* Mgrinż.SebastianPater,prof.drhab.inż.JanuszMagiera,InstytutInżynieriiChemicznejiProce-sowej,WydziałInżynieriiiTechnologiiChemicznej,PolitechnikaKrakowska.
SebaSTIanPaTer,JanuSzMagIera*
OCenazaPOTrzebOWanIanaenergIębudynKuMIeSzKalnegOPrzyWyKOrzySTanIudWóChnIezależnyChPrOgraMóWOblICzenIOWyCh
aSSeSSMenTOfTheenergydeMandOfareSIdenTIalbuIldInguSIngTWOIndePendenT
COMPuTaTIOnalPrOgraMS
S t r e s z c z e n i e
Wartykuleprzedstawionometodęorazwynikiobliczeńzapotrzebowanianaciepłodlaogrze-waniaorazprzygotowaniaciepłejwodyużytkowejbudynkumieszkalnego.Obliczeniawyko-nanowdwóchniezależnychprogramach,zwracającszczególnąuwagęnaskładowezyskówistratenergiiwpływającychnabilanscieplnybudynku.
Słowa kluczowe: energochłonność, bilans cieplny, zapotrzebowanie na energię
a b s t r a c t
The paper presentsmethod of and results of calculations the heat demand for heating anddomestichotwaterpreparation residential building.The calculationswasperformed in twoindependent programs with particular attention to components of energy gains and lossesaffectingonbuildingenergybalance.
Keywords: energy consumption, heat balance, energy demand
166
Oznaczenia:c.o. – centralneogrzewaniec.w.u. – ciepławodaużytkowaEA – powierzchniowywskaźnik sezonowego zapotrzebowanianaciepłodoogrzewa-
niabudynkuEV – kubaturowy wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania
budynkuEP – wskaźnik rocznego,powierzchniowegozapotrzebowaniananieodnawialnąener-
giępierwotnądoogrzewania,wentylacjiiprzygotowaniaciepłejwodyużytko-wejorazchłodzeniabudynku
1. Wstęp
Inwestorbudującdom,który jestzpewnością inwestycjąnadługie lata,myślio tym,abybyłonfunkcjonalny,architektonicznieakceptowalny,aprzedewszystkimekonomicznyweksploatacji.Tendencjedoograniczania ilościenergiizużywanejnazapewnienieodpo-wiedniegobilansucieplnegowbudynkusąkonsekwencjąciąglerosnącychcenjejnośników[1].zanalizogólnychisektorowychwynika,żewkrajachuniieuropejskiejzapotrzebo-wanie na energię od roku 1986wzrasta obecnie na poziomie 1–2% rocznie [2], a sektorbudownictwaigospodarkikomunalnejnależydonajwiększychkonsumentówenergii,odpo-wiadajączaponad40%zużycieenergiipierwotnej,zczegookoło70%przypadanabudynkimieszkalne,aokoło30%nabudynkiużytecznościpublicznej[3].WPolscedoroku2005gospodarstwa domowe odpowiadały za około 1/3 całkowitego finalnego zużycia energii,astrukturazużyciakształtowałasięnastępująco:
około70%naogrzewaniepomieszczeń, –około15%naprzygotowaniec.w.u., –około3%naoświetleniepomieszczeń, –około12%nainnepotrzeby[4]. –Wszystkowskazujenato,żewniedalekiejprzyszłościbudynkienergochłonnebędąin-
westycyjnietańsze,aledroższewutrzymaniu,natomiastbudynkienergooszczędneuzyskająwiększąwartośćrynkowąprzyjednocześnieniższychkosztachużytkowania.
Szeregczynnikówwpływanaenergochłonnośćbudynku.najważniejszeznich[5]to:parametryśrodowiskazewnętrznego(klimat,sąsiedztwobudynku), –architekturabudynku(usytuowaniebudynkuwzględemstronświata,powierzchniaprze- –gródprzeźroczystych,rozmieszczeniepomieszczeń,geometriabudynku),rozwiązaniakonstrukcyjneorazizolacyjnośćprzegródbudowlanych, –rodzajwentylacji(naturalna,czymechanicznazrekuperacją), –rodzajisprawnośćsystemugrzewczegonapotrzebyc.o.ic.w.u., –systemzarządzaniabudynkiem. –
1.1.Kryteriaocenyenergochłonnościbudynku
PodstawowymkryteriumocenyenergochłonnościbudynkumieszkalnegojestokreśleniewartościwspółczynnikaEA,tojestsezonowegozapotrzebowanianaciepłodoogrzewania,odniesionegodopowierzchniogrzewanej,wyrażanegowkWh/(m2·rok).dużązaletą tego
167
wskaźnikajestłatwośćwykorzystaniazawartejwniminformacji.znającjednostkowącenęciepła uzyskiwaną w kotłowni powierzchnięmieszkania orazEA, można określić rocznekosztyogrzewaniabudynku.niestetywskaźniktenmożedawaćbardzozawyżonewynikiwprzypadkubudynków,wktórychkolejnekondygnacjemajądużąwysokość [5].Posłu-gującsiętymwskaźnikiem,Stowarzyszenienareczzrównoważonegorozwojustworzyłoklasyfikacjęenergetycznąbudynków[5]przedstawionąwtabeli1.
T a b e l a 1
Klasyfikacja energetyczna budynków według Stowarzyszenia na Rzecz Zrównoważonego Rozwoju [5]
Klasa energetyczna Ocena energetyczna Wskaźnik EA
[kWh/(m2·rok)] Okres budowy
A+ Pasywny do15
aktualnieA niskoenergetyczny od15do45B energooszczędny od45do80C Średnioenergooszczędny od80do100
D Średnioenergochłonny(spełniającyaktualnewymaganiaprawne) od100do150 od1999r.
