Symulacje wspomagające wielokryterialny wybór systemów HVAC budynków biurowych

Transkrypt

1 Symulacje wspomagające wielokryterialny wybór systemów HVAC budynków biurowych Współczesne budynki biurowe zmieniają oblicza polskich miast. Coraz bardziej wyrafinowane rozwiązania architektoniczne, intrygująca forma i zakładana wysoka funkcjonalność to czytelne z zewnątrz symbole wysokiej klasy budynków. W wielu przypadkach może towarzyszyć im zakładany wysoki poziom komfortu wewnętrznego, a nawet oczekiwanej jakości powietrza w pomieszczeniach. Aby móc sprostać tak złożonym założeniom niezbędne staje się zaprojektowanie równie zaawansowanych systemów wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania (HVAC) zintegrowanych systemami automatycznej regulacji i sterowania. W niniejszym artykule, stanowiącym rozwinięcie artykułów zaprezentowanych w czasopismach branżowych przedstawiono rolę symulacji w procesie projektowania obiektów biurowych, ze szczególnym uwzględnieniem wielokryterialnego wyboru systemów HVAC. Budynki biurowe w Polsce Współczesne budownictwo stanowi znakomity przykład poszukiwania odpowiedzi na wciąż rosnące wymagania użytkowników. Wymagania te stawiane są co do funkcji i formy jakim powinny sprostać przestrzenie budynku jak i warunków panujących w pomieszczeniach, których zapewnienie staje się obecnie integralną częścią kompleksowej oceny budynku. Kwintesencją owego proklienckiego podejścia do budynku staje się zatem dążenie do tworzenia szeroko rozumianego komfortu ich użytkownikom. Szereg składowych, w tym zaspokojenie potrzeb estetycznych, tworzenie komfortu wizualnego, akustycznego jak i sprostanie wymaganiom dotyczącym funkcji pomieszczeń leży w znacznej mierze w gestii architektów i konstruktorów. Zapewnienie właściwych warunków komfortu dla użytkowników pomieszczeń staje się natomiast domeną inżynierów odpowiedzialnych za systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC). Ponieważ efekt końcowy w postaci zadowolenia użytkowników wnętrz stanowi wypadkową wielu cech, niezbędnym staje się poszukiwanie wspólnych rozwiązań i właściwa koordynacja prac już na etapie projektowym. Jedną z wartych podkreślenia cech nowoczesnych budynków biurowych jest dbałość o dobór materiałów budowlanych i technologii wykonania budynku. Panującym obecnie trendem jest wykonywanie obudowy budynku z materiałów o podniesionym standardzie ocieplenia oraz dobór elementów okiennych o znacząco niższym od wymaganego współczynnika przenikania ciepła. Budynki te zachowują także stosunkowo dużą szczelność, choć przyjmowanie że są całkowicie szczelne wydaje się nieuzasadnione. Cechą charakterystyczną prezentowanych obiektów biurowych jest ich możliwie duża funkcjonalność. Oznacza to dążenie do możliwie największego wykorzystania przestrzeni budynku jako przestrzeni do wynajęcia. Z drugiej strony, w przypadku budynków biurowych z powierzchnią pod wynajem niezbędnym staje się zachowanie dużej elastyczności w podziale powierzchni, co najczęściej oznacza modularność, ale z możliwością dowolnego przearanżowania wnętrz. Budynki biurowe posiadają szereg złożonych funkcji, zawierając w swej strukturze pomieszczenia o różnym charakterze, takie jak hole i recepcje, pomieszczenia biurowe, sale konferencyjne,

