WEWNĘTRZNE ZYSKI CIEPŁA, A DYNAMIKA POTRZEB CIEPLNYCH BUDYNKÓW* BUDYNKÓW*

Przedmiotem pracy są badania zmienności wewnętrznych zysków ciepła oraz analiza ich wpływu na obciążenia cieplne budynków mieszkalnych i biurowych. Obecnie udział tych zysków w bilansie cieplnym pomieszczeń jest uwzględniany wskaźnikowo (wartości średniodobowe), a tymczasem wewnętrzne zyski ciepła pojawiają się w pomieszczeniach okresowo, co jest związane z obecnością ludzi w analizowanych pomieszczeniach i ich aktywnością. Dodatkowo, w budownictwie charakteryzującym się dobrą ochroną cieplną, zyski te są jednym z głównych składników bilansu cieplnego i to one wraz z zyskami pochodzącymi od nasłonecznienia decydują o dynamice zmian potrzeb cieplnych budynków. Dlatego też praca jest próbą odpowiedzi na pytania dotyczące typowych wartości wewnętrznych zysków ciepła w analizowanych pomieszczeniach, profili czasowych ich występowania, a także udziału w bilansach miesięcznych oraz sprawności ich wykorzystania.

Źródła wewnętrznych zysków ciepła w pomieszczeniach

Głównymi źródłami zysków ciepła pochodzących od źródeł wewnętrznych w budynkach są:

• osoby przebywające w pomieszczeniu,

• oświetlenie,

• wyposażenie pomieszczeń w urządzenia (sprzęt AGD i RTV, komputery, itp.),

a ponadto dla budynków mieszkalnych:

• ciepła woda użytkowa,

• przygotowanie posiłków.

Występowanie wewnętrznych zysków ciepła oraz ich wartość uzależnione są od rodzaju pomieszczenia (czy budynku). Jak wynika z przeprowadzonych badań literaturowych (Lubina 2004) jedyną niewiadomą przy określaniu wielkości zysków ciepła od źródeł wewnętrznych w budynkach pozostaje profil czasowy występowania tych zysków, najczęściej zależny od przebywania ludzi (oświetlenie, większość użytkowanych urządzeń, przygotowanie posiłków, itp.). Dane dotyczące wartości średnich emitowanych strumieni ciepła z ww. źródeł oraz ich wielkości nominalnych można znaleźć zarówno w normach czy poradnikach, jak i dostępnej literaturze (PN-85/N-08013, PN-B-02025, ISO 9164, Fanger 1974, McIntyre 1980, Recknagel et al. 1994, Liébard and De Herde 1996, ASHRAE 1997).

Przebiegi czasowe występowania wewnętrznych zysków ciepła w budynkach

Ze względu na różny charakter przeznaczenia poszczególnych typów budynków, w konsekwencji i czasowy profil zmienności występowania ww. zysków, analizę przeprowadzono osobno dla budynków mieszkalnych oraz biurowych.

W przypadku budynków mieszkalnych ocena wielkości mocy występujących źródeł zysków ciepła w poszczególnych godzinach doby oparta została na obróbce statystycznej bazującej na harmonogramach obecności mieszkańców (mężczyźni, kobiety pracujące i niepracujące zawodowo, dzieci, osoby starsze, itp.) oraz podejmowanych przez nich aktywności związanych z wykorzystaniem urządzeń AGD czy oświetlenia prezentowanych w pracach (Papakostas et al. 1997, Dziekońska 2003). Opracowane w ten sposób

* autorzy: Piotr Lubina i Marian B. Nantka

Politechnika Śląska, Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania redakcja: Cezary Kolasa

godzinowe profile przebywania grup ludzi (rys. 5.18 i 5.19) oraz pozostałych zysków ciepła związanych z użytkowaniem pomieszczeń dostosowano do typowych (w oparciu o Rocznik Statystyczny) warunków polskich – średnia ilość, wiek i status osób zamieszkujących „przeciętne” mieszkanie oraz jego wyposażenie.

Rys. 5.18.

Przykładowy profil czasowy przebywania mężczyzn w mieszkaniach w dni robocze

Rys. 5.19.

. Przykładowy profil czasowy użytkowania oświetlenia w mieszkaniach

Rys. 5.20.

Przykładowy dobowy profil sumarycznych zysków ciepła pochodzących od ludzi w

budynku mieszkalnym

Rys. 5.21.

