Całoroczny bilans cieplny budynku energooszczędnego

W wypadku budynków energooszczędnych wytyczne [3] wymagają wykonywania analizy energochłonności budynku i oceny komfortu wewnętrznego w skali całego roku – zarówno w okresie zimnym, przejściowym, jak i gorącym. Niestety w zdecydowanej większości projektów i inwestycji nie wykonuje się takich analiz.

Podstawową przyczyną jest ustawowy brak takiego wymogu, a dodatkowo klasyczne metody projektowe i obliczeniowe nie pozwalają na szybkie i komercyjnie opłacalne wykonanie wieloparametrowych analiz całorocznych. Konieczne jest tu stosowanie dynamicznych komputerowych modeli symulacyjnych pozwalających prześledzić zużycie energii i parametry komfortu w budynku w skali całego roku.

Należy podkreślić, że projektowanie budynków energooszczędnych zorientowane jedynie na okres zimowy jest błędem. Przykładowo rozwiązania skutecznie ograniczające zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku zimą w pozostałych okresach roku mogą powodować problemy z przegrzewaniem się budynku.

Analogicznie rozwiązania ograniczające nagrzewanie się budynku latem zimą mogą odcinać darmowe zyski ciepła od promieniowania słonecznego. Celem analiz całorocznych jest wskazanie czynników problematycznych, ocena ich wpływu na komfort i energochłonność budynku oraz opracowanie rozwiązania optymalnego.

Całoroczna analiza energetyczna budynku

W celu przedstawienia problemów i niebezpieczeństw dotyczących całorocznej eksploatacji budynku energooszczędnego w aspekcie zużycia energii i utrzymania parametrów komfortu wewnętrznego przeprowadzono porównawcze analizy energetyczne typowego budynku jednorodzinnego, wyposażając go w kolejnych wariantach w rozwiązania ograniczające zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, powszechnie stosowane w budownictwie jednorodzinnym.

Na potrzeby analiz zbudowano numeryczny model energetyczny takiego budynku, wykorzystując aplikację do symulacji energetycznych EDSL TAS. Wynikiem symulacji są podane w kroku godzinowym parametry energetyczne budynku i parametry komfortu wewnętrznego w skali całego roku.

W analizie ocenie poddano następujące parametry:

• sezonowe zapotrzebowanie na ciepło i chłód [kWh/rok],
• szczytowe zapotrzebowanie na ciepło i chłód [kW],
• temperaturę wewnętrzną w budynku [°C],
• wielkość zysków wewnętrznych i zewnętrznych [kWh/rok],
• czas pracy urządzeń grzewczych i chłodniczych w budynku [h/rok].

Modele energetyczne budynku

Do analizy przyjęto typowy budynek jednorodzinny o ogólnych cechach budynku energooszczędnego: dwukondygnacyjny o prostej bryle z dachem dwuspadowym, z dużymi przeszkleniami od strony południowej, o powierzchni ogrzewanej 145 m², wentylowany 0,5 1/h, zlokalizowany we Wrocławiu (rys. 1). Symulacji dokonano dla trzech wariantów energetycznych i czterech wariantów wyposażenia budynku.

Jako stałe w każdym wariancie przyjęto: bryłę i kubaturę ogrzewaną budynku, jego lokalizację i orientację geograficzną, część nośną przegród budowlanych (gazobeton) oraz sposób eksploatacji i zyski wewnętrzne [1] (4 osoby) opisane dynamicznym profilem dobowym oraz tygodniowym. Budynek jest ogrzewany, w zimie utrzymywana jest temperatura wewnętrzna 20°C, a latem nie jest chłodzony.

Dla analogicznych wariantów opcjonalnie wyznaczono również teoretyczne zapotrzebowanie na chłód przy założeniu utrzymywania w okresie letnim temperatury wewnętrznej nie wyższej niż 26°C – interpretowane jako wykładnik ryzyka przegrzania budynku.

Poszczególnym wariantom nadano nazwy opisujące współczynnik przenikania ciepła zewnętrznych przegród budowlanych:

• Dom 0,6 – istniejący budynek o niskim standardzie energetycznym (U = 0,6 W/m²K),
• Dom 0,3 – budynek spełniający współczesne standardy energetyczne (U = 0,3 W/m²K),
• Dom 0,1 – budynek energooszczędny (U = 0,1 W/m²K).
• Domy 0,6 i 0,3 wyposażone są w stolarkę okienną o U_O1 = 1,8 W/m²K, a w Domu 0,1 zastosowano okna o U_O2 = 1,1 W/m²K.

