Modelowanie strat energii z budynku inwentarskiego

Transkrypt

1 PROBLEMY INŻYNIERII ROLNICZEJ PIR 2012 (VII IX): z. 3 (77) PROBLEMS OF AGRICULTURAL ENGINEERING s Wersja pdf: ISSN Wpłynęło r. Zrecenzowano r. Zaakceptowano r. Modelowane strat energ z budynku nwentarskego A koncepcja B zestawene danych C analzy statystyczne D nterpretacja wynków E przygotowane maszynopsu F przegląd lteratury Darusz SUSZANOWICZ ABCDE Unwersytet Opolsk, Samodzelna Katedra Inżyner Procesowej Streszczene W pracy przedstawono sporządzony model matematyczny strat energ z budynku nwentarskego. Model tak umożlw określene wymaganych parametrów termcznych przegród, systemów ogrzewana wykorzystujących odnawalne źródła energ oraz systemów wentylacj w budynkach nwentarskch, ze szczególnym uwzględnenem chlewn. Wynk symulacj, wykonanych za pomocą przygotowanego modelu, zweryfkowano, wyznaczając rzeczywste zapotrzebowane na energę dwóch stnejących chlewn. Model strat energ w sposób zadowalający odzwercedla zapotrzebowane na energę końcową. W przypadku projektowana budynku pozwala określć przyszłe zapotrzebowane na energę, a w przypadku budynków stnejących umożlwa planowane efektów przygotowywanej termomodernzacj. Słowa kluczowe: budownctwo wejske, modelowane, energochłonność, straty energ, wewnętrzne zysk cepła Wstęp Zgodne ze zmanam ustawy Prawo budowlane od początku 2009 r. wprowadzono obowązek sporządzana śwadectw charakterystyk energetycznej budynków meszkalnych. Ocena zapotrzebowana na energę dotyczy wszystkch budynków, w których znajdują sę nstalacje ogrzewana bądź chłodzena. Do budynków takch należą równeż budynk wejske, ze szczególnym uwzględnenem budynków nwentarskch. Wyznaczono nowe trendy projektowana budynków z uwzględnenem zapotrzebowana na neodnawalną energę perwotną oraz prowadzena prac termomodernzacyjnych budynków. Precyzyjne wyznaczene zapotrzebowana na energę do celów ogrzewana, wentylacj, przygotowana cepłej wody użytkowej oraz ośwetlena wbudowanego umożlwa określene zman mkroklmatu w pomeszczenach nwentarskch w każdym okrese roku, z uwzględnenem m.n. wpływu akumulacj ceplnej w przegrodach oraz w grunce pod posadzką. Instytut Technologczno-Przyrodnczy w Falentach, 2012

2 Darusz Suszanowcz Dotychczas prowadzone badana wykazały stotny wpływ warunków utrzymana zarówno na produktywność, jak na skład chemczny uzyskwanych tusz [BRUCE, CLARK 1979]. Tylko optymalny mkroklmat pomeszczeń nwentarskch, tj. właścwa temperatura, wlgotność, ośwetlene, odpowedn pozom zapylena oraz stężena CO 2, NH 3, H 2 S, mogą zapewnć dobrostan zwerząt. Mkroklmat chlewn kształtuje oddzaływane welu czynnków jednocześne, w tym: transportu cepła przez przegrody zewnętrzne (ścany, okna, strop, posadzkę), straty cepła przez wentylację, zysk cepła z promenowana słonecznego, wewnętrzne zysk cepła, wymanę wlgoc przez wentylację. Interakcja mędzy zwerzęcem otoczenem pownna uwzględnać równeż cepło metabolczne, powstające w organzme, które wyznacza wymaganą temperaturę powetrza w pomeszczenu wpływa na blans ceplny budynku [FANDREJEWSKI 1994]. Celem pracy było sporządzene modelu matematycznego strat energ z budynku nwentarskego. Model tak umożlw określene wymaganych parametrów termcznych przegród, systemów ogrzewana przygotowana cepłej wody użytkowej (z uwzględnenem wykorzystana odnawalnych źródeł energ, które powodują zmnejszene zapotrzebowana na energę ze źródeł neodnawalnych) oraz systemów wentylacj w budynkach nwentarskch, ze szczególnym uwzględnenem chlewn. Metody badań Zapotrzebowane na energę budynku nwentarskego to energa, którą należy doprowadzć do osłony ceplnej budynku, aby uzupełnć straty energ ceplnej z budynku oraz zaspokoć zapotrzebowane na energę urządzeń pomocnczych ośwetlena wbudowanego, pomnejszona o wewnętrzne zysk cepła, a także cepło pozyskwane z promenowana słonecznego [RECKNAGEL n. 2008]. Ogólny schemat blansu energetycznego budynku nwentarskego przedstawono na rysunku 1. Aby umożlwć porównywane różnych budynków nwentarskch, w równanach modelowych strat energ wyznacza sę jednostkowe zapotrzebowane na energę dla budynku, wyrażone w kwh (m 2 rok) 1. Do oblczeń należy przyjąć znormalzowane temperatury wewnątrz pomeszczeń budynku chlewn oraz temperaturę powetrza zewnętrznego, według danych klmatycznych ze stacj meteorologcznej najblższej lokalzacj budynku. Wykorzystując zależnośc określone w metodolog sporządzana śwadectw energetycznych budynków możlwe jest równeż określane zapotrzebowana na neodnawalną energę perwotną, co pozwala na wykazane efektywnośc zastosowana odnawalnych źródeł energ do celów grzewczych w budynkach wejskch [Rozporządzene MI ]. Na podstawe blansu energetycznego dla budynku nwentarskego (rys. 1), przygotowano model matematyczny, którego schemat blokowy przedstawono na rysunku ITP w Falentach; PIR 2012 (VII IX): z. 3 (77)