E energochłonny od150do250 do1998r.F Wysokoenergochłonny ponad250 do1982r.
energochłonnośćbudynkumożnarównieżokreślić,posługującsięwskaźnikiemEV czyliku-baturowymwskaźnikiemsezonowegozapotrzebowanianaciepło,wyrażanymwkWh/(m3·rok).Wartościmaksymalne tegowskaźnikaokreślone sąw rozporządzeniuMinistra Infrastrukturywsprawiewarunkówtechnicznych,jakimpowinnyodpowiadaćbudynkiiichusytuowanie[6].
główniewcelachmarketingowychprzyjęłosiępodawanieobliczeniowegozapotrzebo-wanianaolejopałowydoogrzania1m2powierzchnibudynkuwciąguroku.Wniemczechuznanozaenergooszczędnybudynek,którypotrzebujetylko3lolejuna1m2powierzchniogrzewanejwciąguroku[5].Potocznienazwanogo„budynkiemtrzylitrowym”.Wnowobu-dowanychobiektachwPolsceobecniezużywasięok.15loleju/(m2·rok)[5].
WprowadzonywrozporządzeniuMinistraInfrastrukturyzdnia6listopada2008rokuwskaź-nikEPkWh/(m2·rok)określaroczne,przypadającenajednostkępowierzchnibudynkuoblicze-niowezapotrzebowanienanieodnawialnąenergiępierwotnądoogrzewania,wentylacjiiprzygo-towaniaciepłejwodyużytkowejorazchłodzenia(jeślitakisystemzostałzastosowany)[7].TakwięcwodróżnieniuodwyżejwymienionychwskaźnikówEPobejmujeszerszyzakreswydatkówenergetycznychbudynku,atymsamymwpełniejszysposóbokreślajegoenergochłonność.
1.2.budynkiużytecznościpublicznej
Według rozporządzeniaMinistra Infrastruktury [7]budynekpowinienbyć zaprojekto-wanyiwykonanywtakisposób,abyilośćciepła,chłoduienergiielektrycznej,potrzebnychdojegoużytkowania,zgodniezjegoprzeznaczeniem,możnabyłoutrzymaćnaracjonalnie
168
niskimpoziomie,awlecieograniczyćryzykoprzegrzewania.Tewymaganiaspełnionesąm.in.jeżelibudynekużytecznościpublicznejmawskaźnikEP(EPHC+W+L)mniejszyodobli-czonego(według[7])zewzoru:
EPHC+W+L = EPH+W+(10+60·Aw,e/Af)(1–0,2·A/Ve)·Af,c/AfkWh/(m2·rok) (1)
gdzie:A – sumapólpowierzchniwszystkichprzegródbudynku,oddzielającychczęść
ogrzewaną budynku od powietrza zewnętrznego, gruntu i przyległychpomieszczeńnieogrzewanych,liczonapoobrysiezewnętrznym,m2,
Af – powierzchniaużytkowaogrzewanabudynku(lokalu),m2,Af,c – powierzchniaużytkowachłodzonabudynku(lokalu),m2,Aw,e – powierzchnia ścian zewnętrznych budynku, liczona po obrysie ze-
wnętrznym,m2,EPH+W– wartośćrocznegoePwbudynkumieszkalnym,kWh/(m2·rok),wzory2–5,ΔEP – dodateknajednostkowezapotrzebowanienanieodnawialnąenergiępierwotną
doprzygotowaniaciepłejwodyużytkowejwciąguroku,kWh/(m2·rok),Ve – kubaturaogrzewanejczęścibudynku,pomniejszonaopodcienia,balkony,
loggie,galerieitp.,liczonapoobrysiezewnętrznym,m3.
1.3.budynkimieszkalne
Podobniejakwprzypadkubudynkówużytecznościpublicznejbudynkimieszkalnemu-sząspełniaćkryteriaokreśloneprzezMinistraInfrastruktury,awięcposiadaćm.in.wskaźnikEP(EPH+W)mniejszyodobliczonego(według[7])zewzorów2–4:
A/Ve≤0,2→EPH+W=73+ΔEPkWh/(m2·rok) (2)
0,2≤A/Ve ≥1,05→EPH+W=55+90·(A/Ve)+ΔEPkWh/(m2·rok) (3)
A/Ve≥1,05→EPH+W=149,5+ΔEPkWh/(m2·rok) (4)
awprzypadkubudynkudodatkowowyposażonegowsystemchłodzenia:
EPhC+W = EPH+W+(5+15·Aw,e/Af)(1–0,2·A/Ve)·Af,cAfkWh/(m2·rok) (5)
Wbrewpozoromnarzuconeminimalnewymaganiaprawnewzakresieenergochłonnościnieoznaczają,żenowowybudowanybudynekmieszkalnybędzieautomatycznieenergoosz-czędny [8].WPolsce średniooddaje siędoużytkukilkadziesiąt tysięcybudynkówroczniezużywających3–8 razywięcejenergiiniż trzeba [9].niskiewymaganiaufundowaneprzeznieracjonalneprzepisyprawne toefektniedocenianiaznaczeniaefektywnościenergetycznejbudynkówjakodobrejinwestycji,zarównodlagospodarkipaństwa,jakiużytkowników[9].
169
2. Analiza zapotrzebowania na energię rozpatrywanego budynku
Przedmiotowydomzlokalizowany,wmiejscowościlewniowa,położonejokoło16kmnapołudnieodbrzeska(woj.małopolskie).Jestbudynkiemmieszkalnymopowierzchninet-to186m2,jednorodzinnym,parterowymzpoddaszemużytkowymiczęściowympodpiwni-czeniemorazgarażemzbokudomuwformiedobudówki.domustawionyjestprawiezgod-niezkierunkamiświata(skierowanyokoło18°napołudniowy-zachód),przykrytydachemdwuspadowymskierowanymnapółnocinapołudnie.Wbudynkuzastosowanowentylacjęnaturalną.Obecniezamieszkiwanyjestprzez5osób,wtymtrójkędzieci.
