ANALIZA PORÓWNAWCZA SEZONOWEJ ENERGOCHŁONNOŚCI OGRZEWANIA LOKALNEJ ZBIOROWOŚCI BUDYNKÓW EDUKACYJNYCH

Transkrypt

1 ANALIZA PORÓWNAWCZA SEZONOWEJ ENERGOCHŁONNOŚCI OGRZEWANIA LOKALNEJ ZBIOROWOŚCI BUDYNKÓW EDUKACYJNYCH Autor: Piotr Lis ( Rynek Energii nr 4/212) Słowa kluczowe: zużycie energii do ogrzewania, sezony grzewcze, budynki edukacyjne Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań i analizy zmian sezonowej energochłonności ogrzewania 18 budynków edukacyjnych (szkół) w trzech podobnych sezonach grzewczych. Są one fragmentem szerszych badań statystycznych cech 5 budynków szkół w Częstochowie, które wpływają na ich parametry cieplno-energetyczne. Analiza graficznego przebiegu wielkości związanych bezpośrednio lub pośrednio z zużyciem ciepła do ogrzewania powinna być pomocna w ujawnieniu istniejących zależności i możliwości interpretacyjnych. Przedstawiona propozycja analizy zużycia ciepła do ogrzewania oraz interpretacja jej wyników może posłużyć jako narzędzie w zarządzaniu energią w użytkowanych budynkach, wskazując jednocześnie możliwości racjonalizacji w tym zakresie dla całej zbiorowości i indywidualnych obiektów. 1. WSTĘP Światowe udokumentowane zasoby przemysłowe konwencjonalnych surowców energetycznych są na wyczerpaniu a ich wystarczalność szacowana jest w niektórych publikacjach [5] na kilkadziesiąt lat. Sytuacja taka powoduje systematyczny wzrost cen energii, w tym ciepła do ogrzewania pomieszczeń. W Polsce coraz więcej podmiotów i osób prywatnych zarządzających budynkami decyduje się, między innymi z ww. powodu i rosnących kosztów eksploatacji, na monitorowanie zużycia energii w tych obiektach, w tym zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczeń [2]. Wspomniane działanie jest często sprowadzone jedynie do rejestracji i prezentacji zużycia ciepła w poszczególnych okresach lub sezonach grzewczych. Wartość poznawcza tak przedstawionych wyników jest jednak mocno ograniczona, a ich interpretacja nierzadko błędna. Do wyjątków należą również próby zaproponowania nowych metod obliczeniowych prognozujących np. zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania budynków [3]. Zaprezentowany w dalszej części materiał zawiera przykładową, poszerzoną analizę energochłonności ogrzewania w długich okresach w pełnej lokalnej zbiorowości budynków edukacyjnych. Ważną wydaje się próba interpretacji i wyjaśnienia wyników analizy, przedstawionych w formie wykresów linii trendów [1, 4] (zazwyczaj linie te były opisane zależnością w postaci wielomianu czwartego stopnia) zmian branych pod uwagę i poddanych analizie wielkości. Przebiegi i wzajemne ułożenie wykreślonych krzywych mogą być często pozornie niezgodne z aktualnym stanem wiedzy w tym zakresie. Przedstawiony materiał sygnalizuje i ilustruje możliwości wystąpienia takich sytuacji oraz podejmuje próbę wyjaśnienia ich przyczyny. Celem zaprezentowanej analizy było uzyskanie opisu kształtowania się zużycia ciepła, a tym samym energochłonności ogrzewania pomieszczeń w badanej lokalnej zbiorowości budynków edukacyjnych, w trzech, podobnych sezonach grzewczych. Wspomniane wcześniej podobieństwo sezonów grzew-

