5. Model obliczeniowy i walidacja doświadczalna
5.4 Zużycie ciepła w budynkach istniejących dla c.o. i c.w.u
Zasady w rozdziale 5.2 wykorzystano do obliczenia rocznego zapotrzebowania na ciepło na cele c.o. oraz c.w.u. w budynkach istniejących w Poznaniu. Dokonano walidacji uzyskanych wyników w oparciu o dane in situ pochodzące z Veolii Energii Poznań SA. Do walidacji wykorzystano dane zużycia ciepła na potrzeby c.o. oraz c.w.u. odczytane w licznika i podlicznika ciepła oraz wodomierza. Zakres obliczeń charakterystyki obejmował zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania QH,nd i przygotowania ciepłej wody użytkowej QW,nd. Walidację modelu przeprowadzono w oparciu o metodę miesięczna.
W analizie założono następujące parametry:
Temperatura wewnętrzna w lokalach mieszkalnych (ti = 20oC).
Temperatura w pomieszczeniach wspólnych (te=19oC) w osłonie izolacyjnej.
Wykorzystano dane klimatyczne (Stacja meteorologiczna Poznań Ławica) dla danego okresu obliczeniowego budynku, który był analizowany w pracy.
Zastosowana metoda pozwoliła wyznaczyć dobowe wartości mocy ogrzewczej dostarczonej bezpośrednio do budynku o regulowanej wartości temperatury powietrza wewnętrznego. Obliczenia wykonano dla typowego roku meteorologicznego (8760 godzin) dla stacji meteorologicznej w Poznaniu. Określono dobowe zapotrzebowanie na ciepło budynku.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 51 z 118
Założenia
1) Liczba budynków uwzględnionych do analizy – 3 (Dane charakterystyczne – tabela 5.6).
2) Zyski ciepła od promieniowania słonecznego (Isol) na podstawie średniej temperatury.
3) Wartości c.w.u. zostały przyjęte na podstawie odczytów z wodomierzy dla okresu obliczeniowego budynków mieszkalnych wielorodzinnych. Na potrzeby obliczeń przyjęto zużycie c.w.u. na podobnym poziomie w ciągu roku dla przedstawienia różnic w podejściu do projektowania układu instalacji.
4) Długości instalacji zestawiono w tabeli 5.5.
Tabela 5.5. Dane podstawowe budynków.
Nazwa A1 A2 A3
Powierzchnia ogrzewana [m2] 4000 2000 2000
Liczba pionów c.w.u. 6 5 4
Długość przewodów instalacji c.o. i c.w.u. [m]
Rozdział dolny (piwnica) 180 180 180
Piony instalacji c.w.u. 180 60 45
Piony cyrkulacji c.w.u. 180 60 45
Piony instalacji c.o. 180 60 45
Rozdział w mieszkaniu 1288 920 299
Wskaźnik dł.rur l [m/m2] 0,502 0,640 0,307
Źródło: Opracowanie własne na podstawie dokumentacji projektowej oraz inwentaryzacji.
W tabeli 5.5 zestawiono parametry wejściowe, które wykorzystano w modelu obliczeniowym dla poszczególnych budynków oraz podstawowe wyniki obliczeń.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 52 z 118
Tabela 5.6. Zestawienie parametrów charakteryzujących poszczególne budynki.
Lp. Budynek [symbol] A1 A2 A3
1. Rok termomodernizacji 2005 2008 2012
2. Lokalizacja Poznań Poznań Poznań
3. Powierzchnia ogrzewana Af (m2) 4000 2000 2000 5. Kubatura przestrzeni ogrzew. V [m3] 10800 5400 5400
6. Liczba mieszkańców [os.] 200 120 60
Izolacyjność termiczna/ szczelność osłony zewnętrznej budynku 7. Ściana zewnętrzna [W/(m2K)] 0,35 0,29 0,23
8. Instalacja wentylacji grawitacyjna grawitacyjna grawitacyjna
9. Wskaźnik nakładu instalacji - - -
*wskaźnik z Veolia Energia Poznań na dzień
30.03.2019r. 1,058 1,058 1,058
Źródło: Opracowanie własne na podstawie zgromadzonych danych z projektów budowlanych i inwentaryzacji własnych.
Objaśnienia: GK – grzejniki konwekcyjne, ZT – zawór termostatyczny, EC – elektrociepłownia, (P) – Pomiar, (PW) – Pomiar z wodomierza, *zyski od ludzi i od urządzeń obliczone według Rozporządzenie [71], Objaśnienia: 1) wartości z Normy PN–EN 12831. Nowa metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego, 2) według wzoru
(5.13), 3) według wzoru (5.14).
