Tu jesteś:
| Zapotrzebowanie na ciepło i chłód |
|
W artykule przedstawiono analizę zapotrzebowania na ciepło i chłód
budynku wykonanego zgodnie z obowiązującymi zasadami
energooszczędności. Liczne polemiki w prasie oraz na forach internetowych o wyższości termoizolacji wewnętrznych nad zewnętrznymi nie są uzasadnione. W budynkach o normalnym standardzie energetycznym (zgodnym z normami budowlanymi) elementem decydującym o największych stratach ciepła w zimie (przegrzewanie latem) są okna, ich wielkość usytuowanie względem stron świata oraz pochylenie (w przypadku okien połaciowych).Bezdyskusyjna jest natomiast celowość stosowania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Budynek ulega oddziaływaniom różnych czynników środowiska zewnętrznego i wewnętrznego.Nieprzezroczyste przegrody (trójwarstwowe) charakteryzują się dobrą izolacyjnością cieplną. Instalacja wentylacyjna (mechaniczna) jest wyposażona w urządzenia rekuperacyjne. Zapotrzebowanie na ciepło w wyniku przepływu ciepła przez przegrody nieprzezroczyste i na cele wentylacyjne jest więc znacznie ograniczone. Okna są standardowe, dobrej jakości, z wkładką izolacyjną w szczelinie gazowej między szybami (w rozpórce). W rozważaniach przyjęto, że temperatura pomieszczeń jest utrzymywana na stałym poziomie w ciągu całego roku, dzięki odpowiedniemu sterowaniu automatyką funkcjonowania urządzeń grzewczo /klimatyzacyjnych. Na podstawie stworzonego modelu matematycznego i przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych procesów zachodzących w obudowie budynku i jego otoczeniu, dla wybranych przykładowych pomieszczeń i ich rozwiązań materiałowo – konstrukcyjnych, uzyskano przebieg zmienności w czasie zapotrzebowania na ciepło chłód oraz innych składowych bilansu energetycznego budynku. Przykładowe wyniki zostały przedstawione poniżej w sposób graficzny i w postaci stabelaryzowanej w Załączniku.
Dla przyjętych w rozważaniach rozwiązań materiałowo – strukturalnych modelowych pomieszczeń udział ten wynosi zwykle zaledwie kilka procent w całkowitym rocznym bilansie energetycznym i nawet w przypadku najmniej dogodnej orientacji pomieszczeń, tj. północnej, nie przekracza 10%.
Zdecydowanie największy wpływ na roczny bilans cieplny pomieszczenia ma okno, które staje się podstawowym i newralgicznym elementem bilansu cieplnego pomieszczenia, a przez to projektu budynku.Należy jednak zaznaczyć, że odnoszenie się do udziału rocznego poszczególnych składowych bilansu znacznie upraszcza obraz zachodzących zjawisk i nie oddaje ich rzeczywistej istoty. Rola okna w bilansie energetycznym rośnie ze wzrostem jego powierzchni i ściśle zależy od pory roku. W najzimniejszych miesiącach sezonu grzewczego, przy małej powierzchni okien pionowych (mniejszej niż obowiązująca ze względów oświetleniowych) ich udział w bilansie miesięcznym jest poniżej 30% dla okien południowych i wynosi około 35% dla północnych. W tym okresie dominującym składnikiem obciążeń jest zapotrzebowanie na ciepło do celów wentylacyjnych, które waha się od 40 do 45% (pomimo rekuperacji), a udział strat ciepła przez przegrody nieprzezroczyste wynosi około 25%. Przy wzroście powierzchni okien (powyżej obowiązującej minimalnej powierzchni ze względów oświetleniowych) udział zapotrzebowania na ciepło wynikające z przepływu energii przez okno jest bardzo duży i stanowi ponad 60% w przypadku okien południowych i ponad 70% w przypadku północnych. Udział przegród nieprzezroczystych spada poniżej 10%, a zapotrzebowanie do celów wentylacyjnych jest na poziomie 25 i 20% odpowiednio. Przy odchylaniu okien od pionu ich udział w bilansie energetycznym jeszcze wzrasta, odpowiednio o kilka procent. Szczególnie wyraźny wpływ okna na bilans cieplny pomieszczenia występuje w okresie letnim, kiedy pozostałe składowe bilansu, takie jak wymiana ciepła przez przegrody nieprzezroczyste i do celów wentylacyjnych jest na niewielkim poziomie. Pochylenie powierzchni okna i innych przegród zewnętrznych zwiększa znacznie przepływ energii do wnętrza pomieszczenia.
