Niskoenergetyczny budynek jednorodzinny

W artykule zostaną omówione wyniki badań dotyczących parametrów powietrza wewnętrznego normalnie eksploatowanego niskoenergetycznego budynku jednorodzinnego, zlokalizowanego w północno-wschodniej Polsce.

Obiekt badawczy i zaplanowany eksperyment

Budynek poddany badaniom został wzniesiony w latach 1998–2000 w północno-wschodnim regionie kraju. Zgodnie z projektem charakteryzował się on wysoką izolacyjnością termiczną przegród zewnętrznych, wentylacją mechaniczną z odzyskiem ciepła i wstępnym ogrzewaniem powietrza wentylacyjnego w wymienniku gruntowym, znaczną akumulacyjnością wnętrza, znaczną powierzchnią okien na południowej elewacji, nowoczesnym systemem ogrzewania z zapasowym źródłem energii (kominek z częściowym rozprowadzeniem ciepła). Przynależność budynku do klasy obiektów niskoenergetycznych została potwierdzona pomiarami zużycia ciepła w trzech pierwszych sezonach grzewczych, a także wykonanymi obliczeniami. Budynek charakteryzował się eksploatacyjnym wskaźnikiem sezonowego zapotrzebowania na ciepło na poziomie ok. 37 kWh/(m²·a).

Oceny komfortu cieplnego wewnątrz budynku w różnych okresach: sezon ogrzewczy, okres przejściowy i sezon letni, dokonano na podstawie obliczonych wskaźników komfortu cieplnego dla warunków umiarkowanych PMV i PPD.
Wskaźnik PMV można wyznaczyć z równania:

PMV = (0,303e^0,03 M + 0,028) {(M – W) – 3,05·10^–3·[5733 – 6,00(m – w) – p_a] + 0,42·[(M – W) – 58,5] – 1,7·10^–5 M (5867 – p_a) – 0,001·4 M (34 – t_a) + 3,96·10^–8·f_cl·[(t_cl + 273)⁴ (t_r + 273)⁴] f_cl·h_c (t_cl – t_a)},

gdzie:
M – metabolizm [W/m²],
W – praca zewnętrzna [W/m²],
f_cl – iloraz pola powierzchni ciała okrytego odzieżą i pola powierzchni ciała odkrytego,
t_a – temperatura powietrza [°C],
t_r – średnia temperatura promieniowania [°C],
p_a – ciśnienie cząstkowe pary wodnej [Pa],
h_c – współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję [W/(m²·°C)],
t_cl – temperatura powierzchni odzieży [°C].

Wskaźnik PPD można obliczyć z równania wiążącego go ze wskaźnikiem PMV: PPD = 100 – 95e ^{–(0,03353 PMV4 + 0,2179 PMV2)}.

Do obliczeń wykorzystano wyniki wieloletnich pomiarów temperatury i wilgotności wewnątrz badanego budynku niskoenergetycznego. Parametry mikroklimatu wnętrza budynku mierzono i rejestrowano za pomocą czujników MicroLog EC 650, które dają możliwość pomiaru i rejestracji temperatury i wilgotności powietrza w odstępach od 10 s do 120 min i zapamiętania do 16 tys. danych. Obliczenia wykonano za pomocą programu numerycznego MICRO.

Wykresy przebiegów wskaźników PMV i PPD wykonano dla poszczególnych okresów:

• zima (od 11.02.2006 do 10.03.2006),
• okres przejściowy (od 11.03.2006 do 7.04.2006),
• lato (od 14.06.2006 do 11.07.2006) w odniesieniu do temperatur maksymalnych i minimalnych w ciągu dnia.

Parametry związane z uczestnikiem pomiarów mikroklimatu, tj.: M – metabolizm, W – praca zewnętrzna, przyjęto na normalnym racjonalnym poziomie występującym w pomieszczeniach mieszkalnych. Przyjęto zróżnicowane parametry odzieży w poszczególnych okresach roku:

• lato – I_cl = 0,045 [W/(m²·K)],
• zima – I_cl = 0,160 [W/(m²·K)],
• okres przejściowy – I_cl = 0,110 [W/ /(m²·K)].

Na podstawie wyrywkowych badań oraz ze względu na system wentylacji budynku (wentylacja mechaniczna nawiewno-wywiewna) przyjęto względną prędkość przepływu powietrza na poziomie stałym równym 0,1 [m/s].

Uzyskane wyniki i ich analiza

Na wykresach (rys. 1, 3 i 5) pokazano przebiegi wartości temperatury odpowiednio w okresach: zimowym, przejściowym i letnim (zarejestrowane wartości podzielono na dzień i noc). W okresie zimowym (grzewczym) i przejściowym (w badanym budynku w zasadzie bez ogrzewania) temperatura w dzień jest wyższa od temperatury w nocy. Wynika to bezpośrednio ze sterowania ogrzewaniem, z występowania niższych temperatur zewnętrznych w nocy oraz braku efektu nagrzewania obiektu w ciągu dnia występującego latem (rys. 5). Wartości temperatury wewnętrznej w okresie grzewczym (rys. 1) są najbardziej wyrównane, co również wynika z działania systemu automatyki instalacji c.o. W okresie letnim wartości temperatury wewnętrznej są dużo bardziej zróżnicowane (rys. 5).

