BoZPE-2010_23-Lis A - Wydział Budownictwa

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Anna LIS
Politechnika Częstochowska
CHARAKTERYSTYKA ZUŻYCIA CIEPŁA
DO OGRZEWANIA POMIESZCZEŃ
W RÓŻNYCH GRUPACH BUDYNKÓW
The paper presents the results of the research in apartment, educational and industrial buildings. The main object of analysis was the heat consumption. The analysis was carried out to evaluate the influence of architectural, material and structural
features on the value of heat consumption.
WPROWADZENIE
Przyczyn wysokiego zużycia ciepła do ogrzewania budynków upatruje się głównie w nadmiernych stratach ciepła przez przegrody w wyniku ich niskiej izolacyjności cieplnej oraz obecności mostków cieplnych, występowaniu wad i usterek powstałych w trakcie nieprawidłowego procesu wznoszenia budynku czy jego eksploatacji, pokaźnych stratach ciepła na podgrzewanie powietrza wymienianego w procesie wentylacji zwłaszcza w przypadku znacznej nieszczelności w stolarce okiennej
lub niekontrolowanego napływu powietrza do pomieszczeń, niesprawnych, wadliwie działających bądź przestarzałych instalacjach grzewczych, braku opomiarowania zużycia ciepła, a także w braku możliwości sprawnej regulacji dostarczania
i przekazywania ciepła.
Obecnie największy udział w globalnej produkcji energii mają paliwa nieodnawialne, takie jak węgiel, ropa naftowa, gaz oraz pierwiastki radioaktywne. Ich wykorzystanie postępuje znacznie szybciej niż naturalne odtwarzanie, a energia z nich
pozyskana jest stosunkowo droga. W Polsce np. blisko 92% elektryczności jest produkowana z węgla. Paliwa nieodnawialne będą jednak ulegać wyczerpaniu, a ich
spalanie ma negatywne oddziaływanie na środowisko w związku z emisją szkodliwych substancji do atmosfery w czasie procesu spalania. Działania związane z racjonalizacją zużycia energii w budownictwie zostały więc niejako wymuszone sytuacją energetyczną, ekologiczną i finansową.
Wymagania dotyczące ochrony cieplnej budynków ulegały na przestrzeni lat
znacznemu zaostrzeniu. W Polsce wiązało się to początkowo z ograniczaniem
maksymalnej, zalecanej wartości współczynnika przenikania ciepła dla poszcze-
182
A. Lis
gólnych przegród Umax, a następnie od 1988 roku energochłonności budynków wyrażonej jako zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania.
Wymagania te były zawarte w normach, a później w warunkach technicznych,
jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Wymagania w stosunku do
współczynnika U max w kolejnych latach zawarto w tabeli 1.
Tabela 1. Zmiany współczynnika Umax w kolejnych latach
Lata
Wymagania według
1955-1958
1959-1965
Umax , W/(m2K)
Ściany
Stropodachy
PN-B-02405:1953
1,163
0,87
PN-B-02405:1957
1,163
0,87
1966-1975
PN-B-03404:1964
1,163
0,87
1976-1982
PN-B-03404:1974
1,163
0,70
1983-1991
PN-B-02020:1982
0,750
0,45
1992-1997
0,550
0,30
1998-2008
DzU 1997, Nr 132, poz. 878
DzU 1999, Nr 15, poz. 140
DzU 2002, Nr 75, poz. 690
PN-B-02020:1991
0,30 - budynki jednorodzinne
0,45 - budynki użyteczności
publicznej i przemysłowe
0,30
od 2009
DzU 2008, Nr 201, poz. 1238
0,30
0,25
Poziom energochłonności polskiego budownictwa, wynikający oczywiście w pewnej mierze z warunków klimatu miejscowego i konieczności ogrzewania budynków,
był jednak w znacznym stopniu spowodowany sposobem konstruowania przegród
w poszczególnych okresach i nieprzykładaniem należytej uwagi do ograniczania
zużycia ciepła jak w innych krajach, np. skandynawskich. W tabeli 2 przedstawiono
energochłonność ogrzewania budynków w Polsce w zależności od ich roku budowy
oraz stosowanej wówczas technologii wykonywania ścian.
