Podejście zintegrowane w projektowaniu budynków współczesnych

Transkrypt

Prof. Edward Szczechowiak
Politechnika Poznań
Poznańska, WBiIŚ
WBiIŚ
Podejście zintegrowane
w projektowaniu
budynków współczesnych
Projektowanie systemów WKiCh (1)
Inżynieria Środowiska 2009
E. Szczechowiak 2009
Zakres
•
•
•
•
•
•
Cechy budynków współczesnych
Oszczędność energii i rozwój zrównoważony
Wpływ nowych rozwiązań na projektowanie
Integracja działań projektowych
Wykorzystanie nowych narzędzi w projektowaniu
Przykład podejścia zintegrowanego
1
Budynek • środowisko • energia
•
•
Zasoby środowiska i zużycie energii
Zasoby budowlane i zużycie energii (UE25 – 2005)
•
•
Kryzysy energetyczne – zmiana polityki energetycznej
Budownictwo – największe zużycie i największy potencjał
redukcyjny
–
–
–
–
–
Budynki – 41% (700 mln Mg oleju eq.)
Transport – 31%
Przemysł – 28%
Łącznie 1700 mln Mg oleju eq. (w tym Rolnictwo – 3%)
Zużycie energii przez budynki (30-50% zużycia energii danego
kraju)
Epizod ropy naftowej w historii ludzkości
1870 … 2130
Energia promieniowania słonecznego
– kąt życia 0,005 deg
Zmiany cen ropy naftowej surowej
lata 1860-2007
2
Strategia przyszłościowa zużycia energii
Budynek • środowisko • energia
• Wymóg współczesności:
– Efektywniejsze gospodarowanie zasobami środowiska, w tym
paliwami pierwotnymi
– Optymalny komfort cieplny i jakość powietrza (IAQ)
– Wzrost efektywności w budownictwie (unikanie strat i
optymalizacja zysków a nie nadmierne zużycie energii dla
uzupełnienia strat)
– Synergia między jakością energetyczną i ekologiczną budynku a
efektywnością jego technicznego wyposażenia
• Ewolucje w budownictwie (nowe koncepcje projektowe,
nowe materiały i technologie, technologie realizacji,
profesjonalna eksploatacja) – pozwalają na nową
rewolucję
• Rozwój zrównoważony (Sustainable development)
• Standard BUDYNKU PASYWNEGO
• Buildings Science
3
Rozwój zrównoważony
Zasady rozwoju zrównoważonego
Elementy zrównoważenia w budownictwie
Budynki zrównoważone
• Sustainable building, green building;
• Cechy budynków zrównoważonych:
– Zmniejszenie (reduce) – materiały budowlane, zasoby
energii,
– Ponowne użycie (reuse) – ponowne użycie materiałów,
– Recykling (recycle) – użycie materiałów z recyklingu i takie
projektowanie, aby materiały mogły być odzyskane,
– Odnawialny (renewable) – energia odnawialna i
komponenty budowlane z materiałów odnawialnych
• Program GBC (Green Building Challenge) – system
kryteriów oceny oddziaływania na środowisko.
• Ocena w cyklu życia (LCA) – E-Audyt GBC:
–
–
–
–
Zużycie zasobów,
Zdrowie człowieka,
Konsekwencje ekologiczne,
Trwałość i jakość obiektu.
4
Rozwój zrównoważony
Oddziaływanie budynków na środowisko – efekt roczny [%] (USA)
• Wymagania dotyczące budynków współczesnych:
– Forma i struktura budynku, funkcja
– Bezpieczeństwo (konstrukcji, pożarowe, użytkowania),
– Komfort klimatyczny (komfort cieplny, jakość powietrza i
komfort użytkowania - hałas, oświetlenie),
– Energia i obciążenie środowiska,
– Ekonomia – LCC,
• Rozwój technologii w budownictwie i technice
instalacyjnej,
• Rozwój metod projektowania, budowy i eksploatacji
budynków (Facility Management).
