Agnieszka JACHURA Politechnika Częstochowska BADANIA ZAPOTRZEBOWANIA I ZUŻYCIA CIEPŁA SYSTEMÓW BUDOWLANO INSTALACYJNYCH BUDYNKÓW EDUKACYJNYCH

Agnieszka JACHURA Politechnika Częstochowska BADANIA ZAPOTRZEBOWANIA I ZUŻYCIA CIEPŁA SYSTEMÓW BUDOWLANO INSTALACYJNYCH BUDYNKÓW EDUKACYJNYCH

Energia jest niezbędnym czynnikiem rozwoju ekonomicznego, społecznego i kulturowego ludzkości. Procesy związane z wytwarzaniem, przesyłem, dystrybucją i użytkowaniem różnych postaci energii, z uwagi na swój charakter i skalę, są najbardziej uciążliwymi procesami dla środowiska naturalnego prowadzonymi przez człowieka. Według IEA, zapotrzebowanie na energię wzrośnie o 54% do roku 2025. Struktura zapotrzebowania na energię W Europie, jak również w Polsce 40% całkowitego zapotrzebowania na energię przypada na szeroko pojęty sektor budownictwa. Struktura potencjału redukcji emisji CO 2 Szacuje się, że największy potencjał w redukcji emisji CO 2 do roku 2020 znajduje się w budownictwie.

Podział budynków ze względu na przeznaczenie użyteczności mieszkalne komunalne przemysłowe publicznej sanitarnowodne technologiczne rolnicze sakralne Podział budynków użyteczności publicznej obiekty edukacyjne uczelnie wyższe szkoły przedszkola obiekty biurowe ośrodki kultury kina teatry muzea biblioteki obiekty rekreacyjne hotele hale sportowe sale widowiskowe ośrodki wypoczynkowe obiekty handlowe obiekty służby zdrowia szpitale sanatoria przychodnie

Schemat ideowy systemów budowlano instalacyjnych w budynkach użyteczności publicznej Budynek użyteczności publicznej BUDYNKI EDUKACYJNE Warunki mikrośrodowiska wewnętrznego System zarządzania System budowlano instalacyjny System budowlany System instalacyjny Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 marca 2009 r. W sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.

Struktura zużycia ciepła w budynkach użyteczności publicznej

Nowe tendencje w budownictwie Dynamiczny rozwój nowej generacji energooszczędnego budownictwa, termorenowacji istniejących budynków i wdrażanie energooszczędnych systemów grzewczo wentylacyjno klimatyzacyjnych (odzysk ciepła odpadowego). 1. Charakterystyka i analiza energochłonności ogrzewania zbiorowości budynków. 2. Opracowanie i wdrożenie nowych rozwiązań instalacji ogrzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, podgrzewania wody z niskotemperaturowymi źródłami ciepła i układami jego magazynowania oraz rozwiązań instalacji alternatywnego zaopatrzenia budynku w energię ze źródeł konwencjonalnych i odnawialnych. 3. Systemy zarządzania energią w budynkach oraz analiza efektów ekonomicznych zmniejszenia zapotrzebowania na energię.

Dyrektywy UE Efektywność energetyczna w budownictwie (2002/91/WE) Celem tej dyrektywy jest wspieranie efektywności energetycznej w budownictwie. Promocja efektywności usług energetycznych i efektywności zużycia energii przez odbiorców końcowych (2006/32/WE) Najważniejszym celem tej dyrektywy jest doprowadzenie do bardziej efektywnego zużycia energii przez użytkowników końcowych, poprzez wspieranie rozwoju sprawnie działającego, uzasadnionego ekonomicznie i konkurencyjnego rynku opłacalnych kosztowo sposobów podnoszenia efektywności energetycznej. Polskie ustawy Ustawa Prawo budowlane z dnia 19 września 2007 r. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. W sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielna całość techniczno użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej. Ustawa z dnia 21 listopada 2008 r. o wspieraniu termomodernizacji i remontów. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. W sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego.

