwestorom (katalogi budynków energooszczędnych, pomoc architektów). Jednak wciąż brakuje popularyzacji wiedzy o tym jak wybór budynku o niższym zapotrzebowaniu na energię użytkową (niskoenergetyczne, pasywne), wpływa na koszty wstępne projektu oraz jakie oszczędności w porównaniu z użytkowaniem budynku standartowego przyniesie użytkownikowi podczas eksploatacji.

Rys. 1. Podział budynków z uwagi na wartość E

Fig. 1. Classification of buildings depending on E value

Proces projektowania opiera się głównie na współpracy architekta z inwestorem. Architekt musi brać pod uwagę oczekiwania klienta dotyczące koncepcji budynku, jed-nakże powinien również posiadać odpowiednią wiedzę dotyczącą wpływu wyboru po-szczególnych rozwiązań funkcjonalno-materiałowych na zużycie energii w projektowanym budynku. Świadomy wybór w tym obszarze ma bezpośredni wpływ na interes inwestora, czyli późniejsze koszty eksploatacyjne.

W procesie tworzenia projektu architekt powinien pokazać inwestorowi, jak zmiany w koncepcji wymarzonego projektu będą wpływały na koszty początkowe i koszty użyt-kowania oraz na aspekt ekologiczny związany ze zużyciem energii pierwotnej. Dzięki takim analizom wstępnym, a następnie wnioskom projektowym, powstaje w pełni przemy-ślana dokumentacja projektowa domu, która spełnia warunki budynku energooszczędnego,

61

 

niskoenergetycznego lub pasywnego (rys. 1), jednocześnie zapewniając optymalny komfort użytkowania mieszkańcom. Przede wszystkim zaś jest świadomym wyborem inwestora.

Oczywiście zadaniem projektanta nie jest przeprowadzanie symulacji komputerowych, czy rozwiązywanie problemów optymalnego kształtowania związane z ochroną cieplną budynku. Powinien natomiast mieć dostęp do zbioru informacji dotyczących projektowania ochrony cieplnej budynku. Dotyczy to decyzji w elementach procesu projektowania poka-zanych na rysunku 2. W tym zakresie podstawowe informacje dotyczące projektowania budynków niskoenergetycznych dostarczają wyniki symulacji komputerowych [5] czy też rozwiązania problemów optymalnego kształtowania tych budynków [2, 4].

Rys. 2. Ogólny schemat procesu projektowania

Fig. 2. General design scheme

W artykule zaprezentowano jak zmiana typowego projektu budynku jednorodzinnego na budynek niskoenergetyczny, przekłada zużycie energii końcowej i pierwotnej w obu przypadkach. Pokazano również, w jaki sposób zmiana wpływa na koszty wstępne spowo-dowane zmianą jakości energetycznej budynku. Transformacje zaproponowane do projektu są wynikiem analiz optymalizacji wielokryterialnej i wielopoziomowej, przedstawionej szczegółowo w pracy [2], dotyczącej oceny energetycznej jednorodzinnych budynków mieszkalnych.

62

 

2. Wykorzystanie optymalizacji wielokryterialnej i wielopoziomowej do projektowania budynków z uwagi na zużycie energii do ogrzewania

Jako metodę formułowania problemów optymalnego kształtowania jednorodzinnych niskoenergetycznych budynków mieszkalnych wykorzystano problem optymalizacji wielopoziomowej i wielokryterialnej. Szczegółowy zapis problemu przedstawiony jest w [2].

2.1. Sformułowanie problemu, metoda rozwiązania

Ogólne sformułowanie: Zadanie sformułowano jako problem optymalizacji dwukryterialnej Ki

( ) ( ) ( )min 1, 2im QK m K m i∗

∈= = (1)

gdzie: Q(m) = {m: g (m) ≥ 0}. Wprowadzając podział zbioru zmiennych M na klasy MA = V zbiór zmiennych

dyskretnych i MB = U zbiór zmiennych ciągłych zadanie optymalizacji można zapisać jako zadanie wielopoziomowe

( ) ( )min min ,iv V u QK m K v u∗

∈ ∈

⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦ (2)

gdzie: Q(vi, u) = {(vi, u): g(vi, u) ≥ 0}

Ki = {K1, K2} – wektorowa funkcja celu (3)

