Projektowanie systemów WKiCh (03)

Transkrypt

1 Projektowanie systemów WKiCh (03) Przykłady analizy projektowej dla budynku mieszkalnego bez chłodzenia i z chłodzeniem. Prof. dr hab. inż. Edward Szczechowiak Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Zakres Zasady projektowanie układów w powiązaniu z budynkiem: Zasady obliczeń zużycia energii Procedury obliczeniowe Przykład projektowy 2 1

2 Projektowanie budynków współczesnych 3 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 4 2

3 Zasady obliczeń projektowych (1) Bilanse energii budynków: Budynek i jego właściwości cieplne (straty, zyski ciepła), szczelność powietrzna PN-EN ISO Technika instalacyjna i jej efektywność (ogrzewanie, wentylacja, chłodzenie, ciepła woda, oświetlenie), Konwersja energii i jej pochodzenie (pierwotna, odnawialna). Rodzaje energii w ocenie budynków: Zapotrzebowanie energii użytkowej do ogrzewania (chłodzenia), Zapotrzebowanie energii końcowej (ciepło do ogrzewania, ciepłej wody, straty systemu dystrybucji, energia pomocnicza), Zapotrzebowanie energii pierwotnej (energia końcowa + nakłady na wyprodukowanie energii, transport i pozyskanie). Zasady bilansowania energii 5 Zasady obliczeń projektowych (2) Budynek jest traktowany jako system energetyczny Zintegrowana analiza trzech modułów Budynek i jego właściwości cieplne (izolacja termiczna, szczelność powietrzna, wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w zimie, ochrona przed promieniowaniem w lecie H tr, H ve (H ve1, H inf ) Technika instalacyjna odpowiedzialna za komfort cieplny i użytkowy oraz za oświetlenie (sprawność energetyczna, straty lub zyski ciepła, sprawność regulacji) Efektywne wyprodukowanie i dostarczenie energii do budynku Energia pierwotna nieodnawialna i odnawialna 6 3

4 Kierunki zmian - przepisy Rola energooszczędności w budownictwie: Budynki standardowe (EnEV 02, WT2008) Budynki energooszczędne (niskoenergetyczne), Budynki pasywne, Budynki zero energii dla ogrzewania. 7 Ocena energetyczna budynku (1) Obliczanie zapotrzebowania ciepła użytkowego do ogrzewania i wentylacji: Dla normatywnych warunków użytkowania (temp. 20 o C, profil użytkowania), W oparciu o dane klimatyczne z bazy danych klimatycznych dla najbliższej stacji klimatycznej, Obliczanie zapotrzebowania ciepła (chłodu) użytkowego do ogrzewania, chłodzenia i wentylacji: Dla normatywnych warunków użytkowania (temp. dla zimy i lata 20/25 o C, profil użytkowania), W oparciu o dane klimatyczne z bazy danych klimatycznych dla najbliższej stacji klimatycznej, Uwzględnia się wymianę ciepła ze środowiskiem zewnętrznym i z przylegającą niechłodzoną częścią budynku, W budynkach przemysłowych i magazynowych nie uwzględnia się ilości nieodnawialnej energii pierwotnej dostarczanej dla celów technologiczno-produkcyjnych. 8 4

5 Procedury obliczeniowe (1) wg rozporządzenia MI Kolejność obliczeń charakterystyki energetycznej Ogrzewanie i wentylacja: Współczynnik strat ciepła przez przenikanie - H tr, W/K Współczynnik strat ciepła na wentylację H ve, W/K Miesięczne straty ciepła przez przenikanie i wentylację Q tr, Q ve Zyski ciepła wewnętrzne Q int Zyski ciepła od słońca przez przegrody przeszklone Q sol Roczne zapotrzebowanie ciepła użytkowego Q H,nd Ustalenie parametrów instalacji grzewczej i wentylacyjnej (sprawność regulacji i wykorzystania ciepła - η H,g, straty sieci przewodów - η H,d i zbiorników akumulacyjnych ηh,s, źródła ciepła η H,g Obliczenie rocznego zapotrzebowania na energię końcową Q K,H Obliczenie rocznego zapotrzebowania na energię pomocniczą E el Obliczenie rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną Q P,H. 9 Procedury obliczeniowe (2) wg rozporządzenia MI Kolejność obliczeń charakterystyki energetycznej Chłodzenie i wentylacja: Współczynnik strat ciepła przez przenikanie - H tr, W/K Współczynnik strat ciepła na wentylację H ve, W/K Miesięczne straty (zyski) ciepła przez przenikanie i wentylację Q tr, Q ve Zyski ciepła wewnętrzne Q int Zyski ciepła od słońca przez przegrody przeszklone Q sol Roczne zapotrzebowanie chłodu użytkowego Q C,nd Ustalenie parametrów instalacji chłodzenia i wentylacyjnej (sprawność regulacji i wykorzystania ciepła - η C,g, straty sieci przewodów - η C,d i zbiorników akumulacyjnych η C,s, źródła chłodu ESEER Obliczenie rocznego zapotrzebowania na energię końcową Q K,C Obliczenie rocznego zapotrzebowania na energię pomocniczą E el Obliczenie rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną Q P,C. 10 5