• Sprostanie tym wymogom – podejście systemowe
(zintegrowane) w projektowaniu, realizacji i
eksploatacji
5
Efektywność energetyczna budynków
• Poziom zużycia energii
– Etap wznoszenia budynku
– Etap eksploatacji budynku
• Szerokie znaczenie
– Budynek i jego charakterystyka energetyczna*
– Techniczne wyposażenie (Building services)
– Sterowanie i zarządzanie (BEMS)
•
•
•
•
•
Całkowite zużycie energii i energii pierwotnej
Wzorce zużycia energii (benchmanking)
Efektywne zużycie energii pierwotnej
Wzrost znaczenia energii odnawialnej
Certyfikaty energetyczne (od 1.01.2009)
* Directive 2002/91/EC on the energy performance
of buildings (16 December 2002)
Klasa energetyczna budynku
Cechy współczesnych budynków
• Wymagania dotyczące budynków współczesnych:
– Forma i struktura budynku,
– Bezpieczeństwo (konstrukcji, pożarowe, użytkowania),
– Komfort klimatyczny (komfort cieplny, jakość powietrza i komfort
użytkowania - hałas, oświetlenie),
– Energia i obciążenie środowiska,
– Ekonomia – LCC,
• Rozwój technologii w budownictwie i technice instalacyjnej,
• Rozwój metod projektowania, budowy i eksploatacji budynków
(Facility Management).
• Sprostanie tym wymogom – podejście systemowe
(zintegrowane) w projektowaniu, realizacji i eksploatacji
6
Uczestnicy procesu inwestycyjnego i eksploatacji budynku
• Właściciele i inwestorzy, banki
• Architekci i projektanci budynku i TWB
• Managerowie budynków (facility management)
• Producenci materiałów, wyposażenia i urządzeń
• Agendy rządowe i samorządowe (prawo budowlane, przepisy,
normy, nadzór budowlany)
Energooszczędność i zrównoważony rozwój
w projektowaniu budynków
Właściwości budynku:
• Energochłonność i ekologiczność materiałów
konstrukcyjnych i wykończeniowych
• Energochłonność wznoszenia budynku
• Ochrona termiczna obiektu w zimie i w lecie
• Szczelność powietrzna budynku
• Zdolność konstrukcji budynku do wykorzystania EPS
• Zdolność konstrukcji do akumulacji energii
• Zdolność konstrukcji i struktury do wentylacji i
chłodzenia naturalnego
7
Energooszczędność i zrównoważony rozwój
Właściwości systemów technicznego
wyposażenia
• Energochłonność i ekologiczność użytych materiałów i
urządzeń TWB
• Wysoka sprawność użytkowa
• Niskie koszty obsługi i eksploatacji
• Niezawodność i trwałość
• Niski poziom hałasu i drgań
• Optymalne sterowanie i eksploatacja
• Wykorzystanie niekonwencjonalnych źródeł energii
Zaawansowane metody projektowania, wykonawstwa i
eksploatacji
Rozwój procesu projektowania budynków
8
Schemat ideowy powiązań przy projektowaniu
budynków wg optymalizacji częściowej
Architektura
i konstrukcja
budynku
TWB
(w tym klimatyzacja
z ogrzewaniem,
chłodzeniem,
wentylacją)
Fizyka
budowli
Funkcja celu:
Budynek
- Forma
- Komfort klimatyczny
- Komfort użytkowania
- Niezawodność i bezpieczeństwo
- Funkcjonalność
- Ekonomia
- Ekologia
TWB – Techniczne wyposażenie budynków
Schemat ideowy powiązań przy projektowaniu