Przyjęto: K1 – koszt realizacji przegród zewnętrznych budynku [zł] K2 – zapotrzebowanie na energię do ogrzewania [kWh/a]

W ogólnym ujęciu zadania optymalizacyjnego przyjęto następujące zbiory zmiennych decyzyjnych

V = {vi}, i = 5 – zbiór zmiennych decyzyjnych dyskretnych

v1 – parametry ścian zewnętrznych, v2 – parametry okien, v3 – forma budynku, v4 – forma zabudowy szeregowej, v5 – azymut N-S

U = {ui}, i = 8 – zbiór zmiennych decyzyjnych ciągłych (4)

u1 – u4 – współczynniki przeszklenia na poszczególnych elewacjach, u5 – opór cieplny ścian zewnętrznych, u6 – współczynnik kształtu podstawy budynku, u7 – opór cieplny stropodachu/dachu, u8 – opór cieplny podłogi na gruncie

 

oraz zbiór o

OgraniczWszystkie z

Wartośc

Rys

Zbiór wproduktem k

Elementami

Każdy tazmiennej deprojektowe b

Poszczegoptymalizacdekompozyc

graniczeń

zenia zostały zmienne decyzi zmiennych d

s. 3. Schemat za

Fig. 3

2.2.

wartości wszyskartezjańskim

i tego zbioru s

j = 1, .., 13

aki zbiór (upoecyzyjnej w, obudynku (pos

gólne wartośccji. Ten podcja wstępna. Z

(K

G = {gj(vi, u)

nałożone na zyjne dyskretndyskretnych i

adania optymali

3. The scheme o

Wektorowa z

stkich zmiennm zbiorów wart

W =

są piątki uporz

(v1j

; k = 1, .., 4;

orządkowaną określającej (cstać budynku)

wi ∈

ci wi, zmiennejdział zadania Zadanie (2) za

( ) (* *,v u K=

)}, j = 8 – zbió

wszystkie zbne są wartościzbiory ograni

izacji budynków

of family buildi

zmienna dyskr

nych dyskretntości poszczeg

= ×Vi i = 1,

ządkowane:

j, v2k, v3l, v4m, v

l = 1, 2, 3, 4;

piątkę) przyjcharakteryzują

W i = 1, ..,

ej w, determinwyjścioweg

astąpione zosta

)* *, minw W

w u∈

=

ór ograniczeń

biory zmiennyiami dopuszcziczeń przedsta

w jednorodzinn

ings optimizatio

retna (syntetyc

nych (uwzglęgólnych zmien

.., 5

v5,n)

m = 1, .., 10;

ęto jako definącej) w sposób

12480

ują różne i nigo traktowanało zadaniem

(n min ,W u U

K w∈

⎡⎢⎣

ń

ych decyzyjnyzalnymi. awiono w prac

nych i ich zabud

on task

czna)

dnianych w znnych

; n = 1, .., 8

nicję wartościb syntetyczny

ezależne zaday być może

)u ⎤⎥⎦

63

ych ciągłych.

cach [2].

dowy

zadaniu) jest

(5)

i wektorowej y rozwiązanie

(6)

ania poziomu e jako jego

(7)

64

 

zdekomponowzględu na

W zbiorznych wartośłowania zdeliczby zadań

Metody

Wyniki (autor A. OsK1, min K2iteracyjnej zpolioptymal

3. P

Projektemjący potrzebbudynek o pdwuspadowtrójwarstwooraz wykońropianu. Propoprzez zapnych z [1], dków energoogrzewania

owanym na pzmienne ciągłze W, w oparści zmiennej dekomponowanń na dolnym pdekompozycj

otrzymano nasyczka). Do o) wykorzystazmiennych tolizacji) wykor

Proces świadomając

3.1. P

m wyjściowyby inwestora ipowierzchni uym dachem owe z pustakówńczono elewacojekt spełnia ppewnienie wspdlatego zgodnoszczędnych. oraz zapotrze

Rys. 4, 5.

