Inne spojrzenie na proces mieszania

advertisement
Diagnostyka cieplna budynków
Henryk FOIT, Agata ŚWIERC *
WYZNACZANIE ZESPOŁU POMIESZCZEŃ
REPREZENTATYWNYCH WIELORODZINNEGO BUDYNKU
MIESZKALNEGO DLA POTRZEB DIAGNOSTYKI CIEPLNEJ
BUDYNKU
W artykule omówiono problem określania zespołu pomieszczeń reprezentatywnych budynku dla
potrzeb diagnostyki cieplnej. Jako parametr charakteryzujący pomieszczenie przyjęto temperaturę
operacyjną w strefie przebywania ludzi. Dotychczas przeprowadzenie diagnostyki cieplnej budynku
wiązało się z koniecznością pomiarów temperatury we wszystkich jego pomieszczeniach, co dla
budynków wielorodzinnych i wielokondygnacyjnych było czasochłonne i często wręcz niemożliwe
do wykonania. Wyznaczenie zespołu pomieszczeń reprezentatywnych ma na celu ograniczenie tych
działań do przeprowadzenia pomiarów w kilku wybranych pomieszczeniach.
1. DIAGNOSTYKA CIEPLNA BUDYNKU I JEJ ZADANIA
Wobec konieczności racjonalizacji zużycia energii w budownictwie wystąpiła
potrzeba rozwoju diagnostyki cieplnej budynku. Wśród grup problemów, które
powinny być objęte diagnostyką in-situ należy wyróżnić: izolacyjność cieplną
budynków, źródła ciepła, instalacje grzewcze i ciepłej wody użytkowej, instalacje
wentylacyjne i klimatyzacyjne, a także środowisko wewnętrzne w budynkach.
W niniejszym artykule omówiono jeden z elementów diagnostyki źródeł ciepła
i instalacji grzewczych dotyczący oceny efektów ich działania, czyli stopnia
zapewnienia komfortu cieplnego w pomieszczeniach.
Diagnostyka instalacji grzewczych i źródła ciepła oznacza ustalenie ich stanu
technicznego ze względu na sprawność energetyczną i niezawodność uzyskania
wymaganych warunków cieplnych w rozpatrywanym budynku oraz bezpieczeństwo
użytkowników układu. Przez wymagane warunki cieplne rozumie się warunki
__________
* Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania, Politechnika Śląska.
wyznaczane przez pożądany stan komfortu cieplnego i jakości powietrza
wewnętrznego w ogrzewanych pomieszczeniach. Diagnostyka systemu zasilania
w ciepło powinna dotyczyć określenia trwałych cech instalacji grzewczych i źródeł
ciepła, które można wykorzystać do sporządzenia charakterystyki cieplnej budynku,
wykonania audytu energetycznego, jak również modernizacji technicznej źródła
i instalacji w rozpatrywanym budynku. Oddzielenie cech trwałych od cech
chwilowych wynikających z bieżącej obsługi instalacji i źródła ciepła wymaga
przeprowadzenia inspekcji, poprzedzającej diagnostykę cieplną. Jej celem jest szybka
identyfikacja stanu istniejącego przez przegląd projektu układu grzewczego, wizję
lokalną, proste pomiary dla identyfikacji zgodności podstawowych parametrów
układu z wymaganymi oraz zebranie opinii użytkowników dotyczących
funkcjonowania układu grzewczego.
W ramach inspekcji, traktowanej jako przygotowanie układu grzewczego budynku do
diagnostyki właściwej, powinny być wykonane niskonakładowe działania związane
z eliminacją chwilowych usterek np. usunięcie osadów z wewnętrznej powierzchni
płomieniówek w kotłach grzewczych, regulacja palnika kotła, wymiana niesprawnej
pompy mieszającej itd.
2. CELOWOŚĆ WYBORU GRUPY POMIESZCZEŃ REPREZENTATYWNYCH
Efektywność działania układu grzewczego przekłada się bezpośrednio między
innymi na zapewnienie komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Jednym
z parametrów, za pomocą którego ocenia się komfort cieplny, jest temperatura
operacyjna. Definiowana jest jako jednolita temperatura pomieszczenia, w którym
człowiek wymieni na drodze promieniowania i konwekcji taką samą ilość ciepła jak
w rzeczywistym, niejednolitym środowisku. Zatem, pomiar temperatury operacyjnej
w pomieszczeniu, może być wykorzystany jako jeden z parametrów diagnostycznych
systemu ogrzewania. Przeprowadzenie takich pomiarów w budynkach mieszkalnych
wiąże się z koniecznością zmierzenia temperatury operacyjnej równocześnie we
wszystkich pomieszczeniach, co w przypadku bydynków wielokondygnacyjnych
i wielorodzinnych wymagałoby użycia bardzo wielu przyrządów pomiarowych oraz
zapewnienia metody synchronizacji pomiarów. Ponadto ich wykonanie byłoby zbyt
kosztowne i czasochłonne, aby zastosować taką metodę w praktyce. To zrodziło
potrzebę opracowania metody określenia średniej temperatury operacyjnej i średniej
temperatury powietrza, determinującej straty ciepła budynku, na podstawie
zmniejszonej liczby pomiarów. Jednym z jej założeń jest podział pomieszczeń na
grupy o podobnych cechach i wybór wśród nich pomieszczeń reprezentatywnych, dla
których pomiar temperatury operacyjnej byłby miarodajny dla całej grupy. Innym
założeniem jest predykcja warunków cieplnych w pewnych grupach pomieszczeń, na
podstawie określonych warunków w innych grupach. Wykorzystanie tej metody
pozwoliłoby na ograniczenie liczby pomiarów do kilku wybranych pomieszczeń
i uzyskanie w ten sposób wyników dobrze opisujących stan warunków cieplnych
całego budynku.