Należy zaznaczyć, że przy dużej powierzchni okien dla wszystkich podstawowych orientacji, poza północną, do rozważanych pomieszczeń w ciągu roku więcej ciepła napływa przez okna niż odpływa. Można, więc stwierdzić, że podstawowym elementem bilansu energetycznego pomieszczenia jest zapotrzebowanie na chłód i ciepło wynikające z istnienia okien, które wzrasta z ich powierzchnią i odchylaniem od pionu (w stronę poziomu). Jednocześnie, nadal nawet przy zapewnieniu rekuperacji ciepła z układów wentylacyjnych, istotnym elementem bilansu cieplnego pomieszczenia pozostaje zapotrzebowanie na ciepła do celów wentylacyjnych. Na rysunkach 1-8 przedstawiono przebiegi zmian zapotrzebowania na ciepło/chłód w ciągu jednego reprezentatywnego dnia w kolejnych miesiącach roku. Wykresy przedstawiają rozkład zapotrzebowania na ciepło/chłód pomieszczeń zorientowanych w czterech podstawowych kierunkach (stronach świata). Rysunki 1-4 dotyczą pomieszczeń ograniczonych przegrodami pionowymi, natomiast rys. 5-8 pomieszczeń ograniczonych przegrodami pochylonymi (45 względem poziomu). Podobnie jak na poprzednich rysunkach, tak i na tych uwzględniono dwie wielkości okien, okna o wymiarze 1x1 m2 i 2x2 m2. Należy zaznaczyć, że rozkład wartości energii nie jest funkcją ciągłą, lecz schodkową, ale ze względu na dużą liczbę danych wartości energii (godzinne) dla wyraźniejszej prezentacji wyników obliczeń, wartości energii poszczególnych obciążeń są połączone linią ciągłą. Podstawową cechą przebiegu zmian zapotrzebowania na ciepło/chłód w ciągu jednego reprezentatywnego dnia w kolejnych miesiącach roku jest względnie mała zmienność tego przebiegu w czasie nocy i duża zmienność w czasie dnia. Ta duża zmienność dziennego zapotrzebowania na chłód/ciepło jest zgodna z przebiegiem zmian dziennego napromieniowania słonecznego powierzchni obudowy budynku i jest szczególnie wyraźna w lecie, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest duże. W rezultacie w ciągu dnia przy dużym napromieniowaniu słonecznym, dla spełnienia postawionego warunku stałości temperatury wewnętrznej pomieszczenia, występuje konieczność dostarczania do niego chłodu. Wielkość dostarczanego chłodu do potrzeb klimatyzacyjnych zależy od zorientowania przegrody zewnętrznej obudowy pomieszczenia, jej pochylenia i wielkości okna. Zapotrzebowanie na chłód w miesiącach letnich jest bardzo wyraźne dla pomieszczeń budynku o usytuowaniu powodującym zwiększenie dostępności promieniowania słonecznego (południowych i zachodnich) i jest decydującym składnikiem bilansu energetycznego budynku. Największe zapotrzebowanie na chłód występuje w pomieszczeniach o przegrodach zewnętrznych pochylonych, czyli na poddaszach użytkowych z oknami połaciowymi (większe niż w pomieszczeniach o tej samej orientacji, ale o przegrodach pionowych). Wielkość okien ma tu również duże znaczenie.  Rys. 1 Rozkład zapotrzebowania na ciepło/chłód w ciągu dnia w kolejnych miesiącach, dla pomieszczeń z przegrodami pionowymi południowymi i wschodnimi, 1x1m2  Rys. 2 Rozkład zapotrzebowania na ciepło/chłód w ciągu dnia w kolejnych miesiącach, dla pomieszczeń z przegrodami pionowymi zachodnimi i północnymi, 1x1m2  Rys. 3 Rozkład zapotrzebowania na ciepło/chłód w ciągu dnia w kolejnych miesiącach, pomieszczeń z przegrodami pionowymi południowymi, wschodnimi (2x2m2)  Rys. 4 Rozkład dobowego zapotrzebowania na ciepło/chłód w kolejnych miesiącach, pomieszczeń z przegrodami pionowymi zachodnimi