Metoda miesięczna

5.1.1 Energia użytkowa

W celu wyznaczenia rocznego zapotrzebowania na ciepło metodą miesięczną wykorzystano normę PN-EN ISO 52016-1 [57]. Norma [57] obejmuje obliczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia oraz temperatury wewnętrznej.

Metoda miesięczna obejmuje również obliczenie obciążenia projektowego dla chłodzenia, ogrzewania, nawilżania i osuszania dla strefy cieplnej i dla systemu podrzędnego.

Aby określić roczne zapotrzebowanie na ciepło QH,nd niezbędna jest znajomość strat ciepła przez przenikanie QH,ht i wentylację QH,ve, dodatkowo konieczne jest określenie zysków wewnętrznych QH,int oraz zysków od słońca QH,sol w okresie miesięcznym lub rocznym.

QH,nd = QH,ht + QH,ve – ηH,gn · (QH,int – QH,sol)[kWh/rok] (5.1) Roczne zapotrzebowania ciepła użytkowego – QH,nd (5.1) dla ogrzewania i wentylacji oblicza się metodą bilansów miesięcznych. Zapotrzebowanie ciepła QH,nd jest sumą zapotrzebowania ciepła do ogrzewania i wentylacji budynku w poszczególnych miesiącach. Przy obliczaniu rocznego zapotrzebowania ciepła (5.1) niezbędna jest znajomość ilości ciepła na pokrycie ciepła przez przenikanie i wentylację – QH,ht oraz zyski ciepła wewnętrze – QH,int i od słońca – QH,sol. Dodatkowo, należy uwzględnić współczynnik efektywności wykorzystania zysków w trybie ogrzewania – ηH,gn, w którym uwzględniony jest stosunek zysków do strat ciepła – γH

oraz parametr numeryczny aH oraz parametr numeryczny dla kolejnej godziny – aH,0, a także stała czasowa budynku – т oraz stała czasowa budynku w kolejnej godzinie – тH,0. W przypadku, gdy stosunek zysków do strat ciepła jest różny od jedności, wówczas wyznaczy jest ze wzoru (5.2):

ηH,gn =(1- γHaH) / (1- γHaH+1) [-] (5.2)

γHaH=(QH,int+QH,sol)/ (QH,ht + QHve) (5.3)

aH= aH,0 + т/тH,0 (5.4)

Przy wyznaczaniu sumarycznych zysków ciepła (QH,int)przez przenikanie dla budynku lub lokalu użytkowego, którego źródło ciepła znajduje się w osłonie izolacyjnej budynku należy uwzględnić:

 Zyski ciepła od ludzi qL [W] oraz od urządzeń elektrycznych (gazowych) qe [W], które znajdują się w rozpatrywanym lokalu.

 Zyski ciepła od przewodów rozprowadzających czynnik grzewczy instalacji c.o. oraz c.w.u.

Przy obliczaniu strat ciepła przez przenikanie i wentylacje – QH,ht należy uwzględnić współczynnik strat mocy cieplnej przez przenikanie – Qtr oraz straty mocy cieplnej na wentylację – QHve. Przy obliczaniu – Qtr należy wyznaczyć współczynnik strat mocy cieplnej przez przenikanie przez wszystkie przegrody – Htr. Przy wyznaczaniu strat mocy cieplnej przez wentylację – QHve należy uwzględnić współczynnik strat ciepła przez wentylację – Hve, na który

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 41 z 118

składają się współczynniki strat ciepła przez wentylację mechaniczną – Hve(mech) oraz infiltrację Hve(inf). w normie PN–EN 12831 uwzględnia gęstość powietrza – ρ, ciepło właściwe – c, współczynnik dla strumienia powietrza infiltrującego – b oraz strumień powietrza infiltrującego Vinf(mech).

Norma zakłada, że jeżeli strumień powietrza usuwanego z pomieszczenia jest większy od strumienia dostarczanego, to powstała różnica jest kompensowana przez strumień powietrza zewnętrznego, dopływającego przez obudowę budynku. Jeżeli nadmiar strumienia powietrza usuwanego nie jest inaczej określony, to jego wartość w odniesieniu do całego budynku można obliczyć jako Vinf(mech), który jest różnicą strumienia objętości powietrza usuwanego w odniesieniu do całego budynku Vex oraz strumienia objętości powietrza doprowadzonego w odniesieniu do całego budynku Vsu.

