16
dr in¿. Tomasz SZUL
Uniwersytet Rolniczy im. H. Ko³³¹taja w Krakowie, Katedra Energetyki iAutomatyzacji Procesów Rolniczych e-mail: T.Szul@ur.krakow.pl
Streszczenie
Oszacowano wskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ i koñcow¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej w budynkach wiejskich, wzniesionych przed rokiem 1918 zgodnie z aktualn¹ metod¹ obliczania charakterystyki energetycznej dla budynków mieszkalnych. Wyznaczono rzeczywisty wspó³czynnik przenikania ciep³a U, którego wartoœæ przeciêtna w przypadku œcian wynosi 1,19 W/(m ·K), a dla stropów 1,34 W/(m ·K). WskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ EU wynosi przeciêtnie 355 kWh/(m ·rok), natomiast po uwzglêdnieniu sprawnoœci systemów grzewczych (ogrzewanie i przygotowanie ciep³ej wody u¿ytkowej), wartoœæ przeciêtna wskaŸnika jednostkowego zapotrzebowania na energiê koñcow¹ EK wynosi 470 kWh/(m ·rok).
: budynki wiejskie, budynki powsta³e przed rokiem 1918, wspó³czynnik przenikania ciep³a, charakterystyka energetyczna 2 2 2 2 S³owa kluczowe
CHARAKTERYSTYKA ENERGETYCZNA
BUDYNKÓW WIEJSKICH
POWSTA£YCH PRZED ROKIEM 1918
TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2015 Wprowadzenie
Obowi¹zkowa certyfikacja energetyczna budynków w kra-jach Unii Europejskiej jest wynikiem bardzo rozpropagowanej ju¿ dyrektywy 2010/31/UE [1]. Implementacj¹ prawa unijnego na gruncie polskim jest wprowadzona w 2014 roku Ustawa o charakterystyce energetycznej budynków [14], w której okre-œlono m.in.: zasady sporz¹dzania œwiadectw charakterystyki energetycznej, rodzaje budynków, dla których powinno byæ wykonane œwiadectwo, oraz okolicznoœci, w jakich nale¿y je wykonaæ, tj. dla budynków nowych, a tak¿e w okreœlonych okolicznoœciach dla budynków istniej¹cych. Na mocy tej usta-wy Minister Infrastruktury i Rozwoju usta-wyda³ nowe rozpo-rz¹dzenie w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub czêœci bu-dynku stanowi¹cego samodzieln¹ ca³oœæ techniczno-u¿ytkow¹ oraz sposobu sporz¹dzania i wzorów œwiadectw charakte-rystyki energetycznej [11], w której wprowadzono dwa sposoby wyznaczania charakterystyki energetycznej, tj. opart¹ na standardowym sposobie u¿ytkowania oraz na danych klimatycznych przyjêtych z bazy danych klimatycznych najbli¿szej stacji meteorologicznej (nowoprojektowane i istniej¹ce budynki) i drug¹, opart¹ na faktycznej iloœci zu¿ytej energii (budynki istniej¹ce eksploatowane co najmniej trzy lata - metoda ta ma zastosowanie w przypadku budynków ogrzewanych gazem lub ciep³em sieciowym). Chocia¿ bezpo-œrednim celem dyrektywy i wynikaj¹cej z niej ustawy jest jedynie znakowanie energetyczne budynków, to widniej¹ce w niej zapisy dotycz¹ce sposobu szacowania zapotrzebowania na energiê w budynkach