Audyt energetyczny Świadectwo charakterystyki energetycznej Audyt energetyczny Opracowanie propozycji przedsięwzięć usprawniających użytkowanie energii i oszacowanie potencjalnych oszczędności energii, wynikających z zastosowania tych usprawnień w budynku. Dla każdego rozpatrywanego wariantu przedsięwzięcia termomodernizacyjnego oblicza się prosty czas zwrotu nakładów (SPBT) ze wzoru: Świadectwo charakterystyki energetycznej (certyfikat energetyczny) Mówi o zużyciu energii przez budynek albo lokal. Dotyczy obliczeniowego zapotrzebowania budynku na energię na cele centralnego ogrzewania, ciepłej wody użytkowej, wentylacji i klimatyzacji, a w przypadku budynku użyteczności publicznej również oświetlenia. Podstawą jest określenie wskaźników: zapotrzebowania na energię pierwotną E P gdzie: N - planowane koszty robót związanych ze zmniejszeniem strat przenikania ciepła dla całkowitej powierzchni wybranej przegrody, zł, ΔO r - roczna oszczędność kosztów energii wynikająca z zastosowania ulepszenia termomodernizacyjnego, przypadająca na poszczególne lata z n wykorzystanych źródeł energii, zł/rok; zapotrzebowania na energię końcową E K zapotrzebowania na energię użyteczną E U Norma PN EN ISO 13790 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Obliczenie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia

Roczny strumień ciepła, GJ/rok 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 Rzeczywiste zużycie ciepła Teoretyczne zapotrzebowanie na ciepło Dane eksploatacyjne z okresu ostatnich 5 lat Wykres porównujący teoretyczne zapotrzebowanie na ciepło z rzeczywistym zużyciem ciepła, w [GJ/rok]. 1000 0 10 20 30 40 80 70 Wykres przedstawiający różnice między teoretycznym zapotrzebowaniem na ciepło a rzeczywistym zużyciem ciepła, w [%]. Rozbieżność pomiędzy teoretycznym a rzeczywistym strumienie ciepła, % 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

TEZA Istnieje możliwość uwiarygodnienia teoretycznego zapotrzebowania na ciepło poprzez pomiary i analizę rzeczywistego zużycia ciepła budynku

CEL Określenie charakterystycznych wielkości oddziaływujących na rozbieżności pomiędzy zapotrzebowaniem ciepła a zużyciem ciepła dla wybranych budynków edukacyjnych Opracowanie metodyki uwiarygodnienia teoretycznego zapotrzebowania ciepła dla budynków edukacyjnych

ZAKRES Przegląd literatury przedmiotu badań 1. Charakterystyka systemów budowlano instalacyjnych stosowanych w obiektach edukacyjnych 2. Metodologia obliczania zapotrzebowania na ciepło w systemach budowlano instalacyjnych 3. Metody pomiaru zużycia ciepła w systemach budowlano instalacyjnych Badania teoretyczne 1. Wytypowanie referencyjnych budynków edukacyjnych na podstawie przyjętych kryteriów 2. Wybór metodologii obliczania projektowego obciążenia cieplnego oraz sezonowego zapotrzebowania ciepła 3. Wykonanie bilansów cieplnych dla budynków referencyjnych 4. Wykonanie obliczeń teoretycznego zapotrzebowania na ciepło dla budynków referencyjnych: obliczenie zapotrzebowania na energię użytkową obliczenie zapotrzebowania na energię końcową Badania eksperymentalne 1. Wybór metod pomiaru zużycia ciepła 2. Wykonanie pomiarów zużycia ciepła dla analizowanych budynków referencyjnych 3. Określenie niepewności wyników pomiarów 4. Analiza uzyskanych wyników badań

