CZASOPISMO INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I ARCHITEKTURY JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE

Transkrypt

1 CZASOPISMO INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I ARCHITEKTURY JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE JCEEA, t. XXXIV, z. 64 (2/II/17), kweceń-czerwec 2017, s , DOI: /rb Marcn KACZMARZYK 1 WPŁYW WSPÓŁCZYNNIKA KSZTAŁTU A/V NA WIELKOŚĆ STRAT CIEPŁA W BUDYNKU W ŚWIETLE ROSNĄCYCH WYMOGÓW DOTYCZĄCYCH IZOLACYJNOŚCI TERMICZNEJ PRZEGRÓD BUDOWLANYCH 1. Wstęp Celem nnejszego artykułu było określene jak faktyczny wpływ na welkość sezonowych strat cepła przez obudowę termczną budynku mało kedyś może meć obecne zachowane zwartej bryły budynku. W artykule przyblżono pojęca zolacyjnośc termcznej współczynnka przenkana cepła przegród budowlanych. Przedstawono tu także krajowe wymog dotyczące zolacyjnośc termcznej przegród budowlanych, jake obowązywały w mnonych dekadach, jake obowązują obecne te, które będą stawane wobec przegród budowlanych w najblższych latach. Wyjaśnono także, czym dla budynku jest współczynnk kształtu A/V powód, dla którego kształt bryły budynku może wpływać na jego charakterystykę energetyczną. Zaprezentowano wnosk sformułowane przez nnych autorów, których prace dotyczą optymalzacj kształtu bryły budynku pod względem ceplnym. Przytoczono równeż krytyczne opne dotyczące wpływu takej optymalzacj kształtu na atrakcyjność archtektury obektów budowlanych. Metodę badawczą oparto na oblczenach sezonowych strat cepła w budynkach o różnych stosunkach powerzchn przegród zewnętrznych do kubatury budynku A/V. Oblczena przeprowadzono dla 27 model budynków o dentycznej powerzchn wewnętrznej kubaturze wewnętrznej, lecz różnących sę proporcjam wymarów lczbą kondygnacj. W oblczenach wzęto pod uwagę dzewęć zestawów wartośc współczynnków przenkana cepła przegród zewnętrznych, odpowadających dawnym, aktualnym przyszłym wymogom krajowym. Różnce w wartoścach sezonowych strat cepła uzyskane dla każdego z zestawów znterpretowano jako potencjalne oszczędnośc energetyczne, wynkające z zachowana zwartej bryły budynku ogranczena wartośc współczynnka kształtu A/V. Wynk zestawono na ch podstawe sformułowano stosowne wnosk. Słowa kluczowe: współczynnk kształtu A/V, zolacyjność termczna, straty cepła, obudowa termczna budynku Izolacyjność termczna przegrody budowlanej określa zdolność tej przegrody do spowalnana przepływu cepła mędzy dwoma środowskam oddzelo- 1 Marcn Kaczmarzyk, Poltechnka Rzeszowska, Zakład Budownctwa Ogólnego, ul. Poznańska 2, Rzeszów; tel ; kaczmar@prz.edu.pl