2 czych dotyczyło zbliżonych wartości temperatur powietrza na zewnątrz i czasu trwania rozpatrywanych okresów. Przedstawiona w dalszej części analiza graficznego przebiegu wielkości związanych bezpośrednio lub pośrednio z zużyciem ciepła do ogrzewania powinna być pomocna w ujawnieniu zależności i możliwości interpretacyjnych. Zdobyte w ten sposób doświadczenia można wykorzystać w bardziej złożonej, niż to zazwyczaj ma miejsce, obserwacji energochłonności ogrzewania budynków edukacyjnych. Przy takich okazjach pojawiają się również możliwości uzyskania istotnych informacji wynikających bezpośrednio lub pośrednio z przeprowadzenia wspominanej analizy. 2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PRZEPROWADZONYCH BADAŃ Analizie poddano wielkości charakteryzujące ogrzewanie 18 budynków edukacyjnych w trzech sezonach grzewczych. Jeśli chodzi o uwzględnione tutaj sezony grzewcze to można uznać (po przeprowadzeniu przez autora statystycznego testowania hipotez z wykorzystaniem testu t-studenta), że nie odbiegają one w sposób statystycznie istotny od typowego sezonu grzewczego dla okresu wieloletniego (minimum 3-letniego). Podstawową charakterystykę branych pod uwagę sezonów przedstawiono w Tabeli 3. Wspomniana analiza jest fragmentem prowadzonych od dłuższego czasu badań statystycznych pełnych lokalnej zbiorowości budynków edukacyjnych. Zbiorowość statystyczną tworzy 5 budynków szkół mieszczących obecnie Szkoły Podstawowe i Gimnazja i zarządzanych przez Urząd Miasta w Częstochowie. Badania realizowane są metodą spisu statystycznego doraźnego z wykorzystaniem statystyki opisowej, analizy współzależności i metod statystycznej weryfikacji hipotez. Wśród badanych budynków edukacyjnych część zasilana była w ciepło do ogrzewania przez miejscowe Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej i to z tych obiektów wybrano 18 budynków do dalszej analizy. Przy wyborze osiemnastu obiektów kierowano się kryteriami podobieństwa sposobu określenia rzeczywistego sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania (liczniki ciepła) i niezmiennością w badanych okresach czynników związanych z elementami budowlanymi i instalacyjnymi tych obiektów. Ilość zużytego do ogrzewania pomieszczeń ciepła Q w trzech analizowanych sezonach grzewczych ustalono na podstawie wskazań liczników ciepła [1, 4]. Ogólną charakterystykę statystyczną badanej grupy obiektów przedstawiono w tabelach 1, 2.

3 Tabela 1 Ogólna charakterystyka 18 budynków szkół Budynek (oznaczenie umowne) Kubatura ogrzewana, m 3 Powierzchnia ogrzewana, m 2 A/V, m -1 S ,48 S ,35 S ,34 S ,27 S ,36 S ,39 S ,34 S ,38 S ,65 S ,43 S ,48 S ,47 S ,48 S ,39 S ,34 S ,38 S ,37 S ,43 3. WYNIKI ANALIZY ZUŻYCIA CIEPŁA DO OGRZEWANIA ZBIOROWOŚCI BUDYNKÓW EDUKACYJNYCH Przed przeprowadzeniem analizy uporządkowano rosnąco zbiór wyników, przyjmując za kryterium rok budowy poszczególnych budynków. Wyniki analizy przedstawiono w dalszej części w formie wykresów wartości rzeczywistego sezonowego zużycia ciepła Q i pomocniczo mocy szczytowej q w 18 budynkach i obliczonych na tej podstawie wskaźników energochłonności ogrzewania: Q/V, Q/P O, q/v, dla trzech sezonów grzewczych. Na wstępie jednak przedstawiono wykresy (rys. 1, 2) stanowiące uzupełnienie ogólnej charakterystyki analizowanych budynków (kubatury V, współczynnika przenikania ciepła dla całego obiektu U B, ukształtowania bryły budynku opisanego poprzez moduł powierzchniowy A/V) Należy dodać, że wartości sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania Q poddano pewnego rodzaju skorygowaniu [2] (z wyj. rys. 2). Wykonano to dzieląc wartości dla dwóch sezonów grzewczych przez współ-

4 czynniki odnoszące ilości stopniodni Sd obliczone dla sezonów II i III do analogicznej wielkości dla sezonu I - najlżejszego z rozpatrywanych. Wartości tych współczynników przedstawiono w ostatniej kolumnie tabeli 3. Uczyniono to w celu pośredniego wyeliminowania różnic pomiędzy wartościami stopniodni Sd rozpatrywanych okresów ogrzewania. 1,5 45 A/V, m-1 ; UB, W/(m2K) 1,4 1,3 1,2 1,1 1,,9,8,7,6 U B Linie trendu V Kubatura V, m3,5,4,3,2 A/V Oznaczenie umowne budynków szkół Rys. 1. Trendy zmian wartości wskaźnika A/V, kubatury V i współczynnika przenikania ciepła przegród zewnętrznych UB dla budynków edukacyjnych uporządkowanych rosnąco według roku ich budowy Dolna i górna granica typowości III II Rok budowy Q/V, MJ/(m 3 a) 15 1 I sezon Rok budowy 5 Wartość średnia Linie trendu Oznaczenie umowne budynków szkół Rys. 2. Trendy zmian wartości Q dla budynków edukacyjnych uporządkowanych rosnąco według roku ich budowy Sez. zużycie ciepła Q, MJ/a Dolna i górna granica typowości (uśredniona dla 3 sez.) Q - I sezon Q - III sezon Kubatura Kubatura V, m 3 Q - II sezon Rys. 3. Trendy zmian Q i V dla budynków edukacyjnych uporządkowanych według roku ich budowy