Fig. 4, 5. Sou

poziomie dolnłe.

rciu o analizę dyskretnej v, mnego zadania poziomie optymi zadania prze

2.3. Sposób r

a drodze numobliczeń zadańano metodę klerancji. Do pzystano metod

omych decyzcych wpływ n

Projekt wyjścio

ym jest projeki wykonany zużytkowej 186o nachyleniu w Porotherm cją klinkierowpodstawowe wpółczynników nie z charakter

Do projektu ebowania na en

Elewacje połud

uth elevation, N

nym na 12 48

zależności fumożna wprowwielopoziom

malizacji. edstawiono w

rozwiązywani

merycznej wykń optymalizacjkombinowaną poszukiwań rdę kryterium g

zji projektowyna jakość ener

owy budynku

kt jednorodzingodnie z jego6 m2 i kubatur36°. Ściany 30 cm ociepl

wą. Konstrukcwymagania noprzenikania c

rystyką (rys. 1wykonano obnergię pierwo

dniowa, północn

orth-west eleva

0 niezależnyc

unkcji celu i owadzić podziałmowego uzysk

pracy [2].

ia zagadnienia

korzystując paji jednokryterą złożoną z mrozwiązania pglobalnego.

ych pod wzglrgetyczną bu

energooszczę

nnego budynko wskazówkamrze 1010 m3. zewnętrzne w

lonych warstwcja dachu zostormatywne dociepła dla prze1) może być zbliczenia zapootną.

no zachodnia, r

ation, Plan of th

ch zadań opty

ograniczeń odły prowadzące

kując istotne z

a

akiet programrialnej (poziommetody losowpreferowanego

lędem rozwiąudynku

ędnego

ku mieszkalnemi. ZaprojektoBudynek zwi

wykonano jakwą wełny mintała ocieplonaotyczące ochroegród zewnętrzaliczony do gotrzebowania

rzut parteru

he ground floor

ymalizacji ze

d poszczegól-e do sformu-zmniejszenie

mów CAMOS m dolny: min

wej i metody o (w zadaniu

ązań

ego, definiu-owany został ieńczony jest ko przegrody neralnej 7 cm a 16 cm sty-ony cieplnej, rznych zgod-grupy budyn-na ciepło do

3.2.

Zgodnie z wynikami zadamum zużycia energii, dla pierwotnego projektu budynku zaproponowano zmiany gruboizolacji cieplnej przegród zewnZmiany te zapewniają przegrodom zewnterystyczne dla budynków niskoenergetycznych pomiędzy garażem a resztą

Rozwiązaniem optymalnym kształtu powierzchni urium minimalizacji zużycia energii jest prostokingerować w zmianę kształtu bryły, przyjmuj

Zaproponowano zmiany współczynnika przeszklenia na poszczególnych elewacjach, tak by w bilansie energetycznym wykorzystai zachodniej, a zminimalizowawielkie różnice w zapotrzebowaniu na energiprzy pierwotnym założeniu funkcjonalnym obiektu. W celu zmniejszenia strat ciepła na wentylacji zaproponowano

Rys. 6. Procentowe porównanie kosztów i wartowariant podstawowy (0,1 W/m2K, W2 –

Fig. 6. The procentage comparison of the costs Ek (U exterial walls 0,3 W/m W1, additionally

1. W procesie projektowania budynków coraz waformy i konstrukcji energetyczną budynku.

3.2. Projekt budynku niskoenergetycznego

Zgodnie z wynikami zadań optymalizacyjnych [2] dla funkcji celu określajycia energii, dla pierwotnego projektu budynku zaproponowano zmiany grubo

izolacji cieplnej przegród zewnętrznych oraz zmianę rodzaju stolarki okiennej i ą przegrodom zewnętrznym współczynniki przenikania ciepła charak

terystyczne dla budynków niskoenergetycznych – pasywnych. Ocieplono równieresztą budynku.

zaniem optymalnym kształtu powierzchni użytkowej budynku z uwagi na kryteżycia energii jest prostokąt. Jednakże autorzy zdecydowali si

kształtu bryły, przyjmując ją jako świadomy wybór inwestora.nowano zmiany współczynnika przeszklenia na poszczególnych elewacjach,

tak by w bilansie energetycznym wykorzystać zyski słoneczne od strony południowej i zachodniej, a zminimalizować straty przez okna na elewacji północnej. Z uwagi na nie

w zapotrzebowaniu na energię końcową inwestor zdecydował siżeniu funkcjonalnym obiektu. W celu zmniejszenia strat ciepła na

wentylacji zaproponowano zmianę charakteru wentylacji i zastosowanie rekuperatora.