. Przykładowy dobowy profil sumarycznych zysków ciepła pochodzących od pozostałych

źródeł

Ponieważ dostępne normy i wytyczne (B-03406, B-02025, ISO 9146, PN-EN-832) podają wyłącznie średnie dobowe wartości zysków ciepła przypadające na mieszkanie, dla celów sprawdzenia poprawności odwzorowania uzyskanych profili czasowych określono średniodobowy strumień zysków ciepła przypadający na mieszkanie dla analizowanych, uznanych za typowe, rodzin i porównano z dostępnymi danymi (rys. 5.20 i 5.21).

Dla budynków biurowych identyfikacji profili czasowych występowania zysków od wewnętrznych źródeł ciepła dokonano na podstawie badań zużycia energii elektrycznej związanej z użytkowaniem oświetlenia, komputerów i innych urządzeń biurowych w budynku w ciągu doby (z krokiem czasowym równym 1 min.) w poszczególne dni tygodnia. Uzyskane w ten sposób histogramy zapotrzebowania na moc elektryczną (Rys. 5.22) oraz badania in-situ przebywania ludzi, użytkowania oświetlenia i komputerów pozwoliły na opracowanie godzinowych przebiegów zmienności wewnętrznych zysków ciepła w analizowanych pomieszczeniach (rys.

5.23). Obserwacje te wskazują również, że profile użytkowania oświetlenia i komputerów mogą być przyjęte jako stałe podczas dnia (Lubina 2001).

0

Rys. 5.22.

Profil zużycia energii elektrycznej w budynku Justus Lipsius (część SG) w dni

robocze w październiku 2000

Rys. 5.23.

Średni profil przebywania ludzi w budynku Justus Lipsius (SG) - październik 2000

Przykładowe wyniki symulacji – bilanse miesięczne

W celu przeanalizowania wpływu zysków ciepła w analizowanych pomieszczeniach w typowych budynkach mieszkalnych i biurowych na bilanse cieplne w poszczególnych miesiącach sezonu grzewczego przeprowadzono obliczenia przy pomocy programów DYNINST (Foit i Lubina 2002) oraz ESP-r (ESP-r User Guide 1999) z wykorzystaniem opracowanych zmiennych profili czasowych występowania wewnętrznych zysków ciepła oraz przebiegów zmienności parametrów klimatycznych dla stacji Sulejów, reprezentacyjnej dla całego obszaru Polski (wybranych z lat 1966-95).

Do analiz wybrano 3 mieszkania położone na kondygnacji powtarzalnej (II piętro) w niewielkim budynku wielorodzinnym (4 kondygnacje, po 3 mieszkania na 1 kondygnacji) oraz wycinek budynku biurowego składający się z 2 pomieszczeń (jedno przeznaczone dla 2 osób, drugie dla 1) i fragmentu korytarza.

Ponadto:

• analizowano stałą liczbę wymian powietrza wentylacyjnego w budynkach (0,75 dla mieszkań, 1,0 dla pomieszczeń biurowych) oraz zmienną w czasie liczbę wymian powietrza, wynikającą z rzeczywistej ilości powietrza infiltrującego do budynku,

• analizowano miesięczne bilanse cieplne mieszkań i pomieszczeń biurowych dla uśrednionych dobowych przebiegów użytkowania pomieszczeń oraz zmiennych w czasie profili użytkowania pomieszczeń,

• analizowano różną orientację pomieszczeń i mieszkań względem stron świata, Analizując wyniki symulacji dla poszczególnych miesięcy w ciągu sezonu grzewczego (od października do kwietnia) dla wybranych pomieszczeń zauważyć można, że występujące w pomieszczeniach zyski ciepła, tak pochodzące od słońca, jak i od źródeł wewnętrznych, zaczynają mieć istotny wpływ na bilanse cieplne analizowanych pomieszczeń oraz warunki pracy instalacji wewnętrznych.

Dla różnych mieszkań względny, odniesiony do strat ciepła, udział wewnętrznych zysków ciepła waha się od 10% (dla stycznia) do 32% w przypadku pomieszczeń o orientacji zachodniej (dla października). Zyski pochodzące od słońca w bilansach poszczególnych pomieszczeń wahają się natomiast od 12% (dla grudnia) do nawet 72% dla pomieszczeń o orientacji zachodniej w kwietniu. Ogólnie dla budynków mieszkalnych zyski ciepła pochodzące od źródeł wewnętrznych stanowią od 13% do 24% bilansu strat cieplnych analizowanych mieszkań i porównywalne były z wielkością zysków ciepła pochodzących od nasłonecznienia (zwłaszcza w miesiącach zimowych). Dopiero dla skrajnych miesięcy sezonu grzewczego dominujący wpływ na obciążenia cieplne mają

Moc elektryczna (oświetlenie i komputery) w budynku SG w dni robocze dni od 2 do 20 października 2000 (bez weekendów)

0,2

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Godziny doby

8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 godziny pracy

względny czas przebywania ludzi w pomieszczeniu

zyski pochodzące od słońca (rys. 5.24). W przypadku pomieszczeń biurowych średni udział wewnętrznych zysków ciepła był jeszcze większy (od 22 do 36%) – dla miesięcy zimowych to one miały decydujący wpływ na obciążenia cieplne (rys. 5.25).