Tabela 2. Energochłonność ogrzewania budynków w Polsce w kolejnych latach
Technologia
wykonania ścian
Lata
do 1966
Umax ściany
E
W/(m2K)
kWh/(m2rok)
cegła pełna
1,163
240÷350
1967-1985
wielka płyta, rama H, pustaki
1,163
240÷280
1986-1992
izolacja do 10 cm
0,75
160÷200
1993-1997
izolacja do 12 cm
0,55
120÷160
izolacja do 15 cm
0,45
90÷120
izolacja od 15 do 40 cm
0,3
15÷80
1998-2009
od 2009
budynki energooszczędne
0,3
45÷80
budynki niskoenergetyczne
0,2
20÷45
budynki pasywne
0,10
do 15
Charakterystyka zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczeń w różnych grupach budynków
183
Obecnie duży nacisk kładzie się na to, by budynki nowo budowane spełniały
przynajmniej standard budynku energooszczędnego. Pomimo znaczącego spadku
na przestrzeni ostatnich lat energochłonność ogrzewania w Polsce jest jednak wciąż
znacząco wyższa w stosunku do innych krajów, co przedstawia rysunek 1.
300
1997
250
2006
kWh/(m 2 rok)
200
150
100
50
UE27
I
UE15
S
GB
RO
SLO
N
PL
D
LT
LV
IRL
NL
F
GR
DK
FIN
BG
HR
A
0
Rys. 1. Zużycie ciepła do ogrzewania w wybranych krajach europejskich oraz w UE [1]
Każdy budynek, ze względu na swoje przeznaczenie oraz istniejące kanony projektowe, posiada określone cechy charakterystyczne, które decydują o charakterystyce cieplno-energetycznej danego budynku i mają wpływ na zużycie ciepła do
jego ogrzewania, które ma największy udział w ogólnym bilansie zużycia energii.
Strukturę zużycia energii w różnych typach budynków przedstawiono na rysunku 2.
100%
90%
budynki produkcyjne
80%
budynki oświatowe
70%
budynki mieszkalne
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
ogrzewanie
wentylacja
oświetlenie
produkcja
urz. elektryczne warsztaty szkolne
ciepła woda
gotowanie
Rys. 2. Struktura zużycia energii w różnych grupach budynków [2]
184
A. Lis
Budynki oświatowe oraz produkcyjne charakteryzują się odmiennym kształtem
bryły i rozwiązaniem układu funkcjonalnego w stosunku do budynków mieszkalnych. Posiadają one większą wysokość kondygnacji, wyższy procent przeszklenia
elewacji oraz dużą powierzchnię przegród, przez które traci się ciepło. W budynkach oświatowych największe przeszklenie występuje zazwyczaj na elewacji południowej. W znacznej części tych budynków mamy do czynienia z czasowym użytkowaniem określonych pomieszczeń.
1. CHARAKTERYSTYKA GRUP BUDYNKÓW PRZYJĘTYCH DO ANALIZY
Do analizy wybrano budynki mieszkalne, produkcyjne i oświatowe. Budynki
te mają zróżnicowaną powierzchnię ogrzewaną i są wykonane w różnych technologiach. Budynki mieszkalne to budynki wielorodzinne, zrealizowane zarówno
w technologii tradycyjnej (cegła pełna, pustaki ceramiczne) oraz w technologiach
uprzemysłowionych (wielki blok, W-70). W znacznej części budynków występowały okna drewniane, podwójnie szklone zwykle nieszczelne, w nieznacznym procencie były one wymienione na plastikowe. Przyjęte do analizy budynki oświatowe
to w większości szkoły podstawowe. Do grupy włączono zespół szkół gminnych
(szkoła podstawowa i gimnazjum) oraz dwa przedszkola. Wszystkie budynki to
obiekty wolno stojące, zrealizowane w technologii tradycyjnej. W grupie budynków produkcyjnych znalazły się hale, gdzie prowadzono wyłącznie działalność
produkcyjną oraz dwa budynki produkcyjne z zapleczem biurowym. Budynki z tej
grupy to obiekty wolno stojące, zrealizowane w technologii tradycyjnej oraz szkieletowej. Charakterystykę podstawowych parametrów dla analizowanych budynków
przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Powierzchnia i kubatura ogrzewana oraz wskaźnik zwartości budynków
Budynki produkcyjne
Budynki oświatowe
Budynki mieszkalne
P
VE
A/VE
P
VE
A/VE
P
VE
A/VE
m2
m3
m–1
m2
m3
m–1
m2
m3
m–1
x
1737,2
8686
–
1670
7055
–
1567,8
5010
–
H
–
–
0,47
–
–
0,64
–
–
0,44
s
478,2
2391
0,11
686,3
2922
0,22
649,3
2059
0,08
Największe przeszklenie elewacji występowało w budynkach oświatowych,
średnio wartość powierzchni okien w tej grupie budynków kształtowała się na poziomie około 450 m2, przy odchyleniu standardowym równym 190 m2. Największa
powierzchnia okien w tych budynkach występowała na elewacji południowej,
w salach przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci. W budynkach
mieszkalnych wielorodzinnych oraz w budynkach produkcyjnych nie zanotowano
wyraźnej różnicy w przeszkleniu elewacji południowej, wschodniej i zachodniej.