3 Modelowane strat energ z budynku nwentarskego przez wentylację by ventlaton przez przegrody zewnętrzne through external walls przez dach trough the roof przez ścany zewnętrzne through nternal parttons przez okna drzw through wndows and doors przez podłogę na grunce through the floor on ground BUDYNEK INWENTARSKI LIVESTOCK BUILDING Zapotrzebowane na energę urządzeń pomocnczych oraz ośwetlena wbudowanego Energy demand by auxlary devces and mounted lghtng Zysk cepła z promenowana słonecznego Heat ganed from solar radaton Wewnętrzne zysk cepła z urządzeń pracujących w budynku Internal gans of heat from devces nsde the buldng Wewnętrzne zysk cepła od zwerząt ludz przebywających w budynku Internal gans of heat from anmals and people nsde the buldng Źródło: opracowane własne. Source: own elaboraton. Rys. 1. Blans energetyczny budynku nwentarskego Fg. 1. Balance of energy n a lvestock buldng Poszczególne składnk blansu energ wyznaczono wg zależnośc: Q p [( A U ) + ( l ψ )] ΔT = (1) Q p straty cepła przez przenkane przez przegrody [W]; A pole powerzchn -tej przegrody, otaczającej przestrzeń o regulowanej temperaturze [m 2 ]; U współczynnk przenkana cepła -tej przegrody mędzy przestrzeną ogrzewaną stroną zewnętrzną [W (m 2 K) 1 ]; l długość -tego lnowego mostka ceplnego [m]; ψ lnowy współczynnk przenkana cepła mostka ceplnego [W (m K) 1 ]; ΔT różnca temperatury mędzy wnętrzem budynku a otoczenem [K]. Q w = ρ a c a V ΔT Q w straty cepła przez wentylację [W]; ρ a c a pojemność ceplna powetrza, 1200 [J (m 3 K) 1 ]; V uśrednony w czase strumeń powetrza wentylacyjnego [m 3 s 1 ]. w (2) ITP w Falentach; PIR 2012 (VII IX): z. 3 (77) 137

4 Darusz Suszanowcz Wskaźnk zapotrzebowana na energę perwotną E p Index of prmary energy demand E p Wskaźnk zapotrzebowana na energę końcową E k Index of fnal energy demand E k Cepło użytkowe do ogrzewana, wentylacj przygotowana cepłej wody użytkowej Q u Heat utlzed to heatng, ventlaton, heatng usable water Q u Zapotrzebowane na energę pomocnczą oraz energę na ośwetlene wbudowane Q d Demand of auxlary energy and energy for nstalled lghtng Q d przez przenkane przez przegrody Q p by penetraton through the parttons Q p przez wentylację Q w by ventlaton Q w Wewnętrzne zysk cepła Q zw Internal heat gans Q zw Zysk cepła z promenowana słonecznego Q s Heat gans from solar radaton Q s Dane klmatyczne, parametry konstrykcyjne budynku Clmatc records, buldng constructon parameters Kubatura budynku Cubc capacty of buldng Lczba oraz parametry nwentarza Number and parameters of the lvestock Powerzchna oraz parametry przegród przezroczystych Surface and parameters of transparent parttons Źródło: opracowane własne. Source: own elaboraton. Rys. 2. Schemat blokowy modelu matematycznego strat energ z budynku nwentarskego Fg. 2. Block-dagram of mathematcal model for energy losses n lvestock buldng q + q z, j L j (3) Qzw = Q zw wewnętrzne zysk cepła [W]; q średn zysk cepła z urządzeń zanstalowanych w budynku [W]; q z,j średna lość cepła wydzelana przez zwerzęta nwentarske [W szt. 1 ]; L j lczba zwerząt nwentarskch [szt.]. Qs = C A Is, g (4) Q s zysk cepła z promenowana słonecznego [W]; C udzał pola powerzchn płaszczyzny szklonej do całkowtego pola powerzchn okna [ ]; A pole powerzchn okna w śwetle otworu w przegrodze [m 2 ]; I s, wartość energ promenowana słonecznego w sezone ogrzewczym na płaszczyznę ponową lub dachu, w której usytuowane jest okno o powerzchn A [W m 2 ]; g współczynnk przepuszczalnośc energ promenowana słonecznego przez oszklene [ ]. 138 ITP w Falentach; PIR 2012 (VII IX): z. 3 (77)

