Wymagania w zakresie techniki instalacyjnej w. budynkach niskoenergetycznych

Transkrypt

1 Wymagania w zakresie techniki instalacyjnej w Prof. dr hab. inŝ. Edward Szczechowiak Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i InŜynierii Środowiska Kwiecień 2008 budynkach niskoenergetycznych 1

2 Budynek środowisko energia Wymóg współczesności: Efektywniejsze gospodarowanie zasobami środowiska, w tym paliwami pierwotnymi Optymalny komfort cieplny i jakość powietrza (IAQ) Wzrost efektywności w budownictwie (unikanie strat i optymalizacja zysków a nie nadmierne zuŝycie energii dla uzupełnienia strat) Synergia między jakością energetyczną i ekologiczną budynku a efektywnością jego technicznego wyposaŝenia Ewolucje w budownictwie (nowe koncepcje projektowe, nowe materiały i technologie, technologie realizacji, profesjonalna eksploatacja) pozwalają na nową rewolucję Rozwój zrównowaŝony (Sustainable development) Standard BUDYNKU PASYWNEGO Buildings Science 2

3 Efektywność energetyczna budynków Poziom zuŝycia energii Etap wznoszenia budynku Etap eksploatacji budynku Szerokie znaczenie Budynek i jego charakterystyka energetyczna* Techniczne wyposaŝenie (Building services) Sterowanie i zarządzanie (BEMS) Całkowite zuŝycie energii i energii pierwotnej Wzorce zuŝycia energii (benchmanking) Efektywne zuŝycie energii pierwotnej Wzrost znaczenia energii odnawialnej * Directive 2002/91/EC on the energy performance of buildings (16 December 2002) Klasa energetyczna budynku 3

4 Kierunki zmian wynikające z prawodawstwa europejskiego Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings Dyrektywa o charakterystyce energetycznej budynków (wymaganiach energetycznych) 4

5 Kierunki zmian wynikające z prawodawstwa europejskiego (Directive 2002/91/EC on the energy performance of buildings) Dyrektywa o charakterystyce energetycznej budynków: Charakterystyka klimatu lokalnego, Warunki klimatu wewnętrznego, jakość powietrza, PołoŜenie i orientacja budynku, Charakterystyka budynku (przenikanie ciepła przez obudowę i szczelność powietrzna, podział wewnętrzny), Pasywne systemy słoneczne i ochrona przed promieniowaniem, Instalacje ogrzewcze i ciepłej wody, jakość izolacji, Instalacje wentylacyjne i klimatyzacyjne, wentylacja naturalna, Instalacje oświetleniowe. Szczególny nacisk w zapisach dyrektywy: Aktywne systemy słoneczne i oparte zasoby energii odnawialnej, Układy skojarzone róŝnych mocy, Systemy ciepłowniczo-chłodnicze. Konkluzja prowadzi to do obniŝenia zuŝycia energii i obniŝenia emisji zanieczyszczeń, w tym CO 2. 5

6 Kierunki zmian wynikające z prawodawstwa europejskiego (Directive 2002/91/EC on the energy performance of buildings) Audyty energetyczne i świadectwa: Budynki i lokale nowe oddawane do uŝytku, Budynki i lokale uŝywane będące przedmiotem obrotu, Budynki podlegające modernizacji lub przebudowie. Audytorzy energetyczni budynków. Projektanci a charakterystyka energetyczna budynków. 6

7 Energia i budynek Rola energooszczędności w budownictwie: Budynki energooszczędne (niskoenergetyczne), Budynki pasywne, Budynki zero energii dla ogrzewania. Rodzaje energii w ocenie budynków: Zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania (chłodzenia), Zapotrzebowanie energii do ogrzewania (wraz ze stratami systemu dystrybucji), Zapotrzebowanie energii końcowej (ciepło do ogrzewania, ciepłej wody, straty systemu dystrybucji, energia pomocnicza), Zapotrzebowanie energii pierwotnej (energia końcowa + straty na wyprodukowanie energii, transport i pozyskanie). Zasady bilansowania energii 7