OBIEKT BADAŃ P.S.P. nr 1, ulica Księżycowa 6 P.S.P. nr 2, ulica K. K. Baczyńskiego 2 a P.S.P. nr 4, ulica Warszawska 142 P.S.P. nr 6, ulica Krakowska 29 P.S.P. nr 7, ulica Zamenhoffa 23 P.S.P. nr 8, ulica Szczytowa 28 / 30 P.S.P. nr 9, ulica Sobieskiego 15 P.S.P. nr 10, ulica Olsztyńska 28 P.S.P. nr 11, ulica Festynowa 24 P.S.P. nr 12, ulica Warszawska 31 P.S.P. nr 13, ulica Wręczycka 111 / 113 P.S.P. nr 14, ulica Waszyngtona 62 P.S.P. nr 15, ulica Wirażowa 8 P.S.P. nr 16, ulica Ułańska 5 / 7 P.S.P. nr 17, Aleja Wojska Polskiego 130 P.S.P. nr 18, ulica Św. Barbary 32 P.S.P. nr 19, ulica Orla 4 / 8 P.S.P. nr 20, ulica Łukasińskiego 70 / 74 P.S.P. nr 21, ulica Sabinowska 7 / 9 P.S.P. nr 22, ulica Żabia 1 P.S.P. nr 24, ulica B. Hubermana 7 P.S.P. nr 25, ulica Rędzińska 23 P.S.P. nr 26, ulica Rakowska 42 P.S.P. nr 27, ulica Rozdolna 5 P.S.P. nr 29, ulica Św. Rocha 221 P.S.P. nr 30, ulica Ludowa 58 P.S.P. nr 31, ulica PCK 18 P.S.P. nr 32, ulica Tetmajera 18 P.S.P. nr 33, ulica Hoene Wrońskiego 45 P.S.P. nr 34, ulica M. Dąbrowskiej 5 / 9 P.S.P. nr 35, ulica Ogrodowa 50 / 64 P.S.P. nr 36, ulica Kasztanowa 7 / 9 P.S.P. nr 37, ulica Wielkoborska 54 P.S.P. nr 38, ulica Gen. Sikorskiego 56 P.S.P. nr 39, ulica Kopernika 78 / 89 P.S.P. nr 40, Aleja Jana Pawła I I 95 P.S.P. nr 41, ulica Okólna 31 / 39 P.S.P. nr 42, Aleja Armii Krajowej 68 a P.S.P. nr 44, ulica Worcella 20 / 22 P.S.P. nr 46, ulica Szamotowa 8 P.S.P. nr 47, ulica Przestrzenna 70 P.S.P. nr 48, ulica Schillera 5 P.S.P. nr 49, ulica Jesienna 42 P.S.P. nr 50, ulica Starzyńskiego 10 P.S.P. nr 51, ulica Połaniecka 50 P.S.P. nr 52, ulica Powstańców Warszawy 144a P.S.P. nr 53, ulica Orkana 95 / 109 P.S.P. nr 54, ulica Kukuczki 30 P.S.P. dla dorosłych nr 1, ulica Krakowska 29

Kryteria podziału budynków 1. Rok budowy: a). 1913 1929; 9 budynków, b). 1930 1939; 4 budynki, c). 1950 1959; 6 budynków, d). 1960 1969; 19 budynków, e). 1970 1999; 9 budynków, 2. Kubatur ogrzewana budynku [m 3 ]: a). do 6000; 6 budynków, b). 6001 13000; 19 budynków, c). 13001 18000; 14 budynków, d). 18001 40000; 7 budynków, e). powyżej 40000; 3 budynki, 3. Współczynnik kształtu budynku A/V [1/m]: a). 0,16 0,18; 7 budynków, b). 0,19 0,21; 15 budynków, c). 0,22 0,24; 11 budynków, d). 0,25 0,27; 8 budynków, e). 0,28 0,30; 6 budynków, f). 0,31 0,32; 2 budynki, 5. Źródło ciepła na cele c.o.: a). ciepło sieciowe; 29 budynków, b). energia elektryczna; 0 budynków, c). gaz ziemny; 15 budynków, d). kotłownia opalana olejem; 4 budynki, e). kotłownia na paliwo stałe; 2 budynki, 4. Przedsięwzięcia termomodernizacyjne: a). brak termomodernizacji; 37 budynków, b). przeprowadzona termomodernizacja; 8 budynków, c). planowana termomodernizacja; 4 budynki, 6. Źródło ciepła na podgrzanie c.w.u.: a). ciepło sieciowe; 4 budynki, b). energia elektryczna; 39 budynków, c). gaz ziemny; 27 budynków, d). kotłownia opalana olejem; 1 budynek, e). kotłownia na paliwo stałe; 2 budynki,