5 Modelowane strat energ z budynku nwentarskego u th [( Q + Q ) η( Q Q )] Q = S + (5) p w Q u cepło użytkowe do ogrzewana, wentylacj przygotowana cepłej wody użytkowej [kwh rok 1 ]; S th stopnogodzny sezonu ogrzewczego, wg danych klmatycznych dla stacj meteorologcznej najblższej lokalzacj budynku [kh rok 1 ]; η sezonowy współczynnk efektywnośc wykorzystana zysków w trybe ogrzewana [ ]. zw s Q = q t + P t (6) d up Q d zapotrzebowane na energę pomocnczą energę na ośwetlene wbudowane [kwh rok 1 ]; q up zapotrzebowane mocy -tego urządzena pomocnczego [W]; P o moc opraw ośwetlena wbudowanego [W]; t czas użytkowana -tego urządzena pomocnczego lub ośwetlena [h rok 1 ]. E Q + Q o u d k = (7) Af E k wskaźnk zapotrzebowana na energę końcową [kwh (m 2 rok) 1 ]; A f powerzchna o regulowanej temperaturze [m 2 ]. E p ( w Qu + w Qd )/ Af = (8) E p wskaźnk zapotrzebowana na energę perwotną [kwh (m 2 rok) 1 ]; w współczynnk nakładu neodnawalnej energ perwotnej na wytworzene dostarczene nośnka energ do budynku [ ]. Wynk badań Sformułowany model matematyczny poddano weryfkacj, wyznaczając zapotrzebowane na energę dla dwóch stnejących obektów: obekt nr 1 chlewna macor w systeme bezścółkowym na 60 macor, o powerzchn użytkowej 379 m 2 ; obekt nr 2 chlewna dla 252 loch, o powerzchn użytkowej 1760 m 2. Wynk uzyskane drogą symulacj komputerowej z wykorzystanem przytoczonych wyżej równań modelu matematycznego porównano z rzeczywstym wartoścam zużyca energ dla analzowanych obektów. Zestawene wynków oblczeń (E c całkowte roczne zapotrzebowane na energę, E k wskaźnk zapotrzebowana na energę końcową, E p wskaźnk zapotrzebowana na energę perwotną), otrzymanych z wykorzystanem modelu za ITP w Falentach; PIR 2012 (VII IX): z. 3 (77) 139

