Optymalizacja przegród budowlanych

Czy budynek nazywany „niskoenergetycznym”,
„niemal zeroemisyjnym”, „zielonym”, „ekologicznym”
rzeczywiście pozwala oszczędzać energię, czy też
nazwa ta używana jest wyłącznie jako narzędzie
marketingowe? Czy zaostrzanie przepisów techniczno –
budowlanymi rzeczywiście sprawia, że projektujemy
i budujemy budynki bardziej oszczędne pod względem
zużycia energii?
Poniżej przedstawiona jest jego bryła.
Współczynniki przenikania ciepła U
Postawię następującą tezę: w przypadku budynków
komercyjnych (biurowych, handlowych i przemysłowych)
większym problemem z punktu widzenia zużycia energii jest
chłodzenie pomieszczeń niż ich ogrzewanie. Duże
wewnętrzne zyski ciepła, jakimi charakteryzują się te typu
budynków, pokrywają znaczącą część strat ciepła przez
przenikanie. Dlatego zwiększona izolacyjność cieplna
przegród
budowlanych,
wynikająca
z
wymagań
rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim
powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, czyniąca
z tych budynków swoiste termosy, powoduje wzrost a nie
spadek zużycia energii. Dalsze więc zmniejszanie
współczynników przenikania ciepła jest działaniem
nieenergooszczędnym. Dodatkowo, inwestorzy muszą
ponieść koszty inwestycyjne, związane z dodatkową izolacją
termiczną przegród budowlanych. Aby wykazać słuszność
powyższej tezy, posłużę się modelem energetycznym
budynku biurowego o powierzchni ok. 16500 m2 GLA,
którego funkcjonowanie zostało przebadane w ciągu całego
roku.
Przyjęto następujące parametry charakterystyczne:
Parametr
Współczynnik U ścian
zewnętrznych nieprzezroczystych
Symulacja I
Symulacja II
0.30
0.21
Współczynnik U przegród
zewnętrznych przezroczystych
0.90
0.90
Współczynnik Lt szkła
0.35
62 %
0.35
Współczynnik g szkła
Temperatura wewnętrzna dla lata
Temperatura wewnętrzna dla zimy
Temperatury zewnętrzne,
wilgotność powietrza
zewnętrznego, kierunek i siła
wiatru, natężenie promieniowania
słonecznego, zachmurzenie
Nocne obniżenie temperatur
w pomieszczeniach
25 °C
22 °C
Zgodnie z
godzinowymi
danymi
pogodowymi
dla Warszawy
Tak
Otóż po przeprowadzeniu całorocznej symulacji pracy
budynku, tj. dla każdej z 8760 godzin w roku, wyniki
wykazują, że zmniejszanie współczynnika U zewnętrznych
przegród nieprzezroczystych jest bezcelowe. Poniżej
przedstawiono zestawienie zużycia energii na cele
chłodzenia i ogrzewania budynku.
Symulacja I
Miesiąc
Styczeń
Luty
Pozostałe parametry techniczne budynku są identyczne
w Symulacji I i II.
14,9
7,9
15,3
7,2
14,9
9,4
15,4
8,5
4,1
Maj
31,6
1,4
31,9
1,3
25,6
2,5
Czerwiec
40,0
Sierpień
39,1
0,2
Październik
23,6
2,4
Rok:
Tak
cieplnej
z sieci
ciepłown.
23,7
Grudzień
22 °C
elektrycznej
na cele
chłodzenia
4,5
Listopad
Zgodnie z
godzinowymi
danymi
pogodowymi
dla Warszawy
cieplnej
z sieci
ciepłown.
23,2
Kwiecień
Wrzesień
25 °C
Zużycie energii [MWh]
elektrycznej
na cele
chłodzenia
Marzec
Lipiec
62 %
Zużycie energii [MWh]
Symulacja II
42,3
31,7
18,2
16,9
322,0
0,5
26,0
40,2
0,3
42,5
1,3
32,0
5,5
18,7
8,3
44,2
2,3
0,4
0,2
39,3
0,2
24,0
2,2
17,4
326,4
1,1
5,0
7,5
40,0
Jak widać, budynek ze ścianami o współczynniku
U = 0,3 W/m2K zużywa o 4,2 MWh/rok więcej energii
cieplnej na pokrycie strat ciepła przez przenikanie, ale
jednocześnie o 4,4 MWh/rok mniej energii elektrycznej na
cele chłodzenia pomieszczeń. Należy przy tym zwrócić
uwagę na duże przeszklenie budynku. Gdybyśmy
zróżnicowali współczynniki przenikania ciepła również dla
przegród przezroczystych, różnice w zużyciu energii byłyby
jeszcze bardziej wyraźne.
www.arup.com
Proszę również zauważyć dość znaczne zużycie energii
na cele chłodnicze w miesiącach zimowych. Instalacja
ogrzewcza w zasadzie pokrywa jedynie straty ciepła przez
przenikanie w nocy oraz w czasie weekendów i świąt,
kiedy nie występują wewnętrzne zyski ciepła. Na
marginesie, dla budynku produkcyjnego wpływ obniżonych
wartości U na wzrost zużycia energii na cele chłodzenia
i wzrost wymaganej mocy chłodniczej całej instalacji
klimatyzacyjnej jest jeszcze większy.
