Aliza wybranych wariantów termomodernizacji Ośrodka Zdrowia Dr inż. DOROTA ANNA KRACZYK Katedra Ciepłownictwa Politechnika Białostocka OGRZENICTO Porówno kilka wariantów temomodernizacji w typowym ośrodku zdrowia położonym w IV strefie klimatycznej. Pokazano zmienność obliczeniowego zapotrzebowa w standardowym sezonie grzewczym oraz wskaźnika E V w przypadku zastosowania kolejnych wariantów termomodernizacyjnych. JEDNYM z warunków rozwoju współczesnego świata jest ciągłe dążenie do zmniejszenia zużycia energii w różnych procesach. Dotyczy to, m.in. procesów, służących do utrzymania komfortu klimatycznego i komfortu użytkowania w budynkach. Zasoby paliw są ograniczone, a dostępność do nich coraz trudniejsza. Oszczędzanie energii i efektywniejsze wykorzystanie energii wytworzonej przyczynia się również do ograniczenia zanieczyszczenia środowiska produktami procesów spalania. Rozrzut gospodarka energią może być przyczyną barier rozwojowych danego państwa, dlatego ważne jest pozyskiwanie paliw energetycznych, ale również racjolne wykorzystanie wytworzonej już energii. Należy pamiętać, że tam gdzie zużywa się zczne ilości energii, moż też dużo tej energii zaoszczędzić [1, 2]. Popular jest w ostatnich latach tematyka badań związanych z budynkami energooszczędnymi, czyli takimi, w których uzyskano jwyższy komfort cieplny i obniżono zużycie energii potrzebnej do eksploatacji, a zwłaszcza ogrzewania pomieszczeń. przypadku budynków istniejących stosuje się wiele zabiegów termomodernizacyjnych, czyli poprawiających warunki techniczne, czego efektem powinno być zmniejszenie potrzebneg do jego ogrzania. Poprawienie cech struktury obejmuje stępujące czynności: poprawę właściwości termicznych przegród budowlanych, likwidację mostków termicznych, czyli miejsc nieizolowanych lub słabiej izolowanych, w których występują duże straty, uszczelnienie miejsc, w których występuje duża infiltracja powietrza. Modernizację leży wykonywać w sposób racjolny. Zwiększenie kosztów związanych z wykoniem ocieplenia przez powiększenie grubości warstwy izolacyjnej powyżej minimum niezcznie zwiększa koszty lecz wyraźnie może wpływać obniżenie kosztów związanych z ogrzewaniem. Istnieje jedk pewne optimum grubości warstw izolacyjnych dla każdej związane z cemi energii i kosztami ocieplenia. Dla każdego przypadku leży przeprowadzić alizę opłacalnej grubości izolacji, w celu ustalenia optimum grubości izolacji, dla której przedsięwzięcie będzie opłacalne. 1. Charakterystyka budowla i energetycz obiektu Budynek zlokalizowany jest terenie województwa podlaskiego. Budynek Ośrodka Zdrowia ma piwnicę nieogrzewaną, parter i piętro. Budynek ma kształt prostopadłościanu. Na parterze zjduje się rejestracja, wc i gabinety lekarskie. Na piętrze zlokalizowane są pomieszczenia poradni K, gabinety stomatologiczne i pomieszczenia socjalne. Ściany zewnętrzne wykono z gazobetonu 30, a przy klatce schodowej ścia wyko jest z 24 warstwy gazobetonu. Strop d i parterem prefabrykowany typu DZ-3 z izolacją matą trzcinową o grubości 2,5. Stropodach wentylowany wykono jako strop DZ-3 pokryty 12 żużla oraz papą lepiku. Stolarka okien jest stara, w złym stanie technicznym. Kubatura części ogrzewanej brutto wynosi 936,40 m 3. Obliczenia do