Model dynamicznie uwzględnia warunki klimatu zewnętrznego oraz sposób eksploatacji budynku i aktywność użytkowników. W budynku energooszczędnym, w którym zyski wewnętrzne stanowią znaczną część wykorzystywanej energii cieplnej, aspekt ten nabiera ogromnego znaczenia. Konieczne jest uwzględnienie nie tylko liczby osób, ale również okresów ich obecności i stopnia aktywności (rys. 2) wraz z towarzyszącymi jej zyskami od urządzeń i oświetlenia.

Wpływ standardu energetycznego budynku

W pierwszym etapie analizy zestawiono zapotrzebowanie na ciepło (i opcjonalnie chłód) oraz parametry komfortu wewnętrznego dla trzech wariantów budynku. Coraz lepsze właściwości cieplne komponentów budowlanych obniżają sezonowe zużycie ciepła (rys. 3a) z 21 337 do 12 589 (redukcja o 41%) i ostatecznie do 6528 kWh (redukcja o 70%).

Analogiczny trend widoczny jest w wymaganej maksymalnej mocy systemu ogrzewania wynoszącej odpowiednio: 9,6; 6,4 (redukcja o 33%) i 4,2 kW (redukcja o 56%). Z punktu widzenia jedynie okresu zimowego trend ten jest bardzo korzystny: mniejsza inwestycja w urządzenia grzewcze i niższe rachunki za ogrzewanie.

Zestawiając te dane ze zmiennością temperatury wewnętrznej (rys. 4 i 8, tab. 1) oraz stopniem pokrycia potrzeb cieplnych z zysków wewnętrznych i solarnych (rys. 5), wyraźnie widać, że wraz ze wzrostem izolacyjności cieplnej budynku przy dużych przeszkleniach rośnie tendencja do jego przegrzewania się (do 32,2°C w sezonie grzewczym).

Jest to niekorzystny efekt uboczny jednostronnego patrzenia na izolacyjność cieplną budynków – jedynie z perspektywy okresu zimowego. W ciągu roku występują okresy, gdy zyski ciepła przewyższają zapotrzebowanie, ciepło kumuluje się w budynku i temperatura wewnętrzna wzrasta, nawet przy relatywnie niskich temperaturach zewnętrznych (rys. 8).

Nie oznacza to oczywiście, że „ciepłe” budynki to złe rozwiązanie. Należy w nich równolegle wprowadzać rozwiązania ograniczające zapotrzebowanie na energię zimą i zabezpieczające przed przegrzaniem w okresie przejściowym i latem.

Użytkownicy takiego budynku będą szukać skutecznego sposobu ograniczenia przegrzewania się budynku poza sezonem grzewczym. Rozwiązaniem może być wprowadzenie systemu chłodzenia, co niestety osłabi zakładany wynik energetyczny i ekonomiczny budynku.

Zabezpieczenie przed przegrzaniem – Dom 0,1

W drugim etapie analizy wprowadzono do wariantu Dom 0,1 popularne i ogólnie dostępne rozwiązania ograniczające ryzyko przegrzewania się budynku. Cztery dodatkowe warianty obejmują wyposażenie budynku w rozwiązania pasywne i aktywne:

• stałe poziome osłony przeciwsłoneczne od strony południowej i zachodniej (Dom 0,1 – osłony, rys. 1 z prawej),
• przyciemniane szyby przeciwsłoneczne (Dom 0,1 c. szyby),
• zewnętrzne rolety zamykane w ciągu tygodnia w godzinach od 8 do 18 (Dom 0,1 rolety 8–18),
• rolety zewnętrzne, zamykane, gdy temperatura wewnętrzna przekracza 24°C (Dom 0,1 ster. rolety).

W budynku energooszczędnym w wariancie Dom 0,1 zyski ciepła od promieniowania słonecznego stanowią ponad 1/3 sezonowego zapotrzebowania na ciepło. Doliczając do tego zyski wewnętrzne, zyski pokrywają ponad 60% zapotrzebowania na ciepło (rys. 5); analogicznie w Domach 0,6 i 0,3: 37 i 49%). Korzystna zimą proporcja staje się problematyczna w okresie przejściowym i latem.