2 serwerownie, atria, restauracje, maszynownie, garaże. Każde z nich wymagać może odrębnego systemu HVAC gwarantującego zakładany poziom komfortu i bezpieczeństwa, całość zaś powinna stanowić spójną i racjonalnie funkcjonującą całość. Systemy HVAC w budynkach biurowych Współczesne projektowanie systemów klimatyzacji staje się poszukiwaniem rozwiązań technicznych odpowiadających na złożone wymagania użytkownika pomieszczeń lub realizowanego procesu technologicznego. Oznacza to uwzględnienie współczesnej wiedzy związanej z komfortem użytkowników, jakością powietrza w pomieszczeniach, wymianą ciepła, zjawiskami termicznymi i wilgotnościowymi w budynku, akustyką, aerodynamiką. Dodatkowo zakres projektu ulega stałemu poszerzaniu. Obecnie oczekuje się od projektanta oszacowania energetycznego i finansowego przygotowywanego systemu na etapie inwestycji oraz eksploatacji. Poza wymienionymi powyżej zagadnieniami świat coraz częściej zwraca uwagę na zagadnienia zaawansowanych analiz, w tym wpływu komfortu i jakości powietrza na produktywność użytkowników, czy oceny budynku pod kątem jego zrównoważenia. Cechą charakterystyczną nowoczesnych budynków biurowych jest stosunkowo wysoki poziom wewnętrznych zysków ciepła, co przy ograniczanych i kontrolowanych zyskach zewnętrznych powoduje, że najczęściej to te pierwsze stanowią znaczące wymuszenie będące podstawą doboru i wymiarowania systemów klimatyzacji. Analiza dostępnych systemów wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania budynków biurowych wskazuje na kilka najpopularniejszych rozwiązań technicznych. Od strony źródeł ciepła najchętniej wykorzystywane są systemy miejskie (zwłaszcza w przypadku dużych miast), kotłownie gazowe lub olejowe. Mniejsze znaczenie mają kotłownie na paliwa stałe. Źródłem chłodu są najczęściej systemy chłodnicze oparte o agregaty wody lodowej lub systemy freonowe. W zależności od przyjętych rozwiązań systemu klimatyzacji stosowane są systemy powietrzne (CAV i coraz częściej VAV), systemy wodne (klimakonwektory, belki chłodzące) lub systemy freonowe (z rosnącym udziałem systemów multi i super multi). Wybór odpowiedniego systemu w znacznej mierze zależy od przyjętego poziomu komfortu w pomieszczeniach. Jest on bowiem związany z parametrami komfortu, parametrami powietrza w pomieszczeniu, kryteriami ich dotrzymania oraz strumieniem świeżego powietrza ze względów higienicznych. Aby można było sprostać tak postawionym wymaganiom zleceniodawcy należy poszukiwać narzędzi pozwalających na precyzyjną ocenę obciążeń cieplnych i wilgotnościowych w budynku, realizacji procesów wymiany masy i energii w urządzeniach i systemach, rozdziału powietrza w pomieszczeniach, oszacowań energetycznych zużycia energii w budynku, obliczeń akustycznych a także szczegółowych analiz takich jak analizy wykorzystania energii pierwotnej przez budynek. Aby możliwym było wykonanie powyższych analiz koniecznym staje się coraz szersze wykorzystanie aplikacji tworzonych z reguły przez zespoły związane z ośrodkami akademickimi programów symulacyjnych. Wybór systemu HVAC w polskich warunkach projektowych Proces projektowy zawiera w teorii etapy: analiz przedprojektowych, projektu architektoniczno-budowlanego, dokumentacji przetargowej, projektu wykonawczego (technicznego), dokumentacji powykonawczej i dokumentacji eksploatacyjnej.

