Jak określać charakterystykę energetyczną budynków?

Obowiązująca od 1 stycznia 2006 r. dyrektywa 2002/91/WE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1] (EPBD – Energy Performance of Buildings Directive) otwiera nowe pole do analiz zapotrzebowania na energię netto, z uwzględnieniem także energii potrzebnej do chłodzenia budynków. Przedstawiamy podstawowe założenia bilansowej metody miesięcznej zgodnie z obowiązującą normą PN-EN ISO 13790 [2] wchodzącą w skład zestawu norm związanych z dyrektywą.

Bilans energetyczny

Zakłada się, że bez względu na rodzaj przyjętej metody bilans energetyczny rozpatrywany jest rozdzielnie na poziomie budynku oraz na poziomie instalacji technicznych. W bilansie cieplnym budynku uwzględnia się energię do ogrzewania oraz chłodzenia na podstawie bilansu cieplnego pojedynczej strefy lub poszczególnych stref termicznych. W skład bilansu cieplnego strefy stanowiącego o zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania lub chłodzenia na poziomie budynku wchodzą straty bądź zyski ciepła wynikające z:

• wymiany ciepła na drodze przewodzenia pomiędzy strefą o założonej temperaturze wewnętrznej a środowiskiem zewnętrznym, związanej z różnicą temperatur powietrza wewnętrznego w strefie i powietrza zewnętrznego,
• wymiany ciepła na drodze wentylacji (wywołanej wentylacją naturalną lub mechaniczną) pomiędzy strefą o założonej temperaturze wewnętrznej a środowiskiem zewnętrznym, związanej z różnicą temperatur powietrza wewnętrznego w strefie i powietrza nawiewanego (z uwzględnieniem ewentualnego odzysku ciepła),
• wymiany ciepła na drodze przewodzenia oraz na drodze wentylacji pomiędzy strefą o założonej temperaturze wewnętrznej a strefą sąsiednią, związanej z różnicą temperatur powietrza wewnętrznego w obu strefach (z uwzględnieniem ewentualnego odzysku ciepła),
• zysków ciepła od osób, urządzeń, oświetlenia oraz ciepła traconego z lub do instalacji ogrzewania, chłodzenia, przygotowania ciepłej wody bądź wentylacji,
• zysków ciepła od promieniowania słonecznego, bezpośredniego (przez elementy przeszklone) lub pośredniego (przez absorpcję ciepła na zewnętrznych powierzchniach przegród pełnych),
• magazynowania lub oddawania ciepła przez elementy konstrukcji (jedynie w wypadku metody dynamicznej).

Na poziomie instalacji (poza zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania lub chłodzenia) w bilansie cieplnym uwzględniana jest: energia pochodząca z systemów energii odnawialnej, strata energii wynikająca ze sprawności wytwarzania, magazynowania, przesyłu, emisji i regulacji, energia pomocnicza niezbędna do zasilania systemu grzewczego, chłodniczego lub wentylacyjnego, dodatkowa energia wyprodukowana przez system grzewczy lub chłodniczy w przypadku systemów kogeneracyjnych.

Wybór metody obliczeniowej

Obliczenia zapotrzebowania na ciepło bądź chłód dokonywane są najczęściej przy użyciu dwóch rodzajów metod: quasi-statycznych bądź dynamicznych. Metody quasi-statyczne określają bilans cieplny dla odpowiednio długiego okresu obliczeniowego (najczęściej jednego miesiąca lub sezonu grzewczego). W metodach tych nie jest możliwe pełne rozpatrzenie efektów chwilowych, które są uwzględniane poprzez współczynniki wykorzystania zysków lub strat ciepła. Metody dynamiczne, określające bilans cieplny dla krótkich okresów (przeważnie 1 godz.), pozwalają na dokładniejsze wzięcie pod uwagę efektów związanych z magazynowaniem energii ciepła lub chłodu w elementach konstrukcji budynku.

