Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym Anna LIS Politechnika Częstochowska CHARAKTERYSTYKA ZUŻYCIA CIEPŁA DO OGRZEWANIA POMIESZCZEŃ W RÓŻNYCH GRUPACH BUDYNKÓW The paper presents the results of the research in apartment, educational and industrial buildings. The main object of analysis was the heat consumption. The analysis was carried out to evaluate the influence of architectural, material and structural features on the value of heat consumption. WPROWADZENIE Przyczyn wysokiego zużycia ciepła do ogrzewania budynków upatruje się głównie w nadmiernych stratach ciepła przez przegrody w wyniku ich niskiej izolacyjności cieplnej oraz obecności mostków cieplnych, występowaniu wad i usterek powstałych w trakcie nieprawidłowego procesu wznoszenia budynku czy jego eksploatacji, pokaźnych stratach ciepła na podgrzewanie powietrza wymienianego w procesie wentylacji zwłaszcza w przypadku znacznej nieszczelności w stolarce okiennej lub niekontrolowanego napływu powietrza do pomieszczeń, niesprawnych, wadliwie działających bądź przestarzałych instalacjach grzewczych, braku opomiarowania zużycia ciepła, a także w braku możliwości sprawnej regulacji dostarczania i przekazywania ciepła. Obecnie największy udział w globalnej produkcji energii mają paliwa nieodnawialne, takie jak węgiel, ropa naftowa, gaz oraz pierwiastki radioaktywne. Ich wykorzystanie postępuje znacznie szybciej niż naturalne odtwarzanie, a energia z nich pozyskana jest stosunkowo droga. W Polsce np. blisko 92% elektryczności jest produkowana z węgla. Paliwa nieodnawialne będą jednak ulegać wyczerpaniu, a ich spalanie ma negatywne oddziaływanie na środowisko w związku z emisją szkodliwych substancji do atmosfery w czasie procesu spalania. Działania związane z racjonalizacją zużycia energii w budownictwie zostały więc niejako wymuszone sytuacją energetyczną, ekologiczną i finansową. Wymagania dotyczące ochrony cieplnej budynków ulegały na przestrzeni lat znacznemu zaostrzeniu. W Polsce wiązało się to początkowo z ograniczaniem maksymalnej, zalecanej wartości współczynnika przenikania ciepła dla poszcze-
182 A. Lis gólnych przegród U max, a następnie od 1988 roku energochłonności budynków wyrażonej jako zapotrzebowanie na energię końcową do ogrzewania. Wymagania te były zawarte w normach, a później w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Wymagania w stosunku do współczynnika U max w kolejnych latach zawarto w tabeli 1. Tabela 1. Zmiany współczynnika U max w kolejnych latach Lata Wymagania według Ściany U max, W/(m 2 K) Stropodachy 1955-1958 PN-B-025:1953 1,163 0,87 1959-1965 PN-B-025:1957 1,163 0,87 1966-1975 PN-B-034:1964 1,163 0,87 1976-1982 PN-B-034:1974 1,163 0,70 1983-1991 PN-B-02020:1982 0,7 0,45 1992-1997 PN-B-02020:1991 0,5 0,30 1998-2008 DzU 1997, Nr 132, poz. 878 DzU 1999, Nr 15, poz. 1 DzU 2002, Nr 75, poz. 690 0,30 - budynki jednorodzinne 0,45 - budynki użyteczności publicznej i przemysłowe od 2009 DzU 2008, Nr 201, poz. 1238 0,30 0,25 Poziom energochłonności polskiego budownictwa, wynikający oczywiście w pewnej mierze z warunków klimatu miejscowego i konieczności ogrzewania budynków, był jednak w znacznym stopniu spowodowany sposobem konstruowania przegród w poszczególnych okresach i nieprzykładaniem należytej uwagi do ograniczania zużycia ciepła jak w innych krajach, np. skandynawskich. W tabeli 2 przedstawiono energochłonność ogrzewania budynków w Polsce w zależności od ich roku budowy oraz stosowanej wówczas technologii wykonywania ścian. Tabela 2. Energochłonność ogrzewania budynków w Polsce w kolejnych latach Lata Technologia wykonania ścian U max ściany W/(m 2 K) E 0,30 kwh/(m 2 rok) do 1966 cegła pełna 1,163 2 3 1967-1985 wielka płyta, rama H, pustaki 1,163 2 280 1986-1992 izolacja do 10 cm 0,75 1 200 1993-1997 izolacja do 12 cm 0,55 120 1 1998-2009 izolacja do 15 cm 0,45 90 120 od 2009 izolacja od 15 do cm 0,3 15 80 budynki energooszczędne 0,3 45 80 budynki niskoenergetyczne 0,2 20 45 budynki pasywne 0,10 do 15