METODYKA BADAŃ TEORETYCZNYCH BILANS MIESIĘCZNEGO ZAPOTRZEBOWANIA CIEPŁA Schemat metody wykonywania bilansu miesięcznego zapotrzebowania na ciepło ZAPOTRZEBOWANIE CIEPŁA Q H,nd =Q H,ht η H,gn Q H,gn Współczynnik wykorzystania zysków η H,gn τ,c m,a H,γ STRATY Q H,ht =Q tr +Q ve ZYSKI Q H,gn =Q sol +Q int Q tr in 3 tr =H Tr (θ in θ e )t M 10 3 Q 3 Ve =H ve (θ int θ e )t M 10 3 Q sol =Q s1 +Q s2 Q f 3 int =q int A f t M 10 3 SŁONECZNE WEWNĘTRZNE H tr tr H ve Q s1 =ΣCAlgZ Q s2 =ΣCAlgk α PRZENIKANIE WENTYLACJA OKNA W ŚCIANACH OKNA W DACHU A i, i, U i i,l i, i, Ψ i, i, b tr,i V o,, V inf A i, i, C i i,l i, i, g i, i, Z,i,i A i, i, U i i,l i, i, g i, i, k α Dane: PRZEGRODY Dane: WENTYLACJA Dane: OKNA W ŚCIANACH Dane: OKNA DACHOWE

METODYKA BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH 1. Dane techniczne a) powierzchnia ogrzewana i całkowita [m 2 ], b) kubatura ogrzewana [m 3 ]; 2. Ciepło sieciowe a) zużycie jednostkowe [GJ/m 2 rok] i całkowite [GJ/rok], b) koszty całkowite [zł/rok] i jednostkowe [zł/gj]; 3. Energia elektryczna a) zużycie jednostkowe [kwh/m 2 rok] i całkowite [kwh/rok], b) koszty całkowite [zł/rok] i jednostkowe [zł/kwh]; 4. Woda i odprowadzenie ścieków a) zużycie jednostkowe [m 3 /os/rok] i całkowite [os/rok], b) koszty całkowite [zł/rok] i jednostkowe [zł/m 3 ], c) liczba uczniów [os/rok]; 5. Nośnik energii pierwotnej a) zużycie jednostkowe [m 3 /m 2 rok] i całkowite [m 3 /rok], b) koszty całkowite [zł/rok] i jednostkowe [zł/m 3 ]; 6. Pozostałe nośniki energii a) paliwa stałe węgiel, koks, miał zużycie jednostkowe [t/m 2 rok] i całkowite [t/rok] koszty: paliw stałych [zł/rok], obsługi kotłowni [zł/rok], jednostkowe [zł/t] b) olej opałowy zużycie jednostkowe [l/m 2 rok] i całkowite [l/rok] koszty: całkowite [zł/rok] i jednostkowe [zł/l] Pomiar zużycia ciepła, wody, elektryczności oraz pozostałych nośników energii na obiektach rzeczywistych

ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ 1. Dane klimatyczne: obliczeniowa temperatura zewnętrzna powietrza i obliczeniowa temperatura wewnętrzna powietrza, 2. Wpływ parametrów technicznych i użytkowych obiektu na błąd szacowania sezonowego zapotrzebowania na ciepło (np. współczynnik kształtu budynku, czas użytkowania), 3. Wpływ niedokładności współczynnika przenikania ciepła na ocenę zapotrzebowania na ciepło grzewcze budynku (przewodność cieplna, grubość poszczególnych warstw przegrody, opór cieplny przegrody), 4. Wpływ niedokładności wyznaczenia strumienia powietrza wentylacyjnego na ocenę zapotrzebowania na ciepło grzewcze budynku (krotność wymian powietrza, ilość osób przebywająca w pomieszczeniu), 5. Wrażliwość wyniku oceny zapotrzebowania na ciepło grzewcze od szacunków wartości sprawności systemów technicznych budynku (sprawności poszczególnych elementów instalacji),

CHARAKTERYSTYKA OCZEKIWANYCH WYNIKÓW 1 efektywne zarządzanie energią w obiektach edukacyjnych 2 wyodrębnienie i uwypuklenie zachodzących pozytywnych i negatywnych zjawisk i oddziaływań różnych czynników wpływających na zużycie ciepła 3 wyodrębnienie i możliwość powielania rozwiązań korzystnych dla zużycia ciepła w budynku, a istniejących i funkcjonujących w monitorowanej zbiorowości obiektów, 4 podejmowanie najwłaściwszych decyzji dotyczących przedsięwzięć racjonalizujących gospodarowanie ciepłem w budynku.