5 Sez. zużycie ciepła Q, MJ/a Powierzchnia ogrzewana P o Q - I sezon Dolna i górna granica typowości (uśredniona dla 3 sez.) Q - III sezon Pow. ogrzewana P o, m 2 1 Q - II sezon Rys. 4. Trendy zmian Q i Po dla budynków edukacyjnych uporządkowanych według roku ich budowy Tabela 2 Wybrane miary opisu statystycznego dla wielkości charakteryzujących budynki szkół Wybrane miary opisu statystycznego Wielkość x Wartość średnia x śr Odchylenie standardowe s (x) Granice typowości x typ Współczynnik zmienności V k (x) Współczynnik asymetrii A s (x) Kubatura V, m ,1%,7 Powierzchnia ogrzewana P o, m ,4%,86 Moduł powierzchniowy A/V, m -1,41,8,32 -,49 2,6%,4 Sezonowe zużycie ciepła Q, GJ/a (śr. dla 3 sezonów) 357, , ,71 Wartości uśrednione dla 3 sez. grzewczych Q/V, MJ/(m 3 a) (śr. dla 3 sezonów) 172,18 139,21-25,15 (119,6-225,93) (dla I sez.-dla III sez.) Wartości uśrednione dla 3 sez. grzewczych Q/P o, MJ/(m 2 a) (śr. dla 3 sezonów) 816,35 67,72-961,98 Wartości uśrednione dla 3 sez. grzewczych Moc szczytowa q, kw 492,68 263,98 228,7-756,66 53,6% -,1 q/v, kw/m 3 23,19 5,33 17,86-28,51 23,% -,57 q/p o, W/m 2 19,62 21,99 87,63-131,61 2,1% -,56

6 Tabela 3 Poddane analizie sezony grzewcze, uporządkowane chronologicznie Sezon grzewczy (oznaczenie umowne) Średnia dobowa temperatura na zewnątrz t e śr, C Czas trwania sezonu grzewczego, doba Stopniodni Sd, doba C Odniesienie do sezonu I, - I 3, , II 3, ,3 III 1, ,2 Tabela 4 Wybrane miary opisu statystycznego wielkości charakteryzujących budynki edukacyjnych i zużycie ciepła do ich ogrzewania Wielkość x Wartość średnia x śr Odchylenie stand. s (x) Wybrane miary opisu statystycznego Sezon grzewczy I Granice typowości x typ Wsp. zmienności V k (x) Wsp. asymetrii A s (x) Q, GJ/a 399, , , ,97 24,97%,58 Q/V, MJ/(m 3 a) 152,8 33,2 119,6-185,99 16,29%,36 Q/P o, MJ/(m 2 a) 728,38 168,3 56,35-896,41 13,2%,2 Sezon grzewczy II Q, GJ/a 3595, ,5 19, ,64 42,1%,56 Q/V, MJ/(m 3 a) 171,71 31,81 139,9-23,52 14,36%,44 Q/P o, MJ/(m 2 a) 811,68 128,8 682,88-94,48 1,73%,53 Sezon grzewczy III Q, GJ/a 417, ,61 294,3-5941,53 43,4%,65 Q/V, MJ/(m 3 a) 192,4 33,89 158,14-225,93 9,91%,25 Q/P o, MJ/(m 2 a) 98,99 14,7 768,92-149,6 11,27%,51 Moc szczytowa q, kw Moc q Kubatura Kubatura V, m Rys. 5. Trendy zmian q i V dla budynków edukacyjnych uporządkowanych według roku ich budowy

