charakterystyka energetyczno

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Mirosław SANYTSKY, Mariusz WÓJCIKIEWICZ, Robert SEKRET
Politechnika Częstochowska
CHARAKTERYSTYKA ENERGETYCZNO-EKOLOGICZNA
BUDYNKÓW JEDNORODZINNYCH
In the article energetic-ecological analysis has been made. Three particular types
of building (standard, energy saving and low energy) have been distinguished with
square meters surface, cubic size and external partitions parameters. The experimental results of influence of building-installation system parameters on the building
energetic coefficients are presented. Mathematics models of influence of thermal
barrier parameters and heating surface on the energy characteristics, namely final
energy EK and primary energy EP have been established. The influence of the gravitation and mechanical ventilation systems on the final heat energy of houses is
shown. Using the approach of energy-ecological factors analysis might be the basis of
optimization in construction industry.
WPROWADZENIE
Unia Europejska w celu redukcji energii do 2020 roku wprowadza zaostrzone
standardy efektywności energetycznej w budownictwie [1-3]. Opracowanie zasad
i procedur oceny spełnienia kryteriów zrównoważonego rozwoju w odniesieniu do
obiektów budowlanych daje możliwości ukierunkowania i stymulowania pożądanych zachowań rynku, sprzyjających osiąganiu takich istotnych celów techniczno-ekonomicznych, jak zwiększenie efektywności energetycznej budynków oraz
zmniejszenie obciążeń środowiskowych powodowanych przez budynki [4].
Budynek lub zespół budynków można określić terminem „kompleks budowlany”, charakteryzujący się złożoną strukturą gospodarki energetycznej. Określenie
„budynek jako system energetyczny” oznacza, że obiekt jest traktowany jako zbiór
urządzeń i instalacji, których zadaniem jest wytwarzanie, przetwarzanie, przesyłanie i rozdział nośników energii zużywanych na potrzeby budynku oraz powiązań
między tymi urządzeniami i instalacjami [5]. Wtedy każdy budynek wraz z wyposażeniem technicznym tworzy pewnego rodzaju system budowlano-instalacyjny.
Zmniejszenie energochłonności budynków jest ściśle związane z izolacyjnością
termiczną przegród zewnętrznych oraz zastosowaniem nowoczesnych technologii
instalacyjnych, co doprowadziło do pojawienia się budynków energooszczędnych
oraz o stosunkowo niewielkim zapotrzebowaniu na energię (domy niskoenergetyczne oraz pasywne) [6]. Możliwość znaczącego zmniejszenia zużywanej energii
przez połączenie w jednym projekcie i późniejszej jego realizacji energooszczęd-
221
Charakterystyka energetyczno-ekologiczna budynków jednorodzinnych
nych rozwiązań architektoniczno-budowlanych i instalacyjnych zapewnia analiza
energetyczno-ekologiczna różnych rodzajów budynków [7, 8].
1. OPIS OBIEKTU I METODYKI BADAŃ
Do przeprowadzenia założonej analizy wybrano trzy rodzaje budynków: standardowy, energooszczędny oraz niskoenergetyczny. W każdej z tych kategorii
rozważono trzy warianty budynków o powierzchni użytkowej ogrzewanej 100, 150
i 200 m2. Analizowane budynki różnią się izolacyjnością przegród zewnętrznych
pełnych i przeszklonych. Są to budynki parterowe, niepodpiwniczone o identycznej
powierzchni okien i drzwi zewnętrznych oraz użytkowane przez 4 osoby. Charakterystyczne dane przyjęte do obliczeń dla systemu budowlanego zawarto w tabeli
1. W każdym z rozpatrywanych budynków, w poszczególnych ich kategoriach,
rozważono wariant systemu grzewczego, bazującego na kotle spalającym węgiel
kamienny jako źródło ciepła. Zestawienie sprawności systemu ogrzewania oraz
przygotowania ciepłej wody użytkowej przedstawiono w tabeli 2. Dla omawianych
budynków rozważono 2 warianty; z wentylacją grawitacyjną i wentylacją mechaniczną z 90% odzyskiem ciepła. Na potrzeby wentylacji mechanicznej analizowanych budynków przyjęto krotność wymiany powietrza równą jeden, co równoważne jest odpowiednio z następującymi strumieniami powietrza wentylacyjnego:
300, 450 i 600 m3/h. Do obliczenia wskaźników oceny energetycznej, przyjętych
do rozważań systemów budowlano-instalacyjnych, wykorzystano metodologię
wykonywania świadectw charakterystyki energetycznej budynków, zgodnie
z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie
metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową
oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw i ich charakterystyki energetycznej [3, 9].