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 53 z 118
Do określenia zapotrzebowania na ciepło końcowe oraz analizy strat instalacji wykorzystano cykle dobowe. Rzeczywiste odczyty zużycia zimnej wody z wodomierza oraz odczyty dla c.w.u. z podlicznika ciepła, a dla c.o. z licznika głównego pochodzącego z Veolia Energia Poznań SA. (Rysunki 5.4 i 5.5).
Budynek – A1
Zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. odczytane z pomiarów QH,K(P) wynosi 186 [kWh/(m2rok)] natomiast zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. obliczeniowe QH,K(Obl) wynosi 183 [kWh/(m2rok)], QH,nd wynosi 118 [kWh/(m2rok)] (Rysunek 5.4). Zapotrzebowanie na ciepło na cele c.w.u. odczytane z pomiarów QW,K(P) wynosi 58 [kWh/(m2rok)] natomiast zapotrzebowanie na ciepło na cele c.w.u. obliczeniowe QW,K(Obl) wynosi 49 [kWh/(m2rok)], QWnd(PW) wynosi 37 [kWh/(m2rok)] (Rysunek 5.5).
Rys 5.4 Zużycie ciepła na potrzeby c.o. w ciągu doby dla budynku A1 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne.
Rys 5.5 Zużycie ciepła na potrzeby c.w.u. w ciągu doby dla budynku A1 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar; (Obl) – Obliczenia.
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 54 z 118
W zapotrzebowaniu na ciepłą wodę użytkową występują wahania dobowe, w których wyraźnie widać wartości szczytów porannych i wieczornych. Zależności te są praktycznie niezależne od pory roku i temperatury powietrza wewnętrznego.
Rys 5.6 Zużycie ciepła na c.w.u. w stosunku do zużycia ciepła końcowego, odczytanego
z podlicznika dla budynku A1 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar, (PW) – Pomiar z wodomierza
Rys 5.7 Końcowe zapotrzebowanie na ciepło dla c.o. i straty c.w.u. dla budynku A1 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne.
Na rysunku (5.7) wielkość strat wynikających ze zużycia energii końcowej (wskazywanej przez podlicznik ciepła) w stosunku do zużycia zimnej wody wskazywanej przez wodomierz.
Jest to różnica między wielkością strat ciepła związanych z jego przesyłaniem. Ponieważ straty ciepła w instalacji przesyłania ciepła są funkcją energii użytkowej to w okresie większego
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 55 z 118
Straty ciepła instalacji c.w.u. (ΔQWd) (Rysunek 5.7) w okresie dużego zapotrzebowania na ciepłą wodę przewyższają potrzeby cieplne na c.o. Wykazana różnica może świadczyć o złym stanie technicznym instalacji, w związku z powyższym pojawia się konieczność modernizacji i topologii układu instalacji. Im większa różnica między zapotrzebowaniem na ciepło dla centralnego ogrzewania QH,K w stosunku do strat ciepła instalacji c.w.u., tym większe prawdopodobieństwo modernizacji tej instalacji.
Budynek – A2
Zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. odczytane z pomiarów QH,K(P) wynosi 92 [kWh/(m2rok)] natomiast zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. obliczeniowe QH,K(Obl) wynosi 88 [kWh/(m2rok)] (Rysunek 5.8). Zapotrzebowanie na ciepło na cele c.w.u. odczytane z pomiarów QW,K(P) wynosi 56 [kWh/(m2rok)] natomiast zapotrzebowanie na ciepło na cele c.w.u. obliczeniowe QW,K(Obl) wynosi 47 [kWh/(m2rok)] (Rysunek 5.9), natomiast QWnd(PW)
oczytane z wodomierza i przeliczone na jednostkę ciepła wynosi 39 [kWh/(m2rok)]
Rys 5.8 Zużycie ciepła na potrzeby c.o. w ciągu doby dla budynku A2 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar; (Obl) – Obliczenia.
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Temperatura zewnętrzna [oC]
QH,K[kWh/(m2h)]]
Doba [h]
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 56 z 118
Rys 5.9 Zużycie ciepła na potrzeby c.w.u. w ciągu doby dla budynku A2 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar; (Obl) – Obliczenia.
Na rysunku (5.10) wskazano różnicę między wartością wodomierza wody zimnej, a pomiar z podlicznika ciepła. Na rysunku (5.11) pokazano wartość energii końcowej na potrzeby c.o. oraz wielkość strat ciepła instalacji c.w.u. dla budynku A2 (obliczone na podstawie różnicy między wartością energii końcowej, a wartością energii użytkowej).
Rys 5.10 Zużycie ciepła na c.w.u. w stosunku do zużycia ciepła końcowego, odczytanego z podlicznika dla budynku A2 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar, (PW) – Pomiar z wodomierza -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Temperatura [oC]
[kWh/(m2 ∙ h)]
Doba [h]
ηWtot,śr=45%
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 57 z 118
Rys 5.11 Końcowe zapotrzebowanie na ciepło dla c.o. i straty c.w.u. dla budynku A2 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar.