3 Biorąc pod uwagę moment wyboru systemu najważniejszym etapem jest opracowanie projektu architektoniczno-budowlanego. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego w projekcie powinny się znaleźć: rozwiązania zasadniczych elementów wyposażenia budowlano-instalacyjnego w szczególności instalacji i urządzeń budowlanych: sanitarnych, grzewczych, wentylacyjnych, klimatyzacyjnych założenia przyjęte do obliczeń instalacji oraz podstawowe wyniki tych obliczeń z uzasadnieniem doboru, rodzaju i wielkości urządzeń budowlanych. Oznacza to konieczność uzasadnienia dokonanego doboru systemu na etapie projektu architektoniczno-budowlanego. Hmm w warunkach polskich znalezienie uzasadnienia doboru systemu HVAC w opisie technicznym nie należy delikatnie mówiąc do najczęstszych. A z drugiej strony wszyscy jak mantrę powtarzamy, że wybór systemu dokonywany na etapie projektowym generuje skutki podczas całego okresu eksploatacji (co nierzadko oznacza kilkanaście lub kilkadziesiąt lat). Jeżeli dodamy do tego problemy na płaszczyźnie inwestor projektant wykonawca użytkownik powodujące, że znakomita większość projektów wykonywana jest w ogromnym stresie terminowym, finansowym, a ponadto w ogólnie panujących konfliktach interesów powyższych stron otrzymujemy obraz nacisków jakim poddawany jest projektant podczas wyboru systemu. Czy rzeczywiście zawsze musi tak wyglądać etap wyboru systemu? Rys. 1. Etapy typowego procesu inwestycyjnego Nowe podejście do wyboru systemu HVAC Nowa koncepcja podejścia do wyboru systemu HVAC wymaga wprowadzenia zmian na wszystkich początkowych etapach procesu projektowego. Oznacza to powiększenie zakresu pracy zwłaszcza na etapie koncepcji przedprojektowej oraz nieznaczne poszerzenie zakresu analiz w ramach projektu budowlanego. Chcąc dokonać prawidłowego i pełnego wyboru systemu HVAC warto skorzystać z zaprezentowanej poniżej procedury: Przeprowadzenie analizy przedprojektowej uzupełnionej o stworzenie wytycznych projektowych (tzw. Design Brief u). Dokonanie wstępnej analizy systemowej z identyfikacją źródeł, instalacji, urządzeń i elementów. Wstępny wybór systemów HVAC. Zbudowanie modelu budynku wraz z możliwością wprowadzenia systemów. Symulacja funkcjonalna modelu z wybranymi systemami HVAC. Dokonanie pełnej analizy systemowej (tzw. System Benchmar-king). Wybór systemu HVAC. Przedstawiona powyżej procedura bywa stosowana w wielu krajach, w których zrozumiano, iż zwiększenie środków na projekt czemu towarzyszy zwrócenie uwagi na rozwiązania na etapie opracowania dokumentacji skutkuje drastycznym zmniejszeniem problemów na etapie wykonawstwa

4 oraz racjonalną eksploatacją. Co więcej, w wielu przypadkach inwestor, a następnie użytkownik dysponuje znacznie większą wiedzą o zastosowanych rozwiązaniach, co oznacza dla projektanta możliwość współpracy ze świadomym klientem. A to jak się okazuje jest jednym z najczęstszych problemów pojawiających się w procesie inwestycyjnym. W kolejnych punktach szczegółowo opisano poszczególne kroki proponowanej procedury. Rys. 2. Proponowany nowy proces wyboru systemu HVAC Przeprowadzenie analizy przedprojektowej uzupełnionej o stworzenie wytycznych projektowych (tzw. Design Brief u) Etap analizy przedprojektowej rozpoczyna się od pierwszego kontaktu inwestora z projektantem. Ponieważ od początku najważniejszym problemem jest pełne zrozumienie potrzeb inwestora oraz uświadomienie inwestora z czym od strony technicznej jest to związane zaleca się przeprowadzenie szeregu koordynacji poświęconych pozyskaniu danych do projektu. W koordynowanych przez nas projektach zalecamy sprecyzowanie precyzyjnych wytycznych projektowych (tzw. Design Brief u). Jest to opracowanie w którym inwestor umieszcza swoje oczekiwania wobec projektowanego budynku, systemów i instalacji. Jest to opracowanie, w którym niezbędnym staje się udział niezależnych konsultantów lub projektantów potrafiących inwestorowi opracować wymagania w sposób pełny i spójny. W niniejszym opracowaniu poza danymi do projektu (np. jednoznacznym określeniem punktów obliczeniowych) można umieścić wymagania dotyczące funkcjonalności i parametrów, które powinny być spełnione przez projekt. Przykładem może być określenie klasy środowiska pomieszczeń, wymagań dotyczących elastyczności systemu, przewymiarowania poszczególnych elementów systemu, czy planowanego zużycia energii przez budynek. Prawidłowo przygotowany Design Brief powinien zawierać zatem elementy określane jako opisowe (tzw. descriptive) np. strumień powietrza świeżego powinien wynosić 50 m3/h/os oraz określane jako użytkowe (tzw. performance) np. w pomieszczeniu powinno się zachować wymagania komfortu dotyczące wilgotności powietrza w okresie zimowym i letnim. Podstawową różnicą między tymi opisami jest fakt, iż w przypadku wymagań opisowych projektant może przyjąć je bezkrytycznie jako wymagania inwestorskie (chyba, że ich spełnienie jest w opinii projektanta nieuzasadnione), zaś w przypadku wymagań użytkowych to na projektancie spoczywa odpowiedzialność za wybór metody spełnienia postawionego wymagania. Opracowanie Design Brief u powoduje, że inwestor sprecyzował swoje oczekiwania, co nierzadko związane jest z podniesieniem świadomości inwestora. Co więcej projektant posiada zapisane i przemyślane wymagania inwestora, a najczęściej także uporządkowane dane do projektu. Dodatkowo inwestor posiada zapisane wymagania, których spełnienia oczekuje na etapie projektowym i wykonawczym, co oznacza, że posiada ważną część kryteriów według których może ocenić uzyskany efekt w postaci gotowego budynku. W ten sposób możliwe jest także poszerzenie zakresu odbiorów