mog¹ byæ pomocne równie¿ w przy-padku planowania energetycznego wynikaj¹cego z ustawy z o samorz¹dzie terytorialnym [15] oraz ustawy prawo energe-tyczne [13], gdzie jednym z kluczowych elementów jest okreœlenie wielkoœci zapotrzebowania na ciep³o do ogrzewania budynków w danym regionie [12]. Ocena tego zapotrzebowa-nia jest zadaniem szczególnie trudnym na obszarach wiejskich, gdzie dominuj¹ budynki jednorodzinne w wiêkszoœci wypo-sa¿one w indywidualne Ÿród³a ciep³a, a w³adze gminne nie dysponuj¹ danymi na temat wielkoœci i struktury zu¿ycia energii cieplnej w budynkach mieszkalnych szczególnie tych wybudowanych przed 1918 rokiem. Wed³ug danych GUS 2011 [2] budynki mieszkalne wybudowane przed 1918 rokiem sta-nowi¹ 8,8% udzia³u wœród budynków znajduj¹cych siê na
obszarach wiejskich. W istniej¹cych opracowaniach mo¿na znaleŸæ informacjê na temat wskaŸników jednostkowego zapo-trzebowania na energiê koñcow¹ do ogrzewania budynków z tego okresu, która wed³ug [10] zawiera siê w przedziale 240-350 kWh/(m ·rok), lub wed³ug [16] 518-894 kWh/(m ·rok). Natomiast w przypadku ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej wartoœæ tego wskaŸnika zawiera siê w prze-dziale 615-991 kWh/(m ·rok) [16]. Jak mo¿na zauwa¿yæ, wartoœci przedstawionych wskaŸników znacznie ró¿ni¹ siê od siebie, a tak¿e nie ma informacji dla jakiego typu budynków zosta³y wyznaczone. Dlatego celem pracy by³o oszacowanie wskaŸnika zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ i koñcow¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej w budyn-kach wiejskich wzniesionych przed rokiem 1918 zgodnie z aktualn¹ metodologi¹ obliczania charakterystyki energe-tycznej dla budynków mieszkalnych.
Obliczenia wykonano dla dziewiêciu przyk³adowych budynków mieszkalnych, zlokalizowanych na terenie gmin wiejskich powiatu krakowskiego. W tab. 1 zestawiono podsta-wowe informacje (zebrane na podstawie obmiaru) o analizowa-nych budynkach, takie jak: powierzchnia u¿ytkowa Au, powierzchnia ogrzewana Af, kubatura budynku V, wskaŸnik zwartoœci budynku A/V, powierzchnia okien Ao oraz rodzaj ogrzewania (PK - piece kaflowe, c.o. - centralne ogrzewanie z kot³em na paliwo sta³e, El-elektryczne piece akumulacyjne). Ciep³a woda u¿ytkowa w budynkach wyposa¿onych w kocio³ centralnego ogrzewania by³a przygotowywana w systemie zasobnikowym, w pozosta³ych budynkach zainstalowane by³y termy elektryczne. Œciany zewnêtrzne budynków by³y wykonane z bali drewnianych, z drewna wykonane równie¿ by³y stropy pod poddaszem (nieu¿ytkowym). Budynki by³y niepodpiwniczone (z pod³og¹ na gruncie). Zastosowane oszklenie w budynkach (lp. 1, 2, 3, 4, 7) to okna krosnowe pojedynczo oszklone, w pozosta³ych zamontowane by³y okna skrzynkowe - oszklone podwójnie.