7 11 1 Moc szczytowa q, kw Moc q Powierzchnia ogrzewana P o Powierzchnia ogrzewana Po, m Rys. 6. Trendy zmian q i Po dla budynków edukacyjnych uporządkowanych według roku ich budowy Q - III sezon 1 Sez. zużycie ciepła Q, MJ/a Q - I sezon Moc q Moc szczytowa q, kw 1 Q - II sezon Rys. 7. Trendy zmian Q i q dla budynków edukacyjnych uporządkowanych rosnąco według roku ich budowy 3 Q / V - I sezon q / V Q/V - III 3 Wskaźnik (Q/V), MJ/(m3a) Q/V - II sezon Wskaźnik (q/v), W/m Rys. 8. Trendy zmian (Q/V) i (q/v) dla budynków edukacyjnych uporządkowanych rosnąco wg roku ich budowy

8 14 12 Q / P o - I sezon Q/P o - III Wskaźnik (Q/Po), MJ/(m2a) Q/P o - II sezon q / P o Wskaźnik (q/po), W/m Rys. 9. Trendy zmian (Q/PO) i (q/po) dla budynków edukacyjnych uporządkowanych rosnąco według roku ich budowy 4. INTERPRETACJA WYNIKÓW ANALIZY I PODSUMOWANIE Mając na uwadze zmianę warunków w kolejnych, porównywanych sezonach grzewczych zużycie ciepła do ogrzewania badanych budynków edukacyjnych powinno wykazywać tendencje rosnącą (rys. 3,4). Jednak dzieje się tak w około 7% analizowanych obiektów. Wydaje się to świadczyć o nieprawidłowościach w ogrzewaniu pozostałych 3% budynków. Może to być spowodowane pewnymi zamierzonymi lub przypadkowymi wydarzeniami (awaria, remont ogrzewania, itp.). W rozpatrywanym okresie nie zanotowano jednak żadnego z wymienionych zdarzeń, w skali mogącej wpłynąć znacząco na zużycie ciepła. Wynika stąd, że przyczyny zaobserwowanego zjawiska należy prawdopodobnie szukać w uchybieniach eksploa-tacyjnych w ogrzewanych szkołach. Z pewnością jest to sygnał do podjęcia działań mających na celu szczegółowe wyjaśnienie takiej sytuacji. Realizowanie powyższej procedury - od porównania wyników monitorowania, poprzez wyjaśnienie przyczyn, do zastosowania niezbędnych środków zaradczych - w dłuższym okresie umożliwią budowanie banku danych o możliwych przyczynach zniekształceń obrazu graficznego powstałego w wyniku monitorowania sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania rozpatrywanych obiektów. Na wykresach zaobserwowano zwiększone sezonowe zużycie ciepła Q do ogrzewania nowszych budynków edukacyjnych (rys. 3,4) pomimo przeciętnie mniejszej energochłonności ich ogrzewania (rys. 8, 9). Jest to spowodowane występującą z upływem czasu tendencją wznoszenia coraz większych obiektów tego typu, przy jednoczesnym stosowaniu rozwiązań coraz bardziej zmniejszających zużycie ciepła do ogrzewania. Te ostatnie powodowały - ilustrują to wykresy na Rys. 8 i 9 - niższy przeciętny poziom wartości wskaźników rzeczywistych (Q/V i Q/P O ) bazujących na wartościach Q i wskaźników teoretycznych (q/v i q/p O ) obliczonych z wykorzystaniem wartości mocy szczytowej q w poszczególnych obiektach. Przy okazji trzeba wspomnieć, że wykreślone dla wartości Q/P o (Rys. 9) krzywe charakteryzują się kształtem spłaszczonym w stosunku do kształtu trendów zmian wartości wskaźnika Q/V (Rys. 8)). Należy w tym miejscu pamiętać, że odnoszą one przecież wspomniane wartości do jednostki kubatury lub powierzchni ogrzewanej budynków, a nie do ich całkowitej wielkości.