5 oraz wprowadzenie pełnego Commissioning u. Należy podkreślić, iż z doświadczeń autora włączenie w proces projektowy etapu Design Brief u posiada tak wiele zalet, że w przypadku złożonych projektów warto z niego skorzystać nawet jeśli koszt jego opracowania leży po stronie projektanta. Efektem ubocznym jest ponadto zacieśnienie współpracy pomiędzy stronami procesu i podniesienie wiarygodności projektanta. Dokonanie wstępnej analizy systemowej z identyfikacją źródeł, instalacji, urządzeń i elementów Na podstawie opracowanych wymagań projektant może wykonać opracować koncepcję projektową. W niektórych przypadkach towarzyszą temu dodatkowe opracowania, takie jak np. Feasibility Study. W ramach opracowania koncepcji możliwe staje się dokonanie wstępnej analizy identyfikujące możliwe do wykorzystania źródła ciepła czy energii elektrycznej. Trudno tutaj pominąć źródło chłodu dla instalacji chłodniczej. W kolejnym kroku warto przeanalizować dostępne instalacje wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania. Jako kolejny element analizy warto wyróżnić element końcowy obsługujący pomieszczenie. Przeanalizowanie różnych elementów dla systemów wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania pozwala na zamknięcie zestawienia. Dla tak przedstawionego zestawienia możliwe staje się kolejne łączenie źródeł ciepła, energii elektrycznej z wydzielonym źródłem chłodu z instalacjami oraz elementami końcowymi. Opracowanie tego zestawienia w postaci tablicy pozwala na wykonanie matryc połączeń. Rys. 3. Matryca rozwiązań Na podstawie powyższej matrycy połączeń pozwala na dokonanie czytelnego dla wszystkich stron procesu połączenia źródeł, instalacji i elementów końcowych. W ten sposób można przedstawić kolejne możliwe z technicznego punktu widzenia rozwiązania. Przedstawiony poniżej przykład

6 ukazuje propozycję systemu z wykorzystaniem czterorurowych klimakonwektorów wentylatorowych (fan coil i) podłączonych do wodnych instalacji grzewczych i chłodniczych. Korzystając z agregatu wody lodowej i wymiennika ciepła podłączonego do sieci ciepłowniczej uzyskujemy połączenie z sieciami. Do zapewnienia właściwych ilości powietrza świeżego wykorzystano niezależne nawiewniki sufitowe podłączone do centralnej instalacji wentylacji mechanicznej ze stałą ilością powietrza. Wstępny wybór systemów HVAC Przygotowanie zestawu możliwych rozwiązań systemowych pozwala na wstępną selekcję systemów. Część rozwiązań może nie odpowiadać specyfikacji założeń projektowych, część zaś może być charakterystyczna dla innych budynków lub innych warunków eksploatacji. Co więcej, już teraz można odrzucić rozwiązania, które na pierwszy rzut oka nie będą pasowały do opracowywanego rozwiązania, np. nie będą w stanie zapewnić odpowiedniego poziomu komfortu wewnętrznego. W budynkach biurowych możliwy scenariusz wyboru systemu klimatyzacji może zawierać przykładowo systemy: System CAV; System CAV z minimalną ilością powietrza zewnętrznego; System VAV; System wentylacji wyporowej ze stałą ilością powietrza; Klimakonwektory wentylatorowe (fan-coil e); Belki chłodzące; Stropy chłodzące; Klimatyzator typu split ; Klimatyzatory typu multisplit ; System VRV. Co więcej, uzupełnienie wspomnianej uprzednio matrycy rozwiązań o parametry poszczególnych systemów (np. temperatury czynników i mediów) pozwala na pełną identyfikację i opis poszczególnych systemów. Dodatkowo wiedząc na jakich parametrach powinny funkcjonować poszczególne systemy możliwe staje się powiązanie ich w spójną całość, co ma szczególne znaczenie w przypadku wykorzystania systemów z odnawialnymi źródłami, które najczęściej pracują na odmiennych parametrach roboczych. W ten sposób możliwym staje się opis parametrów poszczególnych systemów co w znaczący sposób ułatwia powiązanie ich ze źródłami energii elektrycznej, ciepła i chłodu. Posiadając wybraną grupę rozwiązań, które są możliwe do zastosowania należy przeanalizować cechy funkcjonalne wybranych rozwiązań. Najbardziej zaawansowaną metodą są symulacje budynku z systemami klimatyzacji, wentylacji, ogrzewania i chłodzenia. Model budynku z systemami HVAC Nowoczesne symulacje umożliwiają przeprowadzenie analizy funkcjonowania systemu w konkretnym budynku. W pierwszym kroku wprowadzane są dane architektoniczne analizowanego obiektu. Podając dane geometryczne, materiałowe oraz szczegóły poszczególnych pomieszczeń możliwe staje się zamodelowanie przestrzeni, wraz ze wszystkimi elementami rozwiązań architektonicznych. W szczególnych przypadkach możliwe staje się pełne, trójwymiarowe zamodelowanie geometrii rozpatrywanych pomieszczeń.