8 Zmiany standardów energetycznych domów mieszkalnych (A/V = 1) Ciepło lub energia uŝytkowa WSVO 95 standard z 1995, EnEV 02 standard z 2002, NEH dom niskoenergetyczny, KfW60 budynek 60 kwh/(m 2 a), PH dom pasywny 8

9 Standardy energetyczne domów mieszkalnych (A/V = 1) po roku 2002 WSVO 95 standard z 1995, EnEV 02 standard z 2002, NEH dom niskoenergetyczny, KfW60 zuŝycie energii 60 kwh/(m 2 a), NEH-30 - zuŝycie energii 30 kwh/(m 2 a), PH dom pasywny 9

10 Zmiany standardów energetycznych budynków (A/V zmienne) Ciepło uŝytkowe: enev, kwh/(m 2 a) PL 99 standard polski z 1999, NEH budynek niskoenergetyczny, PH budynek pasywny Energia pierwotna: EnEV, kwh/(m 2 a) 10

11 Nowe rozwiązania zania budynków efektywnych energetycznie Podstawowe parametry budynków energooszczędnych 11

12 Uwarunkowania związane zane z efektywności cią energetyczną budynków Wpływ standardów na moc cieplną i roczne zapotrzebowanie ciepła tylko c.o. [ C] Uporządkowany wykres temperatury zewnętrznej [dni] q A [W/m 2 ] Zmiana mocy jednostkowej 80,0 70, , ,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, [dni] E A [kwh/m 2 d] Zmiana dobowego zapotrzebowania ciepła q A [W/m 2 ] 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 Zmiana mocy jednostkowej w funkcji temperatury zewnętrznej ,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0, ,0 0,60 40,0 30,0 20,0 10,0 0,40 0,20 0, [dni] 0, t [ C] 25 Zmiany mocy jednostkowej układu ogrzewczego zaleŝnie od standardu zgodnie z rys. 1, w funkcji temperatury zewnętrznej Rys. 1 Zapotrzebowanie na ciepło dla budynku z instalacją ogrzewczą dla róŝnych standardów zuŝycia ciepła dla ogrzewania: 160, 100, 55, 15 kwh/(m 2 a) 12

13 Uwarunkowania związane zane z efektywności cią energetyczną budynków Wpływ standardów na moc cieplną i roczne zapotrzebowanie ciepła c.o. + c.w. [ C] Uporządkowany wykres temperatury zewnętrznej [dni] q A [W/m 2 ] 90,0 Zmiana mocy jednostkowej 80,0 70,0 60,0 50, Zapotrzebowanie na ciepło dla budynku z instalacją ogrzewczą i ciepłej wody dla róŝnych standardów zuŝycia ciepła dla ogrzewania: 160, 100, 55, 15 kwh/(m 2 a) wg rys. 1 (co odpowiada średnio zuŝyciu z układem ciepłej wody na poziomie: 225, 155, 108, 70 kwh/(m 2 a)) - przykład 40,0 30,0 20,0 10,0 0, [dni] E A [kwh/m 2 d] Zmiana dobowego zapotrzebowania ciepła 2, , ,5 15 1,0 0,5 0, [dni] 13

14 Potencjał oszczędno dności w budynkach istniejących Potencjału redukcji energii grzewczej w budynkach mieszkalnych Wskaźniki zuŝycia energii dla róŝnych standardów energetycznych budynków 14

15 Projektowanie budynków współczesnych Niskie straty ciepła przez obudowę: Obudowa zoptymalizowana do wykorzystania energii słońca: Technologie efektywnie energetycznie: Zwarta architektura Udoskonalona izolacja termiczna (izolacja transparentna) Szczelność powietrzna budynku Przemysłowa konstrukcja i dokładność wykonania Technologie odzysku ciepła (słońce, źródła wewnętrzne) Architektura słoneczna Okna zoptymalizowane energetycznie Powierzchnie aktywne słonecznie Struktury ułatwiające akumulację energii Układy ogrzewania niskotemperaturowego Energooszczędna wentylacja Udoskonalone systemy akumulacji energii Kolektory słoneczne termiczne i fotowoltaiczne Chłodzenie solarne Zoptymalizowane układy hydrauliczne i sterowania 15