Stropodachbudynkuocieplonowarstwąwełnymineralnejgrubości16cmoraz styro-pianugrubości4cmukładanegopomiędzyrusztempłytgipsowo-kartonowych.Podłoganagruncieskładasiękolejnoz30-centymetrowejwarstwypodsypkinaktórąwylano10cmtzw.chudegobetonu,papynalepiku,foliPVC,styropianuM30ogrubości8cm,foliPVCiwylewkicementowej.Ścianyzewnętrznepiwnicwykonanozbetonuogrubości25cmorazocieplonostyropianemM30ogrubości10cm.Ścianyzewnętrzneparteruipoddaszazbudo-wanozbloczkówceramicznychSz/MaX-220grubości29cmorazocieplonostyropianemM15ogrubości12cm.Stropyorazwieńcesąmonolityczne,żelbetowe,dodatkowoocieplo-newarstwąstyropianuM30ogrubości8cmdlastropunadpiwnicąoraz5cmdlastropunadparterem.Wyżejopisaneprzegrodybudowlaneprzedstawionoschematycznienarysunku1.
rys.1.Przeglądnajważniejszychprzegródbudowlanychbudynku
fig.1.Overviewofthemajorbuildingpartitions
170
2.1.rocznezapotrzebowanienaciepłodlac.o.obliczonewprogramieaudytorOzC
ProgramaudytorOzCwwersji4.8Prosłużydowspomaganiaobliczaniaprojektowe-goobciążeniacieplnegobudynków,określaniaichsezonowegozapotrzebowanianaenergięcieplnądoogrzaniaorazwykonywaniaŚwiadectwenergetycznychbudynkówiichposzcze-gólnychczęści[10].
Wtabeli2przedstawionoraportwygenerowanyprzezprogramaudytorOzC.Opróczpodstawowychdanychorazparametrówobliczeńztabeli2możnaodczytaćinformacjenatematwentylacji,zyskówciepła,geometriibudynku,itp.
Wrozpatrywanymbudynkuprojektoweobciążeniecieplnewynosi7961W.natakiwy-nikskładająsięstratyciepłaprzezprzenikanie–5180W(65,1%)orazwentylację–2844W(34,9%).Wartościstratciepłazostaływyliczoneprzyzałożeniuskrajnieniekorzystnychwa-runkówatmosferycznych,czylidlatemperatury–20°C.Wskaźnikstratciepłaodniesionydopowierzchninettobudynkuwynosi43,1W/m2,adlakubatury:12,0W/m3.
Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku wynosi 15 358 kWh/rok (55,29 gJ/rok). Przeliczenie tej wartości na wskaźnik sezonowego zapotrzebowanianaciepłoeadaje83,2kWh/(m2·rok)(299,4MJ/(m2·rok)),anaeVdaje23,1kWh/(m3·rok) (83,3MJ/(m3·rok)).Takiewynikiplasująrozpatrywanybudynekwkategoriibudynkówśred-nioenergooszczędnych(wg[5]).
W sezonie zdecydowanie największe straty ciepła są generowane na skutek podgrze-waniapowietrzawentylacyjnego(35,06gJ/rok)(tabela3).niewielemniejszailośćenergiitraconajestprzezprzegrodyzewnętrzne(31,32gJ/rok).Wstyczniuorazwgrudniuodnoto-wanonajwiększezapotrzebowanienaenergięspośródwszystkichrozpatrywanychmiesięcy.Wynikatoztego,żewtychmiesiącachoprócz31dniowegosezonugrzewczegowystępująnajniżsześrednietemperaturyzewnętrznewroku,cowiążesięzwiększymistratamiciepłaprzezprzegrodyzewnętrzneorazwiększąilościąciepła,którątrzebadostarczyćdlapowie-trzawentylacyjnego.zyskipochodząceodpromieniowaniasłonecznego(38,26gJ/rok)sąponaddwukrotniewiększe,niżbytowezyskiciepła(17,47gJ/rok).razemzyskitemogąpo-kryćrocznestratyciepłapowstałeprzezprzegrodyzewnętrzneiwewnętrzne.bilanszużycieenergiicieplnejwsezonieprzedstawionowformiediagramunarysunku2.
Przegrody budowlanew analizowanymbudynku powodują 65% strat ciepła. Spośródprzegródbezwątpienianajwiększestratyenergiiwilości14,57gJ/rokgenerowanesąprzezścianyzewnętrzne(tabela5).natakiwynikwpływa:
bardzodużapowierzchniaprzegrody(174,5m – 2),którabezpośredniokontaktujesięzoto-czeniem,współczynnik przenikania ciepławynoszący 0,282W/m – 2·K, który choć spełnia normybudowlane(wg[7]maksymalnawartośćwspółczynnikprzenikaniaciepładlaścianze-wnętrznychpowinnawynosić0,30W/(m2·K)),wcalenienależydozbytwygórowanych.dlaporównaniawspółczynnikprzenikaniaudlaścianzewnętrznychwbudynkachpa-sywnychmawartość≤0,15W/(m2·K)[12].Sumarycznieoknaidrzwizewnętrznepowodująpraktycznietylesamostratenergiiciepl-
nej(15,04gJ/rok),cościanyzewnętrzne.Wtymprzypadkudecydującymczynnikiemdlatakdużychstrat,pomimomałejpowierzchniprzegród,okazujesiębyćwysokiwspółczynnikprze-nikaniaciepławynoszącydlaokien1,35W/m2·K,adladrzwizewnętrznych1,40W/m2·K.
dziękibardzodobremuociepleniudachu(U=0,178W/m2·K)stratyenergiicieplnejsąbardzomałeistanowiązaledwie2,7%ogólnychstratciepłaprzezprzegrody.