Pierwszym etapem obliczeñ charakterystyki energetycznej budynku jest oszacowanie wspó³czynników przenikania ciep³a dla przegród zewnêtrznych. W literaturze [5] mo¿na znaleŸæ informacje na temat wielkoœci teoretycznych dla œcian zewnêtrznych budynków mieszkalnych wykonanych z bali
2 2
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 88,2 86,6 70,3 72,4 108,9 63,0 73,6 82,8 84,6 58,6 57,1 59,9 58,6 74,0 55,6 55,3 63,9 57,9 181,8 171,1 185,9 166,2 229,6 172,5 150,3 198,3 179,7 1,06 1,11 0,98 1,16 1,01 1,07 1,26 0,89 0,92 9,5 9,3 6,3 10,6 12,6 7,9 4,0 11,8 9,3 PK PK PK PK c.o. El PK PK c.o. Lp. Wymiary charakterystyczne Au m2 Af m2 V m2 A/V 1/m Ao m2 Sposób ogrzewania
Tab. 1. Charakterystyka obiektów poddanych analizie Table 1. Characteristics of analyzed objects
ród³o: obliczenia w³asne / Source: own work sosnowych prostok¹tnych i okr¹g³ych, gdzie dla gruboœci œcian
podobnych jak w analizowanych budynkach, tj. zawieraj¹cych siê w przedziale 18-30 cm wspó³czynnik przenikania ciep³a waha siê od 0,52 do 0,78 W/(m ·K). W opracowaniu [4] wska-zano, ¿e w budynkach polskich wzniesionych przed rokiem 1918 wartoœæ wspó³czynnika przenikania ciep³a U wynosi odpowiednio dla œcian 1,75 W/(m ·K), dla stropów 1,15 W/(m ·K). Wed³ug archiwalnej normy PN B-02105:1953 [6] wspó³czynnik przenikania ciep³a dla œcian zewnêtrznych nie powinien przekraczaæ 1,163 W/(m ·K), natomiast w przypadku stropów 1,04 W/(m ·K). Analizowane w pracy budynki nie posiada³y dokumentacji projektowej, a z uwagi na wiek bu-dynków nie mo¿na by³o wykonaæ rzetelnych obliczeñ wspó³-czynnika przenikania ciep³a U przez œciany zewnêtrzne oraz stropy, w zwi¹zku z tym postanowiono wyznaczyæ rzeczywist¹ wartoœæ tego wspó³czynnika korzystaj¹c z zale¿noœci [3]:
,
temperatura powietrza w pomieszczeniu, C, temperatura na wewnêtrznej powierzchni œciany, C, temperatura powietrza na zewn¹trz budynku, C,
wspó³czynnik przejmowania ciep³a na wewnêtrznej powierzchni œciany, W/(m ·K).
Dla wyznaczenia wspó³czynnika przenikania ciep³a U wartoœæ wspó³czynnika h przyjêto na podstawie normy PN-EN ISO 6946 [7], jako odwrotnoœæ oporów przejmowania ciep³a.
Temperaturê wewnêtrznej powierzchni przegród mierzono termometrem na podczerwieñ Testboy TV325 z odleg³oœci
2 2 2 2 2 o o o 2 gdzie: T T T -h -i si e si si
Omówienie wyników obliczeñ i ich analiza
e i si i si T T T T h U -× = ( )
2,5 m (plamka pomiaru o œrednicy 0,25 m), co da³o 4 pomiary na ka¿dy m . W wyniku przeprowadzonych odczytów otrzyma-no mapê rozk³adu temperatury na wewnêtrznej powierzchni œcian oraz stropów - zawiera³a ona dane o wartoœci temperatury oraz odpowiadaj¹cej jej powierzchni. Nastêpnie obliczono temperaturê T dla powierzchni œcian ca³ego budynku jako œredni¹ wa¿on¹ z uzyskanych pomiarów. Temperaturê powietrza w pomieszczeniach oraz na zewn¹trz mierzono za pomoc¹ przenoœnego miernika temperatury TES-1319. Zmierzona temperatura powietrza wewnêtrznego w po-szczególnych pomieszczeniach mieszkalnych analizowanych budynków ró¿ni³a siê miêdzy sob¹, a zatem i w tym przypadku temperaturê T wyznaczono jako œredni¹ wa¿on¹ odczytanej temperatury i pola powierzchni ogrzewanej Af. W tab. 2 zestawiono wyniki pomiarów temperatury oraz wspó³czynnik przenikania ciep³a dla analizowanych przegród.
