Krzysztof KASPERKIEWICZ Instytut Techniki Budowlanej OCENA POTRZEB CIEPLNYCH BUDYNKU NA PODSTAWIE MONITORINGU DOSTARCZANEJ ENERGII Rzeczywiste zużycie ciepła do ogrzewania budynków mieszkalnych zwykle różni się od przewidywanego. Podstawową przyczyną takiej sytuacji jest inny sposób użytkowania budynków niż zakładano w obliczeniach. W związku z tym w Normach Europejskich zaleca się wykorzystywanie w procedurze oceny energetycznej istniejącego budynku informacji uzyskanych z pomiarów zużycia energii w budynku. W referacie opisano metodę oceny rzeczywistego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania istniejących budynków mieszkalnych na podstawie monitoringu dostawy ciepła z sieci ciepłowniczej do budynku 1. WPROWADZENIE Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania istniejącego budynku określić można dwoma metodami [1]: na podstawie obliczeń wykonywanych przy założeniu znormalizowanych warunków użytkowania budynku i klimatu zewnętrznego, na podstawie pomiarów ilości ciepła rzeczywiście dostarczonego do instalacji ogrzewczej budynku. W stosowanej dotychczas metodzie oceny energetycznej przedsięwzięć termomodernizacyjnych stosowana jest pierwsza metoda [2]. Wynika to między innymi z faktu, że metoda ta została opracowana w okresie, kiedy budynki zasilane w ciepło z sieci ciepłowniczych, stanowiące najliczniejszą grupę budynków mieszkalnych wielorodzinnych, nie były wyposażone w urządzenia do pomiaru ilości dostarczanego ciepła. Obecnie sytuacja ta uległa zmianie, praktycznie we wszystkich budynkach
przyłączonych do sieci ciepłowniczych ilość ciepła dostarczanego do budynku jest mierzona. Umożliwia to zastosowanie zaleceń podawanych w normach europejskich dotyczących zapotrzebowania na energię do ogrzewania [3], [4], według których zużycie energii w istniejącym budynku powinno się oceniać na podstawie zapisanych danych, rachunków energetycznych lub pomiarów. Rzeczywiste zużycie cierpła w istniejących budynkach różni się od przewidywanego z następujących powodów: 1. innej niż założona w obliczeniach intensywności wentylacji pomieszczeń i temperatury wewnętrznej, 2. przerw w dostawie ciepła z węzła ciepłowniczego do budynku spowodowana awariami w sieci ciepłowniczej lub instalacji wewnętrznej albo zabiegami związanymi z konserwacją instalacji wewnętrznej np. płukaniem instalacji. Przyczyny wymienione w pierwszym punkcie, które przede wszystkim kształtują rzeczywiste zużycie ciepła do ogrzewania, występują we wszystkich budynkach, w których dostawa ciepła do budynku na cele ogrzewania odbywa się w zależności od temperatury zewnętrznej. Według ostatnio przeprowadzonych analiz, intensywność wentylacji mieszkań, jaką może zapewnić instalacja ogrzewcza bez obniżenia temperatury wewnętrznej, zależy od temperatury zewnętrznej - im niższa jest ta temperatura, tym mniejsza jest krotność wymiany powietrza w mieszkaniu [5]. Ponadto oszczędzanie ciepła przez ograniczenie intensywności wentylacji pomieszczeń jest obecnie stałą praktyką stosowaną w budynkach z indywidualnym rozliczaniem kosztów ogrzewania i instalacją ogrzewczą wyposażoną w termostatyczne zawory grzejnikowe. Obniżanie temperatury wewnętrznej jest akceptowane w znacznie mniejszym stopniu niż ograniczanie wentylacji, a w dużej części mieszkań utrzymywana jest temperatura wewnętrzna wyższa od zakładanej w obliczeniach, również kosztem ograniczenia intensywności wentylacji. Obniżenie temperatury wewnętrznej najczęściej stosowane jest w mieszkaniach niezamieszkałych i w czasie dłuższej nieobecności mieszkańców np. weekend, urlop. 2. CEL, ZASADY ORAZ WYNIKI MONITORINGU ENERGETYCZNEGO Celem monitoringu energetycznego jest określenie ilości energii dostarczanej do budynku w określonym okresie, zazwyczaj roku lub sezonu ogrzewczego.