2 46 M. Kaczmarzyk nym rozpatrywaną przegrodą. Welkoścą charakteryzującą zolacyjność termczną konkretnego materału jest współczynnk przewodzena cepła λ wyrażany w [W/m K]. Znajomość wartośc współczynnka λ grubośc warstwy materału umożlwa oblczene oporu ceplnego tej warstwy [1]: R 2 d m K = λ W (1) gdze: R opór ceplny warstwy materału [m 2 K/W], d grubość warstwy [m], λ współczynnk przewodzena cepła materału [W/m K]. Dzęk znajomośc budowy całej przegrody budowlanej, możlwe jest oblczene wartośc jej współczynnka przenkana cepła: U = R s1 + 1 R + R s2 W 2 m K gdze: U współczynnk przenkana cepła całej przegrody [W/m 2 K], R opór ceplny -tej warstwy materału wchodzącej w skład przegrody [m 2 K/W], R s1, R s2 opory przejmowana cepła mędzy przegrodą obu środowskam [m 2 K/W]. Wartość współczynnka przenkana cepła odpowada gęstośc strumena cepła, przepływającego przez daną przegrodę przy jednostkowej różncy temperatur mędzy środowskam rozdzelonym przegrodą, przy założenu jednowymarowego przepływu cepła w warunkach stacjonarnych [2]. Od ponad sześćdzesęcu lat, maksymalne dopuszczalne wartośc współczynnka U są regulowane przez oblgatoryjne krajowe normy rozporządzena. Hstorę zman krajowych wymogów dotyczących zolacyjnośc termcznej wybranych przegród budowlanych prezentują tabele 1 2. Wartość współczynnka przenkana cepła jest marą zolacyjnośc termcznej tej przegrody. Izolacyjność termczna przegród budowlanych to jeden z najważnejszych czynnków decydujących o sezonowym zapotrzebowanu energetycznym budynku[4]. Z tego powodu przegrody budowlane nowoczesnych budynków pasywnych nskoenergetycznych odznaczają sę bardzo nskm wartoścam współczynnków przenkana cepła. Innym czynnkem mogącym meć wpływ na welkość strat cepła jest zwartość bryły budynku, opsywana pośredno za pomocą współczynnka kształtu A/V, czyl stosunku powerzchn obudowy termcznej budynku kubatury jego przestrzen ogrzewanej [5] [6]. (2)

3 Wpływ współczynnka kształtu A/V na welkość strat cepła w budynku Tabela 1. Maksymalne dopuszczalne wartośc współczynnków przenkana cepła oblgatoryjne normy krajowe [3] Table 1. Maxmum permssble values of heat transfer coeffcents - polsh buldng codes [3] Przegroda PN-57/ PN-64/ PN-74/ PN-82/ PN-91/ B B B B B ścany zewnętrzne 1,16-1,42 1,16-1,42 1,16-1,42 0,75 0,55-0,70 dachy stropodachy 0,87 0,87 0,7 0,45 0,3 podłog na grunce b/w b/w b/w b/w b/w stropy pod neogrzewanym poddaszam 1,04-1,16 1,04-1,16 0,93 0,4 0,3 stropy nad neogrzewanym pwncam 1,16 1,16 1,16 1,16 0,6 okna b/w b/w b/w 2,00-2,60 2,00-2,60 drzw zewnętrzne b/w b/w b/w 2,6 2,6 Tabela 2. Maksymalne dopuszczalne wartośc współczynnków przenkana cepła krajowe rozporządzena [3] Table 2. Maxmum permssble values of heat transfer coeffcents - polsh executve orders [3] Przegroda Dz. U Nr 75 poz. 690 Dz. U Nr 201 poz Dz. U poz. 926 od 2014 Dz. U poz. 926 od 2017 Dz. U poz. 926 od 2021 ścany zewnętrzne 0,30-0,50 0,3 0,25 0,23 0,2 dachy stropodachy 0,3 0,25 0,2 0,18 0,15 podłog na grunce b/w 0,45 0,3 stropy pod neogrzewanym 0,3 0,25 0,2 0,18 0,15 poddaszam stropy nad neogrzewanym pwncam 0,6 0,45 0,25 0,25 0,25 okna 2,00-2,60 1,70-1,80 1,3 1,1 0,9 drzw zewnętrzne 2,6 2,6 1,7 1,5 1,3 Na etape projektowana budynku o zadanej powerzchn wewnętrznej lub kubaturze, bryłę budynku można kształtować w dość szerokm zakrese przedstawć bardzo lczne koncepcje [7], różnące sę lczbą kondygnacj, kształtem dachu czy obecnoścą różnych cekawych rozwązań archtektoncznych, takch jak wykusze, ryzalty czy logge. Wymenone wyżej czynnk znacząco wpływają na welkość powerzchn przegród zewnętrznych budynku, a co za tym dze mogą przyczynać sę do redukcj lub do rozwnęca powerzchn wymany cepła ze środowskem zewnętrznym, co bezpośredno przekłada sę na welkość strat cepła przez obudowę budynku [8]. Poza mnmalzowanem powerzchn obudowy termcznej, zwarta bryła budynku redukuje także całkowte długośc krawędz stanowących lnowe mostk ceplne. Lczn autorzy [9] [10] [11] [12] [13] zwracają uwagę na koneczność zachowana zwartej bryły budynku uzyskana możlwe nskego współczynnka