7 Rys. 4. Dane geometryczne obiektu Krok drugi to najczęściej opis funkcjonowania poszczególnych pomieszczeń w odniesieniu do występujących obciążeń cieplnych czyli opracowanie profili wykorzystania pomieszczeń wraz z ilościowym określeniem liczby osób, urządzeń, oświetlenia itp. Ważnym elementem tego etapu jest ilościowe (np. liczba komputerów) oraz jakościowe (np. profil wykorzystania pomieszczenia przez pracowników) określenie funkcjonowania rozpatrywanych pomieszczeń. W większości symulacji trzecim krokiem jest zdefiniowanie parametrów komfortu analizowanych pomieszczeń. W zależności od złożoności modelu można zdefiniować temperaturę (obliczeniową, minimalną, maksymalną), wilgotność (wraz z dokładnością jej utrzymania), ilość powietrza świeżego itp. Ważnym elementem niniejszego etapu jest uświadomienie poziomu środowiska wewnętrznego jaki chcielibyśmy uzyskać w pomieszczeniach. Zostało to dobitnie wyrażone w nowym podejściu jaki reprezentują normy EN 15251: Kryteria klimatu wewnętrznego w zakresie komfortu termicznego, jakości powietrza, oświetlenia i hałasu oraz EN 13779: Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji". W opinii autora jasne zdefiniowanie oczekiwanego poziomu komfortu w pomieszczeniach pozwala na pełniejsze oszacowanie końcowych rezultatów. Co więcej, jest to znacznie bardziej uczciwe podejście do tych zagadnień w stosunku do aktualnego ustawodawstwa polskiego. Podstawą do tego stwierdzenia niech będzie choćby strumień powietrza świeżego przypadający na osobę. W przypadku wymienionych norm europejskich strumień ten zależy od klasy środowiska wewnętrznego i z reguły jest znacznie wyższy od zapisanego np. w normie PN-83/B Az 3, w której przywołano minimalną wartość strumienia nadal przez wielu projektantów utożsamianą z wartością obliczeniową. Tak przygotowane dane stanowią komplet informacji o pomieszczeniach w budynku który posłuży jako obiekt do wstawienia systemów HVAC. Jest to najważniejszy etap każdego rodzaju symulacji. W zależności od możliwości programów mamy do dyspozycji możliwość wbudowania w opisywaną przestrzeń od kilku do kilkudziesięciu systemów. Niestety tylko część z nich znajduje praktyczne zastosowanie w polskich warunkach projektowych, pozostałe stanowią domenę odmiennych technicznie kultur inżynierskich. W zależności od stopnia złożenia możliwe staje się w bardziej zaawansowanych aplikacjach symulacyjnych wprowadzenie bardzo precyzyjnych danych dotyczących systemu, włączając w to

8 szczegóły ilościowe i jakościowe oraz system automatycznej regulacji i sterowania. Posiadając opis budynku oraz przygotowany opis poszczególnych systemów wybranych na etapie ich wstępnego wyboru możliwe staje się przeprowadzenie symulacji funkcjonowania obiektu z systemami. Rys. 5. Profile obciążeń cieplnych i funkcjonowania pomieszczenia Rys. 6. Dane o oczekiwanym środowisku wewnętrznym Rys. 7. Wybór systemu