6 Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 Wymagania ochrony cieplnej budynku w lecie: Maksymalne wartości przepuszczalności energii promieniowania słonecznego gdy udział szkła w przegrodzie jest mniejszy niż 50% g c = f c g G 0,5 gdy udział szkła w przegrodzie jest większy niż 50% g c f G 0,25 gdzie: f c współczynnik korekcyjny urządzeń przeciwsłonecznych, g G współczynnik przepuszczalności promieniowania całkowitego f G udział powierzchni przeszklonych w powierzchni ściany 11 Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 Wymagania szczelności powietrznej budynku (zalecenia): Budynek z wentylacja grawitacyjną n 50 3,0 h -1 Budynek z wentylacją mechaniczna n 50 1,5 h -1 Wymagania dla techniki instalacyjnej Izolacja termiczna przewodów i zbiorników akumulacyjnych układów grzewczych i ciepłej wody Izolacja termiczna przewodów wentylacyjnych i central wentylacyjnych Izolacja termiczna (zimnochronna) przewodów i zbiorników akumulacyjnych układów chłodzenia 12 6

7 Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 Wymagania dla central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych Odzyskiwanie ciepła z powietrza wywiewanego (2000 m3/h i min. 50% odzysk ciepła) Wskaźnik SFP (specific fan power) SFP [kw/(m 3 /s) SFP = (P sfm + P efm )/V max P sfm = (V sf Δp f )/η tot [W] V ef [m3/s] η tot = η f η tr η m η c f wentylator tr przekładnia m silnik elektryczny c - sterowanie Wentylator nawiewny: - Złożona instalacja klimatyzacji 1,60 kw/(m 3 /s) - Prosta instalacja wentylacji 1,20 Wentylator wywiewny: - Złożona instalacja klimatyzacji 1,00 - Prosta instalacja wentylacji 1,00 - Instalacja wywiewna 0,80 13 Przykład analizy projektowej budynku mieszkalnego 14 7

8 Przykład analizy projektowej (P1) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek wg WT2008 (P1): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 U SC = 0,3 W/(m 2 K) U STD = 0,25 W/(m 2 K) U POD = 0,45 W/(m 2 K) U OK = 1,7 W/(m 2 K) H tr = 110,9 + 11,09 = 121,99 W/K H tr = 121,99/121 =1,01 W/(m 2 K) 15 Przykład analizy projektowej (P1) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację Budynek (P1): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 A/V e = 0,7 n 50 = 3,0 h -1 e = 0,04 V ve1 = 90 m 3 /h V ve2 = 3,0 0, = 36,6 m 3 /h V ve = 126,6 m 3 /h H ve = 1200 ( ,6)/3600 = 42,2 W/K H ve = 42,2/121 = 0,35 W/(m 2 K) 16 8

9 Przykład analizy projektowej (P1) Wewnętrzna pojemność cieplna budynku Wyznaczenie stałej czasowej budynku (strefy budynku): Stałe materiałowe: 1. Żelbet 2500 kg/m J/(kgK) 2. Beton Cegła silikat Cegła szczelinowa Cegła pełna Budynek: A f = 121 m 2 V = 305 m 3 Stropy betonowe, ściany cegła szczelinowa C m /3600 = 9133,4 Wh/K C m = 9133,4/121 = 75,4 Wh/(m 2 K) 17 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry projektowe budynku Zapotrzebowanie ciepła użytkowego i czas ogrzewania przykład 1 Budynek mieszkalny: A f = 121 m 2 V = 305 m

10 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry obliczone budynku Zapotrzebowanie ciepła użytkowego i czas ogrzewania przykład 1 Budynek mieszkalny: A f = 121 m 2 V = 305 m 3 H tr = 121,99 W/K H ve = 42,2 W/K Q H,nd = 78,94 kwh/(m 2 rok) 19 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry obliczone budynku Zapotrzebowanie chłodu użytkowego i czas chłodzenia przykład 1 Budynek mieszkalny: A f = 121 m 2 V = 305 m 3 H tr = 121,99 W/K H ve = 42,2 W/K Q C,nd = 15,30 kwh/(m 2 rok) 20 10

11 Przykład analizy projektowej (P2) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek lepszy od WT2008 o 35% (P2): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 U SC = 0,2 W/(m 2 K) U STD = 0,15 W/(m 2 K) U POD = 0,30 W/(m 2 K) U OK = 1,3 W/(m 2 K) H tr = 76,42 + 7,64 = 84,06 W/K H tr = 84,06/121 =0,69 W/(m 2 K) 21 Przykład analizy projektowej (P2) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację Budynek (P2): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 A/V e = 0,7 n 50 = 3,0 h -1 e = 0,04 V ve1 = 90 m 3 /h V ve2 = 3,0 0, = 36,6 m 3 /h V ve = 126,6 m 3 /h H ve = 1200 ( ,6)/3600 = 42,2 W/K H ve = 42,2/121 = 0,35 W/(m 2 K) 22 11