towe porównanie kosztów i wartości Ek i EP dla poszczególnych wariantów. WR wariant podstawowy (U ścian 0,3 W/m2K, U dachu 0,25 W/m2K, W1 – U

– U jak W1, dodatkowo optymalizacja przeszklenia, Wrekuperator)

The procentage comparison of the costs Ek and EP for specific variants. WP exterial walls 0,3 W/m2K, U roof 0,25 W/m2K, W1 – U walls, roof 0,1 W/m2

additionally optimization of the glas coefficient, W3 as W1 + recuperator)

4. Wnioski

W procesie projektowania budynków coraz ważniejszym etapem, oprócz kształtowania obiektu, powinno stać się projektowanie z uwagi na jako

budynku.

65

optymalizacyjnych [2] dla funkcji celu określającej mini-ycia energii, dla pierwotnego projektu budynku zaproponowano zmiany grubości

rodzaju stolarki okiennej i drzwiowej. trznym współczynniki przenikania ciepła charak-

wnież ścianę

ytkowej budynku z uwagi na kryte-e autorzy zdecydowali się nie

wiadomy wybór inwestora. nowano zmiany współczynnika przeszklenia na poszczególnych elewacjach,

zyski słoneczne od strony południowej straty przez okna na elewacji północnej. Z uwagi na nie-

inwestor zdecydował się pozostać eniu funkcjonalnym obiektu. W celu zmniejszenia strat ciepła na

zastosowanie rekuperatora.

ci Ek i EP dla poszczególnych wariantów. WR – U ścian, dachu W3 jak W1 +

specific variants. WP – base design 2K, W2 – U as

+ recuperator)

ócz kształtowania uwagi na jakość

66

 

2. Projekt budynku zgodnie z wymaganiami rozporządzenia powinien posiadać świa-dectwo charakterystyki energetycznej, jednak dokument ten wystawiany jest już po za-kończeniu procesu projektowania. Celowym byłoby ustalanie jakości energetycznej bu-dynku na etapie tworzenia założeń projektowych. Takie podejście wymaga ścisłej współpracy architekta i inwestora, a przede wszystkim umiejętności przedstawienia in-westorowi jak zmiana rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych oraz formy budynku wpływa na jego zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, koszty początkowe, a także jakie poszczególne propozycje mają wpływ na zapotrzebowanie na energię końcową.

3. Narzędziem mogącym służyć do oceny energetycznej budynku, wyboru rozwiązań optymalnych z uwagi na ilość energii do ogrzewania oraz koszty zmiany ochrony ciepl-nej budynku jest optymalizacja wielokryterialna i wielopoziomowa. Na podstawie wyników zadań optymalizacyjnych otrzymuje się rozwiązanie optymalne z uwagi na przyjęte kryteria oceny. Rozwiązanie to może służyć do wyboru świadomych rozwiązań projektowych i w efekcie stworzenia projektu zgodnego z oczekiwaniami inwestora oraz dającego pewność, że zrealizowany budynek będzie budynkiem niskoenergetycz-nym.

4. Na podstawie rozwiązań zadań optymalizacyjnych, zaproponowano zmiany do indy-widualnego projektu jednorodzinnego budynku mieszkalnego. Zmiany dotyczą poprawy izolacyjności przegród zewnętrznych oraz okien, a także rodzaju wentylacji. Różnica w energii pierwotnej w stosunku do wyjściowego projektu wynosi 64% przy zwiększeniu kosztów poprawy energooszczędności budynku o 45% (18% kosztów cał-kowitych).

L i t e r a t u r a

[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

[2] F e d o r c z a k - C i s a k M., Ocena energetyczna budynków z zastosowaniem metod optymalizacji wielokryterialnej i wielopoziomowej, Kraków 2007.

[3] F u r t a k M., Indywidualna dokumentacja projektowa, Kraków 2009. [4] M a r k s W., O w c z a r e k S., Optymalizacja wielokryterialna budynków energo-

oszczędnych, PAN, Warszawa 1999. [5] K i s i l e w i c z T., Modelowanie termiczne budynków przy użyciu programu Energy

Plus, ENERGODOM 2000, Kraków–Zakopane 2000.