9 Rys. 8. Wybór systemu Rys. 9. Zaawansowany sposób definiowania systemu HVAC Symulacja funkcjonalna modelu z wybranymi systemami HVAC Na tym etapie do modelu budynku wprowadzane zostają poszczególne systemy. Pierwszym krokiem jest oszacowanie bilansu cieplnego pomieszczeń oraz chwilowych wymagań dotyczących komfortu w pomieszczeniach. Wprowadzony system zostaje zwymiarowany tak, aby był w stanie sprostać konieczności utrzymania właściwych paramentów wewnętrznych z określoną dokładnością. W ten sposób następuje zwymiarowanie systemu. Niektóre aplikacje umożliwiają ponadto dokonanie wyrównania systemów oraz dopasowania do systemu automatyki, ale wydaje się to być informacją na wyższym poziomie dokładności niż analizowany na tym etapie. W przypadku, w którym możliwe staje się precyzyjne opisanie wszystkich parametrów funkcjonowania systemu cennym uzupełnieniem może być na tym etapie opracowanie schematu funkcjonalnego wybranego rozwiązania. Będzie one wartościowym uzupełnieniem schematów instalacji. Może ponadto być pomocnym elementem opracowanie wytycznych dla automatyki itp. Należy jednak podkreślić, iż chcąc wykorzystać opisywaną metodę na etapie przedprojektowym możemy nie być w stanie posiąść niezbędnych danych szczegółowych. W takim przypadku warto wrócić do opracowania niniejszego systemu na etapie projektu technicznego i wykonawczego. W wyniku przeprowadzonych symulacji możliwe staje się określenie dla każdego z systemów:

10 parametrów pracy strumieni masy i energii wykorzystanych w systemie wielkości urządzeń wchodzących w skład systemu ilości powietrza w systemie ilości poszczególnych mediów w systemie poziomu obciążenia systemu w poszczególnych godzinach roku wielkości i poziomu obciążeń poszczególnych źródeł zużycia energii przez system HVAC w ciągu całego roku Uzyskany wynik może stanowić znakomite narzędzie w rękach inżyniera HVAC. Pozwala bowiem na spojrzenie na system w sposób całościowy, a zarazem bardzo detaliczny. Wyznaczenie dla każdego systemu wskaźników (np. mocy źródeł, strumieni powietrza przypadających na osobę lub jednostkę powierzchni, jednostkowych obciążeń cieplnych, czy mocy urządzeń) pozwala na całościowe ujęcie systemu. Ogromną zaletą wymienionej powyżej symulacji może być ponadto zestawienie uzyskanych rezultatów (np. godzinowych bilansów ciepła, profili temperatury w pomieszczeniu) do zastosowanych nakładów na stworzenie systemu. Takie podejście wydaje się stanowić rozsądny kompromis pomiędzy proponowanymi rozwiązaniami inżynierskimi, a poziomem komfortu uzyskiwanym za ich pomocą. W przypadku szczegółowych analiz możliwe jest uzupełnienie podstawowych danych komfortu o parametry bardziej szczegółowe np. wskaźniki PMV (Predicted Mean Vote) oraz PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) co obecnie stanowić powinno główny cel projektowania systemów HVAC. Posiadając tak szczegółowe dane dla każdego z zaproponowanych systemów możliwe staje się dokonanie pełnej analizy systemowej. Rys. 10. Symulacje funkcjonowania systemu HVAC w budynku

11 Rys. 11. Schemat systemowy do uszczegółowienia symulacji Rys. 12. Zestawienie uzyskiwanego efektu z funkcjonowaniem systemu bilans cieplny