Rys. 5.24.

Względny średni udział zysków ciepła (odniesiony do strat) dla analizowanych

mieszkań budynku mieszkalnego

Rys. 5.25.

Względny średni udział zysków ciepła (odniesiony do strat) dla analizowanych

pomieszczeń biurowych

Zyski ciepła pochodzące od nasłonecznienia dominują natomiast w okresie jesienno-wiosennym. Niezależnie od orientacji względem stron świata względny, odniesiony do strat ciepła, udział wewnętrznych zysków ciepła waha się od 20% dla stycznia do 39%

w przypadku pomieszczeń biurowych przeznaczonych dla dwóch osób (dla października).

Orientacja pomieszczenia ma natomiast duży wpływ na wielkość zysków ciepła pochodzących od słońca.

Średnia sprawność wykorzystania zysków ciepła w analizowanych budynkach, określona zgodnie z PN-B-02025, waha się na poziomie 0,65-0,97 (rys. 5.26) w zależności od miesiąca sezonu grzewczego i funkcji pomieszczenia (dominujący jest tu jednak udział zysków od nasłonecznienia), co odpowiada wartościom współczynnika GLR na poziomie od 0,9 do 0,25.

Przedział wahań wartości sprawności wykorzystania zysków ciepła dla analizowanych budynków mieszkalnych to 0,63 (mieszkania o orientacji zachodniej w kwietniu) do 0,99 (dla miesięcy zimowych). W przypadku pomieszczeń biurowych przedział ten jest podobny (od 0,59 dla biur o orientacji zachodniej w kwietniu do 0,96 dla pomieszczeń usytuowanych na północ lub wschód w miesiącach grudzień i styczeń), lecz utrzymuje się na niższym poziomie. Powyższe wyniki świadczą, że w skrajnych miesiącach sezonu grzewczego tylko niewielka część zysków może zostać wykorzystana do zmniejszenia wydajności cieplnej grzejników – w tych okresach zaobserwowano podwyższenie temperatury powietrza wewnętrznego ponad założoną wartość 20 ^oC, zwłaszcza w pomieszczeniach biurowych.

Otrzymane wyniki symulacji dynamicznych dla analizowanych mieszkań (brak odpowiednich danych wejściowych dla budynków użyteczności publicznej dotyczących wentylacji i wewnętrznych zysków ciepła) porównano z obliczeniami o algorytmach zgodnych z PN-B-02025. Porównanie to ilustruje rys. 5.27.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X XI XII I II III IV

miesiąc sezonu grzewczego zyski wewn. zyski od słońca

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

X XI XII I II III IV

miesiąc sezonu grzewczego zyski wewn. zyski od słońca

Rys. 5.26.

Średni stopień wykorzystania zysków ciepła w analizowanych przypadkach

Rys. 5.27.

Porównanie sprawności wykorzystania zysków ciepła w poszczególnych miesiącach sezonu grzewczego – symulacje dynamiczne

i algorytmy normy PN-B-02025 Uzyskane rezultaty dla analizowanych mieszkań wykazują dużą zbieżność – co potwierdza pośrednio poprawność przyjmowania opracowanych profili czasowych przebywania ludzi w pomieszczeniach i użytkowania mieszkań oraz sugerować może możliwość sformułowania wymagań odpowiednich danych wejściowych dotyczących wewnętrznych zysków ciepła w budynkach użyteczności publicznej.

Wpływ użytkowania pomieszczeń na obciążenia cieplne budynków

Ponieważ wszystkie normy i wytyczne do projektowania podają szacunkowe uśrednione wartości wewnętrznych zysków ciepła, postanowiono więc również sprawdzić czy przyjmowanie uśrednionych dobowych przebiegów użytkowania pomieszczeń oraz zmiennych w czasie profili użytkowania pomieszczeń może mieć wpływ na miesięczne obciążenia cieplne analizowanych przypadków. Problem ten dotyczy zwłaszcza pomieszczeń użytkowanych w określonych przedziałach czasowych, a więc głównie budynków biurowych.