Wartoœæ przeciêtna obliczonego wspó³czynnika przeni-kania ciep³a U dla œcian zewnêtrznych w analizowanych budynkach wynosi 1,19 W/(m ·K), przy czym przedzia³ ufnoœci (dla = 0,1) zawiera siê w granicach od 0,93 do 1,44 W/(m ·K). W przypadku stropów jej wartoœæ jest wiêksza i wynosi 1,34 W/(m ·K). Przedzia³ ufnoœci dla tego wspó³czynnika to 1,01 do 1,67 W/(m ·K). Wspó³czynniki przenikania ciep³a dla okien i drzwi przyjêto zgodnie z [9],wspó³czynnik przenikania ciep³a dla pod³ogi na gruncie obliczono zgodnie z norm¹ PN ISO 12831 [8] w oparciu o informacje uzyskane od w³aœcicieli budynków. Z wagi na to, ¿e analizowane budynki s¹ ogrzewane g³ównie paliwami sta³ymi (drewnem oraz wêglem) ich chara-kterystyka energetyczna musia³a byæ sporz¹dzona metod¹ opart¹ na standardowym sposobie u¿ytkowania. Dane kli-matyczne przyjêto ze stacji meteorologicznej Kraków-Balice. Przeprowadzone obliczenia pozwoli³y na oszacowanie jedno-stkowego wskaŸnika zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ EU oraz koñcow¹ EK dla ogrzewania i przygotowania ciep³ej
2 2 2 2 2 si i á
ród³o: obliczenia w³asne / Source: own work
1 2 3 4 5 6 7 8 9 18,52 20,1 19,22 19,03 19,93 18,07 18,34 21,3 20,6 14,95 16,68 15,49 16,06 17,97 15,76 14,92 18,95 18,27 -2,6 -1,4 0,8 1,2 -2,1 -2,9 3,2 -0,7 -1,8 18,52 20,1 19,22 19,03 19,93 18,07 18,34 21,3 20,6 1,35 1,19 1,51 1,24 0,65 0,83 1,74 0,81 0,79 1,19 15,11 15,05 15,01 16,63 17,39 16,92 16,13 18,61 17,89 -1,9 -1,1 0,5 1,0 -1,8 -2,1 2,8 -0,5 -1,7 1,44 2,37 2,13 1,34 1,17 0,85 1,42 1,23 1,21 1,34 Lp. T C i o T C si o T C e o U W/(m K)2 · T C i o T C si o T C e o U W/(m K)2 ·
wartoœæ przeciêtna wartoœæ przeciêtna
Œciany zewnêtrzne Strop pod poddaszem
Tab. 2. Wartoœæ temperatury (Ti, Tsi, Te) i wspó³czynnik przenikania ciep³a U Table 2. The temperature value (Ti, Tsi, Te) and a heat transfer coefficient U
wody u¿ytkowej. Wyniki obliczeñ zestawiono w tab. 3. Wartoœæ przeciêtna wskaŸnika zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ do ogrzewania EU wynosi 331 kWh/(m ·rok), natomiast wskaŸnik zapotrzebowania na energiê koñcow¹ EK wynosi 434 kWh/(m ·rok). Przedzia³ ufnoœci wynosi odpowie-dnio 292-484 kWh/(m ·rok) dla energii u¿ytkowej i 397-542 kWh/(m ·rok) dla energii koñcowej. W przypadku ciep³ej wody u¿ytkowej wartoœæ przeciêtna wskaŸnika EU wynosi 24 kWh/(m ·rok), natomiast wskaŸnika EK wynosi 35,78 kWh/(m ·rok).
Zgodnie z metod¹ [11] charakterystyka energetyczna budynku stanowi sumê zapotrzebowania na ciep³o do ogrze-wania i przygotoogrze-wania ciep³ej wody u¿ytkowej. Na rysunku 1 przedstawiono charakterystykê energetyczn¹ wyra¿on¹ za pomoc¹ wskaŸników jednostkowego zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ EU i koñcow¹ EK wraz ich wartoœciami przeciêtnymi.