Zasady przeprowadzania monitoringu energetycznego budynku określone zostały w załączniku informacyjnym G do pren 15203:2005 [6]. Polega on na pomiarze i rejestracji wielkości fizycznych, wykonywanych jednolitą metodą, przy użyciu specjalistycznej aparatury, pozwalających określić ilość energii elektrycznej, ciepła i/lub nośnika energii (gaz, olej opałowy, węgiel) dostarczanych do budynku w określonych przedziałach czasowych. Zalecana długość tych przedziałów wynosi od 1 godz., w przypadku automatycznej rejestracji dostarczanej energii, do 1 tygodnia przy ręcznym zapisywaniu odczytów z liczników. W takich samych przedziałach czasowych określa się wartości średniej temperatury zewnętrznej. Do oceny energetycznej budynku monitoring dostarczanej energii należy prowadzić w okresie kilku miesięcy (co najmniej dwóch). W poszczególnych okresach pomiarowych obliczana jest średnia moc dostarczana do budynku odpowiadająca średniej temperaturze zewnętrznej w danym okresie. Zależność tych dwu wielkości P = f ( e ) przedstawiana jest na wykresie nazywanym energetyczną sygnaturą budynku [6] (rys.1). Rys.1 Ocena zapotrzebowania na moc cieplną dostarczaną do budynku na potrzeby ogrzewania i podgrzewania wody na podstawie pomiarów ciepła dostarczonego do budynku [6] Fig.1 The assessment of the heat load demand for heating and domestic hot water on the basis of the metered amount of heat delivered to the building [6] Zgodnie z postanowieniami Dyrektywy EPBD [7], jakość energetyczną budynku mieszkalnego charakteryzuje ilość energii dostarczanej do niego na cele ogrzewania i podgrzewania wody, w związku z czym na wykresie sygnatury energetycznej przedstawiana jest łączna moc cieplna zużywana na obydwa cele. Przy przyjęciu szeregu założeń upraszczających, takich jak liniowa zależność mocy cieplnej instalacji ogrzewczej
od temperatury zewnętrznej, stałego zużycia ciepłej wody oraz stałej temperatury wody zimnej w ciągu całego roku, sygnaturę energetyczną tworzą dwie linie proste: nachylona do osi temperatury, reprezentującej moc potrzebną do ogrzewania budynku i podgrzewania wody w czasie sezonu ogrzewczego, oraz równoległa do tej osi, reprezentującej moc wymaganą do podgrzania wody poza sezonem ogrzewczym. Obie proste łączą się w punkcie określonym przez graniczną temperaturę zewnętrzną dla ogrzewania - L. 3. OBLICZANIE ZUŻYCIA CIEPŁA DOSTARCZANEGO DO BUDYNKU Z SIECI CIEPŁOWNICZEJ NA JEGO OGRZEWANIE W STANDARDOWYM SEZONIE OGRZEWCZYM W polskich warunkach klimatycznych ciepło zużywane do ogrzewania pomieszczeń stanowi podstawową pozycję w bilansie energetycznym budynku, przez co w znaczący sposób wpływa na koszty jego eksploatacji. Od dokładności oceny zużycia ilości tego ciepła w budynku w stanie istniejącym zależy w dużej mierze, czy zakładane w projekcie termomodernizacji efekty energetyczne i ekonomiczne zostaną osiągnięte. Monitoring zużycia ciepła na cele ogrzewcze wymaga wydzielenia z ogólnej ilości ciepła dostarczanego do budynku ciepła służącego do jego ogrzewania. Sposób jego przeprowadzenia zależy od wyposażenia węzła ciepłowniczego w urządzenia pomiaroworozliczeniowe. Ze względu na to, że ceny ciepła i mocy cieplnej dostarczanych z sieci ciepłowniczej są takie same, niezależnie od tego, do jakiego celu ciepło to jest wykorzystywane, do rozliczenia kosztów dostawy ciepła z przedsiębiorstwem ciepłowniczym wystarczy zliczanie całkowitej ilości ciepła dostarczanego do budynku. W związku z tym, do czasu ostatniej nowelizacji rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie w 2002 r. [8], w typowym węźle ciepłowniczym instalowane były następujące liczniki służą do rozliczeń między administracją budynku a użytkownikami mieszkań: ciepłomierz zliczający ilość ciepła dostarczanego do budynku i wodomierz zliczające zużycie ciepłej wody. W takiej sytuacji zużycie ciepła na ogrzewanie budynku Q o i w dowolnym przedziale czasowym t i oblicza się jako różnicę z zależności: o i c i i p Q Q V c t t (1) cwi wz i gdzie: Q ci - ilość ciepła dostarczonego do budynku w przedziale czasowym t i,