budynków wg optymalizacji pełnej (projektowanie
zintegrowane)
Architektura
i konstrukcja budynku
TWB (w tym klimatyzacja)
Teoria systemów technicznych
Fizyka budowli
Techniki optymalizacji
Strategia zrównoważonego rozwoju
Funkcja celu:
Budynek
- Forma
- Komfort klimatyczny
- Komfort użytkowania
- Niezawodność i bezpieczeństwo
- Funkcjonalność
- Ekonomia
- Ekologia
9
Budynki energooszczędne
Zużycie energii [%
100
100
75
4
50
50
25
25
5
0
1974
1
2
3
Trendy w konsumpcji energii w architekturze budynków niemieszkalnych:
1-projektowanie konwencjonalne, 2-projektowanie zaawansowane, 3-potencjał
projektowania selektywnego, 4-zastosowanie zasad projektowania selektywnego
Budynki energooszczędne
Pierwsze realizacje – Korsgaard – Kopenhaga 1977
Wskaźnik sezonowego zużycia ciepła
[kWh/(m2 a)]
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Budynek
1970
WschVO'84 WschVO'95
EnEV'02
NEH'95
NEH'02
Budynek
pasywny
Rozwój standardów energooszczędności budynków mieszkalnych jednorodzinnych
10
Zmiany standardów energetycznych
budynków
PL’99 – standard polski z 1999, NEH – budynek niskoenergetyczny,
PH – budynek pasywny
Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło dla celów
grzewczych wg rozp. Min. infrastruktury – 2002 (Dz.U.
Nr 75, poz. 690)
• Eo = 29 kWh/m3a
• Eo = 37,4 kWh/m3a
dla A/V ≤ 0,20
dla A/V ≥ 0,90
Dla budynków o wysokości kondygnacji 2,8 m
dla A/V ≤ 0,20
• Eo = 80 kWh/m2a
2
• Eo = 100 kWh/m a
dla A/V ≥ 0,90
Dyrektywa 2002/91/EC:
Charakterystyka energetyczna budynków
11
Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 (4)
Maksymalne zużycie energii dla ogrzewania i wentylacji budynków: EP – energia
pierwotna, Eo – energia użytkowa, Eu – energia użytkowa; Eu = EP/(1,1 · 1,25)
WT2008 – wymagania polskie wg warunków technicznych 2008
EnEV’02 – wymagania niemieckie o ochronie energii z 2002
Droga do budynku pasywnego
Udział budynków budowanych w różnych okresach - Niemcy
12
Budynki przyszłości
Zasady projektowania budynków przyszłości
Każdy budynek spełniający kryteria zrównoważonego rozwoju
musi być budynkiem energooszczędnym
Zmiany standardów energetycznych
domów mieszkalnych (A/V = 1)
WSVO’95 – standard z 1995, EnEV’02 – standard z 2002, NEH – dom niskoenergetyczny,
PH – dom pasywny
13
Efekty nowych rozwiązań - ewolucje w
standardach zużycia energii
budynków biurowych [kWh/m2a]
Ogrzewanie
A
Chłodzenie
Wieża chłodnicza
Nawilżanie
B
Ciepła woda
Wentylatory
Pompy
C
Oświetlenie
Urządzenia
Windy
D
Odzysk ciepła
0
50
100
150
200
250
300
350
kWh/m2a
A - Budynek przed kryzysem energetycznym (1970) – 328
B - Budynek po kryzysie energetycznym (1980) – 230
C - Istniejące budynki o wysokiej efektywności energetycznej
(1990) – 200
D - Współczesne budynki o niskim zużyciu energii (2000) – 90
D1 - Współczesne budynki pasywne – 66
Budynek biurowy (warunki klimatyczne – Nowy Jork)
Rozwój standardów
energooszczędności budynków
biurowych (Europa)
Efekty nowych rozwiązań - ewolucje w
