Post on 04-May-2023
12/15/14
KOMFORT TERMICZNY I ZUŻYCIE ENERGII DOMU EKOLOGICZNEGO – ANALIZA
SYMULACYJNA
Karol Bandurski, Tomasz Mielczyński, Halina Koczyk STRESZCZENIE:
Artykuł opisuje koncepcje ekologicznego domu – DomTrzon. Zaprezentowano pomiary przeprowadzone w istniejącym obiekcie. W oparciu o pomiary zweryfikowano założenia dotyczące modelu konstrukcji budynku. Zaproponowano uproszczony model pieca akumulacyjnego na drewno (NunnaUuni). Wewnętrzny komfort termiczny i energie końcową budynku zbadano przy użyciu programu symulacyjnego TRNSYS. W trakcie użytkowania większość pomieszczeń spełniała wymagania komfortu termicznego. Energia końcowa DomTrzon, na cele grzewcze, jest równa 66 kWh/m2/rok.
Słowa kluczowe: budynek drewniany, ekologiczny, piec akumulacyjny, efektywność energetyczna, symulacja.
12/15/14
1. WPROWADZENIE Koncepcja omawianego budynku ekologicznego, według autorów, ma dwa
zasadnicze cele. Po pierwsze budynki ekologiczne powinny być energooszczędne i zapewniać wysoką jakość powietrza wewnętrznego. Po drugie celem jest takie zaprojektowanie budynku aby ograniczyć zużycie energii pierwotnej zarówno w trakcie wznoszenia budynku jak i produkcji materiałów użytych do konstrukcji. Innymi słowy domy ekologiczne charakteryzują się zarówno niskim zużyciem energii do ogrzania wnętrza, przy jednoczesnym niskim poziomie zużycia Energii Pierwotnej. Dom Trzon – występujący także pod nazwą Bio_Arki jest innowacyjną koncepcją architektury pozwalającą na podstawie jednego schematu przestrzennego wybudować kilka typów budynków. Projekt bazuje na idei drewnianego, masywnego domu wspomagającego zachowania społeczne, socjalne w ramach zamieszkującej rodziny, oraz zachowania komfortu wnętrza za pomocą prostych rozwiązań przestrzennych, architektonicznych, które w sposób pasywny wpływają na komfort wnętrza. Dom jest dedykowany dla dla ludzi, którzy preferują życie “blisko natury” w zgodzie z rocznym cyklem klimatycznym. Głównym ( i jedynym aktywnym) źródłem ciepła w Domu jest piec akumulacyjny opalany drewnem, pełniący także rolę kuchni. Pierwszy egzemplarz domu został wybudowany na wsi, w północnej wielkopolsce, niedaleko Czarnkowa. Celem poniższego artykułr jest analiza koncepci Bio_Arki w kontekście komfortu termicznego i zużycia energii. Analiza bazuje na pomiarach przeprowadzonych w niezamieszkałym obiekcie oraz na symulacji w programie TRNSYS. Pomiary temperatury wewnętrznej wykonane na miejscu służą do potwierdzenia i ewentualnego poprawienia modelu obliczeniowego wprowadzonego do programu TRNSYS.
12/15/14
Rys 1. DomTrzon/Bio_Arka -‐ szkic koncepcyjny
2. Analiza zrealizowanego budynku. Badany budynek ma powierzchnię użytkową około 150m2. Rozkład funkcjonalny budynku pokazano na Rys.2. Przestrzeń wewnątrz projektowana jest jako otwarta, jedyną stałą przegrodą wewnątrz budynku jest Trzon wykonany z palisady bali modrzewiowych. Przestrzeń dzienna jest otwarta na górną kondygnacje, pomieszczenia na poddaszu są de-‐facto antresolą.
Rys 2. DomTrzon/Bio_Arka -‐ Rzuty analizowanego budynku.
Konstrukcja domu jest wykonana z masywnego drewna – paneli ściennych i stropowych z drewna klejonego HBE, oraz z masywnych bali modrzewiowych o średnicy 20cm. Termiczne właściwości powłoki zewnętrznej są zaprezentowane w Tabeli 1.