171
Ta b e l a 2
Wyniki obliczeń w programie Audytor OZC w wersji 4.8 Pro
Normy:
normanaobliczaniewspółczynnikaprzenikaniaciepła: Pn-enISO6946
normanaobliczanieprojekt.obciążeniacieplnego: Pn-en12831:2006
normanaobliczanieE: Pn-enISO13790:2009
Dane klimatyczne:
Strefaklimatyczna: III
Projektowatemp.zew.θe: –20°C Średniarocznatemp.zew.θm,e: 7,6°C
Stacjameteorologiczna: Tarnów Stacjaaktynometryczna: ŚwiętyKrzyż
Podstawowe wyniki obliczeń budynku:
PowierzchniaogrzewanabudynkuAh: 184,7 [m2]
KubaturaogrzewanabudynkuVh: 663,7 [m3]
ProjektowastrataciepłaprzezprzenikanieΦT: 5180 [W]
ProjektowawentylacyjnastrataciepłaΦV: 2844 [W]
CałkowitaprojektowastrataciepłaΦ: 7961 [W]
ProjektoweobciążeniecieplnebudynkuΦHL: 7961 [W]
Wskaźniki i współczynniki strat ciepła:
WskaźnikΦhlodniesionydopowierzchniφHL,A: 43,1 [W/m2]
WskaźnikΦhlodniesionydokubaturyφHL,V: 12,0 [W/m3]
Wyniki obliczeń wentylacji:
PowietrzeinfiltrująceVinfv: 75,4 [m3/h]
Średnialiczbawymianpowietrzan: 0,3
dopływającepowietrzewentylacyjneVv: 225,2 [m3/h]
Średniatemperaturadopływającegopowietrzaθv: –20,0 [°C]
Wyniki obliczeń sezonowego zapotrzebowania na energię wg PN-EN ISO 13790:
Strumieńpowietrzawentylacyjnego-ogrzewanieVv, H 268,4 [m3/rok]
zapotrzebowanienaciepło–ogrzewanieQH,nd: 55,29 [gJ/rok]
zapotrzebowanienaciepło–ogrzewanieQH,nd: 15358 [kWh/rok]
PowierzchniaogrzewanabudynkuAH 185 [m2]
KubaturaogrzewanabudynkuVH 663,7 [m3]
172
Wskaźnikzapotrzebowania–ogrzewanieEAH: 299,4 [MJ/(m2·rok)]
Wskaźnikzapotrzebowania–ogrzewanieEAH: 83,2 [kWh/(m2·rok)]
Wskaźnikzapotrzebowania–ogrzewanieEVH: 83,3 [MJ/(m3·rok)]
Wskaźnikzapotrzebowania–ogrzewanieEVH: 23,1 [kWh/(m3·rok)]
Parametry obliczeń projektu:
Obliczanieprzenikaniaciepłaprzymin.Δθmin: 4,0 [K]
Minimalnatemperaturadyżurnaθj,u: 16 [°C]
Domyślne dane do obliczeń:
Typbudynku: Jednorodzinny
Typkonstrukcjibudynku: Ciężka
Typsystemuogrzewaniawbudynku: Konwekcyjne
Osłabienieogrzewania: bezosłabienia
regulacjadostawyciepławgrupach: Indywidualnareg.
Stopieńszczelnościobudowybudynku: Średni Klasaosłonięciabudynku: Średnie
Krotnośćwymianypowietrzawewnętrznegon50: 3,0 1/h
Domyślne dane dotyczące wentylacji:
Systemwentylacji: naturalna Temperaturapowietrzakompensacyjnegoθc: 20,0°C
Geometria budynku:
rzędnapoziomuterenu: 0,00 [m]
domyślnarzędnapodłogiLf: 0,47 [m]
rzędnawodygruntowej: –10,00 [m]
domyślnawysokośćkondygnacjiH: 2,90 [m]
domyślnawys.pomieszczeńwświetlestropówHi: 2,63 [m]
PolepowierzchnipodłoginagruncieAg: 89,45 [m2]
Obwódpodłoginagrunciewświetleścianzew.: 41,98 [m]
Obrótbudynku: bezobrotu
Statystyka budynku:
liczbakondygnacji: 3 liczbapomieszczeń: 20
cd.tab.2
173
Ta b e l a 3
Wyniki bilansu zużycia energii cieplnej w sezonie grzewczym
MiesiącLd,m Tem,m QD Qiw Qg Qve ηH,gn Qsol Qint QH,nd
dni [°C] [gJ/rok] [gJ/rok] [gJ/rok] [gJ/rok] [gJ/rok] [gJ/rok] [gJ/rok] [gJ/rok]
Styczeń 31 –0,8 5,18 0,84 0,49 5,33 0,969 1,26 1,48 9,18
luty 28 –0,7 4,65 0,76 0,45 4,79 0,961 1,67 1,34 7,76
Marzec 31 6,6 3,10 0,96 0,51 3,52 0,832 2,94 1,48 4,41
Kwiecień 30 8,4 2,60 1,10 0,50 2,98 0,659 3,81 1,44 3,72
Maj 31 14,1 1,40 2,79 0,70 1,74 0,750 5,33 1,48 1,53
Czerwiec 30 16,5 0,84 3,81 0,87 1,19 0,687 5,52 1,44 1,93
lipiec 31 17,0 0,75 4,18 0,92 1,12 0,694 5,25 1,48 2,30
Sierpień 31 17,6 0,62 4,47 0,97 1,00 0,683 5,07 1,48 2,57
Wrzesień 30 14,2 1,33 2,75 0,63 1,67 0,874 3,07 1,44 2,45
Październik 31 11,1 2,08 1,71 0,49 2,42 0,841 2,26 1,48 3,55
listopad 30 3,7 3,73 0,82 0,42 4,09 0,908 1,09 1,44 6,77
grudzień 31 –0,3 5,03 0,84 0,46 5,20 0,979 0,99 1,48 9,12
W sezonie 365 9,0 31,32 25,05 7,39 35,06 0,781 38,26 17,47 55,29
gdzie:Ld,m – liczbadniwmiesiącusezonugrzewczego,Tem,m – średniatemperaturazewnętrznawmiesiącusezonugrzewczego,QD – stratyenergiicieplnejprzezprzegrodyzewnętrzne(ściany,dach,drzwi,itp.),Qiw – stratyenergiicieplnejprzezprzegrodywewnętrzne(ściany,stropy,okna,drzwi),Qg – stratyenergiicieplnejprzezprzegrodyprzyległedogruntu(podłogi,ściany),Qve – stratyenergiiwywołaneprzezpowietrzewentylacyjne,Ηh,gn – współczynnikwykorzystaniazyskówciepła,Qsol – zyskiciepłaodpromieniowaniasłonecznegoprzezzewnętrzneprzegrody
przezroczyste(okna,świetliki,drzwi),Qint –bytowezyskiciepła(odludzi,oświetlenia,urządzeńelektrycznych),QH,nd – łącznezapotrzebowanienaenergię(energięużytkową)naogrzewanie.
dokładnezestawieniestratenergiicieplnejprzezkonkretnyelementbudynkuprzedsta-wionowtabeli4oraznarysunku3.Wanalizowanymprzypadkuponad1/3ciepłatraconajestprzezwentylację,a1/4przezścianyzewnętrzneiwewnętrzne.Sumaryczniete3składo-wepowodująponad60%stratenergiicieplnejwrozpatrywanymbudynku.
