Projektowanie systemów WKiCh (04)

Transkrypt

1 Projektowanie systemów WKiCh (04) Przykłady analizy projektowej dla budynku niemieszkalnego bez chłodzenia i z chłodzeniem. Prof. dr hab. inż. Edward Szczechowiak Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Zakres Zasady projektowanie systemów dla budynków niemieszkalnych: Zasady obliczeń zużycia energii Procedury obliczeniowe Przykład projektowy 2 1

2 Budynki niemieszkalne 3 Budynek pasywny biurowy - zasady 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 Procedury obliczeniowe (1) Ogrzewanie i wentylacja Bilans zintegrowany budynku (lokalu) Wpływ na bilans łącznie czterech oddziaływań: Q tr, Q ve, Q sol, Q int : Ważna jest dynamika cieplna budynku (bezwładność cieplna), Łączna ocena zapotrzebowania ciepła użytkowego dla ogrzewania i wentylacji Q H,nd Wpływ H tr = H tr,o + H tr,mc ; H ve = H ve,o + H ve,inf. 8 4

5 Fasada budynku jako element systemu energetycznego Wentylacja szczelność powietrzna a [m³/h m dapa² / ³] n 50 [h -1 ] cel: EP -> min Ogrzewanie współczynnik przenikania ciepła U [W/m²K] Chłodzenie współczynnik transmisji promieniowania słonecznego g [-] Oświetlenie współczynnik transmisji promieniowania widzialnego DF [-] 9 Fasada budynku jako element systemu energetycznego Zyski ciepła od nasłonecznienia przegród przezroczystych Przenikanie ciepła Q& ok, p qok, p A0 = U ok te tin ) = & ( A 0 U ok,p -współczynnik przenikania ciepła przez okno bez uwzględniania promieniowania słonecznego A 0 - powierzchnia okna w świetle muru t e - chwilowa temperatura powietrza zewnętrznego t in - temperatura powietrza w pomieszczeniu 10 5

6 Fasada budynku jako element systemu energetycznego Zyski ciepła od nasłonecznienia przegród przezroczystych Promieniowanie Q& ok, R = A I + ( A A ) I ] g [ s c,max g s r, max tot s A S -nasłoneczniona powierzchnia szkła w przegrodzie przeszkl. A g -całkowita powierzchnia szkła w przegrodzie przeszklonej I c - maksymalna wartość promieniowania całkowitego na szybę I r -maksymalna wartość promieniowania rozproszonego na szybę g tot -współczynnik przepuszczalności promieniowania przez szybę i urządzenia ochronne s - współczynnik akumulacji energii od promieniowania słonecznego w budynku 11 Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 Dz.U. Nr 201 poz z 6 listopada 2008r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie Budynek i jego instalacje ogrzewcze, wentylacyjne i klimatyzacyjne, ciepłej wody użytkowej, a w przypadku budynku użyteczności publicznej również oświetlenia wbudowanego, powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby ilość ciepła, chłodu i energii elektrycznej, potrzebnych do użytkowania budynku zgodnie z jego przeznaczeniem, można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie Budynek powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby ograniczyć ryzyko przegrzewania budynku w okresie letnim. 12 6

7 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 13 Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 Szczelność powietrzna fasady Dz.U. Nr 201 poz z 6 listopada 2008r W budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego i budynku użyteczności publicznej współczynnik infiltracji powietrza dla otwieranych okien i drzwi balkonowych powinien wynosić nie więcej niż 0,3 m³/h m dapa² / ³[ ] Zaleca się przeprowadzenie sprawdzenia szczelności powietrznej budynku. Wymagana szczelność wynosi: budynki z wentylacją grawitacyjną n 50 = 3,0 h -1 budynki z wentylacją mechaniczną n 50 = 1,5 h

8 Przenikanie ciepła Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 Dz.U. Nr 201 poz z 6 listopada 2008r Wartości współczynnika przenikania ciepła U okien, drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych nie mogą być większe niż wartości U max budynek użyteczności publicznej powierzchnie przezroczyste nieotwieralne (fasady) przy t i > 16 C 1,8 W/m 2 K 15 Parametry techniczne fasad Przenikanie ciepła PN-EN 13947:2008 metoda obliczania współczynnika przenikania ciepła ścian osłonowych składających się ze szkła i/lub nieprzeźroczystych paneli wyposażonych lub połączonych z ramami różne typy oszklenia, oszklenie pojedyncze lub wielokrotne nie/wyposażone w powłokę o niskiej emisyjności; z komorami wypełnionymi powietrzem lub innymi gazami ramy (z dowolnego materiału) z mostkami cieplnymi lub bez różne typy okładzin paneli nieprzeźroczystych z metalu, szkła, ceramiki i innych materiałów uwzględnienie wpływu mostków cieplnych przy profilach złączowych lub połączeniach pomiędzy powierzchnią oszklenia, ramy i panelu 16 8