4 48 M. Kaczmarzyk kształtu, celem ogranczena powerzchn przegród zewnętrznych w konsekwencj redukcj strat cepła w budynku. Inn zwracają uwagę na fakt, że budynk o prostych, zwartych bryłach są mało atrakcyjne archtektonczne wskazują on na koneczność zachowana kompromsu mędzy względam energooszczędnym waloram estetycznym budynku [8] [14]. 2. Cel Celem nnejszego artykułu jest sprawdzene potencjalnych oszczędnośc energetycznych mogących wynkać z zachowana zwartej bryły budynku redukcj wartośc współczynnka kształtu przy zastosowanu przegród budowlanych znaczne różnących sę zolacyjnoścą termczną. 3. Metoda badawcza Przyjęta metoda badawcza polega na oblczenu porównanu wartośc sezonowych strat cepła przez obudowę termczną model budynków o dentycznej kubaturze, lecz różnących sę zauważalne wartoścam współczynnków kształtu. Do oblczeń przyjęto prostopadłoścenne budynk o całkowtej powerzchn wewnętrznej wszystkch kondygnacj 250 m 2 wewnętrznej kubaturze 650 m 3. W oblczenach uwzględnono obecność drzw oken w rozpatrywanych budynkach, a ch powerzchnę dobrano tak aby, spełnała aktualne obowązujące warunk technczne. Poneważ ne dokonywano podzału wnętrz model na pomeszczena, to przyjęto, że całkowta powerzchna przeszkleń wynos tu 1/8 całkowtej powerzchn wewnętrznej wszystkch kondygnacj. Oblczena przeprowadzono dla dzewęcu grup zolacyjnośc termcznej budynków, reprezentowanych dalej przez rok wydana lub początku obowązywana danych wymogów. W każdej z grup, współczynnk przenkana cepła przegród budowlanych odpowadały dokładne maksymalnym dopuszczalnym wartoścom jak w tab. 1 oraz tab. 2. Przypadku braku sprecyzowanych wymogów wobec wartośc U max dla którejś z przegród, do oblczeń przyjmowano wartośc współczynnka U odpowadające typowym rozwązanom stosowanym w danym okrese. W każdej z grup zolacyjnośc przeanalzowano 27 budynków o dentycznej całkowtej powerzchn wewnętrznej kondygnacj wewnętrznej kubaturze różnących sę lczbą kondygnacj (od 1 do 3) oraz stosunkem wewnętrznych wymarów rzutu l/d (od 1:1 do 1:3). W rezultace otrzymano zakres wartośc współczynnków kształtu A/V od 0,83 do 1,26 [m2/m3]. Przyjęto, że wszystke analzowane budynk posadają ścany dwuwarstwowe oraz cągłą zolację termczną na całej powerzchn obudowy termcznej. Umożlwło to wyelmnowane wpływu udoskonalających sę z czasem rozwązań montażowych na otrzymane wynk.

