Wpływ otoczenia na bilans energetyczny budynku energooszczędnego

Decydując się na budowę domu, zdecydowana większość inwestorów korzysta z gotowego projektu typowego, również w wypadku budynków energooszczędnych.

Ze względu na złożony i czuły na zmiany bilans energetyczny takiego obiektu, lokalizując budynek energooszczędny według typowego projektu na konkretnej działce, należy dokładnie zweryfikować lokalne warunki, porównując je z wartościami przyjętymi w projekcie. Nie chodzi tu jedynie o strefę klimatyczną i warunki projektowe okresu zimowego, lecz o wszelkie czynniki wpływające na całoroczne zapotrzebowanie na energię i zmienność parametrów komfortu wewnętrznego.

Budynek energooszczędny według projektu typowego

Typowy projekt budynku energooszczędnego cechuje z zewnątrz prosta bryła i duże przeszklenia od strony południowej (fot. 1). Przewiduje on zastosowanie materiałów o dobrej izolacyjności cieplnej, eliminację mostków cieplnych oraz zastosowanie urządzeń i instalacji ograniczających zapotrzebowanie na ciepło [2,3].

Projektowy bilans cieplny wykonywany jest w takim projekcie dla założonych warunków hipotetycznej lokalizacji i sposobu eksploatacji budynku. Dla tych założeń określany jest wynik energetyczny i ekonomiczny jego eksploatacji.

Planując budowę budynku energooszczędnego według typowego projektu, należy sprawdzić i dostosować bilans projektowy do warunków przyszłej lokalizacji. Pominięcie albo błędne wykonanie tego zadania sprawia, że założony lub deklarowany wynik energetyczny i ekonomiczny budynku nie jest osiągany i niedotrzymywane są wymagane parametry klimatu wewnętrznego.

Bilans cieplny budynku energooszczędnego zakłada maksymalne wykorzystanie wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła. Ilość i możliwość wykorzystania tych zysków zależą od wielu czynników opisujących budynek, jego najbliższe otoczenie, wyposażenie techniczne i sposób eksploatacji.

Ilość, jakość i wpływ tych czynników zmieniają się w zależności od konkretnej lokalizacji przyszłego budynku. Z tego powodu w wypadku budynków energooszczędnych wymaga się określenia i przeanalizowania wpływu czynników występujących w planowanej lokalizacji na całoroczny bilans energetyczny obiektu.

W pierwszej fazie analiz należy przyjąć podane w typowym projekcie wskaźniki opisujące budynek i jego wyposażenie techniczne. Czynniki opisujące bezpośrednie otoczenie budynku powinny być już właściwe dla przyszłej lokalizacji.

Również sposób eksploatacji budynku należy przyjąć, jeżeli to możliwe, najbardziej zbliżony do realnego profilu eksploatacji budynku: m.in. liczbę, aktywność i tryb życia użytkowników.

Zmienność tych czynników w trakcie doby i roku powoduje, że klasyczne metody projektowe i obliczeniowe stają się niewystarczające. Nie pozwalają na przeprowadzenie całorocznych dynamicznych analiz energetycznych z technicznie opłacalną szybkością i dokładnością. Rozwiązaniem są modele i symulacje komputerowe pozwalające prześledzić zużycie energii i parametry komfortu w budynku w skali całego roku.

Wpływ otoczenia i sposobu użytkowania na bilans cieplny budynku

W literaturze znajdują się wytyczne i zalecenia odnośnie do idealnej lokalizacji i otoczenia dla budowy domu energooszczędnego [m.in. 2, 3, 5]. Dotyczą one głównie orientacji geograficznej przeszklonej fasady budynku, zacieniania przez elementy otoczenia czy wpływu roślinności (rys. 1, 2, 3).

W warunkach rzeczywistych wybór działki budowlanej pod kątem warunków sprzyjających budownictwu energooszczędnemu jest wielką rzadkością – zazwyczaj inwestor dysponuje już działką lub może wybierać jedynie z kilku dostępnych. Każda lokalizacja inna od idealnej ma określone ograniczenia, które należy uwzględnić w bilansie cieplnym przyszłego budynku.

W artykule przeanalizowano wpływ na bilans cieplny typowego projektu budynku energooszczędnego niekorzystnych z energetycznego punktu widzenia czynników jego otoczenia. Ocenie poddano wpływ wybranych często występujących w rzeczywistych warunkach czynników związanych z inną niż idealną lokalizacją budynku. Jako poziom odniesienia przyjęto bilans cieplny budynku położonego w otoczeniu idealnym pod względem energetycznym.