12/15/14
W analizie symulacyjnej założono, że budynek jest zamieszkały przez pięcioosobową rodzinę (rodzice i trójka dzieci). Rodzice śpią w sypialni na parterze, przy północno-‐wschodnim narożniku domu, dzieci śpią na antresoli. Rodzina wstaje o 0730 i kładzie się spać około 2200. Cztery osoby spędzają większość czasu w jadalni i salonie, jedna osoba pracuje 7 godzin w gabinecie, lub poza domem. CZtery osoby opuszczają dom średnio na 1:15 około południa. W modelu budynku wyróżniono trzy wewnętrzne źródła ciepła: mieszkańcy (zgodnie z normą ISO 7730), ciepła woda do kąpieli – 138 W prez 0,5h każdego wieczoru i poranka oraz wyposażenie pomieszczenia technicznego – 20W przez całą dobę. Wytwarzanie wilgoci skupia się w łazience – 1,8kg/h, przez 0,5h każdego wieczora i poranka – oraz w części kuchennej – proporcjonalnie do intensywności gotowania, max.1,8kg/h przez 2 godziny, trzy razy dziennie.
T a b l e 1 External envelope construction (capital letters indicates PAVATEX products)
Wall Layers (from inside)
thic
knes
s [m
]
cond
uctiv
ity
[W/(m
K)]
heat
cap
acity
[k
J/(k
gK)]
dens
ity
[kg/
m3 ]
External wall d = 0.41 m U = 0.115 W/(m2K)
wood 0.1 0.13 2.51 550 PAVAFLEX 0.24 0.038 2.1 55
DIFFUTHERM 0.06 0.043 2.1 250 plaster 0.01 0.82 0.84 1850
Roof d = 0.59 m U = 0.086 W/(m2K)
wood fibers (with rafter) 0.45 0.043 2.1 60
ISOLAIR 0.022 0.047 2.1 240 air gap (battens) R = 0.2 m2K/W
aspen chips 0.019 0.14 0.9 530 Windows
U = 0.73-0.84 W/(m2K), g=0.45 – 0.58 Analizowana wersja Domu_Trzonu jest wyposażona w jeden system ogrzewania: akumulacyjna piecokuchnia opalana drewnem z piekarnikiem – Eva 2 [3]. Piec jest użytkowany przede wszystkim jako kuchnia, co najmniej trzy razy w ciągu dnia. Rzadziej pełni rolę kominka. Poza tym piec jest umiejscowiony w przestrzeni pomiędzy kuchnią a pokojem dziennym, tylna ściana pieca jest częścią ściany łazienki. Więcej detali z opisu pieca zawartych jest w następnej sekcji artykułu. Świeże powietrze jest dostarczane do pomieszczeń za pomocą systemu wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Rekuperator jest wyposażony we wstępną nagrzewnicę powietrza o mocy 800W.
3. Weryfikacja modelu obliczeniowego Badany budynek został wymodelowany w programie TRNSYS. Do kalkulacji wprowadzono trzy moduły wewnętrzne modelu obliczeniowego: model powłoki budynku ( wg typu 56), model pieca akumulacyjnego (wg typu 963) i model systemu wentylacyjnego (wg TRNSFLOW). Zaożenia odnośnie dwóch
12/15/14
pierwszych modeli są przyjęte zgodnie projektem (powłoka budynku) i danymi producenta (piec akumulacyjny).
3.1 Model powłoki budynku Dokonano pomiarów wewnętrznej i zewnętrznej temperatury w okresie jednego tygodnia: od 25 do 31 grudnia 2013. Dom w tym czasie nie był zamieszkały, nie był uruchamiany piec akumulacyjny, dzięki czemu można było zaobserwować proces wychładzania budynku i nagrzewania od promieniowanie słonecznego. Tą samę sytuację zasymulowano używając modelu powłoki budynku oraz danych klimatycznych pobranych dla stacji metorologicznej ustyuowanej około 30km od lokalizacji budynku. Zewnętrzna temperatura na miejscu jest porównywalna z temperaturą zaobserwowaną na stacji meteorologicznej, co przedstawia Rys. 3. .
Rys 3. Porównanie zewnętrznej temperatury ze stacji meteorologicznej oddalonej o 30 km miejsca badania i temperatury z badań na miejscu.
