WPŁYW ZAŁOŻEŃ OBLICZENIOWYCH NA WARTOŚĆ WSKAŹNIKA ZAPOTRZEBOWANIA ENERGII PIERWOTNEJ DLA POTRZEB PRZYGOTOWANIA CIEPŁEJ WODY UŻYTKOWEJ

Transkrypt

1 PŁY ZAŁOŻEŃ OBLICZENIOYCH NA ARTOŚĆ SKAŹNIKA ZAPOTRZEBOANIA ENERGII PIEROTNEJ DLA POTRZEB PRZYGOTOANIA CIEPŁEJ ODY UŻYTKOEJ THE INFLUENCE OF CALCULATING ASSUMPTIONS ON THE ENERGY CONSUMPTION COEFFICIENT VALUE FOR HOT DRINKING ATER Bożena Babiarz Zakład Ciepłownictwa i Klimatyzacji, Politechnika Rzeszowska, Al. Powstańców arszawy 6, Rzeszów, bbabiarz@prz.edu.pl ABSTRACT The work contains sample annual energy consumption calculations for hot drinking water in detached house. These calculations have been made on the assumed basis of several parameters, systems and the level of accuracy of the calculations. Efficiencies of distribution and accumulation systems were determined in both a simplified and detailed way. Calculations have been made for different systems such as a system with natural and pumping circulation or a system without circulation. The results of the analysis were compared. Key words: energy, hot drinking water, calculation stęp ostatnich dniach jesteśmy świadkami wprowadzania wielu uregulowań prawnych dotyczących obiektów budowlanych i ich wyposażenia. Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. oraz 12 marca 2009 zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U nr 201, poz. 1238, Dz. U nr 201, poz. 1239], wprowadziły wiele zmian w kwestii ochrony cieplnej budynków, jej oceny oraz wymagań charakterystyki energetycznej budynków. prowadzona została metodologia obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania charakterystyki energetycznej budynku [Dz. U nr 201, poz. 1240]. Zmianie uległy również zakres i forma projektu budowlanego, który powinien dodatkowo zawierać charakterystykę energetyczną obiektu, [Dz. U nr 201, poz. 1239, Dz. U nr 89, poz. 414]. prowadzone akty prawne są następstwem realizacji postanowień Dyrektywy 2002/91/EC Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 16 grudnia 2002 r. dotyczącej jakości energetycznej budynków,, której głównym celem była promocja poprawy jakości energetycznej budynków w obrębie państw spólnoty przy uwzględnieniu typowych dla danego kraju zewnętrznych i wewnętrznych warunków klimatycznych oraz rachunku ekonomicznego. Spełnienie wymagań odnośnie certyfikacji energetycznej budynków i ich realizacja wiąże się z koniecznością zastosowania aktualnych metod obliczeniowych oraz dostosowania układów instalacji do aktualnych wymagań. odniesieniu do instalacji ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) są to wymagania zawarte głownie w przepisach [PN- 99/B-01706, PN-EN 1717: 2003, Dz. U nr 201, poz. 1238, Dz. U nr 75, poz. 690]. Metodologia obliczeń rocznego zapotrzebowania energii pierwotnej dla przygotowania ciepłej wody użytkowej Energia pierwotna dla potrzeb przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) jest jednym ze składników rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną budynku obok zapotrzebowania energii pierwotnej dla potrzeb ogrzewania i wentylacji, chłodzenia, oświetlenia w zależności od przeznaczenia budynku, [Dz. U nr 201, poz. 1240]. skaźnik rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną EP dla budynków mieszkalnych, w których energia potrzebna jest dla potrzeb przygotowania c.w.u. oraz ogrzewania i wentylacji wyznacza się według wzoru: P EP kh/m 2 rok (1) A f