Szczególnie istotne różnice w sposobie uwzględnienia wykorzystania zysków ciepła można zaobserwować w pomieszczeniach o znacznych okresowych zyskach ciepła oraz wykorzystania uzysku energii do przestrzeni nieogrzewanych, np. ogrodów zimowych. Ważna jest też masa termiczna budynku i sposób jego użytkowania. W ramach procedur obliczeniowych określonych w normie PN-EN ISO 13790 [2], zależnie od stopnia złożoności, istnieje możliwość wyboru spośród następujących trzech metod:

• miesięcznej metody quasi-statycznej,
• uproszczonej,
• godzinowej metody dynamicznej (godzinowej quasi-statycznej), s
• zczegółowej metody symulacyjnej.

Metoda miesięczna daje poprawne wyniki jedynie w obliczeniach w cyklu rocznym (w odniesieniu do sezonu grzewczego i chłodniczego). Jeśli chodzi o poszczególne miesiące, a w szczególności okresy przejściowe pomiędzy sezonami grzewczym a chłodniczym, wyniki uzyskane metodą statyczną obarczone są istotnymi błędami. Uproszczona godzinowa metoda dynamiczna zalecana jest w celu lepszego uwzględnienia zmiennego w ciągu dnia sposobu użytkowania obiektu. W szczególności gdy zakłada się zmienną w ciągu doby temperaturę powietrza wewnętrznego oraz sterowanie temperaturą (w zależności od warunków wewnętrznych i zewnętrznych), wielkością strumienia powietrza wentylacyjnego lub urządzeniami zacieniającymi. Metoda ta daje poprawne wyniki dla poszczególnych miesięcy. W przypadku obiektów złożonych w celu otrzymania właściwej charakterystyki energetycznej w poszczególnych godzinach niezbędne jest skorzystanie ze szczegółowej metody symulacyjnej. Stopień złożoności może wynikać z charakteru, funkcji i sposobu użytkowania, a także rozwiązań konstrukcyjnych i przestrzennych.

Procedura obliczeniowa

Określanie granic przestrzeni ogrzewanej Granicami przestrzeni ogrzewanej są wszystkie elementy budynku oddzielające przestrzeń ogrzewaną od środowiska zewnętrznego albo od sąsiednich ogrzewanych lub nieogrzewanych przestrzeni. Jeśli dla całego budynku zakładana jest temperatura stała, a wewnętrzne i słoneczne zyski ciepła są stosunkowo niewielkie i równomiernie rozłożone w całym budynku, dopuszcza się stosowanie obliczeń jak dla modelu jednostrefowego (bez podziału na poszczególne strefy). Oznacza to, że całą przestrzeń budynku traktuje się jako jedną strefę termiczną (objętość powietrza o właściwościach jednorodnych). Podział na strefy nie jest wymagany, gdy:

• temperatura stref nie różni się o więcej niż 4 K,
• strefa obsługiwana jest przez tę samą instalację grzewczą bądź chłodniczą,
• instalacja wentylacji mechanicznej (o ile występuje) obsługuje co najmniej 80% powierzchni analizowanej przestrzeni,
• różnice w wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego między poszczególnymi strefami są nie większe niż czterokrotna ilość dla najmniejszej wymiany lub drzwi pomiędzy strefami są często otwierane.

W pozostałych wypadkach budynek należy podzielić na poszczególne strefy termiczne. Jeżeli nie ma wymiany energii pomiędzy strefami na drodze przewodzenia lub wymiany powietrza, każda ze stref może być potraktowana niezależnie. Zapotrzebowanie na ciepło lub chłód można wtedy wyznaczać, używając procedury obliczeń jednostrefowych i przyjmując adiabatyczne granice między strefami. Zapotrzebowanie na energię dla całego budynku jest wtedy sumą zapotrzebowania energii obliczonych dla wszystkich stref. Jeśli istnieje możliwość wymiany energii między strefami, należy to uwzględnić w obliczeniach dla poszczególnych stref.

Określanie temperatury pojedynczej strefy

W przypadku obliczeń jednostrefowych, gdy temperatura poszczególnych przestrzeni nie jest jednakowa, należy wyznaczyć ją jako średnią ważoną (1) dla ogrzewania oraz (2) dla chłodzenia:

gdzie:

Θ_int,H,set – jest wymaganą dla ogrzewania temperaturą strefy s,

A_f,s – jest powierzchnią strefy s.

gdzie:

Θ_int,C,set – jest wymaganą dla chłodzenia temperaturą strefy s,

A_f,s – jest powierzchnią strefy s.