12/15/14
Rys 4. Porównanie mierzonych I symulowanych wartości spadku stężenia Co2 strefie dziennej, po opuszczeniu budynku przez mieszkańców.
Rys. 5 pokazuje porównanie zmierzonych wartości i wartości zasymulowanych w trakcie symulacji. Można zauważyć, że wartości zmierzone są wyższe od symulowanych w punktach wzrostu temperatury spowodowanych promieniowaniem słonecznym. Wytłumaczeniem tego może być fakt, że czujniki były umieszczane w oświetlanych miejscach, a symulacja kalkuluje temperaturę uśrednioną dla całej kubatury. Dodatkowo był także przeprowadzany monitoring stężenia CO2. Te dane zostały użyte do sprawdzenia założeń dotyczących szczelności powietrznej budynku. Porównanie wartości symulowanych i zmierzonych dowodzi poprawności modelu obliczeniowego i zgodności założeń obliczeniowych ze stanem faktycznym budynku (Rys.4).
12/15/14
Rys 5. Porównanie mierzonej (a) i symulowanej (b) temperatury wewnętrznej badanego budynku podczas procesu wychładzania -‐ budynek niezamieszkały przez tydzień.
3.2. Model pieca akumulacyjnego Model pieca bazuje na danych producenta [3]. Ponieważ nie dysponowano szczegółowymi informacjami dla danego typu pieca (Eva_2) wykonano aproksymację parametrów dedukując z danych dotyczących pieców o podobnej wielkości. Pracę pieca można podzielić na trzy fazy. Na początku piec rozgrzewa się około 2 godzin, następuje spalanie jednorazowego wsadu (porcji drewna). Następnie zakumulowna energia jest wypromieniowana z prawie stałą (nominalnie) mocą przez około 6-‐8 godzin. Moc grzewcza spada podczas trzeciej fazy. Wszystkie trzy fazy pracy mogą trwać łacznie nawet 48h. Bazując na danych producenta założono, że spalenie maksymanlego wsadu pieca (ok. 10kg drewna), skutkuje
12/15/14
mocą grzewczą ok. 2kW utrzymującą się około 7h, a pojemność cieplna pieca to około 1500kJ/K (Rys.6.)
Rys 6. Moc i temperatura pieca akumulacyjnego w badanym budynku.
4. Symulacja Symulacje przeprowadzono dla okresu od 1-‐go listopada do 31 Marca. Dane pogodowe zostały wygenerowane przez Meteonorm dla typowego roku meteorologicznego, na stacji meteorologicznej Poznań-‐Ławica.
4.1 System wentylacji i operacja pieca akumulacyjnego Założono dwa tryby pracy instalacji wentylacjnej budynku, oba zakładają użycie zrównoważonej wentylacji mechanicznej o wydajności 200m3/h. Pierwszy tryb zakłada użycie wymiennika ciepła – rekuperatora – o stałej sprawności 82%. Świeże powietrze przepływa najpierw przez nagrzewnicę wstępną, która ogrzewa powietrze zewnętrzne jeżeli jego temperatura jest poniżej -‐5C. Drugi tryb włacza się w przypadku zbyt wysokich temperatur wewnętrznych: jeżeli temperatura powietrza wywiewanego jest wyższa od 22C to powietrze zewnętrzne nie przepływa przez wymiennik ciepła, ale przez by-‐pass jest nawiewana bezpośrednio do pomieszczenia. Powrót do pierwszego trybu pracy następuje w momencie spadku temp. wewnętrznej do 21C. Założono, że piec będzie używany trzykrotnie w ciągu doby: o 0800, 1300 I 2000 dla celów kulinarnychWartość opałową drewna przyjeto na poziomie 15,1 kJ/kg. Masa załadunku zależy od pory dnia i aktualnej temperatury wewnętrznej. Jeśli temperatura powietrza wywiewanego spadnie poniżej 19C, w szystkie wsady do pieca mają maksymalną masę maksymalnym załadunkiem, aż temperatura w domu osiągnie 21C, wówczas następuje powrót do standardowego trybu.
12/15/14
Sprawność spalania w piecu zależy od wielu czynników, przede wszystkim od ilości i temperatury powietrza używanego do procesu spalania. Powietrze pobierane jest z pomieszczenia dziennego. Z trudności z zamodelowaniem tej sytuacji oraz małej ilości danych założono, że powietrze do spalania pobierane jest bezpośrednio z zewnątrz, a sprawność jest stała i wynosi 75%.