2 10 P - roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną budynku dla ogrzewania, wentylacji i przygotowania ciepłej wody oraz napędu urządzeń pomocniczych; kh/rok A f - powierzchnia ogrzewana (o regulowanej temperaturze) budynku; m 2 Roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną analizowanego budynku P P, H + P, kh/rok (2) P,H - roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną przez system grzewczy i wentylacyjny do ogrzewania i wentylacji; kh/rok P, - roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną przez system do podgrzania ciepłej wody; kh/rok P, H w K, H + wel Eel, pom, H kh/rok (3) P, w K, + wel Eel, pom, kh/rok (4) K,H - roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system grzewczy i wentylacyjny do ogrzewania i wentylacji; kh/rok K, - roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system do podgrzania ciepłej wody; kh/rok E el,pom,h - roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną końcową do napędu urządzeń pomocniczych systemu ciepłej wody; kh/rok w i - współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii (lub energii) końcowej do ocenianego budynku (w el, w H,w ), który określa dostawca energii lub nośnika energii; w el dotyczy energii elektrycznej, w H dotyczy ciepła dla ogrzewania, w dotyczy ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system do podgrzania ciepłej wody wyznacza się według zależności:, nd kh/rok (5) K,, tot, tot, g, d, s, e (6),nd - zapotrzebowanie na energię użytkową (ciepło użytkowe) przez system przygotowania c.w.u. budynku; kh/rok H,tot - średnia sezonowa sprawność całkowita systemu przygotowania c.w.u. budynku, H,g - średnia sezonowa sprawność wytworzenia nośnika ciepła z energii dostarczanej do granicy bilansowej budynku (energii końcowej), H,s - średnia sezonowa sprawność akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu c.w. budynku (w obrębie osłony bilansowej lub poza nią), H,d - średnia sezonowa sprawność transportu (dystrybucji) nośnika ciepła w obrębie budynku (osłony bilansowej lub poza nią), H,e - średnia sezonowa sprawność wykorzystania, H,e 1,0, zór 6 upraszcza się do postaci:, tot, g, d, s (7) Sprawności cząstkowe należy wyznaczyć w oparciu o: obowiązujące przepisy, dokumentację techniczną budynku i instalacji oraz urządzeń, wiedzę techniczną oraz wizję lokalną budynku, dostępne dane katalogowe urządzeń, elementów instalacji ogrzewczej i wentylacyjnej budynku, tabele nr 2, 3a, 3b, 4a, 4b, 5 w Załączniku nr 5 do Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku z dnia r, [Dz. U nr 201, poz. 1240]. Roczne zapotrzebowanie na energię użytkową (ciepło użytkowe) dla potrzeb c.w.u. wyznacza się według zależności:

3 11, nd V Ci L i c w ρ w ( θ θ ) cw o k t t UZ kh/a (8) V cwi jednostkowe dobowe zużycie c.w.u., dm 3 /(j.o.) d, L i liczba jednostek odniesienia, należy przyjmować zgodnie z projektem lub dla budynków istniejących według stanu rzeczywistego, c w - ciepło właściwe wody, kj/(kgk), ρ w - gęstość wody, kg/m 3, θ C temperatura ciepłej wody w zaworze czerpalnym, 0 C, θ O temperatura wody zimnej, 10 0 C, k t mnożnik temperatury dla temperatury c.w. innej niż 55 0 C, t uz czas użytkowania instalacji c.w.u. d/rok. Sprawności cząstkowe można wyznaczyć w sposób dokładny na podstawie analizy układów dystrybucji i akumulacji c.w.u. według wzorów (9, 11). Średnia sezonowa sprawność dystrybucji ciepłej wody, nd (9), d ( + ), nd, d,nd - zapotrzebowanie na energię użytkową (ciepło użytkowe) przez system przygotowania c.w.u. budynku; kh/rok,,d uśrednione roczne straty dystrybucji ciepła w instalacji c.w.u. budnku (w osłonie bilansowej lub poza nią), kh/rok, Straty ciepła sieci transportu ciepłej wody użytkowej: 3 ( l q t ) Σ kh/a (10), 10 d i li cw l i - długość i-tego odcinka przewodu instalacji c.w.u., m, q li jednostkowe straty ciepła przewodów c.w.u., /m, t cw czas działania układu c.w. w ciągu roku, h, Średnia sezonowa sprawność akumulacji ciepłej wody (, nd +, d ) (11), s ( + + ), nd, d, s,s uśrednione roczne straty akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych instalacji c.w.u. budynku (w osłonie bilansowej lub poza nią), kh/rok, Straty ciepła układu akumulacji ciepłej wody: 3 ( V q t ) Σ kh/a (12), 10 s s s cw V i - pojemność zasobnika c.w., dm 3, q s jednostkowe straty ciepła zasobnika c.w., /dm 3, t cw czas działania układu c.w. w ciągu roku, h. Roczne zapotrzebowanie na energię pomocniczą dla potrzeb c.w.u. wyznacza się według zależności: E kh/rok (13) 3,, Σ,, 10 el pom iqel i Af teli