3. CZYNNIKI UWZGLĘDNIANE PRZY WYBORZE POMIESZCZENIA
REPREZENTATYWNEGO
Wymagany do doprowadzenia do ogrzewanego pomieszczenia strumień ciepła
zależy ogólnie od: liczby przegród zewnętrznych, ich izolacyjności cieplnej, a także
stopnia przeszklenia, zysków ciepła od nasłonecznienia, zysków wewnętrznych oraz
ewentualnie szczelności, położenia pomieszczenia w budynku (w przypadku
wentylacji naturalnej, bez regulacji stopnia otwarcia elementów nawiewnych)
i rodzaju stosowanych grzejników. Te same parametry mogą służyć do podzielenia
pomieszczeń na grupy i wyodrębnienia pomieszczeń reprezentatywnych.
W budynkach mieszkalnych będzie można wydzielić następujące strefy: zewnętrzną
i wewnętrzną. W strefie zewnętrznej znajdują się pomieszczenia otoczone co najmniej
dwiema przegrodami zewnętrznymi, przyjmując, że przegrodą zewnętrzną jest
również strop pod nieogrzewanym poddaszem lub nad nieogrzewaną piwnicą.
Usytuowanie budynku względem stron świata i stopień przeszklenia ma wpływ na
zyski ciepła od nasłonecznienia i akumulację ciepła w przegrodach, co z kolei
skutkuje dodatkowym podziałem pomieszczeń strefy zewnętrznej na nasłonecznione
i zacienione. Do strefy wewnętrznej można zaliczyć pomieszczenia posiadające jedną
scianę zewnętrzną, ewentualnie mające kontakt z nieogrzewaną klatką schodową.
Dodatkowo trzeba uwzględnić funkcję pomieszczenia np. pokój, kuchnia, łazienka,
która wpływa na wymaganą wartość temperatury operacyjnej i strumień powietrza
wentylacyjnego usuwanego z pomieszczeń. Pozostają jeszcze ewentualnie
pomieszczenia wewnętrzne nie posiadające przegród zewnętrznych.
Liczność grupy jest odwrotnie proporcjonalna do ilości czynników uwzględnianych
przy kwalifikacji pomieszczenia – im więcej czynników tym mniejsza jest grupa
pomieszczeń spełniających narzucone warunki. Pomieszczenia strefy zewnętrznej
będą podzielone na grupy o niewielkiej liczebności, natomiast pomieszczenia strefy
wewnętrznej będzie można zaliczyć do jednej lub kilku grup – o większej liczebności.
Czynniki, które mogą mieć wpływ na temperaturę operacyjną, a których nie da się
przewidzieć, takie jak zachowania i upodobania mieszkańców, można wyeliminować,
wybierając pomieszczenia reprezentatywne z grupy drogą losową i zakładając pewien
rozkład zachowań.
4. WYZNACZANIE TEMPERATURY OPERACYJNEJ
Wyznaczanie temperatury operacyjnej można przeprowadzić wg normy PN–ISO
7726:2001 [1] albo przez bezpośredni pomiar albo też przez jej obliczenie na
podstawie średniej temperatury powietrza oraz średniej temperatury promieniowania.