174
Ta b e l a 4
Zestawienie strat energii cieplnej budynku
Opis GJ/Rok [kWh/rok]
Wentylacja(1) 35,06 9738
Ścianazewnętrzna(2) 14,57 4048
Ścianawewnętrzna(3) 11,77 3269
Stroppodnieogrzewanympoddaszem(4) 10,66 2962
Okno(świetlik)zewnętrzne(5) 9,23 2563
drzwizewnętrzne(6) 5,82 1616
Podłogawpiwnicy(7) 3,01 837
Podłoganagruncie(8) 2,67 741
Ścianazewnętrznaprzygruncie(9) 1,71 476
dach(10) 1,71 474
drzwiwewnętrzne(11) 1,46 406
Stropciepłodogóry(12) 1,15 319
Razem 98,82 27450
rys.2.bilanszużyciaenergiicieplnejwsezonie.Oznaczeniajakwtabeli3
fig.2.Thebalanceofthermalenergyconsumptioninseason.Symbolslikeintable3
175
Ta b e l a 5
Zestawienie przegród budynku
Rodzaj przegrodyd U UMI A QT Qproc
[m] [W/m2·K] [W/m2·K] [m2] [GJ/rok] [%]
Ścianazewnętrzna 0,450 0,282 0,3 174,5 14,57 22,9
Stroppodnieogrzewanympoddaszem 0,246 0,166 0,25 56,21 10,66 16,7
Okno(świetlik)zewnętrzne – 1,35 1,8 22,08 9,23 14,5
Ścianawewnętrzna 0,330 1,033 bezwymagań 44,7 6,00 9,4
drzwizewnętrzne – 1,4 2,6 19,32 5,81 9,2
Ścianawewnętrzna 0,160 1,738 bezwymagań 116,7 5,77 9,1
Podłogawpiwnicy 0,472 0,307 1,0 42,04 3,01 4,7
Podłoganagruncie 0,558 0,223 1,0 39,11 2,67 4,2
dach 0,215 0,178 0,25 29,77 1,71 2,7
Ścianazewnętrznaprzygruncie 0,373 0,233 0,8 61,24 1,71 2,7
drzwiwewnętrzne – 2 bezwymagań 30,14 1,46 2,3
Stropnadpiwnicąciepłodogóry 0,282 0,47 0,45 43,53 1,10 1,6
Stropciepłodogóry 0,283 0,673 bezwymagań 58,66 0 0
rys.3.Procentowyudziałelementubudynkuwjegostratachciepła.numerypodosiaodciętychoznaczająelementybudynkuztabeli4
fig.3.Thepercentageshareofthebuildingelementinitsheatlosses.numbersunderaxisofabscissameansbuildingelementsfromtable4
176
gdzie:d – grubośćprzegrody,U – współczynnikprzenikaniaciepła,UMI – maksymalnawartośćwspółczynnikprzenikaniaciepławedługrozporządzenia
MinistraInfrastruktury[7],A –powierzchnia,QT – stratyenergiicieplnejprzezprzenikanie,Qproc – procentowyudziałstratenergiicieplnej.
z55,73gJ/rokzyskówciepłaprawie70%pochodziodsłońca(38,26gJ/rok).31,4%zy-sków(17,47gJ/rok)jestgenerowanaprzezcodziennąaktywność5mieszkańcówbudynku,wtymtrójkędzieciorazwykorzystanieprzeznichurządzeńelektrycznych,gazowychitp.
2.2.rocznezapotrzebowanienaciepłodlac.o.obliczonewprogramieCaSanova
drugimprogramem,którywykorzystanodoniezależnejocenyzapotrzebowanianacie-płodlac.o.przedmiotowegobudynkubyłprogramCaSanova,stworzonywWydzialefizy-kibudynkówienergiiSłonecznejuniwersytetuwSiegen.użytkownikmożezmienićponad20parametrów,aobliczeniazapotrzebowanianaciepłosąprzeprowadzanewedługdzisiajjużnieaktualnejeuropejskiejnormyen832[11].
Wtabeli6zestawionowprowadzonepodstawowedanedotyczącegeometriibudynku,izolacyjnościprzegród,klimatuwktórymsięznajdujeorazinnychparametrów.
T a b e l a 6
Podstawowe dane rozpatrywanego budynku wprowadzone w programie CASAnova 3.3.07
Geometry
lengthofnorthandsouthfacade: 10,1m lengthofwestandeastfacade: 11,6m
height(withoutroof): 5,2m deviationfromsouthdirection(westpositive): 18,0°
numberoffloors: 2 Surface-to-volumevalue: 0,81/m
groundarea: 117,2m2 usefularea: 187,5m2 Volumetotal: 609,2m3
facadenorthresp.south: 52,5m2 facadeeastresp.west: 60,3m2
Insulation
uvaluesofthewalls: 0,28W/(m2K) absorptioncoefficientofthewalls: 0,50
upperfloor: totallyinsulatedroof uvalue: 0,18W/(m2K)
lowerfloor: non-heatedcellar(withinsulation) uvalue: 0,22W/(m2K)
door(northfacade): area: 2,0m2 uvalue: 2,00W/(m2K)
Wärmebrücken: ignoreheatbridges
Building
177
Interiortemp.: 20,0°C limitofoverheating: 27,0°C Internalgains: 25,0kWh/(m2a)
naturalventilation(infiltration): 3,01/h Mechanicalventilation: no
Kindofindoorwalls: heavyconstruction Kindofoutdoorwalls: heavyconstruction
Climate
Climatestation: Kraków(Polska)
narysunku4przedstawionozapotrzebowanienaenergięcieplnąwprzeliczeniunakWh/m2 dla poszczególnychmiesięcy, ilość godzinwkażdymmiesiącu,wktórymnależy do-starczaćenergiędoogrzewaniabudynkulubnieorazwartościtychdanychdlacałegoroku.najwięcejenergiicieplnejnależyzapewnićwstyczniu, to jest11,9kWh/m2orazgrudniu(10,5kWh/m2).zapotrzebowanienaenergiędoogrzewaniabudynkuodmajadowrześniajest znikome.Sumaryczniewciągu rokuzużywane jest 53,7kWhenergii nakażdymetrkwadratowypowierzchnibudynku.Wciągurokujest6625hwktórychnależydostarczaćenergiędoogrzewaniabudynkuoraz2135h,wktórychnietrzebategorobić.