ogrzewania w standardowym sezonie grzewczym oraz szczytowej y grzewczej wykono zgodnie z obowiązującymi normami PN-B-02025: 1999 Obliczanie budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej oraz z PN-94/B-03406 Obliczanie pomieszczeń o kubaturze do 600 m 3. yniki obliczeń zestawiono w tabeli 1. TABELA 1. cieplną przed termomodernizacją [2, 3] 32633 spółczynnik stropodach 1,289 strop d 1,501 ścia zewnętrz 1 0,953 ścia zewnętrz 2 1,432 ok 3,0 kh/(m 3 a) ciepło do ogrzewania kh/a 89,7 56984 Na rysunku 1 pokazano procentowy udział strat przez poszczególne. przed termomodernizacją jwiększe straty występują przez ściany zewnętrzne (24,1%) i strop d (19,9%). Mały opór cieplny stawia również stropodach, którego udział strat wynosi 17,7%. Zcz liczba powierzchni przeszklonych, czyli okien wpływa 14,8% całości strat obiektu. Zapotrzebowanie do ogrzania powietrza wentylacyjnego stanowi 22,3% ogólnych strat. CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA nr 5/2007 25
Rys. 1. Szczegółowe zestawienie strat dla wariantu 0 Rys. 3. Zmia przy różnych wariantach grubości ocieplenia stropu d za poą styropianu 2. Oce efektywności ekonomicznej inwestycji termomodernizacyjnych celu określenia przewidywanych efektów ekonomicznych związanych z inwestowaniem w rynek energii, moż zastosować wskaźnik opłacalności inwestycji SPBT [5]. Jest to prosty czas zwrotu kładów (Simple Pay Back Time). ten jest jprostszym wskaźnikiem oceny w porówniu z rozwiązaniem bazowym, czyli stanem istniejącym. Optymalne usprawnienia prowadzące do zmniejszenia strat przez przenikanie przez ściany, stropy i stropodachy są to usprawnienia, dla których prosty okres zwrotu SPBT przyjmuje wartość minimalną. Okres ten jest wyrażony w latach, w którym oszczędności zrównoważą poniesione kłady inwestycyjne [1] SPBT = N/Q gdzie: N kłady inwestycyjne, zł, Q suma rocznych oszczędności, zł/rok. Przy ocenie wariantów rozwiązań termomodernizacyjnych, leży dla każdego z nich określić kłady inwestycyjne i koszty ogrzewania, czyli eksploatacyjne. 2.1. Aliza wyników ocieplenia wybranych przegród zewnętrznych 2.1.1. Ściany zewnętrzne Na rysunku 2 pokazano zmniejszenie ciepło dla ścian zewnętrznych w zależności od grubości izolacji termicznej. Zauważyć moż, że już niewielka grubość izolacji powoduje zczne obniżenie wartości. Rys. 2. Zmia przy różnych wariantach grubości ocieplenia ścian zewnętrznych za poą styropianu Rys. 4. Zmia przy różnych wariantach grubości ocieplenia stropodachu za poą wełny mineralnej Dla ścian zewnętrznych współczynnik U dla rozpatrywanego przypadku wg [6] wynosi 0,45 i zostaje uzyskany przy grubości 5 6 w zależności od typu ściany. Natomiast opór cieplny zalecany wg [7] uzyskujemy dopiero przy grubości 12 [3]. 2.1.2. Strop d Izolowanie termiczne stropu d pozwala zmniejszenie strat w do pomieszczeń nieogrzewanych w piwnicy. Izolacja stropu zgodnie z wymaganiami [6] umożliwia zmniejszenie o 14%, tomiast zgodnie z [7] o 16% [3] (rys. 3). 2.1.3. Stropodach Dla stropodachu współczynnik U dla rozpatrywanego przypadku według [6] wynosi 0,3 i zostaje uzyskany przy grubości wełny mineralnej równej 10, dzięki czemu uzyskalibyśmy zmniejszenie o 20%, tomiast opór cieplny zalecany wg [7] uzyskujemy dopiero przy grubości 15, dzięki czemu oszczędności wynoszą 22% [3] (rys. 4). 