4.2 Wyniki Symulacja została przeprowadzona, aby przeanalizować komfort termiczny i zużycie energii w badanym budynku. Przyjęto zakres komfortu temperaturowego zgodnie ze wskazówkami Peeters i in. , którzy oporacowali je w oparciu o przegląd literatury i dostepnych danych, na potrzeby analizy symulacyjnej budynków mieszkalnych [5]. Zakres temperatur są zdefiniowane osobno dla łazienek, sypialni i pozostałych pomieszczeń, dlatego rezultaty pokazano na trzech wykresach.
Rys 7. Temperatura operatrywna w łazience i zakres komfortu termicznego -‐ wyniki symulacji okresu grzewczego.
12/15/14
Rys 8. Temperatura operatrywna dla sypialni i zakres komfortu termicznego podczas okresu symulacji (listopad-‐marzec)
Rys 9. Temperatura operatrywna i zakres komfortu termicznego dla pokoju dziennego i pracowni/gabinetu, podczas okresu grzewcezgo (listopad-‐marzec)
DomTrzon zużywa enegię do ogrzania wnętrza na trzy sposoby: spalanie drewna w piecu kuchennym, zużycie energii dla działania systemu wentylacyjnego i dla wstępnego podgrzania powietrza zewnętrznego. Większość energii jest zużywana przez piec.Na rys.10 pokazano porównanie zapotrzebowania na energię, zuzycia energii końcowej i energii eierwotnej. Zapotrzebowanie na energię jest kalkulowane dla temperatury wewnętrznej stałej i wynoszącej 24C
12/15/14
w łazience i 20C w pozostałych pomieszczeniach, przy stalym strumieniu powietrza wentylacyjnego: 200m3/h, dostarczanego przez rekuperator o sprawności odzysku 82%. Wewnętrzne zyski ciepła są takie same dla obliczenia zapotrzebowania na Energię jak i zuzycia energii końcowej (opisano je w rozdziale 2). Kalkulacja Energii Pierwotnej bazuje na Metodologii Obliczania charatkerystyki energetycznej budynków [4].
Rys 10. Zużycie Energii Końcowej, Zapotrzebowanie na Energię i Zużycie Energii Pierwotnej (dla celów wentylacji i ogrzewania) w badanym budynku.
4.3. Omówienie wyników badań Można zauważyć występowanie dużych różnicy temperatur pomiędzy pomieszczeniami w budynku. Najzimniejsze strefy są umiejscowione na parterze, przy północnej ścianie budynku, z powodu braku promieniowania słonecznego i efektu wyporu ciepła (które idzie do góry a nie w kierunku poziomym). Najwyższe temperatury można zaobserwować w centrum budynku, w strefach przyległych do pieca. W łazience temperatura czasem znajduje się poza zakresem komfortu, ale dzieje się to w trakcie godzin nocnych kiedy ta strefa nie jest użytkowana. Podobna sytuacja ma miejsce w sypialniach – w nocy temperatura jest komfortowa, a w ciągu dnia często przekracza zakres komfortu. Antresola może być również używana jako sterfa dzienna ponieważ w ciągu dnia spelnia zakres komfortu tego typu pomiewszczeń. Najgorsza sytuacja jest w gabinecie. W niektóre zimowe dni temperatura operatywan jest zuepełnie poza zakresem komfortu. Z drugiej strony znane jest zjawisko odbierania temperatury jako cieplejszej w przypadku przeggród drewnianych. Niemniej komfort w gabinecie jest powaznym problemem, szczególnie w kontkeście aktywności ,która zazwyczaj jest podjemowana w tego typu pomieszczeniach (bardzo niska). Zużycie Energii Końcowej dla budynku jest blisko dwa razy wyższe niż wartość zapotrzebowania na Energię do ogrzania wnętrza, wynika to z faktu, że piec akumulacyjny jest głownie uzytkowany do przygotowywania posiłków, co który
12/15/14