9 Parametry techniczne fasad Promieniowanie słoneczne Dz.U. Nr 201 poz z 6 listopada 2008r współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna gdy szkło 50% powierzchni ściany g c = f c g G 0,5 g G -współczynnik przepuszczalności energii całkowitej dla rodzaju oszklenia f c -współczynnik korekcyjny redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne 17 Parametry techniczne fasad Promieniowanie słoneczne Dz.U. Nr 201 poz z 6 listopada 2008r współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna gdy szkło > 50% powierzchni ściany f c g G f G 0,25 g G -współczynnik przepuszczalności energii całkowitej dla rodzaju oszklenia f G -udział powierzchni okien oraz przegród szklanych i przezroczystych w powierzchni ściany 18 9

10 Parametry techniczne fasad Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej oszklenia Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej g G Przeszklenie pojedyncze 0,85 Przeszklenie podwójne ze szkła przezroczystego 0,65 0,80 Przeszklenie potrójne ze szkła przezroczystego 0,60 0,75 Pustaki szklane 0,60 Przeszklenie ze szkła przeciwsłonecznego 0,2 0,7 Szkło przeciwsłoneczne absorpcyjne 0,50 0,65 Szkło przeciwsłoneczne refleksyjne 0,30 0,60 Szkło absorpcyjne i przeciwsłoneczne 0,30 0,55 19 Parametry techniczne fasad Współczynnik korekcyjny redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne typ zasłon optyka f c A P IN OUT 0,05 0,25 0,10 białe żaluzje o 0,1 0,1 0,30 0,15 lamelach nastawnych 0,3 0,45 0,35 0,5 0,65 0,55 zasłony białe 0,1 0,7 0,80 0,75 0,9 0,95 0,95 0,1 0,42 0,17 tkaniny kolorowe 0,3 0,3 0,57 0,37 0,5 0,77 0,57 tkaniny z powłoką alu 0,2 0,05 0,20 0,08 współczynniki: A - absorpcji, P - przepuszczalności 20 10

11 Parametry techniczne fasad Właściwości szyb przeciwsłonecznych i energooszczędnych Grupa Przeciwsłoneczne bez istotnych właściwości izolacyjnych Rodzaj jednobarwne z warstwą refleksyjną tlenku z warstwą refleksyjną i absorpcyjną tlenku z nieselektywną warstwą metalu Właściwości absorpcja promieniowania słonecznego ca. 50% przenikania i 50% refleksja ca. 30% refleksja, 30% absorpcja i 30-40% przenikanie przeważa absorpcja, znikoma refleksja 21 Parametry techniczne fasad Właściwości szyb przeciwsłonecznych i energooszczędnych Grupa Energooszczędne Rodzaj z warstwą metalu z warstwą tlenku Właściwości wysoka refleksja refleksja, absorpcja 22 11

12 Parametry techniczne fasad Właściwości szyb przeciwsłonecznych i energooszczędnych Grupa Przeciwsłoneczne i energooszczędne Rodzaj z warstwą Au, Ag lub Cu Właściwości wysoka refleksja, niski współczynnik całkowitej przepuszczalności promieniowania 23 Parametry techniczne fasad Właściwości szyb przeciwsłonecznych i energooszczędnych Budowa wysokoefektywnej szyby zespolonej: 2 lub 3 szyby (absorbcyjność) powłoka niskoemisyjna ciepłe ramki dystansowe uszczelnienia wypełnienie gazami szlachetnymi 24 12

13 Parametry techniczne fasad Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna 25 Parametry techniczne fasad Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna 26 13

14 Parametry techniczne fasad Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna System OkaSolar specjalnie kształtowane żaluzje o powłoce refleksyjnej Sezon letni Sezon zimowy 27 Parametry techniczne fasad Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna Półki świetlne południowe fasady przy silnym nasłonecznieniu Sezon letni Sezon zimowy 28 14

15 Parametry techniczne fasad Południowe fasady przy silnym nasłonecznieniu - daszki 29 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 30 15

16 Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 Wymagania dla central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych Odzyskiwanie ciepła z powietrza wywiewanego (2000 m 3 /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 31 Przykład analizy projektowej budynku biurowego Charakterystyka energetyczna 32 16