4 12 q el,,i zapotrzebowanie mocy elektrycznej do napędu i tego urządzenia pomocniczego w systemie przygotowania c.w. odniesione do powierzchni ogrzewanej, /m 2, t eli czas działania urządzenia pomocniczego w systemie przygotowania c.w. w ciągu roku, zależny od programu eksploatacyjnego, h. Obliczenia wariantowe dla przykładowego budynku Obliczenia wykonano dla istniejącego budynku jednorodzinnego, oddanego do użytkowania w roku Powierzchnia użytkowa ogrzewana budynku wynosi 200 m 2. Budynek zamieszkuje 5 mieszkańców. Ciepła woda podgrzewana jest za pomocą pojemnościowego podgrzewacza gazowego. Przewody instalacji są izolowane, a grubość izolacji odpowiada wymaganiom warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, [PN-B :2000, Dz. U nr 201, poz. 1240]. Uwzględniono warianty obliczeń: dla układu z cyrkulacją oraz bez cyrkulacji rozróżniając dodatkowo jej wymuszenie oraz stopień dokładności obliczeń, zgodnie z założeniami: - wariant Ia, w przypadku braku dokładnych danych, dotyczących instalacji, układ bez cyrkulacji, - wariant Ib obliczenia uproszczone, układ z cyrkulacją grawitacyjną, - wariant Ic obliczenia uproszczone, układ z cyrkulacją wymuszoną, - wariant IIa obliczenia dokładne, na podstawie analizy instalacji, układ bez cyrkulacji, - wariant IIb obliczenia dokładne, na podstawie analizy instalacji, układ z cyrkulacją grawitacyjną, - wariant IIb obliczenia dokładne, na podstawie analizy instalacji, układ z cyrkulacją wymuszoną. Dane dotyczące instalacji c.w.u.: Długości przewodów zasilających c.w. o danych średnicach: - długość przewodów o średnicy DN 15 mm: l m - długość przewodów o średnicy DN 20 mm: l 20 8 m - długość przewodów o średnicy DN 25 mm: l 25 5 m - długość przewodów o średnicy DN 32 mm: l 32 8 m Długość przewodów cyrkulacyjnych c.w. o średnicach 10 i 15mm: l cyrk 12 m Obliczenia wykonano dla układu z cyrkulacją i bez cyrkulacji uwzględniając przyjęcie wartości sprawności układów instalacji c.w., (wariant Ia, Ib, Ic) oraz jej obliczenie na podstawie analizy strat ciepła w układzie dystrybucji i akumulacji, (wariant IIa, IIb, IIc), według rozporządzenia, [Dz. U nr 201, poz. 1240]. Dane do obliczeń: V cwi 35 dm 3 /(j.o.) doba L i 5 j.o c w 4,19 kj/(kgk) ρ w 1000 kg/m3 θ C 55 C θ O 10 C k t 1 t uz 365 0,9 328,5 d/rok ( 55 10) , ,5, 0 kh / rok nd yznaczenie sprawności elementów instalacji Średnia sezonowa sprawność wytworzenia nośnika ciepła z wykorzystaniem gazowego podgrzewacza zasobnikowego, według [Dz. U nr 201, poz. 1240]:,g 0,86 Średnia sezonowa sprawność dystrybucji ciepłej wody dla układu z cyrkulacją i bez, wzór (9):,d 0,60 Jednostkowe straty ciepła: q li 2,5/m dla DN10 15 q li 2,7/m dla DN20 32 t cwu h/a

5 13 ( 10 2,5 8760) 10 + (21 2,7 8760) ,69 kh a, d /, d ( + 715,69) 0,81 Sprawność dystrybucji dla układu z cyrkulacją wyznaczono według wzoru (9): L cyrk 12 m q li 6,1/m dla DN10-15 t cwu h/a ( 12 6,1 1460) ,87 kh a, d, cyrk /, d ( + 715, ,87) 0,785 Dla układu z cyrkulacją L cyrk 12 m q li 6,1/m dla DN10-15 t cwu h/a Straty ciepła zasobnika ciepłej wody, wzór (12): ( 200 2, ) , 28 kh/a, s Średnia sezonowa sprawność akumulacji ciepłej wody, wzór (11):,s 0,68 q s 2,41/dm 3 q li 2,7/m t cwu h/a V200 m ,69, s ( + 715, ,28) 0,50 Z cyrkulacją + 715,69, s ( + 715, , ,28) 0,49 Całkowita sezonowa sprawność systemu c.w.u. ariant Ia, Ib, Ic 0,86 0,6 0,68, tot 0,3509 ariant IIa - w przypadku instalacji bez cyrkulacji 0,86 0,81 0,50 0,3483, tot ariant IIb, IIc - w przypadku instalacji z cyrkulacją 0,86 0,785 0,49 0,3329, tot yznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię pomocniczą dla potrzeb c.w.u. Zapotrzebowanie na energię pomocniczą dla układu z cyrkulacją wymuszoną wyznaczono według wzoru (13), dla danych: q el,,i 0,07/m 2 A f 200 m 2 t el,i h/a