cd.tab.3
rys.4.diagramywygenerowaneprzezprogramCaSanova
fig.4.diagramsgeneratedbytheprogramCaSanova
178
ObliczonywprogramieCaSanovawskaźnikEArówny53,7kWh/(m2·rok)klasyfikujerozpatrywanybudynekwkategoriibudynkówenergooszczędnych (wg [5]).Widocznynarysunku5wykresSankey’a,przedstawiającyzyskiistartyenergiianalizowanegobudynku,obrazujewpływposzczególnychparametrównakońcowywynikzapotrzebowanianaciepłodlaogrzewania.PodobniejakwprogramieaudytorOzCnajwiększestratyenergiiwystępująprzezwentylacjęorazprzegrodyzewnętrzne,anajwiększezyskiciepłapochodząodsłońca.
rys.5.PrzepływenergiiprzedstawionynawykresieSankey’a
fig.5.energyflowpresentedonSankeygraph
rys.6.bilansenergiiwygenerowanyprzezprogramCaSanova
fig.6.balanceofenergygeneratedbytheprogramCaSanova
179
bilansenergii rocznyorazdlaposzczególnychmiesięcyuwzględniającystratyenergiiprzezprzenikanie,wentylację,wewnętrznezyskiorazzyskiodsłońcaobrazujerysunek6.zyskiciepłaodSłońcasąnajwiększenaelewacjipołudniowej,tamteżsąnajwiększestratyciepłaprzezokna.Odmajado sierpnianiemapotrzebydostarczania energii, gdyżzyskiciepłaprzewyższająstratyciepła.
2.3.PorównaniewynikówuzyskanychwprogramachaudytorOzCiCaSanova
Wtabeli7zestawionowybranewynikiobliczeńzapotrzebowanianaenergięcieplnądoogrzewaniabudynkuwedługprogramówaudytorOzC4.8Pro iCaSanova3.3.07.do-datkowodotabeliwstawionowynikiotrzymanewprogramiePurmoOzC4.01b(starszejwersjiprogramuaudytorOzC4.8Pro).WprogramietymwprowadzasiępraktycznietakiesamedanejakwaudytorzeOzC,agłównaróżnicamiędzyprogramamileżywnormachdoobliczeń(PurmoOzCkorzystaznieaktualnejdzisiajnormyPn-b-02025).
PomiędzywynikamiprogramówPurmoOzCiCaSanovaistniejąniewielkierozbieżno-ścisięgająceglobalnieokoło10%(wniektórychprzypadkachotrzymanoprawieidentycznewyniki),pomimowprowadzeniawobuprogramachidentycznychdanychwejściowychdo-tyczącychbudynku.różnicewwynikachsąprawdopodobniespowodowaneprzeznastępu-jąceczynniki:
wprogramieCaSanovabudynektraktujesięjakozwartąbryłę,okształcieprostopadło- –ścianu;odstępstwaodtakiegotypubudowywCaSanovieniesąmożliwedouwzględnia-niawgeometriibudynku(rozpatrywanybudynekniejestprostopadłościanem),wyżejwymienionyczynnikpowodujeróżnicewwielkościpowierzchnipodłoginagrun- –cie(CaSanova–117,2m2(tabela6);Purmo/audytor–89,45m2(tabela2),wprogramiePurmo/audytorOzC stacjąmeteorologiczną, z której odczytuje się dane –klimatycznejestTarnów,natomiastwCaSanov’ieKraków,programystosująróżnenormydoobliczeniaposzczególnychwartości, –wprogramieCaSanovanieobliczasięzyskówbytowychnapodstawieliczbymieszkań- –ców,ichwieku,zużyciaciepłejwody,aleprogramwymagapodaniazgórytejwartości,comożegenerowaćbłędy,CaSanovawymagapodaniaogólnejwewnętrznejtemperatury,któramapanowaćwbu- –dynku;natomiastwprogramiePurmo/audytorOzCdlakażdegopomieszczeniamożnaindywidualnieustawićtemperaturę(temperaturaprojektowapokoiwynosi20°C,garażu5°C,piwnicy12,4°C,łazienek24°C).PomiędzyprogramamiPurmoOzCiCaSanovaaaudytoremOzCbardzopodobnywy-
nikstwierdzonojedyniewprzypadkuzyskówenergiiniepochodzącychodsłońca.Wprzy-padkuinnychporównywanychwielkościróżnicewynosząod30%donawet65%.Takdużarozbieżnośćwynikówspowodowanajestróżnicamiwstosowaniuprzezprogramynormdoobliczeńzapotrzebowanianaciepłobudynku(CaSanovakorzystazen832,PurmoOzCzPn-b-02025,aaudytorOzCzPn-enISO13790).
180
Ta b e l a 7
Porównanie wyników obliczeń programów Purmo OZC, Audytor OZC i CASAnova
Porównywana wielkośćProgram
PurMOOzC4.01b
CaSanova3.3.07
audytorOzC4.8Pro
rocznezapotrzebowanie
naenergię
[kWh/rok] 11132 10058 15358
[kWh/m2/rok] 60,3 53,7 83,2
Całkowitestratyciepła[kWh/rok] 17419 16952 27450
[kWh/m2/rok] 94,3 90,4 148,6
Stratyciepłaprzezprzenikanie
[kWh/rok] 11903 11383 17712
[kWh/m2/rok] 65,0 60,7 95,9
Stratyciepłanapodgrzaniepowietrza
wentylacyjnego
[kWh/rok] 5516 5569 9738
[kWh/m2/rok] 29,3 29,7 52,7
Całkowitezyski[kWh/rok] 7310 6287* 6894 15482 12092**
[kWh/m2/rok] 39,6 34,0* 36,7 83,8 65,5**
zyskienergiiodsłońca[kWh/rok] 3473 2988* 3006 10628 8300**
[kWh/m2/rok] 18,8 16,2* 16,0 57,5 44,9**
Pozostałezyski[kWh/rok] 3837 3298* 3888 4854 3792**
[kWh/m2/rok] 20,8 17,8* 20,7 26,3 20,6**
Mostkitermiczne nieuwzględniono
Średnialiczbawymianpowietrza 0,31/h
Sezongrzewczy Odwrześniadomaja Całyrok
* wartośćobliczonaprzyzastosowaniuwspółczynnikawykorzystaniazyskówciepłaη=0,860.**wartośćobliczonaprzyzastosowaniuwspółczynnikawykorzystaniazyskówciepłaztabeli3.