Charakterystyka zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczeń w różnych grupach budynków 183 Obecnie duży nacisk kładzie się na to, by budynki nowo budowane spełniały przynajmniej standard budynku energooszczędnego. Pomimo znaczącego spadku na przestrzeni ostatnich lat energochłonność ogrzewania w Polsce jest jednak wciąż znacząco wyższa w stosunku do innych krajów, co przedstawia rysunek 1. 300 kwh/(m 2 rok) 2 200 1 1997 2006 0 A BG HR DK FIN F GR NL IRL LT LV D N PL RO SLO S GB I UE15 UE27 Rys. 1. Zużycie ciepła do ogrzewania w wybranych krajach europejskich oraz w UE [1] Każdy budynek, ze względu na swoje przeznaczenie oraz istniejące kanony projektowe, posiada określone cechy charakterystyczne, które decydują o charakterystyce cieplno-energetycznej danego budynku i mają wpływ na zużycie ciepła do jego ogrzewania, które ma największy udział w ogólnym bilansie zużycia energii. Strukturę zużycia energii w różnych typach budynków przedstawiono na rysunku 2. % 90% 80% 70% % % % 30% 20% 10% 0% ogrzewanie wentylacja oświetlenie urz. elektryczne produkcja warsztaty szkolne ciepła woda gotowanie Rys. 2. Struktura zużycia energii w różnych grupach budynków [2]
184 A. Lis Budynki oświatowe oraz produkcyjne charakteryzują się odmiennym kształtem bryły i rozwiązaniem układu funkcjonalnego w stosunku do budynków mieszkalnych. Posiadają one większą wysokość kondygnacji, wyższy procent przeszklenia elewacji oraz dużą powierzchnię przegród, przez które traci się ciepło. W budynkach oświatowych największe przeszklenie występuje zazwyczaj na elewacji południowej. W znacznej części tych budynków mamy do czynienia z czasowym użytkowaniem określonych pomieszczeń. 1. CHARAKTERYSTYKA GRUP BUDYNKÓW PRZYJĘTYCH DO ANALIZY Do analizy wybrano, produkcyjne i oświatowe. Budynki te mają zróżnicowaną powierzchnię ogrzewaną i są wykonane w różnych technologiach. Budynki mieszkalne to budynki wielorodzinne, zrealizowane zarówno w technologii tradycyjnej (cegła pełna, pustaki ceramiczne) oraz w technologiach uprzemysłowionych (wielki blok, W-70). W znacznej części budynków występowały okna drewniane, podwójnie szklone zwykle nieszczelne, w nieznacznym procencie były one wymienione na plastikowe. Przyjęte do analizy to w większości szkoły podstawowe. Do grupy włączono zespół szkół gminnych (szkoła podstawowa i gimnazjum) oraz dwa przedszkola. Wszystkie budynki to obiekty wolno stojące, zrealizowane w technologii tradycyjnej. W grupie budynków produkcyjnych znalazły się hale, gdzie prowadzono wyłącznie działalność produkcyjną oraz dwa z zapleczem biurowym. Budynki z tej grupy to obiekty wolno stojące, zrealizowane w technologii tradycyjnej oraz szkieletowej. Charakterystykę podstawowych parametrów dla analizowanych budynków przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Powierzchnia i kubatura ogrzewana oraz wskaźnik zwartości budynków Budynki produkcyjne Budynki oświatowe Budynki mieszkalne P V E A/V E P V E A/V E P V E A/V E m 2 m 3 m 1 m 2 m 3 m 1 m 2 m 3 m 1 x 1737,2 8686 1670 7055 1567,8 10 H 0,47 0,64 0,44 s 478,2 2391 0,11 686,3 2922 0,22 649,3 2059 0,08 Największe przeszklenie elewacji występowało w budynkach oświatowych, średnio wartość powierzchni okien w tej grupie budynków kształtowała się na poziomie około 4 m 2, przy odchyleniu standardowym równym 190 m 2. Największa powierzchnia okien w tych budynkach występowała na elewacji południowej, w salach przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci. W budynkach mieszkalnych wielorodzinnych oraz w budynkach produkcyjnych nie zanotowano wyraźnej różnicy w przeszkleniu elewacji południowej, wschodniej i zachodniej.
