Zapotrzebowanie na energię pomieszczeń o różnej konstrukcji

Podstawową wielkością charakteryzującą izolacyjność cieplną przegród jest współczynnik przenikania ciepła U. Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], ograniczenie wartości tego współczynnika jest jednym z głównych wymagań stawianych przegrodom budowlanym w zakresie izolacyjności termicznej.

Przy obliczaniu izolacyjności termicznej nie bierze się natomiast bezpośrednio pod uwagę pojemności cieplnej. Może mieć ona jednak ważny wpływ na gęstość strumienia ciepła przepływającego przez przegrody.

Wskazują na to dynamiczne symulacje zapotrzebowania na energię budynków, uwzględniające niestacjonarne procesy magazynowania i uwalniania ciepła przez obudowę [2, 3].

Współczynnik przenikania ciepła

Określa on ilość ciepła przepływającego w jednostce czasu przez 1 m² powierzchni przegrody przy różnicy temperatury po stronie wewnętrznej i zewnętrznej wynoszącej 1 K; w odniesieniu do prostych przegród warstwowych obliczany jest ze wzoru:

gdzie:

R_si, R_se – opór przejmowania ciepła na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni przegrody [(m²·K)/W],

d_i – grubość materiału warstwy i-tej [m],

λ_i – współczynnik przewodzenia ciepła warstwy i-tej [W/(m·K)].

Współczynnik ten z założenia związany jest z ustalonym, niezmiennym w czasie przepływem ciepła, a jego wielkość nie zależy od zdolności akumulacyjnych elementu.

Pojemność cieplna budynku

Właściwość ta odniesiona do pola powierzchni budynku wyznaczana jest jako:

gdzie:

c_i – ciepło właściwe materiału warstwy i-tej [J/kg·K], określające, jaką ilość energii należy dostarczyć do 1 kg materiału, aby zwiększyć jego temp. o 1 K [4],

ρ_i – gęstość materiału warstwy i-tej [kg/mł],

d_i – grubość materiału warstwy i-tej [m].

Na ogół w akumulacji ciepła w budynku bierze udział ograniczona część przegrody, a maksymalna grubość rozpatrywanych warstw wynosi 0,10 m (według normy PN-EN ISO 13790:2009 [5]).

Pojemność cieplna strefy budynku obliczana jest przez zsumowanie pojemności cieplnych wszystkich elementów znajdujących się w bezpośrednim kontakcie cieplnym z powietrzem wewnętrznym danej strefy.

Założenia przyjęte w obliczeniach

W artykule rozpatrzono zapotrzebowanie na energię w pomieszczeniach różniących się konstrukcją przegród zewnętrznych i wewnętrznych, co w decydujący sposób wpływa na ich pojemność cieplną.

Przyjęto, że wymiary wewnętrzne pomieszczenia wynoszą 3,50×2,50 m, a wysokość w świetle – 2,70 m. W jednej ze ścian zewnętrznych zaprojektowano okno o wymiarach 1,50×1,50 m (26% powierzchni podłogi) i wartości współczynnika przenikania ciepła U = 1,7 W/(m²·K) (RYS. 1). Przyjęto, że ściana zewnętrzna może być skierowana na północ, południe, wschód lub zachód.

W pierwszym wariancie założono, że ściany są murowane z cegły kratówki i ocieplone od zewnątrz styropianem, a stropy międzykondygnacyjne są żelbetowe.

Drugim wariantem były przegrody o konstrukcji szkieletowej drewnianej ocieplone wełną mineralną ułożoną między elementami szkieletu nośnego i wykończone od strony wewnętrznej płytami gipsowo-kartonowymi.

W obu sytuacjach wartość współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej jest jednakowa i wynosi 0,24 W/(m²·K). Pojemność cieplna pomieszczenia obliczona według normy PN-EN ISO 13790:2009 [5] i odniesiona do m² powierzchni podłogi w wariancie I wynosi 726,0 kJ/m²·K (6,35 MJ/K), a w wariancie II jest prawie trzykrotnie mniejsza i wynosi 255,2 kJ/m²·K (2,23 MJ/K).

Wymianę powietrza w pomieszczeniu przyjęto na poziomie 0,5 1/h. Pominięto wewnętrzne zyski ciepła pochodzące od procesów bytowych i pracy urządzeń gospodarstwa domowego.

Przy ocenie pomieszczeń brano pod uwagę całoroczny cykl zapotrzebowania na ciepło i chłód oraz długość sezonu grzewczego. Założono ciągły tryb klimatyzacji pomieszczeń. Analizowane parametry wyznaczono dynamiczną metodą symulacyjną.

Analiza wyników symulacji

Jak można było oczekiwać, największe zapotrzebowanie na ciepło ma pomieszczenie skierowane na północ, a najmniejsze – na południe (RYS. 2). Bez względu na lokalizację ściany zewnętrznej zapotrzebowanie na ciepło jest nieznacznie większe w pomieszczeniu o konstrukcji lekkiej.

Największe różnice występują przy południowej orientacji przegrody – 4,3%, dla pozostałych kierunków zapotrzebowanie na ciepło w pomieszczeniu o konstrukcji ciężkiej jest mniejsze średnio o 2% od zapotrzebowania w pomieszczeniu o konstrukcji lekkiej.