12 Rys. 13. Kompleksowa informacja o uzyskanym poziomie komfortu termicznego w pomieszczeniu Dokonanie pełnej analizy systemowej (tzw. System Benchmarking) Na podstawie wyników powyższych symulacji możliwe staje się dokonanie zestawienia poszczególnych systemów. W niniejszym zestawieniu cennym wydaje się przytoczenie dla każdego z wybranych we wstępnej analizie systemu tabeli, w której ujęte zostaną dane dotyczące parametrów uzyskanego środowiska wewnętrznego, możliwości zastosowania systemu w określonych ograniczeniach architektonicznych, zagadnienia racjonalnego użytkowania energii na potrzeby systemu, parametry systemu oraz szeroko rozumiane koszty. W kompleksowej analizie systemowej poszczególne systemy podlegają ocenie tworząc tzw. System Benchmarking, w którym oceniane zostają: Środowisko wewnętrzne: Temperatura powietrza w pomieszczeniu; Dokładność utrzymania temperatury powietrza w pomieszczeniu; Gradient pionowy temperatury; Temperatura przegród otaczających pomieszczenie (ściany, okna, podłoga, sufit); Temperatura odczuwalna; Asymetria pola temperatury w pomieszczeniu; Wilgotność powietrza w pomieszczeniu; Dokładność utrzymania wilgotności powietrza w pomieszczeniu; Średnia prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi oraz poza nią; Maksymalna prędkość powietrza strefie przebywania ludzi oraz poza nią; Czystość powietrza w pomieszczeniu; Stężenie i emisja zanieczyszczeń w pomieszczeniu; Stężenie i emisja CO 2 w pomieszczeniu; Jakość powietrza w pomieszczeniu; Strumień powietrza świeżego dostarczanego do pomieszczenia ze względów higienicznych; Rozdział powietrza w pomieszczeniu; Warunki akustyczne i występowanie wibracji (poziom hałasu); Bezpieczeństwo (pożarowe, dostępu). Architektura i konstrukcja: Możliwość wykorzystania ścian, stropu, sufitu, podłóg; Konieczność wykorzystania sufitów podwieszanych; Konieczność wykorzystania podniesionej podłogi; Wykorzystywanej przez system przestrzeni w budynku (dach, maszynownie, piwnice). Energia: Wymagane źródła (energia elektryczna, ciepło, chłód, kogeneracja, źródła zapasowe i awaryjne); Mobilność źródeł; Dywersyfikacja źródeł; Obciążenia cieplne (wymagane chłodzenie lub ogrzewanie wynikające z analizy obciążeń cieplnych pomieszczenia); Zużycie energii.

13 HVAC: Rodzaj czynnika pośredniczącego będącego nośnikiem energii cieplnej i chłodniczej (systemy freonowe, wodne, powietrzne); System scentralizowany / indywidualny; Wymagania związane z układem ciśnienia w budynku (układ zbilansowany, nadciśnienie lub podciśnienie w pomieszczeniu); Nadmiarowości rozumiana jako ewentualność dublowania układów lub elementów ze względu na konieczność zapewnienia warunków w przypadku awarii systemu; Możliwości zastosowania elementów systemu w kontekście wymagań architektonicznych dla pomieszczenia; Przewymiarowanie systemu; Niezawodność systemu; Analiza ryzyka; Elastyczność systemu; Modularność systemu; Łatwość rozbudowy systemu; Przeciążalność systemu Łatwość utrzymania, modernizacji i konserwacji (czyszczenie, wymiana, modernizacja); Systemy automatycznej regulacji i sterowania systemem (BMS, strategie); Systemy pożarowe (wentylacja oddymiająca, pożarowa itp.). Koszty: Koszty inwestycyjne; Koszty eksploatacyjne; Koszty związane z utrzymaniem systemu i jego konserwacją; Analiza ryzyka i wrażliwość np. na zmianę kosztów energii; Koszty LCC. Posiadając tak opisane systemy możliwe staje się dokonanie właściwego wyboru systemu. Niniejsze podejście zawiera szereg elementów mających bezpośredni wpływ na sposób i komfort utrzymania systemu. Z punktu widzenia branży FM zagadnienia dotyczące przewymiarowania systemu, niezawodności, analizy ryzyka, modularności, łatwości rozbudowy czy przeciążalności mogą mieć znaczenie priorytetowe. Uwzględnienie kosztów utrzymania systemu oraz jego czyszczenia, wymian czy modernizacji stanowi o jego późniejszym wykorzystaniu na etapie eksploatacji. Wybór systemu HVAC Na bazie powyższego systemu oceny systemu uzupełnionego o wielkości liczbowe pochodzące z symulacji możliwe staje się wykonanie końcowej oceny i zestawienia systemów. Zakładając, iż projektant lub konsultant może uzupełnić te informacje o najważniejsze zalety i wady poszczególnych systemów uzyskujemy pełne spektrum rozwiązań HVAC możliwych do zastosowania w budynku. Na podstawie tak przygotowanego opracowania możliwym staje się precyzyjniejsze poszukiwanie rozwiązania optymalnego. Ponieważ w zależności od wymagań inwestora poszczególne cechy mogą być bardziej lub mniej znaczące projektant może przypisać im wagi odpowiadające znaczeniu poszczególnych zagadnień uzyskując w ten sposób znaczącą pomoc w podjęciu końcowej decyzji o wyborze konkretnego systemu HVAC. Podsumowanie Współczesne projektowanie systemów HVAC wymaga znacznego poszerzenia dotychczasowej