17 Przykład analizy projektowej budynku biurowego Budynek spełniający wymagania WT2008 WARIANT P1 EU H = 56 kwh/(m 2 rok) 33 Przykład analizy projektowej (P1) Dane o budynku 34 17

18 Przykład analizy projektowej (P1) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek wg WT2008 (P1): A f = 1950 m 2 ; V = 7128 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 = 1,8 W/(m 2 K) Udział okien w pow. ścian 40% H tr,o = 1672,8 W/K H tr,mc = 250,9 W/K 35 Przykład analizy projektowej (P1) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację 36 18

19 Przykład analizy projektowej (P1) Straty ciepła przez wentylację Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację 37 Przykład analizy projektowej (P1) Wewnętrzna pojemność cieplna budynku Wyznaczenie pojemności cieplnej budynku (strefy budynku): Stałe materiałowe: 1. Żelbet 2500 kg/m J/(kgK) 2. Beton Cegła silikat Cegła szczelinowa Cegła pełna Budynek: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 Stropy betonowe, ściany cegła SILKA + przeszklenie Grubość czynna max. 10 cm C m /3600 = Wh/K C m = /1950 = 115,0 Wh/(m 2 K) 38 19

20 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry projektowe budynku Zapotrzebowanie ciepła użytkowego i czas ogrzewania Budynek biurowy: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 39 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry projektowe budynku Zapotrzebowanie ciepła użytkowego i czas ogrzewania Budynek biurowy: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m

21 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry obliczone budynku Zapotrzebowanie ciepła użytkowego i czas ogrzewania Budynek biurowy: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 ; H tr = 1923,70 W/K; H ve = 566,09 W/K Q H,nd = 55,70 kwh/(m 2 rok) 41 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry obliczone budynku Zapotrzebowanie chłodu użytkowego i czas chłodzenia Budynek biurowy: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 ; H tr = 1923,70 W/K; H ve = 566,09 W/K Q C,nd = 35,36 kwh/(m 2 rok) 42 21

22 Przykład analizy projektowej (P1) Energia końcowa Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania i wentylacji Gdzie: 43 Przykład analizy projektowej (P1) Energia końcowa Wyznaczenie zapotrzebowania na energię końcową dla ogrzewania i wentylacji: Kocioł grzewczy z zamkniętą komorą spalania sprawność 0,93 Q H,nd = 55,70 kwh/(m 2 rok) Sprawność regulacji i przekazania - 0,93 Sprawność akumulacji w buforze brak bufora (1,00) Sprawność transportu wody grzewczej - 0,90 Q K,H = 55,70/ (0,93 0,90 1,00 0,93) = 71,55 kwh/(m 2 a) Uwaga: W tym przypadku energia końcowa jest energią wytworzoną ze spalania gazu 44 22

23 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry obliczone budynku Zapotrzebowanie nieodnawialnej energii pierwotnej: ogrzewanie i wentylacje, chłodzenie, ciepła woda Budynek biurowy: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 ; H tr = 1923,70 W/K; H ve = 566,09 W/K 45 Przykład analizy projektowej (P1) Parametry obliczone budynku Zapotrzebowanie nieodnawialnej energii pierwotnej: ogrzewanie i wentylacje, chłodzenie, ciepła woda Budynek biurowy: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 ; H tr = 1923,70 W/K; H ve = 566,09 W/K EP HC+W = 143,60 kwh/(m 2 rok); EP WT2008 = 144,44 kwh/(m 2 rok) 46 23

24 Przykład analizy projektowej budynku biurowego Budynek o 25% lepszy niż WT2008 WARIANT P2 EU H = 30 kwh/(m 2 rok) 47 Przykład analizy projektowej (P2) Dane o budynku 48 24

25 Przykład analizy projektowej (P2) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek o 25% lepiej niż WT2008 (P2): A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 U SC = 0,25 W/(m 2 K) U STD = 0,20 W/(m 2 K) U POD = 0,40 W/(m 2 K) U OK = 1,3 W/(m 2 K) Udział okien w pow. ścian 40% H tr,o = 1270,7 W/K H tr,mc = 105,0 W/K 49 Przykład analizy projektowej (P2) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację 50 25

30 Przykład analizy projektowej budynku biurowego Budynek o 54% lepszy niż WT2008 WARIANT P3 EU H = 15 kwh/(m 2 rok) 59 Przykład analizy projektowej (P3) Dane o budynku 60 30