Zapotrzebowanie na chłód osiąga największe wielkości, gdy elewacja skierowana jest na wschód. W przypadku elewacji północnej potrzeby energetyczne związane z chłodzeniem pomieszczenia są znikome. Konstrukcja lekka jest wariantem mniej korzystnym i wymaga większych nakładów energetycznych na chłodzenie (od ok. 30% do 120%).

W cyklu całorocznym różnice między obydwoma rodzajami konstrukcji nie są zbyt duże. Na podstawie oceny sumarycznego zapotrzebowania na energię (ciepło i chłód) można stwierdzić, że ciężka obudowa pomieszczenia pozwala uzyskać oszczędności energetyczne wynoszące od 3% do 9%. Maksymalne różnice występują, gdy elewacja skierowana jest na południe.

Dla tej orientacji w największym stopniu uwidaczniają się możliwości akumulacji promieniowania słonecznego w masywniejszych przegrodach. Jeżeli przegroda zewnętrzna skierowana jest na północ, ze względu na mniejsze natężenie promieniowania słonecznego potencjalne możliwości magazynowania ciepła przez konstrukcję murowano­‑żelbetową nie są w pełni wykorzystane. Efektem jest minimalne zmniejszenie zapotrzebowania na energię w stosunku do lekkiej konstrukcji szkieletowej.

Na uwagę zasługuje fakt, że najmniej korzystną lokalizacją ściany zewnętrznej okazała się lokalizacja wschodnia. Mimo że zapotrzebowanie na ciepło jest największe dla ściany skierowanej na północ, to jednak znaczne nasłonecznienie latem, charakterystyczne dla kierunku wschodniego, powoduje wzrost całkowitego zapotrzebowania na energię (TABELA 1).

Potwierdzają to wyniki obliczeń kolejnych miesięcy roku. Na RYS. 3–4 przedstawiono rozkład zapotrzebowania na energię w wypadku ściany zewnętrznej skierowanej na południe i wschód.

Wpływ rodzaju konstrukcji na potrzeby energetyczne najbardziej widoczny jest na końcu i początku sezonu grzewczego oraz latem (od kwietnia do października).

Większe możliwości magazynowania energii przez masywną obudowę pozwalają w tym czasie w zauważalny sposób zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło i chłód. W miesiącach zimowych (od listopada do lutego) różnice między obydwoma typami konstrukcji są znacznie mniejsze.

Może to być spowodowane faktem, że ze względu na ograniczone zyski słoneczne możliwości akumulacyjne ciężkiej obudowy nie są w pełni ­wykorzystane, a o stratach ciepła decyduje przede wszystkim izolacyjność termiczna przegrody zewnętrznej.

Także tryb ogrzewania ciągłego założony w obliczeniach (bez przerw spowodowanych np. czasowym wyłączeniem przez użytkowników) nie sprzyja uwidocznieniu się różnic wynikających ze zmiany pojemności cieplnej.

Ważnym i korzystnym zjawiskiem związanym z zastosowaniem ciężkiej konstrukcji przegród jest znaczące skrócenie sezonu grzewczego. W rozważanym przykładzie czas ogrzewania pomieszczenia o masywnej obudowie skrócił się średnio o 25 dni (TABELA 2).

Wiąże się to również z bardziej efektywnym wykorzystaniem zysków ciepła pochodzących od promieniowania słonecznego, co jest najbardziej widoczne w odniesieniu do południowej lokalizacji ściany zewnętrznej.

Podsumowanie

Różne zapotrzebowanie na ciepło i chłód pomieszczeń o konstrukcji lekkiej i masywnej związane jest przede wszystkim z możliwością akumulacji energii, pozwalającą na lepsze wykorzystanie promieniowania słonecznego zimą i ograniczenie przegrzewania pomieszczeń latem.

W analizowanym przypadku największe możliwości wykorzystania zdolności magazynowania energii wiązały się ze zmniejszeniem zapotrzebowania na chłód (szczególnie w maju i czerwcu) i znacznym skróceniem sezonu grzewczego. Różnice w zapotrzebowaniu na ciepło mogłyby być bardziej widoczne w analizie większego mieszkania lub całego budynku oraz przy założeniu nieciągłego trybu ogrzewania.

Zapewnienie odpowiedniej pojemności cieplnej obudowy zdecydowanie sprzyja oszczędności energii i utrzymaniu komfortu wewnętrznego [6]. W konstrukcjach masywnych może to być osiągnięte automatycznie, dzięki cechom fizycznym elementów przegrody.

W konstrukcjach lekkich będzie wymagać bardziej przemyślanego projektowania budynku i stworzenia możliwości akumulacji energii przez dodatkowe elementy, takie jak masywna płyta fundamentowa, murowane ścianki działowe lub zwiększona grubość okładziny wykańczającej konstrukcję szkieletową.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690 ze zm.).
2. D. Heim, „Izolacyjność termiczna przegród pełnych i jej wpływ na charakterystykę energetyczną budynków”, „Izolacje”, nr 7/8/2012, s. 18–23.
3. „Typowy rok meteorologiczny do symulacji wymiany ciepła i masy w budynkach”, pod red. D. Gawina i E. Kosseckiej, Politechnika Łódzka, Łódź 2002.
4. W. Płoński, J.A. Pogorzelski, „Fizyka budowli”, Arkady, Warszawa 1979.
5. PN-EN ISO 13790:2009, „Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia”.
6. T. Kisilewicz, „O tłumieniu fal cieplnych przez przegrody zewnętrzne budynków”, „Czasopismo Techniczne. Budownictwo”, z. 3, 2-B/2012, s. 205.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!