16 Podejście zintegrowane wymóg EnEV 02 16

17 Elementy wpływaj ywające na właściwo ciwości energetyczne budynku 17

18 Bilanse energetyczne budynków Budynki niskoenergetyczne i pasywne Oznaczenia: Q G straty wytwarzania energii; Q ST straty akumulacji; Q D straty na rozdziale; Q C/E straty przekazania ciepła; Q T straty ciepła przez przenikanie; Q V straty wentylacji; Q S zyski od słońca; Q I zyski ciepła od źródeł wewnętrznych 18

19 Efektywność systemów ogrzewczych i ciepłowniczych Sprawność uŝytkowa: Układ ogrzewczy z własnym źródłem ciepła ηh,u = ηg ηs ηd ηc,e Układ ciepłowniczy ηh,u = ηsc ηs ηd ηc,e ZuŜycie energii końcowej (QE) QE = QU/ηH,U Wskaźnik zuŝycia energii pierwotnej (fp) fp = QP/ QE Wskaźnik zuŝycia energii pierwotnej odniesiony do QU ep = QP/ QU QH = QU dostarczona energia uŝytkowa, QC,E straty przekazania ciepła, QD straty na rozdziale, QS straty akumulacji, QG straty wytwarzania energii (konwersji), ηsc sprawność uŝytkowa systemu ciepłowniczego 19

20 Efektywność systemów ogrzewczych i ciepłowniczych Straty i sprawność przekazania ciepła (jakość regulacji) QC,E: Ogrzewanie qc,e = kwh/(m2a) Wentylacja qc,e = kwh/(m2a) Straty i sprawność rozdziału ciepła QD Rozdział c.w. z cyrkulacją qd = kwh/(m2a) Rozdział c.w. bez cyrkulacji qd = kwh/(m2a) Rozdział c.o. z pompą regulowaną qd = 0,2... 3,5 kwh/(m2a) Rozdział c.o. z pompą nie regulowaną qd = 0,2... 4,2 kwh/(m2a) Rozdział układu wentylacji qd = ,0 kwh/(m2a) 20

21 Efektywność systemów ogrzewczych i ciepłowniczych Straty i sprawność akumulacji QS: Ogrzewanie qc,e = kwh/(m2a) Wentylacja qc,e = kwh/(m2a) Sprawność uŝytkowa zasobnika (podgrzewacza) c.w. ηu = QCW/(QCW + QSTR) 100 [%] Straty ciepła do otoczenia [kwh/rok] cm 10 cm 15 cm Pojemność zasobnika [dm 3 ] Podgrzewacz c.w. 200 dm3 ZuŜycie ciepłej wody 1) [dm 3 /dobę] Sprawność uŝytkowa zasobnika [%] 10 31, , , , , ,8 1) temperatura ciepłej wody w zasobniku 60 0 C 21

22 Efektywność systemów ogrzewczych i ciepłowniczych Straty i sprawność kotłów i węzłów ciepłowniczych Kotły niskotemperaturowe ηu = 86-94% Kotły kondensacyjne ηu = % Sprawność uŝytkowa węzłów ciepłowniczych ηu = 96-99% 22

23 Efektywność dostawy ciepła do odbiorców ZuŜycie energii pierwotnej ep,h = 0,98-1,82; ep,s = 2,8-3,2 Rozkład strat i zuŝycia energii pierwotnej dla budynków o róŝnym poziomie ochrony cieplnej (wg EnEV 02) 23

24 Efektywność dostawy ciepła do odbiorców ZuŜycie energii pierwotnej i rozkład strat w budynku mieszkalnym z własnym źródłem gazowym 24