31 Przykład analizy projektowej (P3) Straty ciepła przez przenikanie Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Budynek o 50% lepiej niż WT2008 (P3): A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 U SC = 0,20 W/(m 2 K) U STD = 0,20 W/(m 2 K) U POD = 0,30 W/(m 2 K) U OK = 0,9 W/(m 2 K) Udział okien w pow. ścian 40% H tr,o = 938,8 W/K H tr,mc = 80,0 W/K 61 Przykład analizy projektowej (P3) Straty ciepła wentylacji Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację 62 31

36 Przykład analizy projektowej budynku biurowego Budynek o 70% lepszy niż WT2008 WARIANT P4 EU H = 15 kwh/(m 2 rok) Zmiana źródła ciepła/chłodu Strop chłodząco-grzejny (uaktywniony termicznie) 71 Przykład analizy projektowej (P4) Dane o budynku 72 36

37 Przykład analizy projektowej (P4) Budynek o 70% lepszy niż wg WT2008 (P4): A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 Dane podstawowe jak w przykładzie P3 U SC = 0,20 W/(m 2 K) U STD = 0,20 W/(m 2 K) U POD = 0,30 W/(m 2 K) U OK = 0,9 W/(m 2 K) Udział okien w pow. ścian 40% H tr,o = 938,8 W/K H tr,mc = 80,0 W/K 73 Przykład analizy projektowej (P4) Wewnętrzna pojemność cieplna budynku Wyznaczenie pojemności cieplnej budynku (strefy budynku): Stałe materiałowe: 1. Żelbet 2500 kg/m J/(kgK) 2. Beton Cegła silikat Cegła szczelinowa Cegła pełna Budynek: A f = 1950 m 2 ; V = 7128 m 3 Stropy betonowe, ściany cegła SILKA + przeszklenie Grubość czynna max. 10 cm C m /3600 = Wh/K C m = /1950 = 115,0 Wh/(m 2 K) 74 37

41 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) największy na świecie pow m2 Inwestor: GAG Ludwigshafen 81 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) największy na świecie pow m2 Widok od strony zachodniej Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia użytkowa: m2 Powierzchnia do wynajęcia (ogrzewana): 9875 m2 Liczba osób: 550 Ściany: U = 0,124 W/(m2K); 20 cm PST Std: U = 0,131 W/(m2K); 30 cm PST Płyta denna: U = 0,254 W/(m2K); 16 cm PST Okna: U = 0,824 W/(m2K); 3 szyby n50 = 0,125 h-1 (dop. 0,60) 82 41

42 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) 83 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) 84 42

44 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Parametry energetyczne Dane techniczne Powierzchnia ogrzewana: m² Roczne zużycie ciepła grzewczego: <15 kwh/(m² a); wg PHPP ~ <12 kwh/(m² a); wg EnEV 02 Moc grzewcza jednostkowa: ca. 12 W/m² Moc grzewcza grzejna pomp ciepła: 120 kw Moc chłodnicza jednostkowa: ca. 14 W/m² Moc chłodnicza: 120 kw Natężenie przepływu wody wykorzystanie ciepła geotermalnego: ca. 110 m³/h 87 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) 88 44

45 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia użytkowa: m 2 Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m 2 Liczba osób: 550 Technika: Wentylacja zdecentralizowana m 3 /h Odzysk ciepła 80% Obciążenie grzewcze 12 W/m 2 Obciążenie chłodnicze średnie 14 W/m 2 Widok elewacji z otworami instalacji wentylacji (czerpnie i wyrzutnie) 89 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) 90 45

47 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) Inwestor: GAG Ludwigshafen Powierzchnia użytkowa: m 2 Powierzchnia do wynajęcia.: 9875 m 2 Liczba osób: 550 E. Szczechowiak i Arch. W. Braun na tle certyfikatu PH w hallu wejściowym Technika: Ogrzewanie/chłodzenie stropy aktywne Pompy ciepła: 3 x VITOCAL 300 3x43 kw Sondy pionowe: 39 szt. głębokość 95 m. Kolektory fotowoltaiczne: 512 m 2 69 kwe (63900 kwh) Q H = 15 kwh/(m 2 a) Q P = 1 kwh/(m 2 a); E CO2 = 1,2 kg/(m 2 a) 93 Budynek biurowy LU-TECO w standardzie PH Ludwigshafen (2006) 94 47

48 Zrównoważone budynki biurowe PH biurowy Lamparter/Weilheim D (2000) PH biurowy ENERGON - D (2002) 30 St Mary Axe (Swiss Re Building) London - GB (2004) First Sustainable Tall Building (40 pięter) 95 Dziękuję za uwagę 96 48