WynikizprogramuaudytorOzCwykorzystanowdalszejczęścipracy.
2.4.zapotrzebowanienaenergiędlac.w.u.
Ilość energii potrzebnej do przygotowania ciepłejwody użytkowej obliczonowedługrozporządzeniaMinistraInfrastruktury[13].rocznezapotrzebowanienaenergiędlac.w.uobliczonozewzoru[13]:
Q
V L c k ti W W O tW,nd
CWi CW UZ=⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅
⋅ρ θ θ( )
kWh/ rok1000 3600
(6)
181
gdzie:VCWi– jednostkowedobowezużyciec.w.u.,Li – liczbajednostekodniesienia,cW – ciepłowłaściwewody,ρW – gęstośćwody,θCW – temperaturac.w.u.wmiejscuzaworuczerpalnego,θO – temperaturazimnejwody,kt – mnożnikkorekcyjnydlatemperaturyc.w.u.innejniż55°C,tuz – czasużytkowania.
Wtabeli8zamieszczonoprzyjętewartościdlaparametrówużytychwewzorze6orazprzedstawionowynikkońcowyobliczeń.
T a b e l a 8
Wynik końcowy oraz wartości parametrów dla wzoru 6
Parametr Jednostka Przyjęta wartość
VCWi [dm3/(j.o.)·doba] 50*
Li [osoby] 5
cW [kJ/(kg·K)] 4,19
ρW [kg/m3] 1000**
θCW [°C] 50
θO [°C] 10
kt [°C] 1,12
tuz [doby] 365
Parametr Jednostka Objaśnienie Wartość uzyskana
QW,nd kWh/rok rocznezapotrzebowanienaenergiędlac.w.u. 4758
* wartość zalecanawynosi 35 dm3/(j.o.)·doba [13]; 50 dm3/(j.o.)·doba przyjętow celu zapewnieniewiększegokomfortuużytkowania**przyjętouśrednionąwartośćgęstościwody
Końcowezapotrzebowanienaenergiędlac.w.u.uwzględniającestratyciepłaobliczonozewzoru[13]:
K,WW,nd
W,tot
=η
kWh/ rok (7)
gdzie:ηW,tot – sprawnośćcałkowita,ηW,tot =ηW,e ·ηW,g ·ηW,d ·ηW,s,ηW,e – średniasezonowasprawnośćwykorzystania,ηW,g – średniasezonowasprawnośćwytworzenianośnikaciepłazenergii
dostarczanejdogranicybilansowejbudynku(energiikońcowej),
182
ηW,d – średniasezonowasprawnośćdystrybucjic.w.u.,ηW,dW,nd
W,nd W,d
=+
QQ Q∆ΔQW,d – uśrednionerocznestratyciepładystrybucjic.w.u.,
∆Q l q tiW,d li CW= ⋅ ⋅( ) ⋅∑ −10 3
li – długośći-tegoodcinkasieciciepłejwodyużytkowej,qli – jednostkowestratyciepłaprzewodówciepłejwody,tCW – mnożnikkorekcyjnydlatemperaturyinnejniż55°C,ηW,s – średniasezonowasprawnośćakumulacjic.w.u.welementachpojemnościo-
wychsystemuc.w.u.,ηW,sW,nd W,d
W,nd W,d W,s
=+
+ +Q Q
Q Q Q∆
∆ ∆ΔQW,s – uśrednionesezonowestratyciepławelementachpojemnościowychsyste-
mugrzewczegobudynku, ∆Q V q ts sW,s CW= ⋅ ⋅( ) ⋅∑ −10 3
Vs – pojemnośćzbiornikac.w.u.,qs – jednostkowestratyciepłazbiornikac.w.u.
Wtabeli9zamieszczonoprzyjętewartościdlaparametrówużytychwewzorze7orazprzedstawionowynikkońcowyobliczeń.
T a b e l a 9
Wynik końcowy oraz wartości parametrów dla wzoru 7
Parametr Jednostka Wartość Parametr Jednostka Wartość
li [m] 50 ΔQW,s
kWh/rok 735,84
qli [W/m] 2,5 ηW,g – 1
tCW [h] 8760 ηW,d – 0,81
Vs [dm3] 400 ηW,s – 0,89
qs [W/dm3] 0,21 ηW,e – 1
ΔQW,d [kWh/rok] 1095 ηW,tot – 0,72
Wielkość Jednostka Uzyskany wynik
QK,W kWh/rok 6608
3. Wnioski
Łącznezapotrzebowanienaenergięcieplnąrozpatrywanegobudynkuwynosi21966kWh/rok(tabela10).Jesttowartośćotrzymanaprzyuwzględnieniustratpowstałychprzezdys-trybucjęciepłejwodyużytkowejorazjejprzechowywanie.niebranopoduwagęsprawnościurządzeńwytwarzającychciepłodlac.o.ic.w.u.,stratciepłaprzezprzewodyizbiornikbufo-rowycentralnegoogrzewaniaorazzwiązanejzogrzewaniemsprawnościprzesyłu.