Tabela 1. Współczynniki przenikania ciepła U dla przegród zewnętrznych
analizowanych budynków
Ściany zewnętrzne
W/m2·K
Okna
W/m2·K
Drzwi
W/m2·K
Stropodach
W/m2·K
Budynek
standardowy BS
0,3
2,6
2,6
0,25
Budynek
energooszczędny BE
0,2
1,8
1,8
0,18
Budynek
niskoenergetyczny BN
0,1
1,0
1,0
0,11
Rodzaj budynku
222
M. Sanytsky, M. Wójcikiewicz, R. Sekret
Tabela 2. Sprawności systemu ogrzewania i c.w.u. dla badanych budynków
Rodzaj instalacji
Sprawność
wytworzenia
Sprawność
akumulacji
Sprawność
dystrybucji
Sprawność regulacji i wykorzystania
Sprawność
całkowita
Kocioł
spalający węgiel
kamienny
0,82
1,00
0,94
0,98
0,76
Parametry przegród budynków pasywnego oraz niskoenergetycznego są podobne, lecz w budynku pasywnym w większym stopniu wykorzystuje się OZE. Standard budynku pasywnego określają właściwości, takie jak: wskaźnik energetyczny
zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania nie większy niż 15 kWh/(m2·a), wskaźnik zapotrzebowania energii pierwotnej EP dla sumy wszystkich celów bytowych
nie większy niż 120 kWh/(m2·a) [10].
2. WYNIKI ANALIZY ENERGETYCZNO-EKOLOGICZNEJ
Wyniki obliczeń wskaźników energetycznych EP, EK [kWh/(m2·rok)], rocznego zapotrzebowania na energię użytkową QU i końcową QK [kWh/rok] oraz emisji
zanieczyszczeń [kg/rok] dla analizy środowiskowej założonych rodzajów budynków z wentylacją grawitacyjną i mechaniczną przedstawiono w tabelach 3 i 4.
Tabela 3. Wskaźniki energetyczno-ekologiczne budynków z wentylacją grawitacyjną
Roczne zapotrzeboWskaźniki
wanie na energię
energetyczne
użytkową
i końcową
kWh/(m2 . rok)
kWh/rok
Rodzaj budynku
100 m2
Standardowy 150 m
2
200 m
2
100 m2
Energo150 m2
oszczędny
200 m2
100 m2
Nisko150 m2
energetyczny
200 m2
Wskaźniki ekologiczne, kg/rok
EP
EK
QU
QK
CO2
CO
SO2
NOx
Pył Sadza
150
115
7485
11 567
3774
68
729
3,3
16,9
0,5
97
67
6369
10 089
3776
59
1076
4,0
15,5
0,5
69
42
5105
8416
3726
50
1423
4,6
13,8
0,4
118
86
5315
8694
3028
51
722
2,9
13,0
0,4
76
48
4258
7294
3050
43
1069
3,6
11,7
0,3
56
30
3293
6017
3103
36
1417
4,3
10,5
0,3
93
64
3603
6427
2440
38
717
2,6
9,9
0,3
61
34
2689
5217
2510
31
1064
3,3
8,8
0,2
49
24
2408
4846
1959
28
649
2,2
7,7
0,2
223
Charakterystyka energetyczno-ekologiczna budynków jednorodzinnych
Tabela 4. Wskaźniki energetyczno-ekologiczne budynków z wentylacją mechaniczną
Rodzaj budynku
100 m2
Standardo150 m2
wy
2
200 m
100 m2
Energo150 m2
oszczędny
200 m2
100 m2
Niskoenergetycz- 150 m2
ny
200 m2
Wskaźniki ener- Roczne zapotrzebowanie na energię
getyczne
użytkową i końco2
kWh/(m ·rok)
wą, kWh/rok
Wskaźniki ekologiczne, kg/rok
EP
EK
QU
QK
CO2
CO
SO2 NOx
Pył Sadza
278
218
183
238
188
159
202
159
136
231
177
145
196
150
123
163
123
103
16 257
18856
20 793
13 570
15 765
17 449
11 079
12 745
14 329
23 180
26 620
29 185
19 623
22 528
24 758
16 324
18 530
20 628
6791
8070
9121
5867
7007
7971
5010
5968
6898
136
156
171
115
132
145
95
109
121
758
1118
1474
750
1107
1463
741
1097
1453
32,8
38,0
42,1
27,9
32,5
36,1
23,4
27,0
30,4
4,8
6,1
7,3
4,3
5,6
6,8
3,9
5,1
6,2
1,1
1,2
1,3
0,9
1,0
1,1
0,7
0,8
0,9
Jednym z głównych wskaźników energetycznych, charakteryzujących dany system budowlany, jest roczne zapotrzebowanie na energię końcową w przeliczeniu