5 Wpływ współczynnka kształtu A/V na welkość strat cepła w budynku We wszystkch budynkach zastosowano te same konstrukcje ścan zewnętrznych, stropodachów podłóg na grunce. Przy oblczanu powerzchn przegród zewnętrznych wzęto pod uwagę zróżncowaną grubość przegród budowlanych, która zauważalne wzrasta wraz z ch zolacyjnoścą termczną. Przykładowo, całkowtą grubość ścany dwuwarstwowej dla konkretnej grupy zolacyjnośc termcznej oblczono wg wzoru: d s = d m 1 dt Rt Rm Rs Rse [ m] U + + λ (3) s gdze: U s współczynnk przenkana cepła ścany [W/m 2 K], d s całkowta grubość ścany [m] R t opór ceplny tynków [m 2 K/W], R m opór ceplny muru [m 2 K/W], λ wsp. przewodzena cepła materału termozolacyjnego zawsze 0,04 W/m K, R s, R se opory przejmowana cepła [m 2 K/W], Sezonowe straty cepła przez obudowę termczną budynku oblczono zgodne z [15] wg wzoru: Q te = ( A U b ) + ( l Ψ b ) S [kwh] (4) TR j j gdze: A powerzchna elementu obudowy termcznej budynku [m 2 ], U współczynnk przenkana cepła elementu obudowy termcznej [W/m 2 K], l j długość lnowego mostka ceplnego [m], Ψ j współczynnk przenkana cepła lnowego mostka ceplnego [W/m K], b TR,j współczynnk redukcyjny oblczenowej różncy temperatur, S TH lczba stopnogodzn w sezone grzewczym [kkh]. Lczbę stopnogodzn w sezone grzewczym przyjęto jako 90 kkh, co jest typową wartoścą dla obszaru Polsk Do oblczeń przyjęto zewnętrzne wymary budynku. Przeprowadzona analza ne uwzględna strat cepła przez wentylację, dlatego określene straty cepła odnos sę tu wyłączne do strat cepła poprzez przenkane przez obudowę termczną budynku. Wszystke oblczena prowadzono w arkuszu kalkulacyjnym. j trj TH

6 50 M. Kaczmarzyk 4. Wynk Ze względu na dużą lość danych zyskanych podczas przeprowadzonej analzy, tabela 3 prezentuje zestawene wybranych, najstotnejszych wynków. Tabela 3. Zestawene wybranych wynków Table 3. Selected calculaton results Grupy zolacyjnośc termcznej Q.max kwh 80895, , , , , , , , ,07 Q.mn kwh 59547, , , , , , , , ,48 Q kwh 21347, , , , , , , , ,591 n.q 26,4% 21,7% 25,8% 24,8% 27,1% 23,2% 21,3% 22,4% 23,9% n.q.0 100,0% 73,3% 64,0% 49,0% 41,0% 29,6% 20,8% 20,0% 19,0% Objaśnena: Q max [kwh] najwyższa wartość strat cepła w konkretnej grupe zolacyjnośc termcznej Q mn [kwh] najnższa wartość strat cepła w konkretnej grupe zolacyjnośc termcznej Q [kwh] różnca najwyższych najnższych wartośc strat cepła w konkretnej grupe zolacyjnośc termcznej n.q [%] stosunek Q Q max w konkretnej grupe zolacyjnośc termcznej n.q.0 [%] stosunek Q w konkretnej grupe zolacyjnośc termcznej Q uzyskanego w grupe z 1964 r Izolacyjność termczna a straty cepła Wynk oblczeń udowadnają bardzo duży wpływ wzrostu zolacyjnośc termcznej obudowy budynku na redukcję strat cepła przez przenkane. Dostosowane zolacyjnośc termcznej analzowanych budynków do wymogów, jake będą obowązywać od 2021 r. poskutkowało we wszystkch przypadkach około pęcokrotną redukcją sezonowych strat cepła przez obudowę termczną, w stosunku do budynków spełnających wymog z 1964 r. Maksymalne mnmalne straty cepła w poszczególnych grupach zolacyjnośc zestawono na wykrese rys. 1. Bardzo dobrze dostrzegalna jest tu redukcja strat cepła wraz z poprawą zolacyjnośc termcznej przegród budowlanych.