Czujnik do pomiaru bezpośredniego jest tak skonstruowany, że oddaje ciepło ze
swojej powierzchni w sposób podobny jak ciało człowieka, ponadto jego wymiary
i elipsoidalny kształt zapewniają, że straty ciepła przez promieniowanie i konwekcję
są w tej samej proporcji jak straty ciepła ciała człowieka [2]. Jako miejsce pomiaru
przyjęto środek geometryczny pomieszczenia i dwie wysokości: 1,1m nad
powierzchnią podłogi, co odpowiada symulacji pozycji stojącej człowieka oraz 0,6m –
człowiek w pozycji siedzącej. Ustawienia czujnika podczas pomiaru temperatury
oparacyjnej przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Pozycje czujnika podczas pomiaru temperatury operacyjnej
Fig. 1. Sensor position during operative temperature measurement
Jeżeli zabudowa rzeczywistego pomieszczenia nie pozwala na umieszczenie
czujnika w środku geometrycznym, to temperatura operacyjna w środku
geometrycznym będzie aproksymowana na podstawie pomiaru w innym miejscu
pomieszczenia. Aby zobrazować rozkład temperatury operacyjnej, przeprowadzono
symulację (przy użyciu programu ANSYS) dla pomieszczenia z jedną ścianą
zewnętrzną wyposażonego w grzejnik płytowy umieszczony pod oknem. Przykładowy
rozkład temperatury średniej obliczonej z temperatury powietrza i promieniowania
otaczających przegród dla symulowanego pomieszczenia przedstawiono na rys. 2.
Jak widać, zmiana położenia czujnika może silnie oddziaływać na zmierzoną wartość
temperatury operacyjnej, stąd też konieczne jest unikanie miejsc, w których następują
znaczące zaburzenia temperatury, a także indywidualna analiza warunków pomiaru,
tak aby aproksymacja temperatury była obarczona jak najmniejszym błędem.
Należy też mieć na uwadze, że istotnym elementem wpływającym na zmierzoną
wartość temperatury operacynej jest pora pomiarów, a więc nasłonecznienie, jak
również akumulacja ciepła w przegrodach.
Rys. 2. Rozkład temperatury średniej z temperatury powietrza i temperatury otaczających przegród
Fig. 2. Distribution of medium temperature of air and surrounding division walls
5. METODA OKREŚLANIA GRUPY POMIESZCZEŃ REPREZENTATYWNYCH
Proponowana metoda wyboru pomieszczeń reprezentatywnych związana jest
z określaniem średniej temperatury operacyjnej i średniej temperatury powietrza
wewnętrznego, miarodajnej dla strat ciepła rozważanego budynku. W metodzie
przyjęto następujące etapy:
1. Podział budynku na strefy zewnętrzną i wewnętrzną,
2. Utworzenie grup pomieszczeń na podstawie przewidywanych zbliżonych
wartości temperatury operacyjnej,
3. Losowy wybór pomieszczeń reprezentatywnych z pewnych grup
pomieszczeń,
4. Wykorzystanie odpowiedniego algorytmu (integralna część metody) do
określenia średniej temperatury operacyjnej i średniej temperatury
powietrza, determinującej straty ciepła rozważanego budynku na
podstawie rezultatów wykonanych pomiarów.
Opracowanie metody wymaga przeprowadzenia komputerowej symulacji
warunków cieplnych pomieszczeń w zależności od parametrów przegród, temperatury
zewnętrznej, działania wiatru, strumienia powietrza wentylacyjnego itd. i określenia
odpowiednich funkcji regresyjnych.
W trakcie opracowywania metody przewiduje się określenie współczynników
korekcyjnych dla pomiarów temperatury operacyjnej wykonywanych w warunkach
odbiegających od przewidywanych np. w innym miejscu niż środek geometryczny
pomieszczenia, gdy liczba użytkowników będzie znacznie różnić się od typowej, lub
wystąpią dodatkowe przeszklenia.
Po zakończeniu symulacji, w celu optymalizacji ilości pomieszczeń
reprezentatywnych będzie przeprowadzana analiza podobieństwa grup i możliwości
predykcji temperatury operacyjnej w pewnych grupach, na podstawie wyników
uzyskanych w grupach sąsiednich.
6. PODSUMOWANIE
Temperatura operacyjna może posłużyć jako jeden z mierników oceny
efektywności działania źródła ciepła i układu grzewczego jak również określenia
charakterystyki cieplnej budynku. Podejmuje się próbę opracowania metody
określenia jej wartości oraz jej związku ze średnią temperaturą powietrza w budynku
przez pomiary jedynie w kilku wybranych pomieszczeniach.
LITERATURA
[1] PN-ISO 7726 Ergonomia środowiska termicznego. Przyrządy do pomiaru wielkości
fizycznych. PKN Warszawa, 2001.
[2] KABZA Z., KOSTYRKO K., Metrologia mikroklimatu pomieszczenia i środowiskowych
wielkości fizycznych. Opole, Politechnika Opolska, 2003, 251–257.
EVALUATION OF REPRESENTATIVE ROOMS IN MULTI-APARTMENT BUILDING
FOR THERMAL DIAGNOSTICS OF THE BUILDING
The paper describes the problem of evaluating a set of representative rooms in building for needs of
its thermal diagnostics. As a parameter that characterizes the room was assumed the operative
temperature in the occupied zone. Up to now performing thermal diagnostics was connected with
necessity of temperature measurements in every room of the building, that in multi-family and multistoreyed buildings was time-consuming and even impossible to be done. Determination of a set of
representative rooms is aims to limiting the number of measurements to only a few selected rooms.
Download