Porównanie systemów klimatyzacji obiektu biurowego wyposażonego w dwa typy okien

Przedmiotem opracowania jest analiza energetyczna systemu wentylacji i klimatyzacji w budynku biurowym w zależności od przyjętego rodzaju okien i ich współczynnika przenikania ciepła.

Zadaniem instalacji klimatyzacyjnej i wentylacyjnej jest:

• obniżenie temperatury,
• utrzymanie wilgotności na wymaganym poziomie
• i zapewnienie komfortu w pomieszczeniach biurowych na parterze oraz pierwszym i drugim piętrze.

W artykule zawarto również wyniki przeprowadzonych obliczeń oraz doboru urządzeń chłodzących w celu utrzymania odpowiednich parametrów w pomieszczeniach.

W oparciu o dane klimatyczne obliczono zapotrzebowanie na energię w systemie klimatyzacji dla dwóch przypadków (tab. 1):

• Wariant 1 – budynek, w którym zamontowano okna o współczynniku przenikania ciepła szyby równym 1,1 W/(m² K).
• Wariant 2 – w budynku zastosowano energooszczędne okna z szybami przeciwsłonecznymi refleksyjnymi o współczynniku przenikania ciepła równym 0,5 W/(m² K).

Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego i wewnętrznego

Budynek biurowy znajduje się w Krakowie. Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego zostały określone według PN-EN 12831 [1]. Dla lata i II strefy klimatycznej wynoszą one:

• temperatura zewnętrzna t_z = 30°C,
• wilgotność względna j_z = 45%;

a dla zimy i III strefy klimatycznej:

• temperatura zewnętrzna t_z = –20°C,
• wilgotność względna j_z = 100%.

Parametry powietrza wewnętrznego zostały określone według PN-B-03421 [2]. Dla pomieszczeń biurowych przyjęto małą aktywność fizyczną ludzi, a prędkość powietrza w strefie ich przebywania na poziomie 0,2 m/s. Założono następujące parametry w pomieszczeniach biurowych:

• dla okresu letniego:
  - temperatura wewnętrzna t_p = 24 ±1°C,
  - wilgotność względna f_p = 50 ±5%;
• dla okresu zimowego:
  - temperatura wewnętrzna t_p = 22 ±1°C,
  - wilgotność względna f_p = 50 ±5%.

Założono, że strumień powietrza świeżego przypadający na 1 osobę w pomieszczeniach biurowych będzie wynosić 50 m³/h, przy założeniu, że palenie tytoniu nie będzie dozwolone oraz okna nie będą otwieralne [3].

Instalacja wentylacji i klimatyzacji

W budynku zaprojektowano instalację wentylacji mechanicznej składającą się z dachowej centrali nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła w wymienniku krzyżowym i nagrzewnicą wodną. Wentylacja wyciągowa z toalet realizowana jest poprzez wentylatory zlokalizowane na dachu budynku [4].

Instalacja klimatyzacji zaprojektowana została w oparciu o czterokierunkowe klimakonwektory typu kasetonowego, pracujące na powietrzu obiegowym czerpanym bezpośrednio z pomieszczenia, w którym się znajdują. Urządzenia są modelami chłodząco-grzewczymi przygotowanymi do pracy całorocznej, czyli mogą działać również w funkcji grzania w okresach przejściowych. Źródłem chłodu dla klimakonwektorów jest agregat chłodniczy zlokalizowany na zewnątrz budynku, a czynnik chłodniczy to R410A.

Zaprojektowano instalację chłodniczą wodną opartą na dwóch układach – obieg wewnętrzny (wodny) dostarczający medium do urządzeń wewnątrz budynku oraz obieg zewnętrzny (40-proc. wodny roztwór glikolu) łączący agregat z chłodnicą cieczy. Parametry wody dla klimakonwektorów w budynku z oknami energooszczędnymi wynoszą 6/12°C, a z oknami standardowymi 5,5/13°C. Budynek ma zwartą bryłę. Okna na fasadzie południowej zajmują ok. 30%, na ścianie zachodniej – ok. 5%, a na ścianie wschodniej – 8% powierzchni. Klatka schodowa i ściana ukośna (rys. 1) znajdują się od strony północnej.