2.1.4. Stolarka okien Izolacyjność ciepl ok zależy od rodzaju szklenia, materiału, z jakiego wyko jest rama oraz sposobu uszczelnienia. ielkość strat dla przez ok zależy od procentowego ich udziału do powierzchni ścian. Z rysunku 5 widać, że wymia istniejącej stolarki okiennej o współczynniku U = 3,0 ok o współczynniku 1,4 2,0 pozwala zmniejszyć straty o 7 do 12%. Prowadząc działania mające celu zmniejszenie przez ok leży pamiętać, że ograniczo zostaje infiltracja powie- 26 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA nr 5/2007
procentowy udział był mniejszy, co wskazuje, że ocieplenie pozostałych przegród okazało się efektywne i zmniejszył się ich duży udział. Przenikanie przez strop do dołu spadło o 3,9%. Elementem, jaki uzyskał jwiększy swój udział w bilansie całkowitym (7,2%) okazał się stropodach. Nastąpiło tomiast zwiększenie do ogrzania powietrza wentylacyjnego do 39,6%. Rys. 5. Zmia przy różnych wariantach współczynnika dla okien trza zewnętrznego do wnętrza. Modernizację leży wykoć w sposób zapewniający odpowiednie warunki do wymiany powietrza wewnątrz, niezbędnego do uzyskania odpowiedniego komfortu cieplnego w pomieszczeniu. 2.2. Aliza wyników wybranych wariantów ocieplenia przegród zewnętrznych alizie pod uwagę wzięto 3 warianty modernizacji przegród zewnętrznych. Pierwszy z nich polegał doprowadzeniu przegród do stanu w jakim spełniał by wymagania [6], w drugim zgodnie z [7], a w trzecim przyjęcie grubości maksymalnych z punktów 2.1. 2.2.1. ariant I wariancie tym zostały ocieplone odpowiednimi warstwami izolacji tak, aby spełnione były wymagania maksymalnych wartości współczynników U zgodnie z [6]. Sprawdzono jak zmniejszy się wartość, a wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 2. Z obliczeń wynika, że dane przedsięwzięcie pozwala zmniejszenie do ogrzewania o ok. 60,5%, zaś obliczeniowe cieplną spada o 50,8%. Po wykoniu obliczeń izolacji przegród zewnętrznych zauważono zczne zmiany w bilansie strat (rys. 6). Procentowy udział strat dla większości przegród zewnętrznych uległ zmniejszeniu. bilansie strat energii, ściany zewnętrzne stanowią 18% całości i spadek wynosi 6,1%. Kolejną przegrodą co do wielkości strat są ok z 17,6% udziałem. Porównując w bilansie strat udział okien z wariantem 0, uległ on zmianie. poprzednim wypadku TABELA 2. ariant I [2, 3] 16068 spółczynnik stropodach 10 0,293 strop d 4 0,555 ścia zewnętrz 1 5 0,404 scia zewnętrz 2 6 0,414 okno - 2,0 kh/(m 3 a) kh/a 35,5 22521 2.2.2. ariant II według ustawy termomodernizacyjnej wariancie II przeprowadzono docieplenia przegród zewnętrznych w taki sposób, aby spełniony został warunek minimalnego oporu cieplnego po termormomodernizacji, zgodnie z [7] (tab. 3). TABELA 3. ariant II 13129 spółczynnik stropodach 15 0,212 strop d 5 0,479 ścia zewnętrz 1 11 0,239 scia zewnętrz 2 12 0,242 okno - 1,7 kh/(m 3 a) kh/a 27,9 17713 Rys. 6. Szczegółowe zestawienie strat dla wariantu I artość w ciągu roku w stosunku do stanu pierwotnego zmniejszyła się o 68,9%. ariant II przewiduje większe opory cieplne jakie powin stawiać przegroda, stąd też szczegółowe zestawienie strat ulega zmianie w stosunku do poprzedniego wariantu (rys. 7). Zmniejszeniu ulega strata przez ściany zewnętrzne, stropodach, ok i drzwi. Odwrot sytuacja jest jedk dla stropu d, wzrost o 0,6% i wynika to ze zmiany grubości która jest jmniejsza właśnie dla stropu oraz z pola powierzchni danej. Porównując z wariantem 0 izolacja ciepl pozwala taką izolację, zcznie wzrasta udział do ogrzania powietrza wentylacyjnego, które wynosi teraz 45,6%. 