Ustalanie długości sezonu grzewczego i chłodniczego – metoda miesięczna Długość sezonu grzewczego obliczana jest jako suma długości odpowiednich okresów ogrzewania w odniesieniu do każdego miesiąca f_H,m:

gdzie:

f_H – to długość okresu w poszczególnych miesiącach, w których dana strefa jest ogrzewana, określana na podstawie zależności:

gdzie:

Q_H,nd – jest miesięcznym zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania,

Q_C,nd – jest miesięcznym zapotrzebowaniem na energię do chłodzenia,

Q_V,pre–heat – jest miesięcznym zapotrzebowaniem na energię do wstępnego podgrzania powietrza wentylacyjnego,

Q_V,pre–cool – jest miesięcznym zapotrzebowaniem na energię do wstępnego schłodzenia powietrza wentylacyjnego. Długość sezonu chłodniczego obliczana jest jako suma długości odpowiednich okresów chłodzenia dla każdego miesiąca f_C,m:

gdzie:

f_C – to długość okresu w poszczególnych miesiącach, w których dana strefa jest chłodzona, wyznaczana z następującej zależności:

gdzie:

Q_H,nd – jest miesięcznym zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania,

Q_C,nd – jest miesięcznym zapotrzebowaniem na energię do chłodzenia.

Wyznaczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania dla pojedynczej strefy – metoda miesięczna

Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania ciągłego wyznaczane jest na podstawie następującej zależności:

gdzie:

Q_H,nd,cont – jest zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania ciągłego,

Q_H,ht – są całkowitymi stratami ciepła dla trybu ogrzewania (równanie 9),

Q_H,gn – są całkowitymi zyskami ciepła dla trybu ogrzewania (równanie 13),

η_H,gn – jest bezwymiarowym współczynnikiem wykorzystania zysków ciepła.

Wyznaczanie zapotrzebowania na energię do chłodzenia dla pojedynczej strefy – metoda miesięczna

Zapotrzebowanie na energię do chłodzenia ciągłego wyznaczane jest z następującej zależności:

gdzie:

Q_C,nd,cont – jest zapotrzebowaniem na energię do chłodzenia ciągłego,

Q_C,ht – są całkowitymi stratami ciepła dla trybu chłodzenia (równanie 9),

Q_C,gn – są całkowitymi zyskami ciepła dla trybu chłodzenia (równanie 13),

η_C,gn – jest bezwymiarowym współczynnikiem wykorzystania strat ciepła.

Całkowite straty ciepła w odniesieniu do każdej strefy budynku i każdego kroku czasowego wynoszą:

gdzie:

Q_tr – są całkowitymi stratami ciepła przez przenikanie,

Q_ve – są całkowitymi stratami ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego.

Całkowite straty ciepła przez przenikanie oblicza się następująco:

gdzie:

ρ_aca – jest pojemnością cieplną jednostkowej objętości powietrza,

q_ve,k,mn – jest uśrednionym po czasie strumieniem powietrza wentylacyjnego [m³/s],

b_ve,k – jest współczynnikiem uwzględniającym różnice między temperaturą powietrza nawiewanego a temperaturą zewnętrzną,

Θ_e – jest średnią temperaturą zewnętrzną dla danego okresu obliczeniowego,

t – jest długością okresu obliczeniowego.

Całkowite zyski ciepła dla każdej strefy budynku i każdego kroku czasowego wynoszą:

gdzie:

Q_int – jest sumą wewnętrznych zysków ciepła,

Q_sol – jest sumą zysków ciepła od promieniowania słonecznego.

Wewnętrzne zyski ciepła wynoszą:

gdzie:

b_tr,l – jest współczynnikiem redukcji, który należy przyjmować zgodnie z prPN-prEN ISO 13789 [4],

Φ_sol,mn,k – jest średnią mocą wewnętrznych zysków ciepła w analizowanej przestrzeni ogrzewanej,

Φ_sol,mn,u,l – jest średnią mocą wewnętrznych zysków ciepła w sąsiedniej przestrzeni nieogrzewanej,

t – jest długością okresu obliczeniowego.