Roczne zapotrzebowanie na energiê, wyra¿one za pomoc¹ jednostkowego wskaŸnika zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ EU dla analizowanej grupy budynków wynosi przeciêtnie 355 kWh/(m ·rok), natomiast po uwzglêdnieniu sprawnoœci systemów grzewczych (ogrzewanie i przygo-towanie c.w.u) wartoœæ przeciêtna wskaŸnika jednostkowego zapotrzebowania na energiê koñcow¹ EK wynosi 470 kWh/(m ·rok). Przedzia³ ufnoœci dla tych wskaŸników zawiera siê w granicach od 292 do 418 kWh/(m ·rok) dla energii u¿ytkowej oraz od 397 do 543 kWh/(m ·rok) dla zu¿ycia energii koñcowej. Otrzymane wyniki mo¿na porównaæ z wartoœciami wskaŸników budynków powsta³ych po 2010 roku, które wg [9] s¹ nastêpuj¹ce:
- wskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody
H H W W 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Rys. 1. Charakterystyka energetyczna analizowanych obiektów Fig. 1. Energy performance of the analyzed objects
u¿ytkowej EU zawiera siê w granicach 109-116 kWh/(m ·rok), przy wartoœci przeciêtnej 112 kWh/(m ·rok). - wskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê koñcow¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej EK zawiera siê w granicach 144-155 kWh/(m ·rok), przy wartoœci przeciêtnej 149 kWh/(m ·rok). A zatem zu¿ycie energii w budynkach powsta³ych przed 1918 rokiem jest 3-krotnie wy¿sze ni¿ w budynkach powsta³ych zgodnie z aktualnie obowi¹zuj¹cymi normami.
Na podstawie wykonanych obliczeñ dla budynków wiej-skich powsta³ych przed 1918 rokiem mo¿na sformu³owaæ nastêpuj¹ce wnioski:
- Rzeczywisty wspó³czynnik przenikania ciep³a U dla œcian zewnêtrznych zawiera siê w granicach od 0,93 do 1,44 W/(m ·K), przy przeciêtnej wartoœci 1,19W/(m ·K). W przypadku stropów pod nieogrzewanym poddaszem wartoœæ wspó³czynnika U wynosi od 1,01 do 1,67 W/(m ·K), przy wartoœci przeciêtnej 1,34 W/(m ·K). - WskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê
u¿ytkow¹ do ogrzewania EU zawiera siê w granicach 292-484 kWh/(m ·rok), przy wartoœci przeciêtnej 331 kWh/(m ·rok).
- WskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê koñcow¹ do ogrzewania EK zawiera siê w granicach 397-542 kWh/(m ·rok), przy wartoœci przeciêtnej 434 kWh/(m ·rok).
- WskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê u¿ytkow¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej EU zawiera siê w granicach 292-418 kWh/(m ·rok), przy wartoœci przeciêtnej 355 kWh/(m ·rok). - WskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê koñcow¹ do ogrzewania i przygotowania ciep³ej wody u¿ytkowej EK zawiera siê w granicach 397-543 kWh/(m ·rok), przy wartoœci przeciêtnej 470 kWh/(m ·rok). - W œwietle obowi¹zuj¹cych rozporz¹dzeñ analizowane budynki charakteryzuj¹ siê ok. trzykrotnie wy¿szym zu¿yciem energii w porównaniu do budynków nowopowsta³ych. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Wnioski H H Bibliografia
[1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
[2] G³ówny Urz¹d Statystyczny. 2011. Wyniki Narodowego Spisu Powszechnego. Mieszkania. http//www.stat.gov.pl.
ród³o: obliczenia w³asne / Source: own work
Lp. wartoœæ przeciêtna 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Ogrzewanie budynku Przygotowanie c.w.u.