wymaga wyższych temperatur , a tym samym większego zużycia paliwa. Aczkolwiek należy zaznaczyć, że mierzona ilość paliwa została używana przede wszystkim do celów “kulinarnych”, trudno określić jaka ilość spalonego drewna, jaki procent wytworzonego ciepła został przekazany do celów ogrzania wnętrza. Metodologia obliczeń dla celów charakterystyki energetycznej budynku nie uwzględnia takiej konfiguracji urządzeń w domu. – przypis własny – T.Mielczyński. Należy zauważyć, że z jednej strony nadmiar ciepła powoduje wysokie temperatury w strefach znajdujących się blisko pieca akumulacyjnego. Z drugiej strony są strefy, które pomiomo nadmiaru wyprodukowanego ciepła pozostają niedogrzane. Jedna z „zimnych” stref jest sypialnią, gdzie wysokie temperatury nie są konieczne, a wręcz nieporządane. Jednak druga strefa to gabinet, w którym w przypadku pracy biurowej warunki temiczne będą bardzo niekomfortowe. Wydaje się, że lepsze zarządzanie i utylizacja nadamiarami energii cieplnej (np. modyfikacja systemu wentylacji) mogłyby poprawić efektywność analizowanego obiektu. Kwestia jest być może istotniejsza latem, gdyż nadmiar ciepła będzi wówczas jeszcze większy i pobyt w pokoju dziennym może być niekomfortowy (zbyt ciepło), szczególnie w godzinach południowych. Mimo, że obliczony poziom Energii Końcowej jest wysoki i mógłby ulec poprawie, to poziome Energii Pierwotnej (Rys.10) jest niższy nawet od zapotrzebowania na Energię do ogrzania wnętrza!, co dowodzi, że DomTrzon – Bio_Arka jest rozwiązaniem z dużym potencjałem z punktu widzenia zrównoważonej efektywności energetycznej.
5. Wnioski Zapotrzebowanie na Energię do ogrzania wnętrza jest w badanym budynku wyższe niż tzw.domach pasywnych, aczkolwiek wciąż niskie. Ponadto poziom Energii Pierwotnej jest zdecydowanie niższy niż Energii Końcowej ( 18 do 67 kWh/m2). Dlatego Bio_Arka może być nazwany domem ekologicznym. Należy także zauważyć, komfort termiczny we wnętrzu Bio_Arka jest zapewniony. Jest jednak kilka kwestii, które powinny być rozważone, aby poprawić koncepcją budynku. Najważniejsze z nich to: zarządzanie i utylizacja nadmiarem energią z pieca akumulacyjnego, i niska temperatura operatywna w gabinecie. Rozważenie użycia naturalnej wentylacji jako rozwiązania redukującego koszty inwestycyjne powinno również być wzięte pod uwagę. Istotne jest także przeanalizowanie wszelkich rozwiązań (stotowanych i proponowanych ) w okresie letnim i przejściowym. Zaproponowane modele obliczeniowe dla symulacji są użyteczne, ale mogą być także ulepszone. Szczególnie proces spalania powinien być uwzględniony w bardziej szczegółowy sposób w trakcie obliczeń, aby uwzględnić wpływ temperatury powietrza dostarczonego do komory oraz efekt kominowy. Stąd potrzeba dalszego badania istniejącego obiektu. Warte uwagi są również bardziej szczegółowe obliczenia wymiany ciepla pomiędzy strefefami a piecem akumulacyjnym.
12/15/14
6.Bibliografia Dane meteorologiczne do badań zostały podarowane przez Joe Huang from www.whiteboxtechnologies.com. To wsparcie jest bardzo cenne. Literatura [1] Georges L., Novakovic V., On the integration of wood stoves for the space-heating of passive
houses: assesment using dynamic simulationl, 1st Building Simulation and Optimization Conference, Loughborough UK, 10-11 September 2012, 157-164.
[2] http://domtrzon.buildgreen.pl [3] http://nunnauuni.com.pl [4] Rozporz. Ministra Infrastruktury z dnia 6.11.2008 w sprawie metodologii obliczania
charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej. (Dziennik Ustaw nr 201, poz. 1240 ).
[5] Peeters L., de Dear R., Hensen J., D’haeseleer W., Thermal comfort in residential buildings: Comfort values and scales for building energy simulation, Applied Energy, vol. 86, 2009, 772-780.