Uzyskane wyniki potwierdziły różnicę w całkowitym bilansie cieplnym analizowanych pomieszczeń w zależności od przyjęcia stałego lub zmiennego profilu występowania wewnętrznych zysków ciepła. Jeżeli jednak dla budynków mieszkalnych różnice te były niewielkie (brak zysków ciepła pochodzących od ludzi w ciągu dnia rekompensowały zyski ciepła od nasłonecznienia), to dla budynków biurowych, zwłaszcza w skrajnych miesiącach sezonu grzewczego, różnice te były już widoczne (rys. 5.28).

Średnie miesięczne zapotrzebowanie na ciepło w tych miesiącach przy uwzględnieniu czasowego profilu występowania zysków było nawet dla pomieszczeń o orientacji południowej lub zachodniej o 50% większe niż przy przyjęciu stałej wartości strumienia ciepła pochodzącego od źródeł wewnętrznych (rys. 5.29).

W analizowanym przypadku orientacja pomieszczenia nie wpływa na wynik obliczeń w miesiącach zimowych (od listopada do lutego), uwidacznia się natomiast w pozostałych miesiącach sezonu grzewczego, a zwłaszcza w miesiącach skrajnych. Przyjmowanie stałych profili występowania (czyli wskaźnikowych podawanych przez normy) skutkuje więc zaniżeniem zapotrzebowania ciepła na cele grzewcze budynku dla okresu jesienno-wiosennego (rys. 5.28).

Rys. 5.28.

Porównanie bilansów cieplnych analizowanych pomieszczeń biurowych dla stałych i zmiennych profilów występowania

zysków wewnętrznych

Rys. 5.29.

Względny wzrost zapotrzebowania ciepła (w stosunku do obliczeń z przyjętym stałym

profilem użytkowania pomieszczenia) dla pomieszczeń biurowych o różnej orientacji w skrajnych miesiącach sezonu grzewczego Wnioski

Przeprowadzone badania i analizy profili czasowych zmienności występowania wewnętrznych źródeł ciepła pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:

• otrzymane w wyniku obserwacji, badań in situ oraz obróbki statystycznej przebiegi czasowe występowania wewnętrznych źródeł ciepła (ludzie, oświetlenie, wyposażenie pomieszczeń) potwierdziły dynamiczny charakter zmian tych składników bilansu cieplnego (Lubina 2004),

• strumienie emitowane przez ludzi oraz wyposażenie biur dla badanych przypadków osiągają wartości od 300 do 650 W. Podobne wielkości zysków ciepła występują w analizowanych mieszkaniach,

• opracowane i prezentowane profile czasowe przebywania ludzi, użytkowania pomieszczeń oraz urządzeń je wyposażających mogą stanowić podstawę obliczeń zmienności bytowych zysków ciepła dla symulacji obciążeń cieplnych pomieszczeń mieszkalnych i biurowych za pomocą dynamicznych programów służących do analizy stanów eksploatacyjnych ogrzewań niestacjonarnych.,

Wnioski ogólne płynące z badań dotyczących analizy wpływu wewnętrznych zysków ciepła na bilanse cieplne analizowanych pomieszczeń można przedstawić w kilku punktach:

• wewnętrzne zyski ciepła stanowią od 13% do 24% bilansu strat cieplnych analizowanych budynków mieszkalnych (o niskiej izolacyjności zewnętrznej powłoki budynku), a dla budynków biurowych od 22 do 36%,

• średnia sprawność wykorzystania zysków ciepła waha się na poziomie 0,70-0,97 w zależności od miesiąca sezonu grzewczego i funkcji pomieszczenia (dominujący jest tu jednak udział zysków od nasłonecznienia),

• występują różnice (zwłaszcza w skrajnych miesiącach sezonu grzewczego) w całkowitym bilansie cieplnym analizowanych pomieszczeń czy mieszkań w zależności od przyjęcia stałego lub zmiennego profilu występowania wewnętrznych zysków ciepła (dotyczy to głównie budynków biurowych),

• przyjmowanie stałych (czyli średnich w okresie doby) wartości zysków ciepła od źródeł bytowych skutkuje zaniżeniem zapotrzebowania ciepła na cele grzewcze budynku biurowego, miesięczne zapotrzebowanie ciepła, kWh

zyski var zyski idem

• w przypadku budynków mieszkalnych znajomość profili czasowych przebywania ludzi w pomieszczeniach i użytkowania tych pomieszczeń nie jest tak istotna przy symulacji obciążeń cieplnych w dłuższych przedziałach czasowych, znajomość profilu przebywania ludzi wzrasta w przypadku symulacji dynamicznych poszczególnych pomieszczeń lub krótszych przedziałach czasowych (np. 24 godz.).

5.5. ROZLICZANIE INDYWIDUALNYCH KOSZTÓW OGRZEWANIA