Okna

Obecnie produkowane okna przeciwsłoneczne pozwalają utrzymać wysoki poziom izolacyjności cieplnej, umożliwiając projektowanie mniej obciążonych układów chłodzących (klimatyzatory), co wiąże się z mniejszymi kosztami eksploatacyjnymi oraz odciążeniem środowiska naturalnego.

Zadaniem szyb przeciwsłonecznych jest ochrona pomieszczeń przed przegrzaniem poprzez pochłanianie lub odbicie części energii promieniowania słonecznego (podczerwień), a dobre właściwości termoizolacyjne tych okien ograniczają z kolei straty ciepła zimą.

Zwykłe szyby zespolone (dwie lub trzy z powietrzem lub gazem, jak np. argon czy krypton, oddzielone ramką dystansową z sitem molekularnym pełniącym funkcję pochłaniacza pary wodnej i uszczelnione na całym obwodzie ramki) przepuszczają energię słoneczną do wnętrza w 80%, natomiast szyba zespolona ze szkłem przeciwsłonecznym odbija oraz absorbuje i oddaje na zewnątrz tak wiele energii, że do wnętrza dociera jedynie do 10%.

Szkło przeciwsłoneczne powoduje mniejsze nagrzewanie się pomieszczeń w budynkach poprzez ograniczenie przepuszczalności promieniowania, przy jednoczesnym zapewnieniu odpowiedniej przepuszczalności światła dziennego (wpływ zastosowania różnych okien na czas działania oświetlenia nie był przedmiotem analizy).

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje szkła przeciwsłonecznego:

• absorpcyjne - wytwarza się w technice barwienia w masie (np. kolor niebieski lub zielony); takie szkło absorbuje energię promieniowania słonecznego, nagrzewa się i oddaje ciepło na zewnątrz i dlatego jest zawsze szybą zewnętrzną w zestawie szyby zespolonej; szkło absorpcyjne cechuje się niską refleksyjnością oraz słabym odbijaniem światła widzialnego.
• refleksyjne - do jego produkcji używa się bezbarwnego szkła lub szkła absorpcyjnego barwionego w masie. Proces produkcji polega na napyleniu (metodą pirolityczną – twardopowłokową lub magnetronową – miękkopowłokową) na powierzchnię szkła bardzo cienkiej powłoki refleksyjnej, składającej się z kilku cienkich, pojedynczych warstw tlenków metali. W wyniku tych procesów napylona powłoka refleksyjna zostaje w pewnej części wtopiona w szkło, co zwiększa jego trwałość. Zadaniem powłoki refleksyjnej jest przepuszczanie światła widzialnego przy jednoczesnym odbijaniu promieniowania podczerwonego. 

Do obliczeń przyjęto szyby refleksyjne, ponieważ charakteryzują się one lepszym zabezpieczeniem przed penetracją energii słonecznej do wnętrza pomieszczeń niż szkło absorpcyjne [5].

Projekt i obliczenia

Na potrzeby analizy porównawczej wykonano obliczenia zysków ciepła dla obu wariantów. Dla każdego wariantu dobrano urządzenia: klimakonwektory, agregat, rurociągi. W tab. 2, tab. 3 i tab. 4 oraz na rys. 2, rys. 3, rys. 4, rys. 5 i rys. 6 przedstawiono zestawienia urządzeń i zysków ciepła. Widać wyraźną różnicę w liczbie i mocy urządzeń wynikającą z redukcji zysków ciepła przez okna dzięki zastosowaniu innego typu szyb.

W tab. 3 zestawiono urządzenia do utrzymywania założonych parametrów w pomieszczeniach dla budynku w wariancie pierwszym i drugim. W budynku z oknami przeciwsłonecznymi refleksyjnymi zapotrzebowanie na chłód jest niższe, co wiąże się z mniejszą liczbą urządzeń, a także doborem mniejszych jednostek. Po porównaniu instalacji hydraulicznej dla budynku z oknami energooszczędnymi i standardowymi przyjęto, że różnice te są nieznaczne, dlatego została ona pominięta w dalszej analizie.