183
Wciągurokunależydostarczyć15358kWhenergiidoogrzewania,costanowi69,9%rocznegocałkowitegozapotrzebowanianaenergiędlarozpatrywanegobudynku.Jesttowar-tośćwysoka,zważywszynaciągłątendencjędoobniżaniazużyciaenergiinacelegrzewcze(dlacorazbardziejpopularnegobudynkuniskoenergetycznegoudziałenergiidoogrzewa-niapomieszczeńwcałkowitymobciążeniuenergetycznymbudynkupowinienwynosić30%[14]).Podobniejakwprzypadkuinnychbudynkówmieszkalnych,jednorodzinnychwPol-sceprzegrodybudowlanewanalizowanymbudynkupowodują65%strat ciepła (wartośćkrajowa66%),awentylacja35%(wartośćkrajowa34%)[15].Stratyciepłaprzezprzegrodywanalizowanymbudynkumożnawdużejmierzezmniejszyćpoprzeznp.obniżeniewartościwspółczynnikaprzenikaniaciepładlaścianzewnętrznych.Poprawaparametrówtechnicz-nychprzegródmożedoprowadzićdoobniżeniastartciepłanaweto30%[15].
T a b e l a 1 0
Roczne zapotrzebowanie na energię dla analizowanego budynku
Jednostka Ogrzewanie Ciepła woda użytkowa Łączne zapotrzebowanie
[kWh/rok] 15358 6608 21 966
[%] 69,9 30,1 100
znającrocznezapotrzebowanienaenergięrozpatrywanegobudynku,obliczonowartośćwskaźnikaEP,którywyniósł118,93kWh/(m2·rok).granicznawartośćwskaźnikaEPobli-czonadlategobudynkuzewzoru3wynosi151,5kWh/(m2·rok)(A/Ve=0,8;ΔEP=24,5).TakwięcwskaźnikEPbudynkuspełniawymaganianarzuconeprzezMinistraInfrastruktury,gdyż118,93<151,5.WskaźnikEPanalizowanegobudynku,jestrównieżniższyniżśredniaważonaEPdlabudynkównowychwPolscewynoszący137kWh/(m2·rok)[15].
zewzględunastosowanenormyobliczenioweprogramyCaSanovaorazaudytorOzCdały odmiennewyniki sezonowego zapotrzebowania na ciepło. Podwzględem szybkościokreślenia zapotrzebowania na ciepło i łatwości obsługi lepszy jest programCaSanova.Obsługategoprogramuograniczasiędowypełnieniainformacjiw6nieskomplikowanychokienkach.Wadąprogramu jest to, że częśćdanychnależy samemuobliczyć (jakwspół-czynnikprzenikaniadlaścian).Wartopokreślić,żekażdazmianawartościdanegoparametruzostajeautomatyczniezobrazowananawykresachiwraportach.WprogramieaudytorOzCostatecznywynikotrzymujesiędopieropowprowadzeniuwszystkichdanychitobezbłęduuniemożliwiającegoobliczenia.
dlaprofesjonalnychobliczeńsezonowegozapotrzebowanianaciepłopowinnosięsto-sowaćprogramaudytorOzC.niewątpliwązaletątegoprogramujestbogatainterpretacjawynikóworaz to, żeobliczeniawykonywane sąwedług aktualnie stosowanychwPolscenorm.ProgramCaSanovazostałstworzonybardziejdocelówdydaktycznychiwizualizacjizmianparametrów,niżdofachowychobliczeń.
184
l i t e r a t u r a
[1]W n u k r.,Budowa domu pasywnego w praktyce,WydawnictwoPrzewodnikbudow-lany,Warszawa2006.
[2]Komisjaeuropejska,Green Paper „Towards a European Strategy for the Security of Energy Supply”,bruksela,29listopada2000.
[3]g e r y ł o r., Zmiana wymagań – efektywność energetyczna budynków, PrzemysłŚrodowiskoJakośćzarządzanie,2009,nr4(13),51-52.
[4]W n u k r.iin.,Efektywność wykorzystania energii w latach 1995–2005,guS,KaPe,Warszawa2007.
[5]ż u r a w s k i J., Energochłonność budynków mieszkalnych (www.cieplej.pl – datadostępu:07.02.2011).
[6]rozporządzenieMinistraInfrastrukturyzdnia12kwietnia2002rokuwsprawiewar-unkówtechnicznych,jakimpowinnyodpowiadaćbudynkiiichusytuowanie(dz.u.z15czerwca2002r.,nr75,poz.690).
[7]rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniającerozporządzeniew sprawiewarunków technicznych, jakimpowinnyodpowiadaćbu-dynkiiichusytuowanie(dz.u.z13listopada2008r.,nr201,poz.1238).
[8] ż u r a w s k i J., Dlaczego energooszczędność (www.cieplej.pl – data dostępu:07.02.2011).
[9]C i e p i e l a d.,Efektywność energetyczna budynków. Ciepło w gwizdek (www.wnp.pl–datadostępu:07.02.2011).[10] firmaSankom,audytorOzCwersja4.8Pro,Programwspomagającyobliczaniepro-
jektowego obciążenia cieplnego budynku, sezonowego zapotrzebowanie na energięcieplnąichłodnicząorazwyznaczanieświadectwenergetycznych(www.purmo.com/pl–datadostępu:15.03.2011).
[11] fachgebietbauphysik&SolarenergieuniversitatSiegen,CaSanova3.3–anedu-cationalsoftwareforheatingandcoolingenergydemandaswellas the temperaturebehaviourinbuildings(http://nesa1.uni-siegen.de/–datadostępu:15.03.2011).
[12]K a c z k o w s k a a., Dom Pasywny, Wydawnictwo i handel Książkami „Kabe”,Krosno2009.
[13]rozporządzenieMinistraInfrastrukturyzdnia6listopada2008r.wsprawiemetod-ologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lubczęści budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobusporządzaniaiwzorówświadectwichcharakterystykienergetycznej(dz.u.nr201,poz.1240).
[14] S i u t a -O l c h a a.,C h o l e w a T.,g u z Ł.,Analiza porównawcza potrzeb energe-tycznych jednorodzinnych budynków mieszkalnych o różnym standardzie wykonania, ProceedingsofeCOpole,2011,nr1(5),287-292.
[15] firmabuilddesk,raport:StanenergetycznybudynkówwPolsce03.2011 (www.builddesk.pl–datadostępu:06.09.2011).