7 Wpływ współczynnka kształtu A/V na welkość strat cepła w budynku Rys. 1. Otrzymane maksymalne mnmalne wartośc strat cepła Fg. 1. Maxmal and mnmal heat losses 4.2. Współczynnk kształtu A/V a straty cepła Analza wynków przeprowadzonych oblczeń wykazuje dostrzegalny wpływ współczynnka kształtu A/V na różnce w stratach cepła w obrębe konkretnej grupy zolacyjnośc termcznej. Zależność welkośc strat cepła od współczynnka kształtu ukazuje rys. 2. Redukcja stosunku A/V skutkuje nemal proporcjonalnym spadkem strat cepła przez obudowę termczną budynku. Proporcjonalność zaburza fakt, ż Rys. 2. Zależność strat cepła Qte od współczynnka kształtu budynku A/V Fg. 2. Corelaton between heat losses Q.te and buldng's shape factor A/V

8 52 M. Kaczmarzyk w sezone grzewczym średna temperatura gruntu pod budynkem jest wyższa nż średna temperatura powetrza zewnętrznego. Zjawsko to zostało uwzględnone w [15] poprzez wprowadzene współczynnka redukcyjnego oblczenowej różncy temperatur b.tr, wynoszącego 0,6 dla podłog na grunce. Można tu zatem sformułować wnosek, że obecność przestrzen neogrzewanych np. poddasza neużytkowego, pwncy lub garażu zmnejsza wpływ współczynnka kształtu A/V na straty cepła przez obudowę termczną budynku. Nemnej, zauważalna jest tu prawdłowość, że budynk o stosunkowo nskm A/V, czyl o kształce obudowy termcznej zblżonym do sześcanu wykazują najnższe straty cepła. Relacje najnższych najwyższych wartośc strat cepła były We wszystkch grupach zolacyjnośc bardzo podobne; różnce wynosły średno 24% wartośc maksymalnych Wpływ stosunku A/V przy nskej wysokej zolacyjnośc termcznej Porównując bezwzględne oszczędnośc energetyczne wynkające z redukcj stosunku A/V w poszczególnych grupach zolacyjnośc termcznej, można zauważyć, że te potencjalne oszczędnośc zauważalne maleją tu wraz ze wzrostem zolacyjnośc termcznej przegród budowlanych (rys. 3). Wśród przeanalzowanych budynków w grupe zolacyjnośc termcznej z 2021, mnmalzacja stosunku A/V pozwolła tu na uzyskane co najwyżej 19% oszczędnośc energetycznych (a zatem potencjalne fnansowych) dostępnych tak do uzyskana w grupe zolacyjnośc z 1964 r. Na tej podstawe można stwerdzć, że w bardzo dobrze zolowanych termczne budynkach (np. budynkach pasywnych) dążene za wszelką cenę do zachowana zwartej bryły budynku jest neuzasadnone, gdyż bardzo wysoka zolacyjność termczna margnalzuje tu wpływ współczynnka kształtu A/V na welkość strat cepła przez przegrody budowlane Q.te [kwh] Q Rys. 3. Maksymalne różnce w wartoścach strat cepła w obrębe poszczególnych grup zolacyjnośc Fg. 3. Maxmal dfferences n heat losses among specfed nsulaton groups