9 Architektoniczno-budowlane ukształtowanie oraz wielkość (kubatura V rys. 3, 5) analizowanych budynków edukacyjnych są różne i powiązane z potrzebami cieplnymi ogrzewanych obiektów. Na zużycie ciepła wpływa jednak jeszcze wiele innych cech i to one uzyskują dominujący wpływ na energochłonność ogrzewania (rys. 3, 4 dominującą rolę odgrywają znaczne różnice w kubaturze V szkół). Zauważono również (rys. 3, 5), że pomimo zgodności trendów zmian wartości Q i q ze zmianami kubatury V, występują tutaj pewnego rodzaju różnice w omawianych tendencjach. Można je sformułować w następujący sposób - wzrostom i spadkom sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania towarzyszą odpowiadające im, ale większe, odchylenia wartości kubatury V (rys. 3) i mocy szczytowej q (rys. 5). Zjawisko to dotyczy przede wszystkim najmniejszych i największych budynków edukacyjnych. Z tym jednak, że dla najmniejszych obiektów powyższe sformułowanie odnosi się praktycznie tylko do kubatury. Zastosowanie skorygowania wartości Q, Q/V, Q/P o (przeliczniki w tabeli 3), mającego na celu teoretyczne upodobnienie i wyrównanie warunków w trzech rozpatrywanych sezonach grzewczych umożliwia umowne usunięcie wpływu tych warunków na energochłonność ogrzewania. W takim przypadku wzajemne ułożenie linii trendów zmian analizowanych wielkości jest dodatkowym źródłem informacji o ewentualnych zależnościach lub nieprawidłowościach. Sygnałem do ich występowania jest zbyt duży rozrzut linii trendu. W omawianym przypadku wzajemne położenie linii trendu dla sezonów I i II można uznać za prawidłowe (rys. 3, 4). Zauważono również występowanie rozbieżności pomiędzy realiami sezonu grzewczego (wartości obliczone na bazie rzeczywistego sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania Q), a teoretycznymi, obliczeniowymi przewidywaniami (wartości obliczona na bazie mocy szczytowej q) dla niektórych z budynków (rys. 8, 9). Analizując wykresy sporządzone dla wartości Q (rys. 3, 4) należy zwrócić także uwagę na poziom wartości Q w stosunku do ich typowego zakresu (tabela 4 i 2). W budynkach o przyporządkowanych umownych numerach 2, 15, 17, 18 stwierdzono przekroczenie górnej granicy typowości dla wartości Q przynajmniej dla III sezonu. Zjawisko to występuje pomimo iż obiekty te charakteryzują się przeciętnymi lub nawet stosunkowo dobrymi (w rozpatrywanej zbiorowości budynków edukacyjnych) wartościami wskaźników Q/V (rys. 8). Taki wynik jest następstwem faktu, że wspomniane budynki należą do większych (duże bezwzględne, a nie odniesione do jednostki kubatury lub powierzchni - zużycie ciepła Q - rys. 3, 4) wśród rozpatrywanej grupy obiektów. Mniej korzystne wartości Q/V występują w szkołach mniejszych, ale z uwagi na swoją mniejszą kubaturę zużywają one mniej ciepła Q do ogrzewania pomieszczeń. Przedstawiona propozycja analizy zużycia ciepła do ogrzewania oraz interpretacja jej wyników może posłużyć jako narzędzie w zarządzaniu energią w użytkowanych budynkach, wskazując jednocześnie możliwości racjonalizacji w tym zakresie zarówno dla całej zbiorowości, jak i indywidualnych obiektów.

10 LITERATURA [1] Lis P., Interpretacja zmian sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania budynków edukacyjnych. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja R. XXXVI(431): 26 nr 2, s [2] Lis P.: Skorygowane wskaźniki energetyczne w graficznej analizie zużycia ciepła do ogrzewania budynków edukacyjnych. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja R. XXXVII(432): 26 nr 3, s [3] Lis P., Nowak W.: Zużycie ciepła a obliczone zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynków edukacyjnych. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja R. XXXV(43): 26 nr 1, s [4] Lis P.: Zgodność teoretycznych i rzeczywistych warunków ogrzewania budynków edukacyjnych. W: Energia i Budynek nr 11/211, s [5] Mokrzycki E., Ney R., Siemek J.: Światowe zasoby surowców energetycznych - wnioski dla Polski. Rynek Energii nr 6/28 COMPARATIVE ANALYSIS OF SEASONAL ENERGY-CONSUMING FOR HEATING IN LOCAL EDUCATIONAL BUILDINGS GROUP Key words: energy-consuming for heating, heating seasons, educational buildings Summary. The paper presents the results of the research and analysis of changes of the seasonal energy-consuming for heating in 18 educational buildings (school) for three similar heating seasons. They are some fragment of the results of the statistical research included 5 school buildings in Czestochowa, which affect their thermal-energy parameters. The analysis of graphical course quantity, directly or indirectly associated with the consumption of heat for heating should be helpful in disclosing of existing the relationships and possibilities of interpretation. The presented proposal for analysis of energy consumption for heating and the interpretation of the results can be used as a tool for energy management in buildings used, indicating the possibility of rationalization in this area, for the whole community and individual objects. Piotr Lis - adiunkt w Samodzielnym Zakładzie Ogrzewnictwa, Wentylacji i Klimatyzacji, Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechniki Częstochowskiej, piolis@is.pcz.czest.pl