185
Charakterystyka zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczeń w różnych grupach budynków
Wyraźnie niższe było przeszklenie elewacji północnej. Charakterystykę przeszklenia elewacji budynków, w których prowadzono badania, przedstawiono w tabeli 4.
Tabela 4. Charakterystyka przeszklenia elewacji budynków
Budynki produkcyjne
Budynki oświatowe
Budynki mieszkalne
przeszklenie elewacji
%
x
32,9
41,1
28,8
s
7,4
8,8
14,4
Prześledzono również procentowy udział powierzchni okien dla badanych grup
budynków w poszczególnych elewacjach. Wyniki zaprezentowano na rysunku 3.
60
budynki produkcyjne
50
40
49,3
budynki oświatowe
budynki mieszkalne
31,4
29,8
29,5
27,6
30
22,6
22,1
15,3
13,1
20
15,9
30,7
12,7
10
0
elewacja wsch.
elewacja zach.
elewacja płn.
elewacja płd.
Rys. 3. Udział powierzchni okien w poszczególnych elewacjach
Wyznaczono współczynniki przenikania ciepła przegród w analizowanych budynkach. Wartości współczynników przenikania ciepła dla ścian i dla stropodachów
przedstawiono w tabeli 5, natomiast w tabeli 6 - wartości współczynników przenikania ciepła dla stropów nad piwnicami oraz dla podłóg na gruncie.
Tabela 5. Współczynniki przenikania ciepła dla ścian i dla stropodachów
Budynki produkcyjne
US
UStd
Budynki oświatowe
US
Budynki mieszkalne
UStd
US
UStd
2
W/(m K)
H
1,27
0,71
1,38
0,84
1,14
0,83
s
0,20
0,15
0,06
0,29
0,28
0,44
186
A. Lis
Tabela 6. Współczynniki przenikania ciepła dla stropów nad piwnicami i podłóg
na gruncie
Budynki produkcyjne
UStp
UPg
Bbudynki oświatowe
Budynki mieszkalne
UStp
UPg
UStp
UPg
W/(m2K)
H
0,78
0,69
0,98
0,74
0,72
–
s
0,17
0,12
0,10
0,15
0,14
–
Przegrody we wszystkich analizowanych obiektach charakteryzowały się wysoką wartością współczynnika przenikania ciepła i nie spełniały wymagań w zakresie
izolacyjności cieplnej i oszczędności energii.
2. ANALIZA ZUŻYCIA CIEPŁA DLA WYBRANYCH GRUP BUDYNKÓW
Dokonując oceny zużycia ciepła do ogrzewania, analizie poddano kształt budynków, wielkość przegród przezroczystych oraz izolacyjność termiczną przegród.
Wykorzystano wybrane parametry budynków, takie jak: wskaźnik zwartości budynków (moduł powierzchniowy), przeszklenie elewacji oraz współczynniki przenikania ciepła. Określono zależności pomiędzy tymi parametrami a zużyciem ciepła.
Współczynniki determinacji dla uzyskanych zależności przedstawiają rysunki 4-7.
Wpływ wskaźnika zwartości budynków na zużycie ciepła do ogrzewania poszczególnych grup budynków pokazano na rysunku 4.
3
zużycie ciepła, kWh/ (m rok)
100
budynki mieszkalne
2
y = -418,4x + 446,66x - 33,542
90
2
R = 0,4034
80
70
60
50
budynki produkcyjne
2
y = -1098,3x + 1058x - 176,76
budynki oświatowe
2
y = 241,55x - 339,88x + 173,11
2
R = 0,6637
40
0,20
0,40
0,60
0,80
-1
moduł powierzchniowy, m
2
R = 0,8248
1,00
1,20
Rys. 4. Wpływ modułu powierzchniowego na zużycie ciepła do ogrzewania
Charakterystyka zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczeń w różnych grupach budynków
187
Kształt bryły budynku, jej zwartość ma istotny wpływ na zużycie ciepła do ogrzewania, budynki rozczłonkowane zużywają bowiem więcej ciepła z powodu większych strat ciepła przez przegrody w stosunku do ogrzewanej kubatury. Zależność
ta rysuje się szczególnie wyraźnie dla budynków oświatowych, które charakteryzowały się najwyższym współczynnikiem zwartości równym 0,64 przy odchyleniu
standardowym 0,22.