Następnym krokiem było oszacowanie nakładów inwestycyjnych związanych z każdym rozpatrywanym wariantem oraz analiza ekonomiczna (NPV). Metoda wartości bieżącej netto NPV jest jedną z podstawowych metod uwzględniających czynnik czasu w ocenach inwestycyjnych i ma szerokie zastosowanie w praktyce. Jej idea polega na porównaniu poniesionych nakładów z wartością bieżącą przyszłych przychodów z inwestycji. W przypadku kilku wariantów inwestycji wybierany jest ten, który charakteryzuje się największą wartością tego wskaźnika. Szczegóły projektu oraz obliczeń są dostępne w archiwum autorów.

Podsumowanie i wnioski

W artykule przedstawiono wyniki obliczeń projektowych instalacji klimatyzacyjno-wentylacyjnej budynku biurowego w dwóch wariantach oraz analizę bieżącego zużycia energii elektrycznej przez agregat w zależności od chwilowego zapotrzebowania na chłód. Pierwszym rozpatrywanym wariantem jest budynek, w którym do obliczeń zysków ciepła przyjęto okna przeciwsłoneczne refleksyjne ze współczynnikiem U = 0,5 W/(m²· K), natomiast w drugim wariancie przyjęto okna standardowe o współczynniku U = 1,1 W/(m²· K) oraz z żaluzjami wewnętrznymi. Po obliczeniu maksymalnych zysków ciepła dla budynku otrzymano dla pierwszego wariantu 114,8 kW, natomiast dla drugiego 138,3 kW.

Przeprowadzono analizę ekonomiczną celowości wykorzystania okien przeciwsłonecznych refleksyjnych do zmniejszenia zapotrzebowania na chłód. Po uwzględnieniu średniego współczynnika efektywności energetycznej wytworzenia chłodu ESEER wyliczono ilość energii elektrycznej zużywanej przez agregat chłodniczy. W wariancie pierwszym zużywa on rocznie 33 337 kWh energii elektrycznej, a w wariancie drugim 48 011 kWh.

Agregat chłodniczy ma do pokrycia mniejsze zapotrzebowanie na chłód w budynku z oknami refleksyjnymi przeciwsłonecznymi, dzięki czemu zużywa mniej energii elektrycznej niż agregat chłodniczy, który musiałby być zainstalowany w budynku z oknami przezroczystymi, w związku z tym roczne koszty utrzymania założonych w budynku parametrów są niższe. W pierwszym roku analizowanej inwestycji oszczędności związane z mniejszym zapotrzebowaniem na energię elektryczną przez sam agregat chłodniczy wynoszą 7391 zł, bez uwzględniania pozostałych kosztów eksploatacyjnych.

Przeprowadzona analiza ekonomiczna przedsięwzięcia wskazuje, że wskaźnik NPV jest wyższy dla wariantu pierwszego (budynek z oknami przeciwsłonecznymi refleksyjnymi). Inwestycja ta, mimo że jest rozwiązaniem droższym inwestycyjnie, z uwagi na oszczędności sięgające ok. 30% rocznie w stosunku do kosztów energii elektrycznej dla budynku w wariancie drugim, zwróci się po ok. 3 latach eksploatacji. Zarówno metoda wartości bieżącej netto NPV, jak i prosty czas zwrotu pokazują, że inwestycja w budynek z oknami refleksyjnymi przeciwsłonecznymi jest bardziej opłacalna dla inwestora będącego jednocześnie użytkownikiem, gdyż koszty eksploatacyjne są dużo niższe niż w przypadku budynku z oknami standardowymi i pozwalają na stosunkowo szybki zwrot różnicy kosztów inwestycyjnych analizowanych rozwiązań.

Literatura

1. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
2. PN-B-03421:1978 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi.
3. PN-B-03430:1983/Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
4. PN-B-03433:1987 Wentylacja. Instalacje wentylacji mechanicznej wywiewnej w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych. Wymagania.
5. http://www.infookno.pl/Przeciwsloneczna.html.
6. Ciesielska E., Analiza energetyczna systemu wentylacji i klimatyzacji w budynku energooszczędnym na przykładzie projektowym, praca dyplomowa, 2015.