Przy wyznaczaniu zysków wewnętrznych uwzględnia się zyski ciepła od przebywających w pomieszczeniach osób, sprzętu, oświetlenia, ciepłej wody, urządzeń obsługujących systemy grzewcze chłodnicze i wentylacyjne oraz od procesów mogących być źródłem wewnętrznych zysków ciepła. Zyski ciepła od promieniowania słonecznego oblicza się następująco:

gdzie:

b_tr,l – jest współczynnikiem redukcji, który należy przyjmować zgodnie z prPN-prEN ISO 13789 [4],

Φ_sol,mn,k – jest średnią mocą zysków ciepła od promieniowania słonecznego do analizowanej przestrzeni ogrzewanej,

Φ_sol,mn,u,l – jest średnią mocą zysków ciepła od promieniowania słonecznego do sąsiedniej przestrzeni nieogrzewanej,

t – jest długością okresu obliczeniowego.

Strumień zysków ciepła od promieniowania słonecznego wyznacza się z uwzględnieniem ograniczenia dopływu promieniowania słonecznego przez elementy zacieniające oraz promieniowania cieplnego przegród budynku zgodnie z zależnością:

gdzie:

F_sh,ob,k – jest współczynnikiem zacienienia,

A_sol,k – jest efektywną powierzchnią skupiającą zorientowaną o danej orientacji i kącie nachylenia,

I_sol,k – jest gęstością strumienia promieniowania słonecznego,

F_r,k – jest współczynnikiem promieniowania cieplnego przegród zależnym od kąta nachylenia danej powierzchni,

Φ_r,k – jest strumieniem promieniowania cieplnego przegród budynku. Wyznaczanie współczynnika wykorzystania zysków ciepła.

Współczynnik wykorzystania zysków ciepła η_H,gn jest stosunkiem zysków do strat ciepła do ogrzewania oraz parametru numerycznego γ_H zależnego od stałej czasowej budynku τ.

gdzie:

a_H0 = 1 – dla metody miesięcznej,

τ – jest stałą czasową budynku.

Wyznaczanie współczynnika wykorzystania strat ciepła

Współczynnik wykorzystania strat ciepła η_C,ls jest funkcją zysków do strat ciepła do chłodzenia γ_C oraz parametru numerycznego a_C zależnego od stałej czasowej budynku τ. Jeżeli γ_C>1 oraz γ_C ≠ 1, to:

gdzie:

a_C,O = 1 – dla metody miesięcznej,

τ – jest stałą czasową budynku.

Obliczanie stałej czasowej budynku (lub strefy)

Stałą czasową wyznacza się na podstawie wzoru:

gdzie:

C_m – jest wewnętrzną masą termiczną budynku lub strefy,

H_tr,adj – jest całkowitym współczynnikiem strat ciepła przez przenikanie,

H_ve,adj – jest całkowitym współczynnikiem strat ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego. 

Omówienie metody 

Podstawowym założeniem przedstawionej metody bilansowej wyznaczania zapotrzebowania na ciepło i chłód jest przyjęcie w obliczeniach uśrednionych danych wejściowych w odniesieniu do okresu obliczeniowego (dla warunków Polski np. w odniesieniu do 1 mies.). Podstawowe uproszczenie polega na wprowadzeniu współczynników wykorzystania świadczących o statycznym charakterze metody. Może to wywoływać istotne niedokładności w obliczeniach dotyczących tzw. okresów przejściowych (początek i koniec sezonu grzewczego) oraz w odniesieniu do budynków o skomplikowanym układzie funkcjonalno-systemowym lub użytkowanych w sposób nietypowy. Szczególnie istotnych różnic należy oczekiwać w przypadku budynków „ciężkich”, w których masa termiczna konstrukcji odgrywa istotną rolę w akumulacji ciepła i chłodu w odniesieniu do zysków ciepła (wewnętrznych oraz od promieniowania słonecznego).