i północnymi (2x2m2) W przypadku przegród pionowych największe zapotrzebowanie na chłód występuje dla pomieszczeń południowych i zachodnich, następnie wschodnich, w okresie od maja do końca sierpnia, przy czym dla różnych orientacji maksimum zapotrzebowania przypada na różne miesiące. Charakterystyczny jest fakt, że latem od maja do końca lipca spośród powierzchni pionowych najlepiej napromieniowywane są powierzchnie zachodnie, a począwszy od sierpnia południowe. W pomieszczeniach północnych zapotrzebowanie na chłód również występuje, ale jest dwukrotnie niższe niż w pomieszczeniach zachodnich i południowych. Rozkład dobowy zapotrzebowania na chłód bardzo wyraźnie zależy od orientacji pomieszczenia, wyraźne maksima obciążeń pojawiają się o odpowiedniej porze dnia w zależności od orientacji. Dla pomieszczeń północnych występuje charakterystyczny pik w godzinach południowo –wieczornych, kiedy pomieszczenie bezpośrednio powtórnie w ciągu dnia „widzi” Słońce, a poziom napromieniowania jest jeszcze względnie wysoki. Przy odchylaniu przegród od pionu w stronę poziomu powierzchnie obudowy dłużej „widzą” Słońce i są bardziej napromieniowywane niż powierzchnie pionowe. W efekcie latem zapotrzebowanie na chłód w ciągu dnia jest większe, ale zmienia się bardziej równomiernie. Największe zapotrzebowanie na chłód mają pomieszczenia południowe i zachodnie. Lepsza dostępność promieniowania słonecznego powoduje, że w zimie w ciągu dnia zapotrzebowanie na ciepło jest mniejsze niż w pomieszczeniach o przegrodach pionowych i jego rozkład jest także bardziej równomierny w czasie dnia. Wpływ orientacji pomieszczeń (względem stron świata) na obciążenia grzewcze/klimatyzacyjne jest widoczny, ale w mniejszym stopniu niż dla pomieszczeń z przegrodami pionowymi. Wpływ orientacji na obciążenia rośnie ze wzrostem pochylenia powierzchni obudowy względem poziomu. W nocy zapotrzebowanie na ciepło jest nieznacznie wyższe, co jest spowodowane wspomnianym już wcześniej „chłodzeniem” nocnym, czyli wymianą ciepła na drodze promieniowania cieplnego z pozornym nieboskłonem. Zapotrzebowanie na chłód latem występuje od wczesnych godzin rannych do późnych wieczornych we wszystkich pomieszczeniach, na poziomie i o rozkładzie zależnym od orientacji i pochylenia przegród. W okresie wczesnej wiosny i wczesnej jesieni, gdy poziom napromieniowania maleje i skraca się liczba godzin dziennych, występuje wyraźne zróżnicowanie w zapotrzebowaniu na chłód dla różnie zlokalizowanych pomieszczeń. Najdłużej w ciągu dnia i w ciągu roku (liczba miesięcy) zapotrzebowanie na chłód występuje dla południowych pomieszczeń, krócej dla zachodnich, następnie dla wschodnich i oczywiście najkrócej dla północnych.  Rys. 5 Rozkład dobowego zapotrzebowania na ciepło/chłód w kolejnych miesiącach, pomieszczeń z przegrodami pochylonymi południowymi i wschodnimi (1x1m2)  Rys. 6 Rozkład dobowego zapotrzebowania na ciepło/chłód w kolejnych miesiącach, pomieszczeń z przegrodami pochylonymi zachodnimi i północnymi(1x1m2)  Rys. 7 Rozkład dobowego zapotrzebowania na ciepło/chłód w kolejnych miesiącach pomieszczeń z przegrodami pochylonymi południowymi i wschodnimi (2x2m2)  Rys. 8 Rozkład dobowego zapotrzebowania na ciepło/chłód w kolejnych miesiącach pomieszczeń z przegrodami pochylonymi zachodnimi i północnymi (2x2m2) W zimie w lutym, przy względnie wysokim poziomie promieniowania słonecznego, przez kilka godzin w ciągu dnia w pomieszczeniach południowych (w