Charakterystyka zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczeń w różnych grupach budynków 185 Wyraźnie niższe było przeszklenie elewacji północnej. Charakterystykę przeszklenia elewacji budynków, w których prowadzono badania, przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Charakterystyka przeszklenia elewacji budynków Budynki produkcyjne Budynki oświatowe Budynki mieszkalne przeszklenie elewacji x 32,9 41,1 28,8 s 7,4 8,8 14,4 Prześledzono również procentowy udział powierzchni okien dla badanych grup budynków w poszczególnych elewacjach. Wyniki zaprezentowano na rysunku 3. % 30 20 29,8 31,4 27,6 22,6 22,1 15,9 13,1 12,7 15,3 29,5 49,3 30,7 10 0 elewacja wsch. elewacja zach. elewacja płn. elewacja płd. Rys. 3. Udział powierzchni okien w poszczególnych elewacjach Wyznaczono współczynniki przenikania ciepła przegród w analizowanych budynkach. Wartości współczynników przenikania ciepła dla ścian i dla stropodachów przedstawiono w tabeli 5, natomiast w tabeli 6 - wartości współczynników przenikania ciepła dla stropów nad piwnicami oraz dla podłóg na gruncie. Tabela 5. Współczynniki przenikania ciepła dla ścian i dla stropodachów Budynki produkcyjne Budynki oświatowe Budynki mieszkalne U S U Std U S U Std U S U Std W/(m 2 K) H 1,27 0,71 1,38 0,84 1,14 0,83 s 0,20 0,15 0,06 0,29 0,28 0,44
186 A. Lis Tabela 6. Współczynniki przenikania ciepła dla stropów nad piwnicami i podłóg na gruncie Budynki produkcyjne B Budynki mieszkalne U Stp U Pg U Stp U Pg U Stp U Pg W/(m 2 K) H 0,78 0,69 0,98 0,74 0,72 s 0,17 0,12 0,10 0,15 0,14 Przegrody we wszystkich analizowanych obiektach charakteryzowały się wysoką wartością współczynnika przenikania ciepła i nie spełniały wymagań w zakresie izolacyjności cieplnej i oszczędności energii. 2. ANALIZA ZUŻYCIA CIEPŁA DLA WYBRANYCH GRUP BUDYNKÓW Dokonując oceny zużycia ciepła do ogrzewania, analizie poddano kształt budynków, wielkość przegród przezroczystych oraz izolacyjność termiczną przegród. Wykorzystano wybrane parametry budynków, takie jak: wskaźnik zwartości budynków (moduł powierzchniowy), przeszklenie elewacji oraz współczynniki przenikania ciepła. Określono zależności pomiędzy tymi parametrami a zużyciem ciepła. Współczynniki determinacji dla uzyskanych zależności przedstawiają rysunki 4-7. Wpływ wskaźnika zwartości budynków na zużycie ciepła do ogrzewania poszczególnych grup budynków pokazano na rysunku 4. (m 3 rok) zużycie ciepła, kwh/ 90 80 70 y = -418,4x 2 + 446,66x - 33,542 R 2 = 0,34 y = -1098,3x 2 + 1058x - 176,76 R 2 = 0,6637 y = 241,55x 2-339,88x + 173,11 R 2 = 0,8248 0,20 0, 0, 0,80 1,00 1,20 moduł powierzchniowy, m -1 Rys. 4. Wpływ modułu powierzchniowego na zużycie ciepła do ogrzewania