Do analiz przyjęto typowy projekt budynku energooszczędnego o powierzchni 114 m² (rys. 4). Budynek zlokalizowano we Wrocławiu, a zastosowane materiały budowlane gwarantują współczynnik przenikania ciepła przegród budowlanych UP = 0,1 W/m²K, a stolarki okiennej UO = 1,1 W/m²K.

Założono zastosowanie wentylacji sterowanej zapewniającej krotność wymian na poziomie 0,5 1/h. Budynek jest stale ogrzewany zimą do temperatury wewnętrznej 20°C. Przewidziano czterech użytkowników budynku i standardowe wewnętrzne zyski ciepła (projektowo 100 W zysków ciepła od oświetlenia energooszczędnego, 400 W zysków od ludzi i 600 W od urządzeń [1], zmienne w czasie).

W aplikacji komputerowej EDSL TAS do modelowania energetycznego budynków zbudowano model matematyczny uwzględniający właściwości energetyczne budynku i jego otoczenia, w tym zmienne właściwości zacieniające drzew liściastych przed elewacją budynku oraz zmienne zyski wewnętrzne związane z obecnością i aktywnością użytkowników, różne dla dni roboczych i wolnych od pracy. Całorocznej analizy energetycznej dokonano dla warunków klimatu zewnętrznego typowego roku kalendarzowego we Wrocławiu.

Wariantom badawczym nadano nazwy skrótowo opisujące warunki otoczenia:

1. „Idealny”– lokalizacja wzorcowa, budynek zorientowany jest elewacją przeszkloną na południe, przed nią rosną trzy drzewa liściaste mające wysokość taką jak budynek, w sąsiedztwie nie ma obiektów lub elementów zacieniających (rys. 4a), w budynku występują użytkowe zyski ciepła.„Obrót”– warunki takie, jak w wariancie „Idealny”, ale budynek zorientowany jest elewacją przeszkloną na północ, co wymuszone jest np. układem działki.
2. „Brak zysków”– jak „Idealny”, ale w budynku nie występują użytkowe zyski ciepła (stała nieobecność użytkowników), jedynie zyski od urządzeń stale pracujących w domu (np. lodówka i urządzenia „stand-by”).
3. „Zacienienie”– jak „Idealny”, ale w bezpośrednim otoczeniu analizowanego budynku znajdują się budynki zacieniające o podobnej jak on wysokości (rys. 5a).
4. „Zacienienie duże”– jak „Idealny”, ale w bezpośrednim otoczeniu analizowanego budynku znajdują się budynki zacieniające o wysokości ponad 10 m (rys. 5b).
5. „Brak roślin”– jak „Idealny”, ale przed elewacją południową budynku nie ma roślin lub są one niskie (brak zacienienia zielenią).
6. „Las”– jak „Idealny”, ale dom znajduje się na działce porośniętej gęstym lasem iglastym (rys. 4b).
7. „Rolety”– jak „Idealny”, ale budynek wyposażony jest w zewnętrzne rolety antywłamaniowe zamykane w dni robocze w godzinach od 8 do 18 (podczas nieobecności użytkowników).
8. „Pusty”– jak „Idealny”, ale budynek przez cały rok jest niewykorzystywany, nie występują w nim użytkowe zyski ciepła, a rolety zewnętrzne pozostają stale zamknięte.

Ocena wpływu otoczenia i sposobu użytkowania na bilans cieplny budynku

Analizując wyniki otrzymane dzięki dynamicznym symulacjom, oceniono wpływ wybranych czynników otoczenia na bilans cieplny budynku energooszczędnego. Dla każdego z wyżej wymienionych wariantów wyznaczono zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania, temperaturę wewnętrzną oraz wewnętrzne i zewnętrzne zyski ciepła. Najważniejsze wyniki podano w tabeli 1.

W analizie skupiono się na wynikach opisujących zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania oraz udział poszczególnych składowych bilansu cieplnego: wewnętrznych zysków ciepła, zysków od promieniowania słonecznego oraz ciepła dostarczonego przez system ogrzewania (tab. 1, rys. 6 i 7).

Dla identycznych warunków klimatu zewnętrznego w poszczególnych wariantach zmienia się zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania. Wielkość ta jednoznacznie opisuje potrzeby energetyczne budynku, a tym samym koszty jego eksploatacji.