krótkim okresie czasu także w zachodnich) zyski z promieniowania słonecznego są większe niż straty. Efekt ograniczenia zapotrzebowania na ciepło w ciągu dnia w zimie wzrasta wraz ze wzrostem powierzchni okien (co prawda w nocy rosną straty) i dla pomieszczeń południowych w każdym miesiącu zimy przez kilka godzin dziennie przy dużej powierzchni okien (2 x 2 m2) nie występuje zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Podobny efekt, polegający na okresowym braku obciążeń grzewczych w ciągu dnia w kolejnych miesiącach późnej jesieni i zimy, występuje dla zachodniej orientacji pomieszczeń. W przypadku wschodnich pomieszczeń wzrost powierzchni okna powoduje w zimie w ciągu dnia jedynie spadek obciążeń grzewczych. Jednakże, ze wzrostem powierzchni okien znacznie wzrasta zapotrzebowanie na moc grzewczą w nocy, zwłaszcza w zimie. Określenie odpowiedniej powierzchni okien dla danego pomieszczenia i danych wymagań użytkownika wymaga przeprowadzenia oddzielnych szczegółowych rozważań i może być przedmiotem analiz optymalizacyjnych. Kolejne wykresy zamieszczone na rys. 9-12 i 13-16 przedstawiają przebieg zmian miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku. Podobnie jak poprzednio wykresy odnoszą się do pomieszczeń zorientowanych w czterech kierunkach. Rysunki 9-12 dotyczą pomieszczeń o pionowych przegrodach, natomiast rys. 13-16 o przegrodach pochylonych pod kątem 45 względem poziomu i uwzględniają pomieszczenia o oknach o wymiarze 1x1 m2 i 2x2 m2. Poza rozkładem miesięcznych obciążeń grzewczych/klimatyzacyjnych w ciągu roku na rysunkach zaznaczono rozkłady poszczególnych składowych bilansu cieplnego pomieszczenia, którymi są:
Wartości składowych bilansu cieplnego pomieszczenia zamieszczone na rys. 9-16 powinny być przedstawione w postaci diagramów słupkowych (zmiany mają charakter dyskretny, a nie ciągły), jednakże ze względu na przejrzystość obrazu otrzymanych wyników i lepszego zobrazowania charakteru zmian sum miesięcznych zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych wyniki przedstawiono w postaci krzywych.  Rys. 9 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pionowymi południowymi i wschodnimi (1x1m2)  Rys. 10 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pionowymi zachodnimi i północnymi (1x1m2)  Rys. 11 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych, pomieszczeń z przegrodami pionowymi południowymi i wschodnimi (2x2m2)  Rys. 12 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pionowymi zachodnimi i północnymi, (2x2m2)  Rys. 13 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pochylonymi południowymi, wschodnimi 1x1m2  Rys. 14 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pochylonymi zachodnimi i północnymi, 1x1m2  Rys. 15 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pochylonymi południowymi, wschodnimi 2x2m2  Rys. 16 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pochylonymi zachodnimi i północnymi, 2x2m2  Rys. 17 Rozkład zapotrzebowania na ciepło/chłód w ciągu dnia w
kolejnych miesiącach, dla pomieszczeń z przegrodami pionowymi
południowymi i wschodnimi, 1x1m2  Rys. 18 Rozkład miesięcznego zapotrzebowania na ciepło/chłód i jego składowych w roku, pomieszczeń z przegrodami pochylonymi zachodnimi i północnymi, 2x2m2 Największe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń w skali roku występuje oczywiście dla pomieszczeń północnych, o dużych oknach i o pochylonych przegrodach zewnętrznych.