EU kWh/(m rok) H 2 · EK kWh/(m rok) H 2· EU kWh/(m rok) W 2 · EK kWh/(m rok) W 2· 430,7 496 464,3 390,6 282,4 269,3 331,1 268,7 266,1 331,1 534,3 612,9 572,3 486,7 372,4 299,2 434,3 356,6 353,5 434 24,10 24,08 24,09 24,10 24,08 24,08 24,09 24,08 24,09 24,09 35,78 35,76 35,78 35,78 62,27 35,77 35,79 62,27 35,79 35,78
Tab. 3. WskaŸnik jednostkowego zapotrzebowania na energiê do ogrzewania i przygotowania c.w.u. Table 3. The unit rate of energy demand for heating and hot water
TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 3/2015 18
[3] Kisielewicz T., Wróbel A., Wróbel A.: Inwentaryzacja rzeczywistych strat ciep³a przez przegrody budynków z wykorzystaniem termografii. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, 2008, Vol. 18, s. 231-240. [4] Loga T., Diefenbach N. (red.), DATAMINE-Collecting
Data From Energy Certification To Monitor Performance Indicators for New and Existing Buildings, Final report, 197 p., January 2009. Available on line: http://env.me-teo.noa.gr/datamine/DATAMINE_Final_Report.pdf. [5] Nitka W. 2009. Izolacyjnoœæ cieplna œcian z bali. Energia
i Budynek. 01(22). S.27-32.
[6] PN B-02105:1953. Wspó³czynniki przenikania ciep³a k dla przegród budowlanych - Wartoœci liczbowe. Norma archiwalna.
[7] PN-EN ISO 6946:2007 Opór cieplny i wspó³czynnik przenikania ciep³a. Sposób obliczania.
[8] PN-EN ISO 12831:2006. Instalacje ogrzewcze w bu-dynkach Metoda obliczania projektowego obci¹¿enia cieplnego.
[9] Raport Builddesk Analyticys - Stan energetyczny budynków w Polsce. 2012. / C o n s u l t a n - cy/PL%20BD%20Analytics/2010-12-stan-energetyczny-budynkow.pdf http://www.build-d e s k . p l / f i l e s / B u i l http://www.build-d D e s k
[10] Robakiewicz M.: Ocena cech energetycznych budynków. Biblioteka Fundacji Poszanowania Energii, Warszawa, 2009.
[11] Rozporz¹dzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 2 lipca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania chara-kterystyki energetycznej budynku stanowi¹cej samo-dzieln¹ ca³oœæ techniczno-u¿ytkowa oraz sposobu sporz¹dzania i wzorów œwiadectw ich charakterystyki energetycznej. Dz. U. 2014 Poz. 888.
[12] Trojanowska M., Szul T.: Techniczna i gospodarcza analiza oraz prognozowanie nak³adów energetycznych na ogrzewanie budynków mieszkalnych na terenach wiejskich. Acta Scientarium Polonorum. Technica Agraria, 2003, 2(2), s. 69-75.
[13] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (Dz.U. z 1997 r. nr 54 wraz z póŸn. zm.).
[14] Ustawa z dnia 29 sierpnia 2014 r. o charakterystyce energetycznej budynków. Dz.U. 2014 poz.1200.
[15] Ustawa z dnia 8 marca 1990 r. o samorz¹dzie terytorialnym (Tekst jednolity: Dz.U. z 1996 r. nr 13, poz. 74, zmiany: Dz.U. z 1996 r. nr 58, poz. 261, nr 106, poz. 596, nr 132, poz. 662; z 1997 r. nr 9, poz. 43).
[16] ¯urawski J.: Budownictwo zero- lub prawie zeroenergetyczne w warunkach polskich. Izolacje, 2012, R17, nr 9, s. 14-19.
Summary
An indicator of the individual demand for the functional and final energy was estimated for warming and preparing warm functional water in country buildings raised before 1918 according to the current methodology of calculating energy characteristics for residential buildings. A real rate of the permeation of the warmth was set, which the average value in case of walls is taking out 1.19 W/(m K), and for ceilings 1.34 W/(m K). The indicator of the individual demand for the functional EU energy is on average 355 kWh/(m year), however after taking the efficiency of heating systems into account the average of the indicator of the individual demand for the final EK energy amounts to the value 470 kWh/(m year).
: rural buildings, buildings built before 1918, heat transfer coefficient, energy performance
2 2 2 2 · · · · Key words