V i - ilość podgrzanej wody jw., t cw i, t wz i - średnia temperatura odpowiednio ciepłej i zimnej wody, jw., - gęstość wody odpowiadająca średniej temperaturze wody w wymienniku ciepła, c p - ciepło właściwe wody w warunkach jw. Należy zaznaczyć, że tak obliczane ciepło na ogrzewanie budynku obejmuje nie tylko ciepło przekazane do środowiska wewnętrznego przez instalacje ogrzewczą, lecz także zyski ciepła od instalacji cyrkulacji ciepłej wody. Wielkości Q c i oraz t wz i zależą od temperatury zewnętrznej, temperatura t cw i zależy od jakości regulacji ciepłej wody w wymienniku II stopnia c.w., a zużycie ciepłej wody V i kształtowane jest przez użytkowników mieszkań. W nowych budynkach mieszkalnych, wznoszonych po 2002 r., wymagane jest instalowanie oddzielnych ciepłomierzy do pomiaru ilości ciepła dostarczanego do instalacji ogrzewczej budynku i zużywanego do przygotowania ciepłej wody [8], co wziąwszy pod uwagę konieczność uwzględnienia w bilansie cieplnym strat ciepła instalacji cyrkulacyjnej c.w. nie upraszcza obliczeń Q oi. Średnią moc cieplną do ogrzewania budynku w poszczególnych okresach pomiarowych oblicza się dzieląc ilość ciepła obliczonego ze wzoru (1) przez czas trwania okresu pomiarowego. Ze względu na to, że w Polsce brak jest dokumentu krajowego określającego explicite długość sezonu ogrzewczego i średnią temperaturę zewnętrzną w tym okresie w odniesieniu do poszczególnych miast lub regionów (PN - 66/B-021419 [9], na podstawie której ww. wielkości można było określić została unieważniona wiele lat temu), zużycie ciepła do ogrzewania w standardowym sezonie ogrzewczym oblicza się ze wzoru: Q P 24 d (2) o a gdzie: P co śr k d k k co śr k k - moc cieplna instalacji centralnego ogrzewania odpowiadająca średniej temperaturze zewnętrznej w k-tym miesiącu sezonu ogrzewczego e śr k, wg PN-B-02025:2001 [10], - liczba dni w k-tym miesiącu sezonu ogrzewczego uwzględniana w obliczeniach sezonowego zapotrzebowania na ciepło, wg [10].
3. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA METODY 3.1. Opis obiektu Monitoring energetyczny przeprowadzono w zlokalizowanym w Warszawie XVIII piętrowym budynku mieszkalnym oddanym do użytkowania w 1973 r. Budynek ten wykonany został w technologii monolitycznej żelbetowej, a jego łączna kubatura wynosi 28500 m 3. Budynek jest zasilany w ciepło z miejskiej sieci ciepłowniczej, a w węźle ciepłowniczym zainstalowany jest ciepłomierz zliczający ilość ciepła dostarczanego do budynku. O wyborze tego właśnie budynku do przeprowadzenia monitoringu zużycia ciepła na ogrzewanie zdecydował fakt, że od 1995 r., czyli od czasu zmiany taryfy ryczałtowej opłaty za ciepło na dwuczłonową, prowadzona była w nim rejestracja dostawy ciepła z sieci ciepłowniczej oraz istnieje dokumentacja dotycząca poszczególnych etapów termomodernizacji budynku, w ramach której węzeł ciepłowniczy i instalacja ogrzewcza wyposażone zostały w urządzenia do automatycznej regulacji dostawy ciepła, zainstalowano podzielniki kosztów ogrzewania oraz docieplono ściany zewnętrzne [11]. 3.2. Przebieg i wyniki monitoringu Monitoring energetyczny budynku przeprowadzono w okresie 4.02 23.04.2004 r. z dziennym przedziałem czasowym odczytów wskazań liczników ciepła oraz temperatury wody. Na rysunku 2 pokazano zależność mocy cieplnej do ogrzewania od temperatury zewnętrznej uzyskanej metodą aproksymacji liniowej średnich w okresach pomiarowych wartości mocy cieplnych P oi instalacji ogrzewczej. Uzyskano następującą zależność mocy cieplnej od temperatury zewnętrznej: P o, 82 8, 172 4404 (3) e Współczynnik korelacji wartości P oi z wartościami obliczonymi wg równania (3) jest równy 0,9467. Obliczone ze wzorów (2) i (3) zużycie energii do ogrzewania w standardowym sezonie ogrzewczym budynku wynosi 2909,8 GJ, a średnie zużycie ciepła do ogrzewania z ostatnich pięciu kolejnych sezonach ogrzewczych, obliczone wg [6] jest równe 2898,7 GJ, czyli jest bardzo zbliżone do oszacowania uzyskanego metodą monitoringu energetycznego, co świadczy o dokładności proponowanej metody.