standardach zużycia energii
budynków biurowych [kWh/m2a]
Podstawowe parametry budynków energooszczędnych
Stropodach
Ściana zewnętrzna
Strop piwnicy
Okna
Zapotrzebowanie ciepła
Szczelność powietrzna n50
Wentylacja
Zużycie energii pierwotnej
Dom
energooszczędny
U (W/m2/K)
0,20
0,30
0,35
1,50
70 kWh/m2a
< 2,0 / h
mechaniczna lub
hybrydowa
< 200 kWh/m2a
Energooszczędny
dom aktywny
U (W/m2/K)
0,15
0,25
0,30
1,5-0,8
30 – 40 kWh/m2a
< 1,0 / h
Mechaniczna z
odzyskiem ciepła
< 120 kWh/m2a
Dom pasywny
U (W/m2/K)
0,10
0,15
0,15
0,80
15 kWh/m2a
< 0,6 / h
mechaniczna z
odzyskiem > 75%
< 120 kWh/m2a
14
Nowe rozwiązania budynków
efektywnych energetycznie
Podstawowe parametry budynków energooszczędnych
Budynki mieszkalne o niskim zużyciu energii
• Zwartość struktury budynku – A/V;
• Bardzo dobra izolacja termiczna:
dach ≤0,15 W/(m2K),
ściany zewnętrzne ≤0,25 W/(m2K),
strop piwnicy (posadzka) ≤0,30 W/(m2K),
• okna ≤1,50 W/(m2K);
•
•
•
•
•
•
•
•
Redukcja mostków cieplnych;
Szczelność obudowy budynku – n50 ≤1,0 h-1;
Bierne wykorzystanie energii słonecznej;
Kontrolowana wentylacja bez- lub z odzyskiem ciepła;
System grzewczy dopasowany do potrzeb budynku;
Wysokosprawne wytwarzanie ciepłej wody;
Optymalne wykorzystanie energii elektrycznej;
Racjonalna eksploatacja budynku i urządzeń TWB
15
Budynki mieszkalne pasywne
•
•
•
Zwartość struktury budynku – A/V;
Sezonowe zapotrzebowanie ciepła – ogrzewanie i wentylacja
15 kWh/ (m2a)
Bardzo dobra izolacja termiczna:
dach ≤0,15 W/(m2K),
ściany zewnętrzne ≤0,15 W/(m2K),
strop piwnicy (posadzka) ≤0,15 W/(m2K),
okna ≤0,80 W/(m2K);
•
•
•
•
•
•
•
•
Budynek bez mostków cieplnych;
Szczelność obudowy budynku – n50 ≤0,6 h-1;
Bierne wykorzystanie energii słonecznej;
Kontrolowana wentylacja z odzyskiem ciepła 75%;
System grzewczy zintegrowany (c.o., wentylacja,
woda);
Optymalne wykorzystanie energii elektrycznej;
Racjonalna eksploatacja budynku i urządzeń TWB;
Standard zużycia energii pierwotnej 120 kWh/ (m2a).
ciepła
Integracja działań w budownictwie
Podstawowe elementy zintegrowanego podejścia do oceny budynków w cyklu
życia (LCA)
16
Etapy cyklu życia budynku i ich wpływ na
projektowanie
Cztery kluczowe etapy LCC: Design, Construction, Commissioning, Operation
Potencjał oszczędności energii na różnych
etapach procesu inwestycyjnego
Projekt
wstępny
–
–
–
–
–
Projekt
–
–
–
Postawienie celu
Program przestrzenny
Klimat lokalny
Koncepcje energetyczne
Powiązanie z energiami
odnawialnymi
Zarys planowania
Wybór strategii energooszczędnych
Sformułowanie celów
Zatwierdzenie
–
–
Realizacja strategii
Dokładne uzgodnienie z branżami
Realizacja
–
Nadzór nad realizacją planów
energetycznych
Zabezpieczenie jakości
niski
Stopień szczegółowości
Potencjał oszczędności energii
wysoki
niski
wysoki
–
wysoki
17
Złożoność procesu projektowania budynków
współczesnych
Kluczowe elementy procesu projektowania budynku i TWB
Podejście zintegrowane
•
•
•
Projektowanie zintegrowane – ważne ogniwo procesu