Przyjmując jako bazowy wynik dla wariantu „Idealny”, w kolejnych wariantach występuje wyższe zapotrzebowanie na ciepło – o od 3 do 106%. Jedynie wariant „Brak roślin” ma je niższe (o 16%). Dla użytkownika takiego budynku oznacza to, że w niekorzystnym energetycznie otoczeniu lub przy niewłaściwym sposobie eksploatacji budynek może zużywać nawet o 1/3 ciepła więcej, niż zakładał typowy projekt (wariant „Rolety”).

Największe (67 i 106%) wzrosty kosztów ogrzewania budynku odnotowano w wypadku odcięcia wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła, które w założeniu mają stanowić znaczną część bilansu cieplnego budynku energooszczędnego, w wariantach „Bez zysków” i „Pusty” (rys. 6 i 7).

Niższe od wzorcowego zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania w wariancie „Brak roślin” spowodowane jest nieosłonięciem dużych południowych przeszkleń przed promieniowaniem słonecznym. Niekorzystnym skutkiem ubocznym jest w tym wypadku przegrzewanie się budynku latem i w okresie przejściowym.

Wariant ten cechują najwyższe temperatury wewnętrzne i największe zyski ciepła od promieniowania słonecznego. Sytuacja opisana w tym wariancie występuje np. w pierwszych latach eksploatacji nowo wybudowanych budynków, gdy nie ma drzew lub są one jeszcze zbyt niskie, by skutecznie zacieniać południową elewację.

Oznacza to, że wraz ze zmieniającymi się z roku na rok warunkami otoczenia zmieniać się będzie roczne zapotrzebowanie na ciepło (tu o 16%) i parametry komfortu wewnętrznego.

Analizując maksymalne temperatury wewnętrzne, wyraźnie widać, że budynek we wszystkich wariantach ma tendencję do przegrzewania się (do 42,7°C), nawet w sezonie grzewczym (do 28,6°C). Spowodowane jest to dużym udziałem w bilansie ciepła wewnętrznych (do 41%) i zewnętrznych zysków ciepła (do 46%), co ilustrują dodatkowo rys. 6 i 7.

Małe straty ciepła budynku w obliczu dużych wewnętrznych i zewnętrznych zysków ciepła powodują akumulowanie się tych ostatnich i wzrost temperatury wewnętrznej. W tej kwestii analizowany projekt wymaga zmian i poprawek.

Jako parametr dodatkowy wyznaczono łączny czas pracy systemu ogrzewania konwencjonalnego wymagany do utrzymania w budynku temperatury projektowej dla okresu zimnego (tabela 1). Zmienia się on od ¹/₃ (37%) do równo połowy roku (51%) w wypadku budynków zamieszkanych i aż do 3/4 roku (76%) w wypadku domu nieużytkowanego.

Dla zilustrowania zmienności i zależności potrzeb cieplnych budynku od określonych czynników otoczenia zestawiono składowe bilansu cieplnego i ich procentowy udział w skali całego roku oraz tylko w okresie grzewczym od września do kwietnia (rys. 6 i 7).

Wnioski

Wyraźnie widać, że otoczenie ma wpływ na efekt cieplny i energetyczny budynku o niskim zapotrzebowaniu na energię. Wpływ ten zmienia się w zależności od właściwości budynku i konkretnego czynnika związanego z otoczeniem. Wykazano, jak ważne jest sprawdzenie i dostosowanie projektowego bilansu cieplnego do rzeczywistych warunków lokalizacji budynku. Wynik takiej analizy może być nawet powodem zmiany lokalizacji lub zaniechania budowy domu o wybranych cechach.

Standardowy rachunek energetyczny w warunkach projektowych jest tu niewystarczający (wszystkie analizowane warianty mają takie samo projektowe obciążenie cieplne). Analiza bazuje na zapotrzebowaniu na energię w kWh w skali całego roku, co wymaga uwzględnienia wielu parametrów i ich zmienności w trakcie roku kalendarzowego. Możliwości takie dają nowoczesne narzędzia do numerycznych symulacji energetycznych budynków.

Kwestią otwartą pozostaje parametryzacja modelu w wypadku aktywności użytkowników i związanych z nią zysków ciepła. W budynkach energooszczędnych są to źródła ciepła o dużym znaczeniu i udziale procentowym w bilansie rocznym. Każde założenie, uproszczenie czy zmiana pociąga za sobą określone skutki energetyczne, które w wypadku budownictwa tradycyjnego nie są tak odczuwalne.

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.
4. www.passivhausprojekte.de.5. Kotarska K., Kotarski Z., Ogrzewanie energią słoneczną. Systemy pasywne, Warszawa 1989.

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.