Wielkość strat instalacji c.w.u. wynika z różnicy między odczytem z podlicznika ciepła a wodomierzem. Straty ciepła instalacji c.w.u. znacząco przewyższają zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. o ponad 16%. Przyczyną strat instalacji można upatrywać w złym stanie technicznym instalacji c.o. oraz c.w.u.
Budynek – A3
Zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. odczytane z pomiarów QH,K(P) wynosi 79 [kWh/(m2rok)] natomiast zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. obliczeniowe QH,K(Obl) wynosi 75 [kWh/(m2rok)] (Rysunek 5.8). Zapotrzebowanie na ciepło na cele c.w.u. odczytane z pomiarów QW,K(P) wynosi 49 [kWh/(m2rok)] natomiast zapotrzebowanie na ciepło na cele c.w.u. obliczeniowe QW,K(Obl) wynosi 43 [kWh/(m2rok)] (Rysunek 5.9), natomiast QWnd(PW)
oczytane z wodomierza i przeliczone na jednostkę ciepła wynosi 28 [kWh/(m2rok)].
Rys 5.12 Zużycie ciepła na potrzeby c.o. w ciągu doby dla budynku A3 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar; (Obl) – Obliczenia.
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Temperatura zewnętrzna [oC]
[kWh/(m2h)]
Doba [h]
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 58 z 118
Rys 5.13 Zużycie ciepła na potrzeby c.w.u. w ciągu doby dla budynku A3 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar; (Obl) – Obliczenia.
Na rysunku (5.14) wskazano różnicę między wartością wodomierza wody zimnej, a pomiar z podlicznika ciepła. Na rysunku (5.15) pokazano wartość energii końcowej na potrzeby c.o. oraz wielkość strat ciepła instalacji c.w.u. dla budynku A3 (obliczone na podstawie różnicy między wartością energii końcowej, a wartością energii użytkowej).
Rys 5.14 Zużycie ciepła na c.w.u. w stosunku do zużycia ciepła końcowego, odczytanego z podlicznika dla budynku A3 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar, (PW) – pomiar z wodomierza -4
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 59 z 118
Rys 5.15 Końcowe zapotrzebowanie na ciepło dla c.o. i straty c.w.u. dla budynku A3 (tabela 5.6).
Źródło: Opracowanie własne. Objaśnienia: (P) – Pomiar.
Wielkość strat instalacji c.w.u. wynika z różnicy między odczytem z podlicznika ciepła, a wodomierzem. Straty ciepła instalacji c.w.u. znacząco przewyższają zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. o ponad 25%. Przyczyną strat instalacji można upatrywać w złym stanie technicznym instalacji c.o. oraz c.w.u.
Wyniki obliczeń przeprowadzonych analiz zestawiono w tabeli 5.7.
Tabela 5.7 Zestawienie porównania obliczeń zapotrzebowania na ciepło z pomiarami na ciepło dla c.o. i c.w.u. dla rozpatrywanych budynków.
Wyniki porównania zapotrzebowania na ciepło
1) Sprawność liczona według Rozporządzenie [71], dane do walidacji pochodzą z 2015 roku.
Wnioski
Analizy wykazały, że aby dokonać dokładnych obliczeń zysków i strat ciepła w instalacji należy rozdzielić obliczenia zysków dla instalacji c.o. oraz c.w.u. W wyniku przeprowadzonych
-4
Lidia Grzegorczyk – praca doktorska 2019 Strona 60 z 118
analiz zapotrzebowania na ciepło dla c.o. oraz ciepłej wody użytkowej zaobserwowano, że w istniejących budynkach lepsza termoizolacja budynku, a wraz z nią poprawa parametrów współczynników przenikania ciepła, nie wpływają na zmniejszenie strat instalacji c.w.u.
W budynku A1 straty wynikające z zapotrzebowania na energię na cele c.w.u. znacząco przewyższają zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o., co powoduje, że budynek jest przegrzewany. Analizując budynki (A2 oraz A3) o mniejszym zapotrzebowaniu na energię na cele c.o. oraz c.w.u. można stwierdzić, że zmniejszenie zapotrzebowania na cele c.o. nie wpływa na poprawę oraz sprawność całkowitą instalacji budynku. Wiąże się to z koniecznością zmian sposobu projektowania instalacji z układów centralnych na zdecentralizowane.
Z analiz dla budynków A1, A2, A3 wynika, że straty wynikające z podgrzewania ciepłej wody użytkowej znacznie przewyższają zapotrzebowanie na ciepło na cele ogrzewania w analizowanych okresach. Dlatego też, przeprowadzono symulację zapotrzebowania ciepła dla budynku nZEB, dla którego wykorzystano tę samą kubaturę budynku jak dla budynku A3, jednak o lepszych parametrach termoizolacyjnych oraz o zmienionych układach instalacji.