na pole powierzchni ogrzewanej budynku. Roczne zapotrzebowanie na energię
końcową, w przypadku analizowanych budynków, obejmuje straty ciepła budynku
w wyniku przenikania przez przegrody oddzielające przestrzeń ogrzewaną od środowiska zewnętrznego, straty ciepła powstające w wyniku konieczności podgrzania strumienia powietrza wentylacyjnego oraz zewnętrzne i wewnętrzne zyski ciepła. Wartości wskaźnika energii końcowej EK dla badanych budynków
z wentylacją grawitacyjną prezentuje tabela 3, natomiast z wentylacją mechaniczną
- tabela 4. Wraz ze wzrostem pola powierzchni ogrzewanej budynku, od 100 do
200 m2, wartości wskaźnika energii końcowej zmniejszają się o 38% w przypadku
budynków w technologii standardowej i 37% w przypadku budynków w technologii niskoenergetycznej. Natomiast w przypadku zastosowania wentylacji mechanicznej wartość wskaźnika energii końcowej zmniejsza się odpowiednio o 64% dla
budynku w technologii standardowej i 62% w przypadku budynku niskoenergetycznego. Najwyższą wartość wskaźnika EK, wynoszącą 231 kWh/(m2·rok), uzyskano dla budynku w technologii standardowej i powierzchni ogrzewanej 100 m2
z wentylacją grawitacyjną. Najniższą wartością wskaźnika EK, wynoszącą
24 kWh/(m2·rok), charakteryzuje się budynek w technologii niskoenergetycznej
o powierzchni ogrzewanej 200 m2 z wentylacją mechaniczną.
Do analizy wpływu parametrów przegród zewnętrznych różnych rodzajów budynków oraz ich powierzchni na wskaźniki energetyczne zastosowano metodę
eksperymentalno-statystycznego modelowania. Zgodnie z planem dwufaktorowego
trzypoziomowego eksperymentu przyjęto interwały wariacji zmiennych faktorów
różnych rodzajów budynków: współczynniki przenikania ciepła U dla przegród
zewnętrznych budynków standardowego, energooszczędnego i niskoenergetycznego X1 oraz powierzchnię ogrzewaną (X2 = 100, 150, 200 m2). Na podstawie wyni-
224
M. Sanytsky, M. Wójcikiewicz, R. Sekret
ków obliczeń (tab. 3, 4) uzyskano matematyczne modele wpływu parametrów
przegród zewnętrznych omawianych budynków oraz powierzchni ogrzewanej na
wartość energii pierwotnej EP [kWh/(m2.rok)] dla wentylacji grawitacyjnej i mechanicznej (paliwo - węgiel kamienny):
EPgraw. = 187,97 + 30,28X1 − 40,05X2 − 7,10X1X2 + 0,85X12 + 11,35X22
(1)
EPmech. = 76,28 + 18,65X1 – 31,26X2 − 9,22X1X2 + 3,12X12 + 11,36X22
(2)
Dla budynków z wentylacją grawitacyjną wartości energii pierwotnej
Ymax = 277,60 uzyskano dla domu standardowego o powierzchni 100 m2 oraz
Ymin = 136,93 - dla domu niskoenergetycznego o powierzchni 200 m2, tj. stosunek
między nimi stanowi 2,02. Dla budynków z wentylacją mechaniczną wartości
energii pierwotnej Ymax = 149,88 uzyskano dla domu standardowego o powierzchni 100 m2 oraz Ymin = 50,06 - dla domu niskoenergetycznego o powierzchni
200 m2, tj. stosunek między nimi wynosi 2,99. Stosunek pomiędzy EPmax i EPmin
(Ymax = 277,60 oraz Ymin = 50,06) stanowi 5,5. Analizę graficzną wpływu zmiennych parametrów na wartość energii pierwotnej EP dla wentylacji grawitacyjnej
i mechanicznej (paliwo - węgiel kamienny) przedstawia rysunek 1.