25 Budynki niskoenergetyczne i pasywne Budynki mieszkalne: ocena łączna ogrzewanie, wentylacja i ciepła woda; Budynek pasywny: Q H = 15 kwh/(m 2 a); qh = 10 W/m 2 Q P = 120 kwh/(m 2 a). Budynek KfW60 Q H + Q W = 60 kwh/(m 2 a) Budynek KfW40 Q H + Q W = 40 kwh/(m 2 a) Ciepła woda Q W = kwh/(m 2 a) 25

26 Budynek pasywny Ujęcie klasyczne wg PHI Darmstadt 26

27 Budynek energooszczędny Wg programu wspierania KfW60 27

28 Budynek energooszczędny Wg programu wspierania KfW 28

29 Dom pasywny mieszkalny rozwiązanie zanie instalacji (1999) Nawiewnik Schemat układu wentylacji, ogrzewania i cw: kocioł kondens kw, kolektory - 3 Agregat wentylacyjny Wymiennik gruntowy 29

30 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2005) największy na świecie pow m 2 Widok od strony zachodniej Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia uŝytkowa: m 2 Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m 2 Liczba osób: 550 E. Szczechowiak i Arch. W. Braun na tle certyfikatu PH w hallu wejściowym Ściany: U = 0,124 W/(m 2 K) Std: U = 0,131 W/(m 2 K) Płyta denna: U = 0,254 W/(m 2 K) Okna: U = 0,824 W/(m 2 K) n50 = 0,125 h -1 (dop. 0,60) QH = 15 kwh/(m 2 a) 30

31 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia uŝytkowa: m 2 Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m 2 Liczba osób: 550 Technika: Wentylacja zdecentralizowana z odzyskiem ciepła 80% Widok elewacji z otworami instalacji wentylacji (czerpnie i wyrzutnie) 31

32 Budynek biurowy LULU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia uŝytkowa: m2 Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m2 Liczba osób: 550 Technika: Ogrzewanie/chłodzenie stropy aktywne Pompy ciepła: 3 x VITOCAL 300 3x43 kw Sondy pionowe: 39 szt. głębokość 95 m. Kolektory fotowoltaiczne: 512 m2 69 kwe (63900 kwh) INSTALACJE 2008 Technika Instalacyjna w Budynkach Niskoenergetycznych E. Szczechowiak

33 Uwagi końcowe podejście zintegrowane Stosowanie filozofii zrównowaŝonego rozwoju Projektowanie budynków spełniających przynajmniej standardy oszczędności energii (ochrona cieplna dla lata i zimy) Energooszczędne techniki instalacyjne Określenie rzeczywistych strumieni powietrza i ich zmienności w czasie - zaleŝnie od potrzeb Osuszanie i chłodzenie rozdzielone NawilŜanie tylko w przypadkach uzasadnionych Wybór systemów dostosowanych do funkcji uŝytkowej pomieszczeń Regulacja i sterowanie wg kryteriów oszczędności energii i uzasadnionego zuŝycia Optymalne planowanie zaopatrzenia w ciepło, energię chłodniczą i elektryczną Analiza ekonomiczna w cyklu Ŝycia (koszty inwestycyjne, eksploatacyjne, likwidacji/przebudowy) 33

34 Uwagi końcowe Ciągłe obniŝanie obciąŝenia cieplnego budynków Efektywność dostawy ciepła waŝny parametr oceny System grzewczy lub ciepłowniczy ocenia się wg: Kryterium zuŝycia energii pierwotnej WP Kryterium emisji dwutlenku węgla WCO2 Restrukturyzacja dopasowana do potrzeb rynku: Zarządzanie wg DSM Rozszerzenie oferty (skojarzone układy cieplno-chłodnicze), Oferta kompleksowa w zakresie eksploatacji budynków (Facility Management), Tworzenie struktur multienergetycznych lub rozszerzenie działalności na inne usługi komunalne (łączenie działalności). 34