Przepisy techniczno – budowlane przewidują przy tym
zmniejszanie
z
biegiem
czasu
maksymalnych
dopuszczalnych współczynników U. Cel jest szczytny:
zmniejszanie zużycia energii przez budynki w odniesieniu
do 1 m2 powierzchni o regulowanej temperaturze.
Niestety, przepisy te wydają się być przygotowane
wyłącznie z myślą o budynkach mieszkalnych,
charakteryzujących się stosunkowo niskimi wewnętrznymi
zyskami ciepła i nie wyposażonymi w instalacje chłodzenia
komfortu. Nie daje to projektantowi prawa do elastycznego
podejścia do projektowania i prowadzi do projektowania
nieefektywnych energetycznie budynków komercyjnych.
Parametry szkła
Kolejnym ciekawym zagadnieniem, z którym stykamy
się przy projektowaniu budynków są parametry
szkła budowlanego, zwłaszcza te charakteryzujące
przepuszczalność energii promieniowania słonecznego
i światła. Często słyszymy o szkle „energooszczędnym”.
Zwykle szkło prezentowane w ten sposób cechuje niska
przepuszczalność energii promieniowania słonecznego,
czego odzwierciedleniem jest niski współczynnik g.
Stawiam tezę, że generalnie szkło takie nie jest ani bardziej,
ani mniej energooszczędne od szkła o wyższym g. Wszystko
zależy od konkretnego przypadku, w którym zastosowany
jest dany gatunek szkła, tj. od przesłaniania budynku przez
zewnętrzne obiekty zacieniające (np. inne budynki), jak
i głębokości przestrzeni przeznaczonej na miejsca pracy
(odległości od fasady).
Dość powszechną praktyką przy doborze szkła jest
kierowanie się przede wszystkim estetyką fasady. Jeśli
poza walorami estetycznymi szkło takie cechuje niski
współczynnik g, co przedstawiane jest przez producentów
szkła jako cecha energooszczędności, projektant czuje się
bezpiecznie: budynek będzie atrakcyjnie wyglądał i będzie
oszczędny w eksploatacji. Bardzo często jednak uzyskuje się
wyższe zużycie energii niż przypuszczano.
Warto w tym miejscu wspomnieć o warunkach
technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich
usytuowanie. Ograniczają one bowiem maksymalną
dopuszczalną wartość współczynnika g, troszcząc się
o ograniczenie zysków ciepła od słońca. Stoi za tym pewna
logika, mająca ograniczyć projektowanie biurowców jako
„szklanych pudełek”. Niestety, uważam, że poprzez
swą sztywność i nie powiązanie doboru przepuszczalności
energii promieniowania słonecznego (współczynnik g)
z przepuszczalnością światła przez szkło (współczynnik Lt),
wymagania przepisu oraz obecna praktyka projektowa
często prowadzą do zwiększenia zużycia energii przez
budynki biurowe.
Mianowicie, szkło o niskim współczynniku g charakteryzuje
również niski współczynnik Lt. Dobierając więc szkło
o takich parametrach, redukujemy zyski ciepła od słońca,
ale obniżamy jednocześnie ilość docierającego do wnętrza
światła dziennego. Pod względem zużycia energii działanie
takie uderza w nas dwukrotnie: instalacja oświetleniowa
będzie dłużej i intensywniej pracować, zużywając energię
elektryczną, a jednocześnie będzie generować dodatkowe
zyski ciepła, które będą musiały być odprowadzone przez
instalację klimatyzacji.
Mamy więc do czynienia z dylematem: czy ograniczać zyski
ciepła od słońca, czy zwiększać penetrację światła dziennego
w głąb pomieszczeń. Jak się okazuje można osiągnąć
kompromis pomiędzy jednym i drugim, poprzez optymalny
dobór szkła. Dla każdego budynku znajduje się on w nieco
innym punkcie, ponieważ różne są głębokości traktu, różny
udział przegród przezroczystych w ścianach zewnętrznych,
budynki miewają też zewnętrzne osłony przeciwsłoneczne.
Doskonałym narzędziem, pozwalającym na zaprojektowanie
zewnętrznych osłon przeciwsłonecznych i dobór szkła, które
można nazwać autentycznie energooszczędnym jest
modelowanie energetyczne budynków, inaczej nazywane
dynamicznym modelowaniem termicznym. Znane jest
w Polsce głównie z certyfikacji LEED™, jednak jest to
przede wszystkim narzędzie projektowe, pozwalające na
bardzo wierne symulowanie różnych wariantów przegród
budowlanych i instalacji oraz analizę energetyczną budynku
z krokiem godzinowym, czyli dla każdej z 8760 godzin
w ciągu roku.