Strumienia powietrza infiltrującego Vinf do przestrzeni ogrzewanej, w której Vi – to kubatura przestrzeni ogrzewanej (obliczona na podstawie wymiarów wewnętrznych), n50 – to krotność wymiany powietrza wewnętrznego, wynikająca z różnicy ciśnienia 50 Pa między wnętrzem a otoczeniem budynku, z uwzględnieniem wpływu nawiewników powietrza, ei – współczynnik osłonięcia, εi – to współczynnik poprawkowy uwzględniający wzrost prędkości wiatru w zależności od wysokości położenia przestrzeni ogrzewanej ponad poziomem terenu. Minimalna wartość strumienia powietrza wentylacyjnego, wymagana ze względów higienicznych – Vmin,i jest ilorazem minimalnej krotności wymiany powietrza na godzinę – nmin oraz kubatury przestrzeni ogrzewanej Vi.

Wartość miesięcznych wewnętrznych zysków ciepła QH,int ze wzoru (5.16) w budynku należy obliczać ze wzoru, w którym wykorzystano zyski wewnętrzne ϕh,int,k oraz czas, w którym występują – tm.

Przy obliczaniu zysków ciepła od słońca w metodzie miesięcznej Qsol uwzględniane są następujące składowe: moc zysków ciepła pochodzących od promieniowania – Φsol,k oraz czas t w jakim występują. W metodzie godzinowej, aby obliczyć – ϕsol,k, należy uwzględnić

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 42 z 118

współczynnik korekcyjny ze względu na zacienienie – Fsh,k, powierzchnie przejmującą promieniowanie – Asol,k, natężenie promieniowania słonecznego – Isol,k oraz promieniowanie cieplne – Φr,k, w którym uwzględnione są opór cieplny – Rse, współczynnik przenikania ciepła UC, powierzchnia przestrzeni – AC, współczynnik długofalowego przenikania ciepła – hr oraz różnica temperatur powietrza – ΔΘr. Powierzchnia przejmująca promieniowanie – Asol,k

uwzględnia efektywną całkowitą przepuszczalność energii słonecznej oszklenia przegrody zewnętrznej – ggl oraz stosunek całkowitych powierzchni przeźroczystych – FF.

QH,int = (Σ ϕh,int,k ) ∙ tm [kWh] (5.16)

W obliczaniu wewnętrznych zysków ciepła – qint uwzględniono zyski pochodzące od ludzi – qL oraz zyski pochodzące od urządzeń elektrycznych i oświetlenia – qE. W obliczaniu zysków ciepła pochodzących od ludzi – qL należy uwzględnić liczbę osób w pomieszczeniu – n, jednostkowe zyski ciepła jawnego przypadające na jedną osobę – qj oraz współczynnik jednoczesności przebywania ludzi – φ. Z uwagi na przeprowadzenie obliczeń godzinowych zysków ciepła, niezbędne jest uwzględnienie zysków pochodzących od instalacji c.o. oraz c.w.u. znajdujących się wewnątrz oraz na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku.

W obliczaniu zysków pochodzących od urządzeń elektrycznych i oświetlenia – qE, należy uwzględnić zainstalowaną moc oświetlenia lub urządzenia elektrycznego – N, współczynnik wyrażający stosunek ciepła odprowadzonego drogą konwekcji z powietrzem wywiewanym z wentylowanych opraw lamp od całkowitej mocy zainstalowanej – α, współczynnik wyrażający stosunek ciepła przekazanego drogą konwekcji do powietrza w pomieszczeniu do całkowitej mocy zainstalowanej – β oraz współczynnik akumulacji – ko.

5.1.2 Energia końcowa

Obliczając roczne zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania budynku i wentylacji QH,nd oraz sprawność całkowitą układu instalacji – ηH,tot, można wyznaczyć energię końcową. Całkowita sprawność instalacji ogrzewania jest zależna od udziału komponentów w osłonie izolacyjnej lub poza nią. Uwzględniamy sprawność regulacji i wykorzystania ciepła – ηH,e, sprawność przesyłu ciepła ze źródła do przestrzeni ogrzewanej – ηH,d, sprawność akumulacji ciepła w elementach pojemnościowych systemu ogrzewania – ηH,s oraz sprawność wytwarzania ciepła z nośnika energii – ηH,g. Za pomocą wyznaczonych sprawności wyznaczone zostaje końcowe zapotrzebowanie na energię końcową – QH,K na cele ogrzewania według wzoru (5.25).