Rysunek 5 przedstawia wpływ przeszklenia elewacji na zużycie ciepła do ogrzewania pomieszczeń w analizowanych budynkach.
3
zużycie ciepła, kWh/ (m rok)
100
budynki mieszkalne
2
y = 0,0422x - 3,3444x + 134,01
90
2
R = 0,3333
80
budynki produkcyjne
70
2
y = 0,0858x - 4,4808x + 121,89
2
60
R = 0,468
budynki oświatowe
2
y = -0,114x + 2,0346x + 3,8329
50
2
R = 0,7535
40
10,0
20,0
30,0
40,0
przeszklenie elewacji, %
50,0
60,0
Rys. 5. Wpływ przeszklenia elewacji na zużycie ciepła do ogrzewania
3
zużycie ciepła, kWh/(m rok)
Wpływ współczynników przenikania ciepła ścian oraz stropodachów na zużycie
ciepła do ogrzewania budynków przedstawiono na rysunkach 6 i 7.
100
budynki produkcyjne
90
80
2
y = -12,248x - 3,8153x + 95,488
2
R = 0,459
70
60
50
budynki mieszkalne
2
y = -24,127x + 88,037x + 10,567
2
R = 0,7895
budynki oświatowe
2
y = 635,38x - 1642,8x + 1119,7
2
40
0,60
R = 0,3404
0,80
1,00
1,20
1,40
2
współczynnik przenikania ciepła ścian, W/(m K)
1,60
Rys. 6. Wpływ współczynnika przenikania ciepła ścian na zużycie ciepła do ogrzewania
188
A. Lis
3
zużycie ciepła, kWh/ (m rok)
100
budynki mieszkalne
2
y = -44,992x + 97,657x + 34,248
90
2
R = 0,473
80
70
60
budynki
produkcyjne
2
y = 483,54x - 745,44x + 347,9
2
50
R = 0,7027
40
0,40
budynki oświatowe
2
y = 80,292x - 165,6x + 143,18
2
R = 0,3184
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
2
współczynnik przenikania ciepła stropodachów, W/(m K)
1,60
Rys. 7. Wpływ współczynnika przenikania ciepła stropodachów na zużycie ciepła
Analizie poddano również wpływ współczynników przenikania ciepła dla stropów nad piwnicą oraz dla podłóg na gruncie, jednak nie stwierdzono w tym przypadku istotnej zależności pomiędzy rozpatrywanymi parametrami.
PODSUMOWANIE
Cechy architektoniczno-budowlane i materiałowo-konstrukcyjne mają istotny
wpływ na zużycie ciepła do ogrzewania, różny jednak w przypadku odmiennych
grup budynków. Duże, wielokondygnacyjne budynki zużywają więcej energii
cieplnej w stosunku do mniejszych ze względu na większą kubaturę ogrzewaną.
Praktycznie jednak małe budynki są mniej korzystne pod kątem energooszczędności, gdyż powierzchnia ich przegród chłodzących jest znacznie większa w stosunku
do ich kubatury ogrzewanej. Ze względów energetycznych korzystna jest oczywiście większa zwartość bryły budynku. Spośród analizowanych obiektów budynki
oświatowe charakteryzowały się największą wartością powierzchni przeszklonych,
co w istotny sposób wpływało na zużycie ciepła do ich ogrzewania.
Zużycie ciepła było w znacznym stopniu zdeterminowane przez współczynnik
przenikania ciepła ścian dla budynków mieszkalnych, a dla przemysłowych przez
współczynnik przenikania ciepła stropodachów. Współczynniki przenikania ciepła
pozostałych przegród nie miały istotnego wpływu na zużycie ciepła do ogrzewania.
LITERATURA
[1] Boonekamp P., Trends and policies for space heating in the EU-27, Energy Efficiency in Buildings - Improving the database, Berlin 2008.
[2] Lis A., Ocena poziomu zużycia ciepła w budynkach, Czasopismo Techniczne, R. 106:1-B 2009,
zeszyt 5, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2009, s. 157-165.