Charakterystyka zużycia ciepła do ogrzewania pomieszczeń w różnych grupach budynków 187 Kształt bryły budynku, jej zwartość ma istotny wpływ na zużycie ciepła do ogrzewania, budynki rozczłonkowane zużywają bowiem więcej ciepła z powodu większych strat ciepła przez przegrody w stosunku do ogrzewanej kubatury. Zależność ta rysuje się szczególnie wyraźnie dla budynków oświatowych, które charakteryzowały się najwyższym współczynnikiem zwartości równym 0,64 przy odchyleniu standardowym 0,22. Rysunek 5 przedstawia wpływ przeszklenia elewacji na zużycie ciepła do ogrzewania pomieszczeń w analizowanych budynkach. (m 3 rok) zużycie ciepła, kwh/ 90 80 70 y = 0,0422x 2-3,3444x + 134,01 R 2 = 0,3333 y = 0,0858x 2-4,4808x + 121,89 R 2 = 0,468 y = -0,114x 2 + 2,0346x + 3,8329 R 2 = 0,7535 10,0 20,0 30,0,0,0,0 przeszklenie elewacji, % Rys. 5. Wpływ przeszklenia elewacji na zużycie ciepła do ogrzewania Wpływ współczynników przenikania ciepła ścian oraz stropodachów na zużycie ciepła do ogrzewania budynków przedstawiono na rysunkach 6 i 7. (m 3 rok) zużycie ciepła, kwh/ 90 80 70 y = -12,248x 2-3,8153x + 95,488 R 2 = 0,459 y = -24,127x 2 + 88,037x + 10,567 R 2 = 0,7895 y = 635,38x 2-1642,8x + 1119,7 R 2 = 0,34 0, 0,80 1,00 1,20 1, 1, współczynnik przenikania ciepła ścian, W/(m 2 K) Rys. 6. Wpływ współczynnika przenikania ciepła ścian na zużycie ciepła do ogrzewania
188 A. Lis (m 3 rok) zużycie ciepła, kwh/ 90 80 70 y = -44,992x 2 + 97,657x + 34,248 R 2 = 0,473 budynki produkcyjne y = 483,54x 2-745,44x + 347,9 R 2 = 0,7027 y = 80,292x 2-165,6x + 143,18 R 2 = 0,3184 0, 0, 0,80 1,00 1,20 1, 1, współczynnik przenikania ciepła stropodachów, W/(m 2 K) Rys. 7. Wpływ współczynnika przenikania ciepła stropodachów na zużycie ciepła Analizie poddano również wpływ współczynników przenikania ciepła dla stropów nad piwnicą oraz dla podłóg na gruncie, jednak nie stwierdzono w tym przypadku istotnej zależności pomiędzy rozpatrywanymi parametrami. PODSUMOWANIE Cechy architektoniczno-budowlane i materiałowo-konstrukcyjne mają istotny wpływ na zużycie ciepła do ogrzewania, różny jednak w przypadku odmiennych grup budynków. Duże, wielokondygnacyjne budynki zużywają więcej energii cieplnej w stosunku do mniejszych ze względu na większą kubaturę ogrzewaną. Praktycznie jednak małe budynki są mniej korzystne pod kątem energooszczędności, gdyż powierzchnia ich przegród chłodzących jest znacznie większa w stosunku do ich kubatury ogrzewanej. Ze względów energetycznych korzystna jest oczywiście większa zwartość bryły budynku. Spośród analizowanych obiektów budynki oświatowe charakteryzowały się największą wartością powierzchni przeszklonych, co w istotny sposób wpływało na zużycie ciepła do ich ogrzewania. Zużycie ciepła było w znacznym stopniu zdeterminowane przez współczynnik przenikania ciepła ścian dla budynków mieszkalnych, a dla przemysłowych przez współczynnik przenikania ciepła stropodachów. Współczynniki przenikania ciepła pozostałych przegród nie miały istotnego wpływu na zużycie ciepła do ogrzewania. LITERATURA [1] Boonekamp P., Trends and policies for space heating in the EU-27, Energy Efficiency in Buildings - Improving the database, Berlin 2008. [2] Lis A., Ocena poziomu zużycia ciepła w budynkach, Czasopismo Techniczne, R. 106:1-B 2009, zeszyt 5, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2009, s. 157-165.