2.2.3. ariant III tabeli 4 zestawiono wyniki obliczeń przy założonych maksymalnych grubościach warstw izolacji z pkt 2.2 w celu CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA nr 5/2007 27
Rys. 8. Szczegółowe zestawienie strat dla wariantu III Rys. 7. Szczegółowe zestawienie strat dla wariantu II TABELA 4. ariant III 11586 spółczynnik stropodach 20 0,166 strop d 6 0,421 ścia zewnętrz 1 15 0,187 scia zewnętrz 2 15 0,201 okno - 1,4 kh/(m 3 a) kh/a 24,0 15262 Rys. 9. Spadek cieplną wykonych obliczeń porównia w jaki sposób wpłynie dane przedsięwzięcie charakterystykę cieplną obiektu. Zmniejszenie w danym przypadku jest bardzo duże, jego wartość spadła o 73% w stosunku do stanu pierwotnego. Daje to ogromne oszczędności energii w ciągu sezonu ogrzewczego. Maksymalne, przyjęte do obliczeń ocieplenie wykono w celu sprawdzenia czy kolejne warstwy materiału ocieplającego pozwolą uzyskanie dużych różnic pomiędzy współczynnikami, w stosunku do wariantów I i II, które dotyczą odpowiednich przepisów. Porównując wykresy zauważono, że sumaryczne straty przegród zewnętrznych maleją w stosunku do stanu pierwotnego oraz poprzednich wariantów ociepleń. Stwierdzono to podstawie stale zwiększającego się udziału ilości do ogrzania powietrza wentylacyjnego stanowiącego w wariancie III prawie połowę całkowitych strat (rys. 8). Ocieplono ściany zewnętrzne styropianem o grubości 15 niezależnie od grubości ściany. stosunku do wariantu II, w którym ocieplenie wynosiło odpowiednio 12 dla ściany 1 m i 11 dla ściany 2 strata ciepa spadła o 1,5%. stosunku do wariantu I, w którym ocieplenie wynosiło odpowiednio 6 dla ściany 1 i 5 dla ściany 2 strata ciepla spadła o 6,5%. Udział strat przez stropodach sukcesywnie malał wraz z każdym wariantem ocieplenia. Uzyska wartości w danym wypadku wynosi 5,1% całkowitych strat. Zmia współczynnika dla okien do 1,4 daje udział strat przez ok w całkowitym bilansie wysokości 15,4%. Różnica strat dla okien między I a II wariantem była niewielka i wynosiła 0,4%. wariancie III w stosunku do II spadek stąpił o 1,8%, zaś w stosunku do I o 2,2%. Zestawienie cieplną wszystkich wariantów obliczeń przedstawiono rys. 9. celu porównia omawianych wcześniej wariantów, oprócz alizy zysków spowodowanych danym przedsięwzięciem, przeprowadzono porównie kładów inwestycyjnych i obliczono SPBT. Prosty okres zwrotu kładów w zależności od wariantu wyniósł: dla ścian zewnętrznych 5 6 lat, dla stropodachu 4 6 lat, stropu d 3 4 lata, a dla okien 6 10 lat. [3] 3. Podsumowanie ykone obliczenia wybranych wariantów termomodernizujących strukturę pozwalają stwierdzenie, że jbardziej uzasadnione i opłacalne jest wykonie ocieplenia z zachowaniem minimalnych oporów cieplnych przegród budowlanych, zgodnie z ustawą termomodernizacyjną wariant II [wg 7] okres zwrotu SPBT jest w tym wypadku jmnieszy. Zmieniające się wymagania