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 43 z 118

QH,K = QH,nd / ηH,tot [kWh/rok] (5.25)

ηH,tot = ηH,e · ηH,d · ηH,s · ηH,g (5.26)

W walidacji dla układu centralnego ogrzewania uwzględnione są poszczególne sprawności w tabeli 5.1. W zależności od sposobu prowadzenia instalacji oraz od układu systemu ogrzewania, uwzględniane są poszczególne komponenty instalacji ogrzewania znajdującej się wewnątrz oraz na zewnątrz układu. W układach centralnych oraz w wyniku przeprowadzonej walidacji modelu metodą miesięczną nie ma możliwości podziału na obliczenia zysków pochodzących od instalacji c.o. oraz c.w.u. oraz brak możliwości obliczeń na zyski pochodzące od instalacji c.o. oraz c.w.u. znajdujących się wewnątrz oraz na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku. Szczegóły zamieszczono w tabeli 5.1.

Tabela 5.1. Zestawienie sprawności składowych wraz z elementami instalacji ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej w układzie centralnym.

Komponenty układu instalacji c.o.

Objaśnienia: (i) – instalacja wewnątrz osłony izolacyjnej budynku, (e) – instalacja na wewnątrz osłony izolacyjnej budynku, (+) uwzględnione zyski w obliczaniu sprawności systemu ogrzewania i c.w.u., (-)

nieuwzględnione zyski w obliczaniu sprawności systemu ogrzewania i c.w.u.

Do obliczania średnio miesięcznej sezonowej sprawności przesyłu ciepła ze źródła ciepła do przestrzeni ogrzewanej wykorzystano wzór ηH,d dla instalacji c.o.:

ηH,d =(QH,nd + ΔQH,e)/ (QH,nd + ΔQH,e + ΔQH,d) (5.27)

Do obliczenia sezonowych strat nośnika ciepła w instalacji przesyłu ciepła dla c.o. ΔQH,d

wykorzystano wzór (5.28), w którym uwzględniono długość przewodów i armatury – li, jednostkowe straty ciepła przewodów ogrzewania wodnego – qi oraz czas trwania sezonu grzewczego – tm, a także sezonowe straty ciepła w systemie ogrzewania w wyniku niedoskonałej regulacji i przekazywania ciepła ΔQH,e, w której uwzględniono sezonowe straty ciepła w instalacji przesyłu ciepła ΔQH,d (w której uwzględniono rzeczywistą długość i-tego odcinka instalacji przesyłu ciepła – li oraz dodatek do długości li ze względu na straty ciepła zainstalowanej armatury Δl według wzoru (5.29) określonego wg Rozporządzenia [70]) oraz średnią sezonowa sprawność regulacji i wykorzystania ciepła w przestrzeni ogrzewanej ηH,e.

ΔQH,d = Σ(li · qi · tm) [kWh/m² rok] (5.28)

lzi = li + Δli [m] (5.29)

Dodatkowo, w obliczeniach należy uwzględnić straty ciepła dla zbiornika buforowego, jeśli występuje w układzie instalacji c.o. i c.w.u. wykorzystano wzór (5.30):

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 44 z 118

ΔQH,s = Σ(Vs · qs · tm) [kWh/m² rok] (5.30) Powyższe wzory są niezbędne do obliczenia końcowego zapotrzebowania na ciepło na cele ogrzewania. Tok obliczeń przedstawiono na rysunku (5.1).

Rysunek 5.1 Model miesięczny do wyznaczenia zapotrzebowania budynku na ciepło QH,K. Źródło: Opracowanie własne w oparciu o [72].

Podstawowe równanie bilansu energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia uwzględniają odpowiednio miesięczne straty ciepła pomniejszane o miesięczne zyski ciepła skalowane współczynnikiem wykorzystania zysków ciepła oraz miesięczne zyski ciepła pomniejszone o straty ciepła skalowane współczynnikiem wykorzystania strat ciepła. W obu przypadkach ogrzewania i chłodzenia, współczynnik wykorzystania zysków/strat ciepła budynku zależy od stałej czasowej budynku i jego zdolności do rozpraszania energii przez przenikanie ciepła przez elementy obudowy zewnętrznej oraz wentylację budynki [26].

Przeprowadzono symulację zapotrzebowania na ciepło na cele c.o. oraz c.w.u. według metody miesięcznej, a wyniki zaprezentowano w artykule [30]. Wyniki obliczeń wskazały, że zyski pochodzące od instalacji c.w.u. oraz c.o. mają wpływ na przegrzewanie budynku oraz zapotrzebowanie na energię użytkowa oraz końcową. W budynkach nowej generacji, w których zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. oraz c.w.u. jest mniejsze niż w budynkach tradycyjnych, ważne jest aby wykorzystać metodę, która umożliwi dokładniej kontrolować zyski pochodzące od instalacji c.o. oraz c.w.u. Metoda miesięczna nie pozwala na uzyskanie dokładniejszych analiz, dlatego wyniki w artykule stały się inspiracją do pogłębienia obliczeń.

Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 45 z 118