inwestycyjnego
Rola głównego projektanta (architekta) i specjalistów
branżowych w etapach planowania i projektowania
Rola projektantów w czasie realizacji inwestycji
Cel 1 – realizacja funkcji celu (ludzie, technologia)
Cel 2 – oszczędność energii i zasobów naturalnych
Ocena energetyczno-ekologiczna i ekonomiczna:
•
•
•
•
Projektowanie budynków
Realizacja inwestycji
Eksploatacja budynku
Likwidacja (rewitalizacja, przebudowa)
18
Kluczowe cele projektowania nowych
budynków
• Komfort klimatyczny osiągnięty przy minimalnym
oddziaływaniu na środowisko na etapie wznoszenia i
eksploatacji;
• Cztery kluczowe zasady:
– Redukcja energii wbudowanej i zużycia zasobów naturalnych,
– Redukcja energii w czasie eksploatacji,
– Minimalizacja obciążenia i degradacji środowiska
zewnętrznego,
– Minimalizacja obciążenia środowiska wewnętrznego i zdrowia
Budynek współczesny energooszczędny
Integracja działań projektowych
Położenie:
-
Lokalizacja i pogoda
Mikroklimat
Położenie w terenie
Orientacja
Forma budynku:
-
Kształt
Właściwości termiczne
Izolacja
Okna / przeszklenie
Strategia wentylacji
ogrzewania i chłodzenia
Strategia oświetlenia
naturalnego
Strategia serwisu:
- Kontrola instalacji i urządzeń
- Paliwa i energia
- Monitoring działań
Podstawowe elementy projektowania zintegrowanego budynków
19
Efektywność decyzji i jej wpływ na koszty
i charakterystykę budynku
Integracja działań w projektowaniu
budynków współczesnych
Niskie straty ciepła
przez obudowę:
Obudowa
zoptymalizowana
do wykorzystania
energii słońca:
Technologie
efektywnie
energetycznie:
Układy ogrzewania
niskotemperaturowego
Zwarta architektura
Architektura
słoneczna
Udoskonalona
izolacja termiczna
(izolacja transparentna)
Okna
zoptymalizowane
energetycznie
Energooszczędna
wentylacja
Szczelność
powietrzna budynku
Powierzchnie
aktywne słonecznie
Udoskonalone
systemy akumulacji
energii
Przemysłowa
konstrukcja i
dokładność wykonania
Struktury ułatwiające
akumulację energii
Kolektory słoneczne
termiczne i
fotowoltaiczne
Technologie odzysku
ciepła (słońce,
Chłodzenie solarne
źródła wewnętrzne)
Zoptymalizowane
układy hydrauliczne
i sterowania
20
Kryteria istotne w projektowaniu
zintegrowanym – zmiana podejścia
Zmiana podejścia do budynku
energooszczędnego w porównaniu z
tradycyjnym
21
Zintegrowane podejście – wymóg EnEV’02
Elementy wpływające na właściwości
energetyczne budynku
22
Proces projektowania zintegrowanego (1)
Proces projektowania zintegrowanego (2)
23
Analiza energetyczna budynków
• Ważna dla programowania, projektowania, wyboru i
oprogramowania BEMS, optymalnej eksploatacji
• Komponenty budynku i cały system
– Analizy statyczne
– Analizy dynamiczne
• Oddziaływanie użytkowników
–
–
–
–
Wymagania komfortu
Zasady użytkowania
Aktywność użytkowników
Zarządzanie i obsługa kontrola dostępu
• Środowisko zewnętrzne
– Standardowe rodzaje klimatów (gorący suchy, gorący
wilgotny, umiarkowany i zimny)
– Parametry obliczeniowe