14 metodyki opracowania projektu o wielokryterialną procedurę wyboru systemu. Przedstawiony powyżej materiał przybliża kryteria oceny poszczególnych systemów. Ponieważ do ich wykonania niezbędnym staje się pozyskanie wiarygodnych danych coraz częściej sięga się po narzędzia symulacji systemów HVAC już na etapie przedprojektowym. Ich wykorzystanie daje projektantowi oszacowanie ilościowe projektowanego systemu. Uzupełnieniem tych danych powinny być analizy funkcjonowania systemu w cyklu życia obiektu, co pozwoli na precyzyjniejsze poszukiwanie rozwiązania optymalnego w danym przypadku. Co więcej, podczas poszukiwania niniejszego rozwiązania zmodyfikowany zostaje proces projektowy, dzięki czemu już na etapie przedprojektowym projektant podnosi wiedzę i świadomość inwestora dając mu ponadto wiarygodne argumenty podczas commissioningu oraz na etapie eksploatacji. Stanowi ono obecnie przykład jednych z najbardziej zaawansowanych analiz wyboru systemu stosowanego w krajach, w których rola projektanta oraz nakłady na jego pracę są na znacznie wyższym poziomie. Może także w Polsce powinniśmy już przygotować się na taką sytuację. Literatura 1. Piotr Bartkiewicz Wielokryterialny wybór systemu HVAC w budynkach biurowych cz. 1 i 2 Chłodnictwo i Klimatyzacja 2007, Piotr Bartkiewicz Symulacje energetyczne w praktyce Energia i Budynek 2,3,4/ Piotr Bartkiewicz Wykorzystanie zaawansowanych analiz zużycia energii i zrównoważenia budynku na przykładzie Projektu SSB I Ogólnopolski Kongres Facility Management, Warszawa Piotr Bartkiewicz Specyfika symulacji zużycia energii w nowoczesnych budynkach biurowych w Polsce, Building Physics in Theory and Practise, Łódź, Piotr Bartkiewicz Analiza zużycia energii w budynku studium budynku biurowego Forum Wentylacja i Salon Klimatyzacja Piotr Bartkiewicz, Dariusz Heim Rozwiązania architektoniczne, fizyko-budowlane i instalacyjne a zapotrzebowanie na ciepło budynku International Seminar Energodom Piotr Bartkiewicz Wielokryterialny wybór systemu HVAC w budynkach biurowych - V Ogólnopolska Konferencja Techniczna Klimatyzacja i Chłodnictwo w Polsce nowe trendy rozwoju, Piotr Bartkiewicz Przegląd komputerowych narzędzi symulacji zużycia energii w budynku z uwzględnieniem instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź Piotr Bartkiewicz Modelowanie obciążeń cieplnych budynku z uwzględnieniem funkcjonowania systemów HVAC studium przypadku. Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź, Piotr Bartkiewicz Symulacje zużycia energii w budynku z uwzględnieniem instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Forum Wentylacji Piotr Bartkiewicz, Dariusz Heim Wykorzystanie symulacji energetycznych w praktyce projektowej, Instalator Polski, Piotr Bartkiewicz Znaczenie klimatyzacji we współczesnych budynkach komercyjnych Wnętrza Komercyjne, Warszawa Piotr Bartkiewicz Specyfika symulacji zużycia energii w nowoczesnych budynkach biurowych w Polsce Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź Piotr Bartkiewicz Symulacje jako kolejny krok rozwoju narzędzi komputerowego wspomagania projektowania Chłodnictwo i Klimatyzacja, Warszawa Piotr Bartkiewicz, Paweł Lis - Kurs Zarządzanie procesem projektowania, Warszawa Raport z projektu PeBBu - Performance Based Building WG5 Organisation and

15 Management ; WG 9 Information and Documentation Autor: Piotr Bartkiewicz Źródło: (11/09) KONTAKT Energia i Budynek