Dla udowodnienia swej tezy na temat „energooszczędnego”
szkła wykorzystam model energetyczny tego samego
budynku, co w przypadku analizy współczynników U
i przeprowadzę kolejne dwie symulacje, dla różnych
gatunków szkła, różniących się jedynie współczynnikami g
i Lt. W obydwu symulacjach zamodelowano sterowanie
oświetleniem sztucznym w zależności od natężenia światła
dziennego.
www.arup.com
Poniższa tabela zawiera zestawienie wyników w rozbiciu na
poszczególne miesiące.
Symulacja III
Zużycie energii [MWh]
Miesiąc
Symulacja IV
16
g = 0,28, Lt = 48 %
Styczeń
15,4
39,0
15,1
39,9
Marzec
23,7
39,3
22,9
40,7
Maj
31,9
34,2
15,3
Kwiecień
36,1
26,0
Czerwiec
Lipiec
35,3
39,3
38,7
37,9
32,0
36,1
31,2
38,8
Listopad
18,7
40,9
18,5
41,6
24,0
Grudzień
37,4
17,4
Rok:
326,5
Suma dla
budynku:
23,5
43,0
775,1
448,6
316,7
08:00
10:00
12:00
14:00
Date: Tue 11/May
16:00
18:00
20:00
22:00
00:00
Total Electricity - Interior lighting: (g 28 lt 48 no blinds.aps)
Zastosowanie szkła o dość standardowych parametrach, z
pewnością nie nazywanego w handlu „energooszczędnym”,
zaowocowało niższym całorocznym zużyciem energii
elektrycznej przez budynek. Wycinkowe koncentrowanie
się wyłącznie na jednym parametrze szkła (g), bez
szerszego spojrzenia na całość prowadzić może do skutku
odwrotnego od zamierzonego.
472,8
18
Widać stąd jak ważnym zagadnieniem z punktu widzenia
zużycia energii staje się dostęp światła dziennego do
pomieszczeń. Im jest większy, tym dłużej oświetlenie
sztuczne w strefie przyokiennej, a w niektórych przypadkach
i poza nią, może być wyłączone lub ściemnione.
16
14
12
Power (kW)
06:00
Rys. 2. Wykres zmienności zapotrzebowania mocy elektrycznej przez
instalację oświetleniową dla jednej kondygnacji budynku w dniu 11 maja
44,0
789,5
04:00
Symulacja III
Symulacja IV
38,9
17,3
02:00
Total Electricity - Interior lighting: (g 35 lt 62 no blinds.aps)
38,2
Wrzesień
Październik
0
00:00
38,8
40,9
35,4
8
2
37,5
38,7
10
4
38,6
30,7
12
6
37,1
25,0
35,6
42,5
Sierpień
15,0
36,2
40,2
14
Zużycie energii [MWh]
elektrycznej elektrycznej elektrycznej elektrycznej
na cele
na cele
na cele
na cele
chłodzenia oświetlenia
chłodzenia oświetlenia
Luty
18
Po we r (kW)
g = 0,35, Lt = 62 %
20
10
8
6
4
2
0
00:00
02:00
04:00
06:00
08:00
10:00
Total Electricity - Cooling: (g 35 lt 62 no blinds.aps)
Symulacja III
Symulacja IV
12:00
14:00
Date: Tue 11/May
16:00
18:00
20:00
22:00
Total Electricity - Cooling: (g 28 lt 48 no blinds.aps)
Rys. 1. Wykres zmienności zapotrzebowania mocy elektrycznej na
cele chłodzenia dla jednej kondygnacji budynku w dniu 11 maja
00:00
Pewną analogię do zastosowania szkła o niskim
współczynniku g stanowią stałe elementy zacieniające,
zainstalowane na budynku o dużej głębokości przestrzeni
pracy. W wielu przypadkach modele energetyczne
wykazały, że korzystniej pod względem zużycia energii
wypada budynek pozbawiony osłon przeciwsłonecznych.
Osłony ograniczałyby bowiem dostęp światła dziennego
do bardziej oddalonych od fasady części budynku, co
rodziłoby konieczność intensywnego doświetlania tych
przestrzeni światłem sztucznym. Efektem dodatkowym
wyeliminowania osłon przeciwsłonecznych jest obniżenie
kosztów inwestycyjnych.
Podsumowując: nie wszystko
czyli nie każde rozwiązanie
energooszczędnym, rzeczywiście
inwestora warto jest upewnić
optymalnego wyboru.
złoto, co się świeci,
techniczne nazywane
takim jest. Dla dobra
się, że dokonujemy
Jarosław Witek
Arup Poland Sustainability Team Leader
www.arup.com