– Stopniogodziny lub stopniodni ogrzewania (chłodzenia)
– Rok testowy (referencyjny)
– Symulatory klimatu
24
Przepływ energii w systemie budynek
Elementy wpływające na właściwości
energetyczne budynku
25
Analiza energetyczna budynków – budynek jako
zintegrowany system dynamiczny
Przepływ energii w systemie budynek
Kluczowe elementy:
•
•
•
•
Obudowa (envelope)
Techniczne wyposażenie
(building services)
Oddziaływanie użytkowników
(human factors)
Środowisko zewnętrzne (outdoor
environment)
Kluczowe elementy wpływające na zużycie energii
26
• Obudowa budynku
–
–
–
–
–
–
–
Lokalizacja
Orientacja
Wymiary
Forma budynku
Kształt/rozplanowanie
Otwory i szczelność dyfuzyjna i powietrzna
Izolacyjność termiczna
1 – standard ochrony z roku 2000, 2 – budynek o
niskim zużyciu energii, 3 – budynek pasywny, 4 –
mur nośny (0,7 W/mK), 5 – izolacja termiczna
(0,04 W/mK)
Współczynnik przenikania ciepła U
UF = 1,5 ... 0,5 W/(m2K)
W/(m2K)
UFeq = 1,2 ... -0,5
Optymalne gF = 0,1 ... 0,2
Właściwości termiczne przeszklenia
27
• Energochłonność komponentów oraz materiałów
konstrukcyjnych i wykończeniowych
• Energochłonność wznoszenia budynku
• Ochrona termiczna obiektu w zimie i w lecie
• Szczelność powietrzna i dyfuzyjna budynku
• Zdolność konstrukcji budynku do wykorzystania EPS
• Zdolność konstrukcji do akumulacji energii
• Zdolność konstrukcji i struktury do wentylacji i
chłodzenia naturalnego
• Techniczne wyposażenie
–
–
–
–
–
–
–
Typ systemów
Wielkość systemów
Rodzaj energii
Efektywność energetyczna instalacji
Kontrola i sterowanie instalacji
Parametry operacyjne
Niezawodność
28
Techniki analizy energetycznej
budynków
• Statyczne (pseudoustalone) bilansowanie
komponentów budowlanych i całych budynków
• Modele dynamiczne
• Narzędzia symulacyjne
Pojęcie efektywności energetycznej
budynków
• Poziom zużycia energii
– Etap wznoszenia budynku
– Etap eksploatacji budynku
• Szerokie znaczenie
– Budynek i jego charakterystyka energetyczna
– Techniczne wyposażenie (Building services)
– Sterowanie i zarządzanie (BEMS)
•
•
•
•
Całkowite zużycie energii i energii pierwotnej
Wzorce zużycia energii (benchmanking)
Efektywne zużycie energii pierwotnej
Wzrost znaczenia energii odnawialnej
29
Wskaźniki określające efektywność
energetyczną
•
Budynek jako system energetyczny
–
–
–
–
–
Energia wbudowana (embodied energy)
Energia w czasie eksploatacji (operational energy) - EOP
Zużycie energii pierwotnej - EP
Wskaźniki zużycia energii pierwotnej, odnawialnej i słonecznej
Wskaźniki emisji zanieczyszczeń
Zmiana energii wbudowanej i w czasie
eksploatacji jako funkcja czasu (przykład)
budynków
• Rozwój metod analizy energetycznej (intensywny po 1973)
– 1930-1973 - Metody stopniodni
– 1973-1980 - Metody komórkowe (Bin)
– 1980- Symulacje dynamiczne z krokiem godzinowym
• Modele jednowęzłowe
• Zintegrowane wielostrefowe modele symulacyjne budynków (m.
analityczne, funkcja przejścia, m. bilansów elementarnych, m.