14 Przykład analizy projektowej (P3) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek lepszy od WT2008 o 45% (P3): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 U SC = 0,2 W/(m 2 K) U STD = 0,15 W/(m 2 K) U POD = 0,30 W/(m 2 K) U OK = 0,8 W/(m 2 K) H tr = 65,40 + 6,54 = 71,94 W/K H tr = 71,94/121 =0,59 W/(m 2 K) 27 Przykład analizy projektowej (P3) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację Budynek (P3): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 A/V e = 0,7 n 50 = 3,0 h -1 e = 0,04 V ve1 = 90 m 3 /h V ve2 = 3,0 0, = 36,6 m 3 /h V ve = 126,6 m 3 /h H ve = 1200 ( ,6)/3600 = 42,2 W/K H ve = 42,2/121 = 0,35 W/(m 2 K) 28 14

17 Przykład analizy projektowej (P4) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek lepszy od WT2008 o 65% (P4): (energooszczędny NEH30) A f = 121 m 2 V = 305 m 3 U SC = 0,2 W/(m 2 K) U STD = 0,15 W/(m 2 K) U POD = 0,30 W/(m 2 K) U OK = 0,8 W/(m 2 K) H tr = 65,40 + 6,54 = 71,94 W/K H tr = 71,94/121 =0,59 W/(m 2 K) 33 Przykład analizy projektowej (P4) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację Budynek (P4): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 A/V e = 0,7 n 50 = 1,5h -1 e = 0,04 V ve1 = 120 m 3 /h V ve2 = 1,5 0, = 18,3 m 3 /h V ve = 138,3 m 3 /h H ve = 1200 ((1 0,65) ,3)/3600 = 20,1 W/K H ve = 20,1/121 = 0,17 W/(m 2 K) 34 17

20 Przykład analizy projektowej (P5) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek lepszy od WT2008 o 80% (P5): (energooszczędny pasywny PH15) A f = 121 m 2 V = 305 m 3 U SC = 0,15 W/(m 2 K) U STD = 0,15 W/(m 2 K) U POD = 0,25 W/(m 2 K) U OK = 0,8 W/(m 2 K) H tr = ,71 = 62,83 W/K H tr = 62,83/121 =0,52 W/(m 2 K) 39 Przykład analizy projektowej (P5) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację Budynek (P5): A f = 121 m 2 V = 305 m 3 A/V e = 0,7 n 50 = 0,6h -1 e = 0,04 V ve1 = 120 m 3 /h V ve2 = 0,6 0, = 7,32 m 3 /h V ve = 127,32 m 3 /h H ve = 1200 ((1 0,85) ,32)/3600 = 8,44 W/K H ve = 8,44/121 = 0,07 W/(m 2 K) 40 20

23 Metodologia obliczania (43) Ogrzewanie i wentylacja Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania i wentylacji Gdzie: 45 Metodologia obliczania (46) Ogrzewanie i wentylacja Wyznaczenie zapotrzebowania energii końcowej dla ogrzewania: Q H,nd = 15,23 kwh/(m 2 a) 78,9 kwh/(m 2 a) Sprawność regulacji i przekazania - 0,95 Sprawność transportu wody grzewczej - 0,96 Sprawność akumulacji w buforze brak bufora (1,00) Kocioł grzewczy kondensacyjny sprawność 0,99 Q H,K = 15,23/ (0,95 0,96 1,00 0,99) = 16,87 kwh/(m 2 a) 87,4 kwh/(m 2 a) Uwaga: W tym przypadku energia końcowa jest energią wytworzoną ze spalania gazu Energia pierwotna Q H,P = 16,87 1,1 = 18,6 kwh/(m 2 a) 96,1 kwh/(m 2 a) 46 23

24 Metodologia obliczania (47) Chłodzenie i wentylacja Wyznaczenie zapotrzebowania energii końcowej dla chłodzenia: Urządzenie chłodzące - SPLIT Q C,nd = 15,3 kwh/(m 2 a) Sprawność regulacji i przekazania - 0,95 Sprawność transportu czynnika chłodzącego 1,00 Sprawność akumulacji w buforze brak bufora (1,00) Klimatyzator SPLIT ESEER 3,20 Q C,K = 15,3/ (0,95 1,00 1,00 3,20) = 5,0 kwh/(m 2 a) Uwaga: W tym przypadku energia końcowa jest energią elektryczną z sieci systemowej gazu Energia pierwotna Q C,P = 5,0 3,00 = 15,0 kwh/(m 2 a) 47 Dziękuję za uwagę 48 24