Tendencja ta powtarza się także dla innych orientacji. Wiosną i jesienią powierzchnie pochylone są lepiej i dłużej nasłonecznione, co zmniejsza zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Pomieszczenia wschodnie wymagają dostarczania więcej ciepła w czasie sezonu grzewczego niż zachodnie. Bardzo charakterystyczne jest przegrzewanie w czasie lata pomieszczeń ograniczonych powierzchniami pochylonymi, zwłaszcza z dużymi oknami, w związku ze zwiększoną dostępnością promieniowania słonecznego. Ze wzrostem powierzchni okien wzrastają straty, ale przede wszystkim rosną zyski cieplne, w wyniku czego w bilansie rocznym dominującym elementem staje się zapotrzebowanie na chłód do klimatyzacji. Przy małej powierzchni okien zapotrzebowanie na ciepło do celów grzewczych jest wyższe od zapotrzebowania na chłód. Co prawda orientacja pomieszczeń wpływa wyraźnie na wielkość tego zapotrzebowania. W przypadku pomieszczeń północnych o przegrodach pionowych obciążenia grzewcze w skali roku są wielokrotnie wyższe od klimatyzacyjnych, a w przypadku pomieszczeń południowych i zachodnich różnice są znacznie mniejsze. Przy przegrodach pochylonych obudowy budynku różnice te jeszcze maleją. Wzrost powierzchni okien powoduje wzrost całkowitych obciążeń grzewczych i klimatyzacyjnych, przy czym zyski cieplne rosną w większym stopniu niż straty. Przy dużych oknach (poza pomieszczeniami północnymi) w bilansie rocznym całkowite zyski cieplne są większe od strat. Jednocześnie skraca się czas sezonu grzewczego, np. przy pomieszczeniach południowych z przegrodami pionowymi z siedmiu miesięcy (od października do końca kwietnia) do czterech (od listopada do końca lutego), natomiast przy przegrodach pochylonych z sześciu (od października do końca marca) do czterech (od listopada do końca lutego). Oczywiście, zgodnie z przyjętym założeniem o stałości temperatury pomieszczeń, oznacza to odpowiednie wydłużenie sezonu klimatyzacyjnego. Powyższe rozważania potwierdzają uprzednio sformułowany wniosek o podstawowym newralgicznym znaczeniu, jaki pełnią okna w bilansie cieplnym pomieszczenia, a w konsekwencji jak szczególną uwagę należy poświęcić oknom w projektowania budynków. Jednocześnie wzmocnieniu ulega teza o konieczności rozważania bilansu cieplnego budynku w funkcji czasu, czyli uwzględniania zmienności w czasie w skali roku całkowitych obciążeń grzewczych i klimatyzacyjnych. Należy zauważyć, że automatyka sterująca funkcjonowaniem systemów grzewczo/klimatyzacyjnych w rzeczywistości umożliwia stosowanie określonej tolerancji wobec zadanych warunków mikroklimatu wewnętrznego.  Energia promieniowania słonecznego w istotny sposób wpływa na bilans cieplny budynku. Jeśli przegrody nieprzezroczyste mają dobrą izolacyjność cieplną, a materiał tworzący warstwę wewnętrzną charakteryzuje się dużą pojemnością cieplną, to oddziaływanie środowiska zewnętrznego przez te przegrody jest znacznie ograniczone. Jednakże i w tym przypadku widać wpływ promieniowania słonecznego, choć jest on względnie mały. Oddziaływanie energii promieniowania słonecznego na przegrody nieprzezroczyste jest ściśle związane z ogólną dostępnością promieniowania słonecznego zależną od orientacji i pochylenia danej przegrody. W związku z tym w czasie zimy największe oddziaływanie promieniowania słonecznego na przegrody nieprzezroczyste występuje przy ich zorientowaniu na południe, następnie na zachód, wschód i w najmniejszym stopniu na północ, co oznacza odpowiednie zmniejszenie zapotrzebowania na moc grzewczą. W lecie natomiast największe oddziaływanie promieniowania słonecznego w przypadku przegród pionowych występuje dla pomieszczeń zachodnich i południowych, następnie wschodnich, co oznacza zwiększenie zapotrzebowania na chłód. Przy przegrodach pochylonych wzrasta dostępność promieniowania słonecznego, a w konsekwencji jego wpływ na przepływ energii przez przegrody, co jest zauważalne zwłaszcza dla przegród południowych, ale także dla pozostałych orientacji. ZałącznikPrzyjęte parametry, własności materiałowe i konstrukcyjne obudowy budynkuObliczenia zjawisk zachodzących w modelowym pomieszczeniu przeprowadzono dla wybranych standardowych parametrów oraz własności materiałowych i konstrukcyjnych obudowy budynku. Dla poszczególnych elementów obudowy przyjęto, co następuje: okno standardowe dwuszybowe ze szczeliną powietrzną, w tym:
dla okna:
Ponadto do obliczeń wykorzystano następujące dane:
Dariusz Głowacki W art. wykorzystano materiały dr D.Chwieduk
|