różnic skończonych, m. elementów skończonych)
– 1980- modelowanie odwrotne z wykorzystaniem sieci
neuronowych (Neural Networks) i logiki rozmytej (Fuzzy Logic)
– 1990- połączenie symulacji przepływu powietrza i
energii (wykorzystanie CFD)
30
budynków
• Typy symulacji
– Metody jednowymiarowe (stopniodni, stopniodni o zmiennej
podstawie, dynamiczne)
– Uproszczone metody wielowymiarowe (Bin Methods)
– Metody symulacyjne szczegółowe (m. sieciowe, szeregi
Fouriera, metody odpowiedzi termicznej, bilanse cieplne, CFD)
– Metody odwrotne (regresja liniowa, regresja liniowa
wielowymiarowa, sieci neuronowe, Fuzzy Logic)
• Zastosowanie narzędzi symulacyjnych
– Programowanie i projektowanie budynków
– Projektowanie systemu budynek (obudowa, HVAC,
oświetlenie)
– Programowanie pracy systemów i systemów zarządzania
(BEMS)
– Diagnoza błędów w czasie eksploatacji, ocena oszczędności
energii budynków nowoprojektowanych i istniejących
Techniki analizy energetycznej budynków
Wybrane programy symulacyjne budynków i techniki instalacyjnej
Program
BLAST
COMIS
DOE-2
ENERGY
PLUS
TRNSYS
DEROB-LTH
Autor/
dystrybutor
University
of Illinois
Lawrence
Berkeley NLab
Lawrence
Berkeley NLab
Lawrence
Berkeley NLab
Solar EnLab
University of
Wisconsin
Lund Institute
of Technology
Zastosowania
Zapotrzebowanie energii,
planowanie, badania,
analizy LCC, LCA
Przepływy wielostrefowe
w budynku
planowanie, Badania
Połączenie z BLAST i
DOE-2, integ. COMIS
Planowanie, modernizacja,
zapotrzebowanie energii, systemy
kompleksowe, połączenie z
COMIS
ogrzewanie, chłodzenie, komfort
cieplny
Planowanie/
projektowanie
Badania/
kształcenie
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
Tak
31
Planowanie i projektowanie zintegrowane
Programy symulacyjne:
• ALLSOL, EnergyPlus, BSim2000, TRNSYS, APACHE, Energy
Analysis, IDA Indoor Climate and Energy
Podstawowe moduły programów:
• Bazy danych o klimacie, materiałach konstrukcyjnych,
wykończeniowych, instalacjach i urządzeniach
• Modelowanie geometrii budynku
• Symulacja oświetlenia i zacienienia
• Symulacja stanów termicznych
• Symulacja przepływów powietrza
• Symulacja działania HVAC
• Ocena zużycia energii i obciążenia środowiska, kosztów
Planowanie i projektowanie zintegrowane
Budynki biurowe, hotelowe, handlowe:
• Utrzymanie komfortu cieplnego i jakości powietrza
przy umiarkowanym zużyciu energii
• Ochrona cieplna budynku i redukcja obciążeń
cieplnych
• Obciążenia chłodnicze i pasywne metody chłodzenia
– Masa akumulacyjna (wewnętrzne i zewnętrzne obciążenie
chłodnicze)
– Pasywne systemy chłodzenia
• Koncepcje energetyczne i rozdział energii
32
Zmiana podejścia do budynku
energooszczędnego w porównaniu z
tradycyjnym
Podejście zintegrowane do projektowania
TWB (Otto Meyer Hamburg – ROM)
Projekt koncepcyjny
budynku i układów
technicznego
wyposażenia
Symulacja
zachowań
cieplnych
........