a)
b)
280
260
240
EP
220
200
180
140,00 -160,00
160
120,00 -140,00
140
100,00 -120,00
120
80,00 -100,00
EP
280,00 -300,00
260,00 -280,00
240,00 -260,00
220,00 -240,00
200,00 -220,00
180,00 -200,00
160,00 -180,00
140,00 -160,00
120,00 -140,00
100,00 -120,00
300
60,00 -80,00
100
40,00 -60,00
80
160
140
60
0,3
0,3
120
100
40
0,2
100
125
powierzchnia,
m2
0,2
100
150
175
0,1 wspolczynnik, W/m K
200
125
powierzchnia,
m2
150
175
0,1 wspolczynnik, W/m K
200
Rys. 1. Wskaźniki energii pierwotnej EP [kWh/m2·rok] w zależności od parametrów
przegrody zewnętrznej oraz powierzchni ogrzewanej dla wentylacji grawitacyjnej (a)
i mechanicznej (b)
Ważnym parametrem w bilansie energetycznym budynków jest roczne zapotrzebowanie na energię końcową QK [kWh/rok]:
QK = QK,H + QK,W
(3)
gdzie:
QK,H - roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system grzewczy
i wentylacyjny,
QK,W - roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system do przygotowania ciepłej wody.
Charakterystyka energetyczno-ekologiczna budynków jednorodzinnych
225
Na podstawie wyników obliczeń wskaźników energetycznych otrzymano równania regresji rocznego zapotrzebowania na energię końcową QK [kWh/rok] dla
wentylacji grawitacyjnej i mechanicznej:
QKgraw. = 22487,85 + 3917,19X1 + 2573,90X2 + 425,36X1X2 +
+ 108,09X12 − 276,71X22
(4)
QKmech. = 7250,69 + 2263,53X1 − 1234,96X2 − 392,43X1X2 +
+ 425,21X12 + 127,61X22
(5)
Roczne zapotrzebowanie na energię końcową QK [kWh/rok] przez system
grzewczy i wentylacyjny dla budynków z wentylacją grawitacyjną:
Ymax = 29235,68; Ymin = 16253,50, a z wentylacją mechaniczną: Ymax = 6827,44;
Ymin = −152,22. Na podstawie wykresów rocznego zapotrzebowania na energię
końcową QK w zależności od powierzchni ogrzewanej dla różnych rodzajów budynków stwierdzono, że dla wentylacji grawitacyjnej następuje liniowy wzrost QK
od powierzchni ogrzewanej, w tym dla domu niskoenergetycznego od 16,3 tys.
kWh/rok (A = 100 m2) do 20,6 tys. kWh/rok (A = 200 m2). Współczynnik wzrostu
QK od powierzchni ogrzewanej dla wentylacji grawitacyjnej stanowi
+43 kWh/m2·rok. Dla wentylacji mechanicznej ze wzrostem powierzchni ogrzewanej od 100 do 200 m2 następuje spadek wartości QK, w tym dla domu niskoenergetycznego od 6,4 tys. kWh/rok do 4,7 tys. kWh/rok. Współczynnik spadku QK jest
równy −17 kWh/m2·rok.
W miarę polepszania parametrów przegród zewnętrznych dla analizowanych
domów od budynku standardowego BS do niskoenergetycznego BN następuje
zmniejszenie zużycia rocznego zapotrzebowania na ciepło dla wentylacji grawitacyjnej ∆QK = 6,86÷8,55 tys. kWh/rok oraz dla wentylacji mechanicznej
∆QK = 3,57÷5,14 tys. kWh/rok. Wpływ rodzaju wentylacji jest znaczny: dla domu
BS o powierzchni 100÷200 m2 ∆QK = 11,61÷20,76 tys. kWh/rok oraz dla domu
BN - odpowiednio ∆QK = 9,89÷15,78 tys. kWh/rok. Dla domu standardowego BS
o powierzchni A = 100 m2 z wentylacją mechaniczną obliczeniowe wartości rocznej energii końcowej QK,H = 6827,44 kWh/rok; QK,W = 4846,53 kWh/rok oraz
rocznej energii pierwotnej QP,H = 8628,95 kWh/rok; QP,W = 6382,39 kWh/rok. Dla
domu BN o powierzchni 200 m2 uzyskano minimalną wartość rocznego zapotrzebowania na energię końcową przez system grzewczy i wentylacyjny QK,H =
= −152,22 kWh/rok (rys. 2). Ujemny znak QK,H dla budynków niskoenergetycznych o powierzchni od 185 m2 świadczy o tym, że takie budynki są samowystarczalne energetycznie.