dotyczące współczynnika mogą pozwolić izolację obiektu w taki sposób, że będzie on spełniał kolejne zmiany dotyczące izolacji cieplnej. Rozpatrując warianty ocieplania poszczególnych przegród zewnętrznych (pkt. 1.1) stwierdzono, że wskaźnik E jest zcznie wyższy od wartości zalecanych, dlatego też przeprowadzając termomodernizację trzeba wykoć ją dla całej struktury. Podto zmodernizować leży instalację ogrzewczą, c.w.u. i wentylacyjną, czego nie opisywano w niniejszym artykule ze względu jego zawężoną problematykę, ale zrealizowano w obiekcie rzeczywistym. Praca realizowa w ramach pracy statutowej S/IŚ/21/05 ( str. 36) 28 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA nr 5/2007
Zależność tę wyzczono przy prędkości wiatru w przedziale od 0,5 do ok. 4 m/s, przy zbliżonych wartościach wyporu cieplnego (rys. 2). Na podstawie wyników pomiarów moż stwierdzić, że skuteczność wentylacji oszacowa z wykorzystaniem prędkości przepływu powietrza w kale wywiewnym, wzrasta: przy zwiększeniu prędkości wiatru, przy wzroście wyporu cieplnego powietrza, przy ograniczeniu hydraulicznych oporów przepływu powietrza w kałach wentylacyjnych. Profil prędkości powietrza w kałach wentylacyjnych o większych średnicach spłaszcza się przy wzroście prędkości wiatru. przypadku małej różnicy temperatury i prędkości wiatru (do 1,5 m/s) w kałach o dużych średnicach stwierdza się zczny udział, tzw. martwych przestrzeni tj. przestrzeni, w których nie stwierdzono prędkości przepływu powietrza > 0,1 m/s. Istotny wpływ skuteczność wentylacji komór ma nieograniczenie oddziaływania wiatru zakończeniu wylotu kału wentylacyjnego. Pozostaje to w sprzeczności z zaleceniem maskowania zielenią wylotów kałów wentylacyjnych. przypadku wykonia instalacji wentylacji komory za poą dwóch wyniesionych pod teren elementów wentylujących (tzw. kominków) przy dużych zyskach lub wilgoci oba kominki spełniają funkcję elementów wywiewnych. ówczas powietrze zewnętrzne dopływa do tej przestrzeni przez nieszczelności w stropie komory bądź część przekroju kału wentylacyjnego. Nie zaleca się stosowania kałów wentylacyjnych o dużych średnicach (> DN 300 mm), gdyż powodują one i to jedynie okresowo w bardzo niewielkim stopniu, intensyfikację procesu wentylowania. Podsumowanie Rys. 3. Uszkodzone stropy i podpory stałe komór ciepłowniczych entylacja komór ciepłowniczych zwiększa trwałość rurociągów, armatury i konstrukcyjnych elementów tych komór oraz poprawia warunki pracy służb eksploatacyjnych. ynika to z poprawy mikroklimatu w komorach co z kolei zwiększa niezawodność dostawy. Zasadniczym warunkiem zapewniającym odpowiednią skuteczność wentylacji komór ciepłowniczych jest przestrzeganie wymagań projektowych dotyczących budowy wiewno wywiewnych instalacji wentylacyjnych. Intensyfikację działania wentylacji grawitacyjnej moż uzyskać dzięki wykorzystaniu dymicznego oddziaływania wiatru element zakończający kał wywiewny. Prawidłowe wkomponowanie wlotów i wylotów powietrza, tzw. kominków wentylacyjnych, w istniejące zagospodarowanie terenu (wymagania estetyczne) zapewnia stosowanie prefabrykowanych wylotów instalacji wentylacyjnej (kominków). [1] Danielecki. z zespołem: pływ temperatury i wilgotności szybkość postępu destrukcji konstrukcji