Z punktu widzenia zabezpieczenia budynku przed przegrzaniem poza sezonem grzewczym najskuteczniejsze wydaje się wyposażenie budynku w szyby przeciwsłoneczne (rys. 6b). Jednak rozwiązanie to stale eliminuje zyski ciepła od słońca, co zimą powoduje wzrost zapotrzebowania na ciepło (o 28%). Stałe osłony słoneczne nad przeszkleniami obniżają ryzyko przegrzania, nieznacznie jedynie zwiększając zapotrzebowanie na ciepło.

Wyposażenie budynku w rolety zewnętrzne (antywłamaniowe) zamykane w dni powszednie podczas nieobecności domowników (w godz. 8–18) w budynku niskoenergetycznym powodują 18-proc. wzrost zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania i aż 75-proc. obniżenie ryzyka przegrzewania budynku.

Wyniki te jednoznacznie pokazują całoroczny wpływ stałych komponentów budynku na jego bilans energetyczny, często rozbieżny w zimnym i ciepłym okresie roku. Wprowadzenie automatycznego sterowania roletami w funkcji temperatury wewnętrznej utrzymuje niskie ryzyko przegrzania latem, a jednocześnie nie zwiększa zapotrzebowania na ciepło w sezonie grzewczym.

Odbicie powyższych wyników widoczne jest w zmienności temperatury wewnętrznej (tab. 1, rys. 7 i 8) w poszczególnych wariantach budynku.

Czas pracy systemów HVAC

Kolejnym wskaźnikiem potencjalnego wyniku energetycznego i ekonomicznego badanego wariantu budynku energooszczędnego może być czas pracy systemów grzewczych i chłodniczych (HVAC) w ciągu roku. Na rys. 9 zestawiono liczbę godzin pracy systemów grzewczych i chłodniczych oraz wyznaczono długość okresu, gdy nie występuje konieczność ani grzania (do 20°C), ani potencjalnego chłodzenia budynku (do 26°C).

Z punktu widzenia energooszczędności najkorzystniejszy jest okres eksploatacji budynku bez ogrzewania i chłodzenia, czyli bez zużywania energii. W zależności od wariantu zmienia się on z 2288 do 3880 h/rok, co stanowi odpowiednio 25 i 44% roku kalendarzowego.

Długość okresów wymagających teoretycznie chłodzenia odzwierciedla uciążliwość okresowego wzrostu temperatury w pomieszczeniach. Czas pracy systemu ogrzewania należy porównywać jedynie w wypadku budynków o tym samym standardzie energetycznym (warianty Domu 0,1).

Wnioski

Przy projektowaniu budynków energooszczędnych należy analizować zużycie energii i parametry komfortu nie tylko w okresie grzewczym, ale również w pozostałej części roku. Ze względu na rozwiązania umożliwiające duży udział wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła w pokryciu zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania w okresach zmniejszenia zapotrzebowania na nie występuje ryzyko przegrzewania budynku.

Tak pożądane zimą ciepło promieniowania słonecznego w okresach letnich staje się bolączką użytkowników energooszczędnego budynku z przeszkleniami zaprojektowanymi do pozyskiwania ciepła zimą. Zaniedbania w kwestii ochrony budynku przed nadmiernymi zyskami od promieniowania słonecznego spowodują niedotrzymanie komfortu wewnętrznego (i zwiększone zapotrzebowanie na chłód). Temperatury wewnętrzne mogą wzrastać nawet do 31°C jeszcze w sezonie grzewczym.

Stałe (pasywne) systemy ograniczania zysków od promieniowania słonecznego odcinają jego dostęp również zimą. Najkorzystniejsze są systemy aktywne, okresowo zmieniające właściwości komponentów budynku (np. sterowane rolety zewnętrzne).

Przy projektowaniu budynku energooszczędnego każdorazowo wymaga się przeprowadzenia indywidualnej całorocznej analizy energetycznej, ekonomicznej i technicznej. Umożliwiają to nowoczesne narzędzia do numerycznych symulacji energetycznych, dostarczając również użytecznych analitycznie wskaźników, niedostępnych w tradycyjnych metodach obliczeniowych.

Literatura

1. Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
2. Budynki pasywne – mistrzowie oszczędzania energii, Krajowy Ruch Ekologiczno-Społeczny, Piaseczno 2006.
3. PHPP – Pakiet do projektowania budynków pasywnych, Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, Gdańsk 2006.

Artykuł powstał na podstawie referatu przedstawionego podczas IV Międzynarodowej Konferencji Naukowo­‑Technicznej „Ogrzewanie i wentylacja w przemyśle i rolnictwie”, Tleń, 24–26 września 2012 r.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!