Bez względu na rodzaj przyjętej metody przed przystąpieniem do obliczeń konieczne jest podzielenie kubatury budynku na przestrzenie o tych samych lub zbliżonych warunkach wewnętrznych wraz z ewentualnym łączeniem wybranych przestrzeni we wspólne strefy termiczne. W przypadku przestrzeni scalonych należy dodatkowo wyznaczyć temperaturę wymaganą dla nowo powstałej strefy. Kolejnym krokiem jest ustalenie długości okresu ogrzewania i chłodzenia. W przypadku budynków o jednakowej funkcji i konstrukcji oraz obsługiwanej przez jeden system techniczny jest to zadanie stosunkowo łatwe. Problemy pojawiają się w momencie, gdy pewne wybrane strefy znacznie odbiegają od pozostałych, np. pod względem wielkości zysków ciepła, izolacyjności przegród zewnętrznych lub masy termicznej. Wtedy okresy ogrzewania i chłodzenia mogą być przesunięte w czasie, w drastycznych przypadkach zaś mogą w ogóle nie występować (np. w pomieszczeniach o dużych zyskach ciepła).

Wyznaczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia (z uwzględnieniem jedynie ciepła jawnego) oparte jest na podstawowych równaniach bilansowych: bilansie strat i zysków ciepła. Zarówno straty, jak i zyski wyznaczane są na podstawie wartości uśrednionych. Są to parametry środowiska zewnętrznego (średnie temperatury bądź średnie sumy promieniowania) i wewnętrznego (zyski ciepła lub krotność wymiany powietrza wentylacyjnego).

Zyski wewnętrzne są przeważnie zgodne w czasie ze stratami na podgrzanie powietrza wentylacyjnego, jednak w przypadku zysków od promieniowania słonecznego jest to zależne od funkcji budynku. Z punktu widzenia energochłonności ważne jest nie tylko, jaki procent zysków (ciepła lub chłodu) jesteśmy w stanie w budynku zmagazynować, lecz także na ile ta dodatkowa energia jest w stanie pokryć rzeczywiste zapotrzebowanie. Trzy metody obliczeniowe zaproponowane w normie PN-EN ISO 13790 [2] charakteryzują się zupełnie innym stopniem złożoności rozwiązania. Dotyczy to zarówno poziomu szczegółowości danych wejściowych i założeń na etapie definiowania modelu, jak i dokładności otrzymanych wyników, ich wiarygodności i możliwości uogólnienia. Spodziewane różnice wynikają głównie z dynamicznej reakcji budynku na zjawiska chwilowe związane z okresowymi zyskami ciepła oraz dynamiką cieplną obudowy zależną od masy termicznej.

Podsumowanie

W artykule omówiono podstawowe założenia dotyczące wyznaczania zapotrzebowania na ciepło i chłód budynków według miesięcznej metody bilansowej. W założeniach jest ona najbardziej zbliżona do obowiązującej obecnie metody określonej w normie PN-B-02025 [3]. Ze względu na istotne uproszczenia nie może ona jednak znaleźć zastosowania we wszystkich typach budynków. Zamieszczone w najnowszej wersji normy PN- -EN ISO 13790 [2] pozostałe algorytmy obliczeniowe pozwalają na znacznie większą swobodę wyboru stopnia złożoności modelu. Konsekwencją może się okazać jednak brak odpowiednich danych, określanych często na poziomie krajowym. W związku z tym decyzja w sprawie wyboru metody powinna być kompromisem pomiędzy rzeczywistym wyposażeniem technicznym budynków w Polsce, zachowaniem proporcji między długością sezonu grzewczego i chłodniczego oraz dostępnością odpowiednich danych i narzędzi obliczeniowych. Godne zastanowienia byłoby zróżnicowanie zalecanych metod w zależności od rodzaju obiektu i obsługujących go instalacji technicznych, a także pozostawienie możliwości zmiany przyjętej metody w latach późniejszych.

Literatura

1. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzUrz WE L 1 z 04.01.2003 r., s. 65–71).
2. PN-EN ISO 13790:2008 „Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia”.
3. PN-B-02025:2001 „Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego”.
4. PN-prEN ISO 13789:2008 „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania”. 

CZERWIEC 2008

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!