Daje się zauważyć łagodną tendencję wzrostową temperatury pod koniec lutego i na początku marca (operacja słońca przy wyłączonym ogrzewaniu – zakończenie sezonu grzewczego w badanym obiekcie niskoenergetycznym przypada na marzec, a częste wyłączanie ogrzewania przez system automatyki następuje już w lutym przy intensywnym promieniowaniu słonecznym). Pod koniec lutego widoczny jest efekt większej „dostawy” darmowej energii słonecznej w stosunku do potrzeb cieplnych budynku niskoenergetycznego – temperatura wnętrza rośnie powyżej ustawionej na czujnikach automatyki c.o.

Analogicznie przedstawia się wilgotność powietrza wewnętrznego w poszczególnych analizowanych okresach (rys. 2, 4, 6). Najmniejsze różnice w wartościach wilgotności występują w sezonie grzewczym i rosną, gdy ogrzewanie jest wyłączone, a maksymalne zróżnicowanie wilgotności towarzyszy okresowi letniemu (znacznie większy wpływ zróżnicowanej wilgotności zewnętrznej na warunki wewnętrzne).

W odróżnieniu od wielkości temperatury wartości wilgotności powietrza wewnętrznego w nocy i w dzień są do siebie zbliżone we wszystkich rozpatrywanych okresach eksploatacyjnych. Jeśli chodzi o wartości bezwzględne temperatury powietrza wewnętrznego, to o ile w sezonie grzewczym wynikają one wprost z ustawienia automatyki systemu grzewczego (znikome działanie promieniowania słonecznego i stosunkowo niska temperatura zewnętrzna), to w okresie przejściowym i letnim duży wpływ na tę temperaturę ma zarówno promieniowanie słoneczne, jak i akumulacja we wnętrzu budynku. Promieniowanie słoneczne, głównie w okresie przejściowym, daje możliwość ograniczenia zużycia energii (szczególnie w połączeniu z dużą akumulacyjnością budynku – tak jest w badanym obiekcie). Intensywne nasłonecznienie szczególnie południowej i południowo- zachodniej elewacji jest przyczyną wzrostu temperatury powietrza wewnętrznego (rys. 5).

Na rys. 7 i 8 przedstawiono wyznaczone (na podstawie przeprowadzonych pomiarów oraz przyjętych parametrów dodatkowych) dla badanego budynku wartości wskaźników PMV i PPD charakteryzujących komfort cieplny wnętrza. Wyznaczano je z uwzględnieniem występujących w budynku w poszczególnych okresach skrajnych temperatur wewnętrznych (rys. 7 – wartości maksymalne, rys. 8 – wartości minimalne).

Wartości wskaźników PMV i PPD oscylują wokół idealnych (PMV = 0 i PPD = 5%) w okresie zimowym zarówno dla minimalnych, jak i maksymalnych wartości temperatury wewnętrznej. Pod koniec okresu przejściowego wskaźniki przybierają wartości nieznacznie gorsze, ale ciągle mieszczące się w pojęciu komfortu cieplnego. Najbardziej zróżnicowanymi wartościami wskaźników komfortu charakteryzuje się okres letni (ma to bezpośredni związek z temperaturą zewnętrzną). Wartości PMV dochodzą do –0,5, a PPD do 12%. Należy zwrócić uwagę, iż do wyliczenia wskaźników komfortu brano w różnych okresach różne zestawy odzieży adekwatne do rozpytywanych okresów warunków zewnętrznych.

PODSUMOWANIE

Obliczone wartości parametrów mikroklimatu oraz wskaźników komfortu cieplnego (PMV i PPD) pokazują, że w budynku energooszczędnym eksploatowanym w klimacie właściwym dla północno-wschodniej Polski można uzyskać akceptowalny mikroklimat wnętrza we wszystkich charakterystycznych okresach (zima, lato, okres przejściowy). Badany jednorodzinny budynek niskoenergetyczny spełnia więc w warunkach strefy klimatycznej północno-wschodniej Polski wymagania stawiane obiektom mieszkalnym. Poprawne rozwiązania architektoniczno- budowlane i instalacyjne zapewniają utrzymanie parametrów mikroklimatu wnętrza na poziomie zapewniającym komfort termiczny. Wykonano w ramach pracy W/WBilŚ/07/08

LITERATURA

1. T. Klinke, K. Krygier, J. Sewerynik, „Mikroklimat pomieszczeń i obliczanie czynników powodujących zmiany stanu powietrza w pomieszczeniach”, [w:] T. Klinke, K. Krygier, J. Sewerynik, „Ogrzewnictwo, wentylacja, klimatyzacja”, Warszawa 1991.
2. J.A. Pogorzelski, A. Panek, „Przyszłość oszczędzania energii w budownictwie”, „Materiały Budowlane” nr 1/2006.
3. W. Sarosiek, B. Sadowska, „Eksploatacja energooszczędnego budynku jednorodzinnego”, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2003.
4. W. Sarosiek, B. Sadowska, „Wilgoć na wewnętrznych powierzchniach przegród zewnętrznych a mikroklimat mieszkań”, „Materiały Budowlane” nr 7/2006.
5. A. Szponar, B. Szponar, „Zmiany mikroklimatu pomieszczeń w budynku po termomodernizacji”.