Pole z danymi
o systemach
technicznego
wyposażenia
Ocena
Ekologiczna
i Energetyczna
Symulacja
oświetlenia
naturalnego
i sztucznego
Symulacja
pracy układów
technicznego
wyposażenia
Sterowanie
budynkiem
Obliczenia
techniczne
Symulacja
przepływów
powietrza
33
Podejście zintegrowane do projektowania
budynku w fazie wstępnej za pomocą
ALLSOL
Podstawy modelowania za pomocą ALLSOL
Podstawy matematyczne – model dynamiczny:
Ti – temperatura wewnętrzna, Tm – temperatura ściany, dachu, podłogi
34
Podstawy modelowania za pomocą ALLSOL
Podstawy matematyczne – model dynamiczny:
dt – krok czasowy, dx – grubość warstwy
Struktura programu ALLSOL
35
Wykorzystanie ALLSOL – wspomaganie
projektowania
Główne wskaźniki oceny:
•
•
•
Ocena jakości energetycznej budynku (bilanse roczne)
Oddziaływanie na środowisko (LCA, CO₂, SO₂, energia pierwotna)
Ekonomia (struktura kosztów, LCA kosztów energii i mediów)
•
•
•
•
Bilanse energii systemu (miesięczne, dobowe)
Bilanse termiczne budynku (miesięczne, dobowe)
Bilanse energii elektryczne (miesięczne, dobowe)
Zimowe i letnie dni charakterystyczne – bilanse godzinowe
•
Moduł graficzny on-line, charakterystyki dzienne lub godzinowe (temperatura –
T, energia, moc)
Właściwości budynku/systemu TWB:
Dynamika systemu:
Projektowanie wstępne – ALLSOL (przykład)
Budynek mieszkalny – 120 m2, klimat umiarkowany:
• Budynek referencyjny (Ref)
– Współczynniki U: ściany – 0,3 W/ m2K, okna – 2 W/m2K
– Zużycie wody ciepłej – 180 dm3 /d, urz. el. – 3 MWh/rok +
oświetlenie, wentylacja naturalna
• Budynek o niskim zużyciu energii (Low)
– Współczynniki U: ściany – 0,2 W/m2K, okna – 1,2 W/m2K
– Zużycie wody ciepłej – 180 dm3/d, urz. el. – 2,5 MWh/rok +
oświetlenie energooszczędne, wentylacja mechaniczna z
odzyskiem ciepła 60%
• Budynek pasywny (Fut)
– Współczynniki U: ściany – 0,15 W/m2K, okna – 0,9 W/m2K
– Zużycie wody ciepłej – 120 dm3/d, urz. el. – 2,0 MWh/rok +
oświetlenie energooszczędne + kolektor słoneczny – 10 m2 +
kolektor PV – 2 kW, wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła
70%
36
Zużycie energii i oddziaływanie na środowisko
różnych rozwiązań domów jednorodzinnych
(elec – energia elektryczna, ww – ciepła woda, space –
ogrzewania, LCA – ocena w cyklu życia)
2
kWh/(m ⋅rok)
[Mg]
[Mg]
[MWh]
Uwagi końcowe – podejście zintegrowane
• Projektowanie budynków spełniających standardy
oszczędności energii (ochrona cieplna dla lata i zimy)
• Stosowanie filozofii zrównoważonego rozwoju
• Energooszczędne techniki instalacyjne
• Określenie rzeczywistych strumieni powietrza i ich
zmienności w czasie - zależnie od potrzeb
• Osuszanie i chłodzenie rozdzielone
• Nawilżanie tylko w przypadkach uzasadnionych
• Wybór systemów dostosowanych do funkcji użytkowej
pomieszczeń
• Regulacja i sterowanie wg kryteriów oszczędności energii
i uzasadnionego zużycia
• Optymalne planowanie zaopatrzenia w ciepło, energię
chłodniczą i elektryczną
• Analiza ekonomiczna w cyklu życia (koszty inwestycyjne,
eksploatacyjne, likwidacji/przebudowy)
37
Uwagi końcowe
• Fascynacja – pragmatyka – analityka – kontrola
środowiska wewnętrznego
• Wysokie wymagania (oszczędność energii, obciążenie
środowiska, koszty całkowite)
• Zaawansowane technologie budowlane i technicznego
wyposażenia
• Zmiana podejścia do projektowania, realizacji i
eksploatacji budynków
• Rozwój projektowania zintegrowanego wspomaganego
programami symulacyjnymi i diagnostycznymi
• Cel: zaplanowanie i wybudowanie budynku
zoptymalizowanego pod względem zużycia energii,
obciążenia środowiska i kosztów w cyklu życia
Dziękuję za uwagę
38

Podejście zintegrowane w projektowaniu budynków współczesnych

Transkrypt

Podobne dokumenty

prof. dr hab. inż. Edward Szczechowiak