6 14 Eel, pom, 0, ,44 kh / a Roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system c.w.u. Roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system c.w.u. dla poszczególnych wariantów obliczono według wzoru (5): ariant Ia, Ib, Ic 0,3509 K, 8580,51 kh/a ariant IIa - w przypadku instalacji bez cyrkulacji 0,3483 K, 8644,56 kh/a ariant IIb, IIc - w przypadku instalacji z cyrkulacją 0,3329 K, 9044,46 kh/a Roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną przez system c.w.u. ariant Ia, Ib 1,1 8580,9 9438,99 kh/rok P, P, w K, + wel Eel, pom, kh/a ariant Ic 1,1 8580, , ,31 kh/rok P, ariant IIa 1,1 8644, ,02 kh/rok P, ariant IIb 1,1 9044, ,91 kh/rok P, ariant IIc 1,1 9044, , ,23 kh/rok P, skaźniki zapotrzebowania na energię pierwotną i końcową skaźniki rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną EP wyznaczono według wzoru (1), dla poszczególnych wariantów obliczeniowych. Analogicznie wyznaczono wskaźniki zapotrzebowania na energię końcową dla potrzeb c.w.u. uwzględniając wyszczególnione warianty. ariant Ia, Ib 9438,99 47, ,51 42,90 EP kh/m 2 rok EK kh/m 2 rok ariant Ic 9500,31 EP 47,50 kh/m 2 rok

7 15 ariant IIa 9509,02 EP 47,55 kh/m 2 rok ariant IIb 9948,91 EP 49,74 kh/m 2 rok ariant IIc 10010,23 EP 50,05 kh/m 2 rok artości podstawowych parametrów charakterystyki energetycznej dla poszczególnych wariantów obliczeń zestawiono w tab.1. Tab. 1. Porównanie podstawowych parametrów charakterystyki energetycznej budynku Parametr arianty I arianty II Ia Ib Ic IIa IIb IIc K, 8580, , , , , ,46 [kh/rok],tot 0,3509 0,3509 0,3509 0,3483 0,3329 0,3329 P, 9438, , , , , ,23 [kh/rok] EK 42,90 42,90 42,90 43,22 45,22 45,22 [kh/m 2 rok] EP [kh/m 2 rok] 47,19 47,19 47,50 47,55 49,74 50,05 Podsumowanie yniki obliczeń zapotrzebowania energii pierwotnej dla potrzeb c.w.u. zależą od stopnia szczegółowości obliczeń oraz przyjętych założeń. Obliczenia wykonane dla ustalonych wariantów różniących się układem instalacji, sposobem dystrybucji c.w.u. oraz stopniem szczegółowości obliczeń nieznacznie się różnią. Uwzględnienie szczegółowości obliczeń (warianty IIa, b, c) w tym przypadku spowodowało wprawdzie wzrost sprawności dystrybucji ciepłej wody ale i obniżenie sprawności akumulacji w stosunku do wartości przyjętych według [Dz. U nr 201, poz. 1240]. konsekwencji dalszych obliczeń nastąpił niewielki wzrost wartości jednostkowego zapotrzebowania na energię pierwotną. ynika to z braku możliwości uwzględnienia w metodologii pewnych aspektów. Znaczny wpływ na wartości zapotrzebowania energii pierwotnej dla potrzeb przygotowania c.w.u. ma sposób przyjęcia liczby jednostek odniesienia według projektu lub stanu rzeczywistego. Ocena stanu rzeczywistego również jest względna i mało miarodajna biorąc pod uwagę dziesięcioletni termin ważności świadectw charakterystyki energetycznej i jego skrócenie w przypadku zmiany charakterystyki energetycznej budynku bez uwzględnienia zmiany liczby jednostek odniesienia budynku. LITERATURA PN-99/B Instalacje wodociągowe. ymagania w projektowaniu. PN-EN 1717: 2003 Ochrona przed wtórnym zanieczyszczeniem wody w instalacjach wodociągowych i ogólne wymagania dotyczące urządzeń zapobiegających zanieczyszczaniu przez przepływ zwrotny. PN-B Izolacja cieplna rurociągów, armatury i urządzeń. ymagania i badania. Dyrektywa 2002/91/EC Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 16 grudnia 2002 r. dotycząca jakości energetycznej budynków. 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 ich charakterystyki energetycznej (Dz. U. Nr 201, poz. 1240).

8 16 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. i z 12 marca 2009 zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 201, poz. 1238). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (Dz. U. Nr 201, poz. 1239). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, (Dz.U Nr 75, poz.690). Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. - Prawo budowlane (Dz.U nr 89 poz. 414).