9 Wpływ współczynnka kształtu A/V na welkość strat cepła w budynku Wnosk Wartość współczynnka kształtu budynku A/V może w zauważalnym stopnu wpływać na welkość strat cepła przez obudowę termczną budynku. Nadane bryle budynku zwartego kształtu zmnejszene stosunku A/V umożlwa dostrzegalną redukcje strat cepła. Rzeczywste oszczędnośc energetyczne mogące płynąć z nadana obudowe termcznej budynku zwartego kształtu redukcj stosunku A/V ulegają radykalnemu zmnejszenu wraz ze wzrostem zolacyjnośc termcznej przegród budowlanych. Wysoka zolacyjność termczna pozwala dzś na zachowane wększej nż kedyś swobody w archtektoncznym kształtowanu bryły budynku. Lteratura [1] PN-EN ISO 6946: Komponenty budowlane elementy budynku. Opór ceplny współczynnk przenkana cepła. [2] J.A. Pogorzelsk: Fzyka Ceplna Budowl, Warszawa, Państwowe Wydawnctwo Naukowe, [3] Współczynnk przenkana cepła U - hstora. Portal termomodernzacyjny Termo24, html {dostęp }. [4] R. Olenacz, M. Kasetczuk, M. Rzeszutek: Ocena efektów termomodernzacj budynków jednorodznnych. 1. Zmnejszene zużyca cepła emsj zaneczyszczeń do powetrza, Czasopsmo Inżyner Lądowej, Środowska Archtektury - Journal of Cvl Engneerng, Envronment And Archtecture. JCEEA, t.xxxi, z.61 (3/I/14), s DOI: /rb [5] A. Sedláková, Vladmír Geletka: Shape of buldngs and energy consumpton, {dostęp }. [6] A. Panek, J. Rucńska: Analza godznowego algorytmu oblczana rocznego zapotrzebowana na energę do ogrzewana chłodzena budynku pk.edu.pl/resources/1/5/8/1/r1581/paneka_analzagodznowego.pdf {dostęp }. [7] H. Jedrzejuk, W. Marks: Optmzaton of shape and functonal structure of buldngs as well as heat source utlzaton. Basc theory Buldng and Envronment 37 (2002), pp [8] M. Idczak: Ogólna koncepcja budynku pasywnego - Instytut Budynków Pasywnych przy Narodowej Agencj Poszanowana Energ bbloteka_bp/ogolna_koncepcja_budynku_pasywnego.pdf {dostęp }. [9] X Chen, Hongxng Yang, Ln Lu: A comprehensve revew on passve desgn approaches n green buldng ratng tools. Renewable and Sustanable Energy Revews Volume 50, October 2015, pp

10 54 M. Kaczmarzyk [10] I. Danelsk, M. Frölng, A. Joelsson: The mpact of the shape factor on fnal energy demand n resdental buldngs n nordc clmates. Conference Paper: WREF - The World Renewable Energy Forum, At Denver, Colorado May [11] L. Jevremovc: Passve desgn applcatons - ndustral archtecture perspectve, _perspectve {dostęp }. [12] V. Butala, P. Novak: Energy consumpton and potental energy savngs n old school buldngs. Energy and Buldngs Volume 29, Issue 3, January 1999, pp [13] W. Marks: Multcrtera Optmsaton of Shape of Energy-Savng Buldngs. Buldng and Envronment, Vol. 32, No. 4, pp , [14] X. Sh, Z. Tan, W. Chen, B. S, X. Jn: A revew on buldng energy effcent desgn optmzaton from the perspectve of archtects. Renewable and Sustanable Energy Revews Volume 65 November 2016, pp [15] DZ.U.2015 poz Rozporządzene Mnstra Infrastruktury Rozwoju z dna 27 lutego 2015r. W sprawe metodolog wyznaczana charakterystyk energetycznej budynku lub częśc budynku oraz śwadectw charakterystyk energetycznej. INFLUENCE OF BUILDING S SHAPE FACTOR ON ITS HEAT LOSSES WITH RESPECT TO INCREASING REQUIREMENTS FOR BUILDING S THERMAL INSULATION S u m m a r y The purpose of ths paper was to determne former, current and future mpact of buldng s shape compactness on ts heat losses. The artcle explans such terms as thermal nsulaton and heat transfer coeffcent of buldng barrer s, as well as the hstory of Polsh natonal regulatons concernng that subject. It was also explaned, what buldng shape factor s, and what may be ts potental mpact on buldng s effcent Energy use. The paper presented conclusons of numerous research on buldng shape optmzaton, ncludng crtcal opnons about archtectural effects of the process. The scentfc method was based on calculatons of seasonal heat losses n multple buldngs varyng wth ther volume to Surface area rato. Calculatons were conducted for twenty seven buldngs of the same floor Surface area and nteror volume, but of dfferent proportons and number of storeys. Calculatons consdered nne groups of heat transfer coeffcent values for buldng barrers, that corresponded to former, current and future standards, establshed by polsh regulatons Dfferences n acqured values of seasonal heat loses were nterpreted as potental energy savngs to be obtaned by applyng thermal envelopes wth low shape factors. Presented results have been compared and basng on them, fnal conclusons were formed. Keywords: A/V shape factor, thermal nsulaton, heat losses, buldng s thermal envelope Przesłano do redakcj: r Przyjęto do druku: r.