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. Referat powstał w ramach zadania badawczego „Rozwój diagnostyki cieplnej budynków” realizowanego w ramach strategicznego projektu badawczego „Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków” zleconego Katedrze Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania Politechniki Śląskiej przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. 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. __________ * Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania, Politechnika Śląska. 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 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 aims to limiting the number of measurements to only a few selected rooms.