stalowych i żelbetowych. PZITB 1983 Stańda J., Kała.: Optymalizacja mikroklimatu w kałach s.c. dla układu ciepłowniczego zasilanego z Ciepłowni w Raciborzu. Politechnika rocławska 1980 [3] Ferencowicz J.: entylacja i klimatyzacja. Arkady 1962 [4] PBCK CEOK Materiały ponicze do projektowania s.c. Zeszyt 6/88, 1988 [5] OBRC SPEC + PPBK PROKOM Zasady projektowania i budowy wentylacji w kałach sieci cieplnych 1990 [6] OBRC SPEC Modernizacja wytycznych wentylowania M.S.C. 1995 r. wraz z aneksem z 1996 [7] Bacciarelli J., Furtak L.: entylowanie komór i kałów cieci ciepłowniczych w aspekcie ich trwałości i niezawodności pracy oraz poprawy warunków eksploatacji, Piąta Krajowa Konferencja Modernizacja miejskich systemów ciepłowniczych w Polsce, Międzyzdroje 1996 [8] Bacciarelli J., Furtak L.: entylowanie komór i kałów cieci ciepłowniczych w aspekcie ich trwałości i niezawodności pracy oraz poprawy warunków eksploatacyjnych. Polski Instalator 7 8/1999 (Dokończenie ze str. 17) [1] Rubik M.: Nowe normy z dziedziny ogrzewnictwa w przededniu wdrożenia w Polsce Dyrektywy Europejskiej 2002/1E, CO 10/2005 Markert H.: Europäische Norm DIN EN 12831. Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast. Die neue Norm ist gültig Übergangsfrist für DIN 4701 bis Oktober 2004, BHKS-Almach 2004 [3] Strzeszewski M.: Norma PN EN 12831. Nowe podejście do obliczania budynków, CO 10/2006 [4] Strzeszewski M.: artości temperatury stosowane w obliczeniach obciążenia cieplnego pomieszczeń i budynków wg PN EN 12831, CO 12/2006 [5] Strzeszewski M.: Obliczanie projektowej straty przez przenikanie wg PN EN 12831, CO 1/2007 [6] Strzeszewski M.: Przykłady obliczania projektowej straty przez przenikanie wg PN EN 12831, CO 2/2007 [7] Strzeszewski M.: Uproszczo metoda obliczania projektowej straty do gruntu wg PN-EN 12831, CO 4/2007 [8] ichowski R.: Zapotrzebowanie cieplną. Nowa norma PN EN 12831, Rynek Instalacyjny 1-2/2006 i 3/2006 [9] PN-B-03406: 1994. Obliczanie pomieszczeń o kubaturze do 600 m 3 [10] PN-EN ISO 13370: 2001. łaściwości cieplne budynków ymia przez grunt Metody obliczania [11] EN 12831: 2003. Heating Systems in Buildings Method for Calculation of the Design Heat Load [12] PN-EN 12831: 2006. Instalacje ogrzewcze w budynkach Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego (Dokończenie ze str. 28) [1] Praca zbiorowa pod redakcją prof. E. Szczechowiaka: Energooszczędne układy zaopatrzenia budynków w ciepło budowa i eksploatacja, Pozń 1994 Gierejko R.: Obliczanie do ogrzewania w różnych wariantach ocieplenia przegród zewnętrznych. Praca magisterska, Politechnika Białostocka 2006 [3] Krawczyk D.: Audyt energetyczny Ośrodka Zdrowia, Białystok 2005 [4] Robakiewicz M.: Termomodernizacja budynków i systemów grzewczych. Poradnik, Fundacja Poszanowania Energii, arszawa 2002 [5] Koczyk H.: Ogrzewnictwo: podstawy projektowania cieplnego i termomodernizacji budynków. Politechnika Pozńska, Pozń 2000 [6] Dz. U. 2002 nr 75 poz. 690 Rozporządzenie ministra infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [7] Dz. U. 2002 nr 12 poz. 114 Rozporządzenie ministra infrastruktury z 15 stycznia 2002 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego 36 CIEPŁONICTO, OGRZENICTO, ENTYLACJA nr 5/2007