Na podstawie analizy energetyczno-ekologicznej obiektów budowlanych już na
etapie zakupu projektu budowlanego bądź istniejącego domu możemy mieć wiedzę
o przybliżonych kosztach, jakie trzeba ponieść na ogrzewanie budynku [7, 11].
Optymalizowane projektowanie budynków, dla których oddziaływanie na środowisko utrzymuje się na racjonalnie niskim poziomie w całym cyklu życia obiektu,
jest promocją domów niskoenergetycznych w segmencie budownictwa mieszka-
226
M. Sanytsky, M. Wójcikiewicz, R. Sekret
niowego zgodnego z zasadą zrównoważonego rozwoju oraz uwzględniającego
kwestie ochrony środowiska.
Rys. 2. Wykresy wskaźnika zapotrzebowania na ciepło QK,H w zależności od powierzchni
ogrzewanej dla domów BE i BN z wentylacją mechaniczną (1-5 - rodzaj przegrody
o współczynniku U [W/(m2·K)])
PODSUMOWANIE
Wykorzystanie optymalizacji wskaźników energetyczno-ekologicznych jest
podstawą do oceny zgodności budynku z zasadami rozwoju zrównoważonego. Dla
budynków istnieje ścisła zależność pomiędzy powierzchnią ogrzewaną a wartością
wskaźnika EK. Wraz ze wzrostem pola powierzchni ogrzewanej maleje wartość
wskaźnika EK w przypadku wentylacji grawitacyjnej o 38%, a przy zastosowaniu
wentylacji mechanicznej o 64%. Jednocześnie uzyskano redukcję emisji substancji
szkodliwych do atmosfery w granicach od 24% dla budynków z wentylacją grawitacyjną do 47% dla budynków, w których zastosowano wentylację mechaniczną.
Dla domu niskoenergetycznego o powierzchni 185 m2 z wentylacją mechaniczną
uzyskano zerowe roczne zapotrzebowanie na energię końcową, co oznacza, że budynki o powierzchniach powyżej 200 m2 mogą być budynkami samowystarczalnymi energetycznie.
Niskoenergetyczne i pasywne budynki umożliwiają znaczne ograniczenie zapotrzebowania na energię pierwotną, co powoduje redukcję emisji CO2 i wyznacza
nowe kierunki w dziedzinie problematyki budownictwa proekologicznego.
Charakterystyka energetyczno-ekologiczna budynków jednorodzinnych
227
LITERATURA
[1]
Zrównoważone budownictwo. Seria Dokumenty Unii Europejskiej dotyczące budownictwa,
ITB, Warszawa 2010.
[2] Piasecki M., Kryteria oceny wyrobów i obiektów budowlanych pod kątem zgodności z wymaganiami zrównoważonego rozwoju, Budownictwo, Technologie, Architektura 2010, 2, 40-46.
[3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw i ich charakterystyki energetycznej, DzU Nr 201, poz. 1240.
[4] Tworek J., Efektywność energetyczna w budownictwie bardzo ważna w nowej strategii UE,
Materiały Budowlane 2011, 3, 97-98.
[5] Hoinka K., Ziębik A., Kompleks budowlany jako system energetyczny, Akademia Energetyki
2008, Luty, 139-143.
[6] Lis P., Sekret R., Budynki o radykalnie obniżonym zapotrzebowaniu na energię, [w:] Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym, praca zbiorowa pod red. T. Bobki,
J. Rajczyka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008, 199-208.
[7] Górzyński J., Podstawy analizy środowiskowej wyrobów i obiektów, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.
[8] Wójcikiewicz M., Sanytsky M., Sekret R., Wpływ parametrów systemu instalacyjnego na
wskaźniki energetyczne budynków jednorodzinnych, Materiały I Konferencji Naukowej Budownictwo Energooszczędne, Suwałki 2010.
[9] Świadectwa charakterystyki energetycznej. Praktyczny poradnik, pod red. D. Gawina i H. Sabiniaka, ArCADiasoft Chudzik sp. j., Łódź 2010, 484.
[10] Feist W., Munzenberg U., Thumulla J., Schulze Darup B., Podstawy budownictwa pasywnego,
Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, Dipl. Ing. Gunter Schlagowski, Sp. z o.o., Gdańsk
2006.
[11] Sokołowska B., Budownictwo zharmonizowane, czyli budowanie z oceną wpływu obiektu na
środowisko naturalne, Warstwy, Dachy, Ściany 2010, 1, 17-19.