6 Darusz Suszanowcz pomocą symulacj komputerowej (metoda 1) oraz wyznaczonych z rzeczywstego rocznego zużyca energ dla analzowanych budynków (metoda 2), przedstawono w tabel 1. Tabela 1. Zapotrzebowane na energę analzowanych budynków nwentarskch Table 1. Energy demand n analysed lvestock buldngs Nr obektu Object number E c [kwh rok 1 ] [kwh year 1 ] Metoda 1 Method 1 Metoda 2 Method 2 E k E p E c E k [kwh (m 2 rok) 1 ] [kwh (m 2 rok) 1 ] [kwh rok 1 ] [kwh (m 2 rok) 1 ] [kwh (m 2 year) 1 ] [kwh (m 2 year) 1 ] [kwh year 1 ] [kwh (m 2 year) 1 ] E p [kwh (m 2 rok) 1 ] [kwh (m 2 year) 1 ] ,44 78,36 93, ,06 81,14 97, ,80 294,28 105, ,00 302,70 116,41 Źródło: opracowane własne. Source: own elaboraton. Dyskusja wynków Jak wynka z oblczeń, obekt nr 2 charakteryzuje sę znaczne wększym zużycem energ końcowej wskaźnk zapotrzebowana na energę końcową E k wynos 294,28 kwh (m 2 rok) 1 (prawe 3-krotne węcej nż w obekce nr 1), jednak wększość zużywanej przez ten budynek energ pochodz ze źródeł odnawalnych (energa słoneczna, bomasa), stąd też wskaźnk zapotrzebowana na energę perwotną E p wynos jedyne 105,10 kwh (m 2 rok) 1, czyl neznaczne węcej nż w obekce nr 1. Wykorzystując wskaźnk zapotrzebowana na energę E k E p można porównywać budynk znaczne różnące sę zarówno powerzchną użytkową, jak całkowtym rocznym zapotrzebowanem na energę. Zapotrzebowane na energę analzowanych budynków, wyznaczone za pomocą równań modelowych, jest zgodne z wynkam uzyskanym w badanach emprycznych w przypadku wskaźnka E p dla obektu nr 1 w 95,62%, a dla obektu nr 2 w 91,29%, natomast w przypadku wskaźnka E k dla obektu nr 1 w 96,58%, a dla obektu nr 2 w 97,22%. Wnosk 1. Przeprowadzona weryfkacja potwerdza, że model jest adekwatny do rzeczywstośc, czyl właścwe opsuje straty energ z budynku nwentarskego. Zgodność wynków wskaźnków zapotrzebowana na energę, uzyskanych za pomocą modelu z wynkam badań emprycznych stnejących chlewn, osąga wartośc w zakrese 91,99 97,22%. 2. Zaproponowany model właścwe uwzględna wewnętrzne zysk cepła pochodzące od zwerząt przybywających w budynku oraz wymagane strumene powetrza wentylacyjnego. 3. Zaproponowany model strat energ z budynku nwentarskego umożlwa określane energochłonnośc budynku już na etape planowana nwestycj, co ułatwa wybór projektu budynku o jak najmnejszej energochłonnośc. Umożlwa równeż porównywane energochłonnośc różnych projektów budynków nwentarskch, nezależne od ch powerzchn użytkowej. 140 ITP w Falentach; PIR 2012 (VII IX): z. 3 (77)

7 Modelowane strat energ z budynku nwentarskego 4. Dla budynków stnejących zastosowane symulacj komputerowej z wykorzystanem równań modelowych umożlwa planowane efektów przygotowywanej termomodernzacj. Bblografa BRUCE J. M., CLARK J.J Models of the heat producton and crtcal temperature for growng pgs. Anmal Producton. Vol. 28 s FANDREJEWSKI H Energa w nowych normach żywena śwń. Przegląd Hodowlany. Nr 7 s RECKNAGEL H., SPRENGER E., SCHRAMEK E.R Kompendum wedzy: ogrzewnctwo, klmatyzacja, cepła woda, chłodnctwo. Wrocław. Wydawnctwo Omn Scala. ISBN ss Rozporządzene Mnstra Infrastruktury z dna 6 lstopada 2008 r. w sprawe metodolog oblczana charakterystyk energetycznej budynku lokalu meszkalnego lub częśc budynku stanowącej samodzelną całość technczno-użytkową oraz sposobu sporządzana wzorów śwadectw ch charakterystyk energetycznej. Dz.U Nr 201 poz Darusz Suszanowcz MODELLING OF ENERGY LOSSES IN THE LIVESTOCK BUILDINGS Summary Paper presents elaborated mathematcal model of energy losses n the lvestock buldng. The model enables to determne requred thermal parameters of the buldng structural elements, heatng systems wth applcaton of renewable energy sources and ventlaton systems n the lvestock buldngs the pggeres n partcular. The results of smulaton were verfed by real energy requrement n two exstng pggery buldngs. Model of energy losses satsfactorly reflects the fnal energy consumpton n a buldng. In the case of buldng s desgnng, model enables to determne expected energy demand, n case of exstng buldngs model s useful for plannng the thermo-modernzaton scope. Key words: farm lvestock buldngs, energy consumpton, energy losses, modellng, nternal heat gans Adres do korespondencj: dr nż. Darusz Suszanowcz Unwersytet Opolsk Samodzelna Katedra Inżyner Procesowej Wydzał Przyrodnczo-Technczny ul. Dmowskego 7-9, Opole tel ; e-mal: d.suszanowcz@un.opole.pl ITP w Falentach; PIR 2012 (VII IX): z. 3 (77) 141

8