250 200 Moc kw 150 100 50 0-10 -5 0 5 10 15 20 Temperatura zewnętrzna o C Rys. 2. Aproksymacja wyników monitoringu mocy cieplnej na cele ogrzewcze Fig.2. Approximation the results of the monitoring the heat load for heating 4. PODSUMOWANIE Opracowano metodę określania sezonowego zużycia ciepła do ogrzewania istniejących budynków, opartą na monitoringu dostawy ciepła do budynku oraz temperatury zewnętrznej w krótkich przedziałach czasowych. Krótki czas monitoringu jest istotną zaletą tej metody, ponieważ już po jednym sezonie ogrzewczym można ocenić rzeczywiste efekty energetyczne działań termomodernizacyjnych przeprowadzonych w okresie poprzedzającym ten sezon. Warunkiem zastosowania omawianej metody jest możliwość dokładnego pomiaru dostarczanego ciepła lub nośnika energii (np. gazu) w wybranych przedziałach czasowych i z tego powodu przeznaczona jest ona dla budynków ogrzewanych z sieci ciepłowniczej, kotłowni gazowej lub energią elektryczną. Metodę tę można stosować ponadto do certyfikacji energetycznej budynków, szczególnie w przypadkach, kiedy: nie są znane charakterystyki cieplne poszczególnych elementów obudowy budynku - głównie okien wymienianych indywidualnie przez mieszkańców, sposób użytkowania budynku, np. z powodu mniejszej liczby mieszkańców, różni się od przyjmowanego w obliczeniach zapotrzebowania na ciepło. 5. LITERATURA 1. pren 15217 Energy performance of buildings - Methods for expressing energy performance and for energy certification of buildings. March 2005
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 15.01 2002 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego (Dz. U. Nr 12/02, poz. 114) 3. PN-EN 832:2001 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania. Budynki mieszkalne 4. EN ISO 13790:2004 Thermal performance of buildings - Calculation of energy use for space heating 5. Kasperkiewicz K.: Metoda oceny wentylacji mieszkań w budynkach przed i po termomodernizacji. Prace ITB nr 1(137) 2006 6. pren 15203 Energy performance of buildings - Assessment of energy use and definitions of ratings. March 2005 7. Dyrektywa Energy Performance of Buildings 8. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75/02, poz. 690) 9. PN-66/B-02419 Centralne ogrzewanie. Obliczanie zapotrzebowania paliwa do ogrzewania budynków (unieważniona) 10. PN-B-02025:2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego 11. Szymańska-Matosek J.: Dziesięcioletnie doświadczenia w rozliczaniu kosztów ogrzewania budynku wielorodzinnego V Międzynarodowa Konferencja Naukowo- Techniczna Rozliczanie kosztów ciepła i wody w aspekcie członkostwa w Unii Europejskiej. Krynica Zdrój 26-28 maj 2004 r. ASSESSMENT OF THERMAL NEEDS OF A BUILDING ON THE BASIS OF THE MONITORING OF ENERGY DELIVERY summary Actual use of heat for space heating of residential buildings usually is different than predicted. The main reason of this situation is different use of buildings than assumed for calculations. That is why European Standards recommend applying data from measurements of energy consumption in the building in the procedure of energy assessment of an existing building. The study presents the method of assessment the actual energy use for heating on the basis of the monitoring energy delivery from the district heating network to the building.