analiza zmienności zużycia ciepła w przedszkolu w

ANALIZA ZMIENNOŚCI ZUŻYCIA CIEPŁA W PRZEDSZKOLU W
BIAŁYMSTOKU
Autor: Dorota Anna Krawczyk, Katarzyna Gładyszewska-Fiedoruk
(„Rynek Energii” – nr 5/2013)
Słowa kluczowe: zużycie ciepła, termomodernizacja, przedszkole
Streszczenie. W artykule zaprezentowano wyniki pomiarów zużycia ciepła do celów grzewczych w przedszkolu samorządowym w Białymstoku. Obiekt został w trakcie pomiarów poddany kompleksowej termomodernizacji, obejmującej zarówno
wymianę stolarki okiennej, docieplenie ścian zewnętrznych i stropodachu, jak również usprawnienia w obrębie instalacji
grzewczej. Wyniki badań pozwoliły na określenie rzeczywistego efektu wprowadzonych zmian. Ponadto zaprezentowano
wyniki obliczeń zużycia energii cieplnej zgodnie z PN-EN 13790, jak również zwrócono uwagę na możliwe przyczyny rozbieżności w teoretycznym i rzeczywistym efekcie termomodernizacji.
1. WSTĘP
Zużycie ciepła do celów grzewczych w krajach położonych w klimacie zbliżonym do polskiego stanowi główny składnik ogólnego bilansu i sięga zwykle 60-70% [1], w zależności od wielu czynników
takich jak sposób użytkowania obiektu, jego parametry kubaturowe i współczynniki przenikania ciepła
przegród zewnętrznych. Wprowadzane odgórnie przepisami krajowymi [2] coraz to niższe wartości
współczynników dla budynków nowych (rys.1) oraz przeprowadzana stale modernizacja obiektów istniejących pozwalają na zmniejszenie ich energochłonności oraz emisji gazów cieplarnianych powstających przy produkcji ciepła do celów grzewczych.
Rys.1. Zmiany maksymalnych wartości współczynników przenikania ciepła U
przegród budowlanych zgodnie z kolejnymi normami i rozporządzeniami
2. ZUŻYCIE CIEPŁA NA CELE GRZEWCZE W OBIEKTACH EDUKACYJNYCH
2.1. Przegląd literatury
Energochłonność obiektów użyteczności publicznej jest tematem wielu dyskusji i publikacji. W wielu
krajach energochłonność obiektów edukacyjnych była tematem badań, przy czym większość z nich dotyczyła budynków szkół i uczelni wyższych. Wśród opublikowanych wyników prac można znaleźć
średnie zużycie ciepła do celów grzewczych w przeliczeniu na m2 powierzchni użytkowej obiektów.
Przykładowe wartości dla kilku krajów zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Wskaźniki rocznego zużycia ciepła w wybranych krajach [3]-[8]
kraj
Grecja
Wielka Brytania
Irlandia
Słowenia
Norwegia
Zużycie ciepła [kWh/m2rok]
23.1-83.8 [3], 31-46 [4]
240-339 [5], 157 [4]
96 [6]
192 [7]
58-93 [8]
Wartość uzyskane w trakcie badań dla budynków położonych w Grecji, są znacznie niższe, niż w przypadku Wielkiej Brytanii, Norwegii, czy Słowenii, co można łatwo wytłumaczyć różnicami w temperaturze zewnętrznej obiektów o różnej lokalizacji. Z przeprowadzonych dotychczas badań własnych wynika, że średnie zużycie ciepła w obiektach szkolnych w Białymstoku w przeliczeniu na m2 powierzchni użytkowej wynosi 135 kWh/m2rok. Podkreślić należy, że wśród badanych obiektów występowały
zarówno obiekty o wskaźnikach zużycia ciepła w przeliczeniu na jednostkę powierzchni bardzo niskich,
rzędu 48-55 kWh/m2 rok, jak i wysokich dochodzących nawet do 250-270 kWh/m2rok [9].
Również opisywane w literaturze wyniki badań wykazują dosyć dużą rozbieżność między wynikami
uzyskanymi dla budynków położonych nawet w tej samej strefie klimatycznej. Może to być spowodowane zarówno różnicą w wieku budynku, a co za tym idzie różnymi współczynnikami przenikania ciepła przegród budowlanych. Przyczyny można też upatrywać w jakości stolarki okiennej i drzwiowej,
oraz rzeczywistą krotnością wymian powietrza w pomieszczeniu, które to czynniki wpływają na wartość zapotrzebowania ciepła do ogrzania powietrza wentylacyjnego, którego udział w ogólnym bilansie
strat ciepła z roku na rok jest większy. W pojedynczych przypadkach wskaźnik zużycia ciepła w przeliczeniu na m2 powierzchni użytkowej jest stosunkowo wysoki ze względu na sposób użytkowania obiektu, np. częste i długotrwałe wietrzenie pomieszczeń, pozostawianie otwartych okien w nocy.
2.2. Opis obiektu
Rozpatrywane przedszkole znajduje się w Białymstoku. Jest to budynek piętrowy, całkowicie podpiwniczony. Obiekt posiada powierzchnię użytkową wynoszącą 2260 m2 i kubaturę ogrzewaną 9300 m3.
Budynek został zbudowany w latach 80-tych w technologii uprzemysłowionej z elementów wielkoblokowych typu cegła żerańska o grubości 0,24 m, obustronnie otynkowanych [10]. Stropodach został wykonany częściowo jako wentylowany z płyt korytkowych, na stropie z płyt kanałowych, a częściowo
jako pełny niewentylowany z płyt kanałowych ocieplonych wełną mineralną.
Widok budynku przedstawia rysunek 2.
Rys.2. Badany obiekt
Rys.3. Badany obiekt – rzut parteru
Piwnica budynku jest przeznaczona na pomieszczenia gospodarcze i magazynowe oraz węzeł cieplny.
Na parterze budynku (rys.3) znajduje się część przeznaczona do komunikacji (1) oraz sale poszczególnych grup (2,4,5) wraz z przyległymi do nich sanitariatami i magazynami (3,5,7).
Na piętrze badanego przedszkola (rys.4) znajdują się: sale zajęć (8,9,11) i przylegle do nich sanitariaty
oraz magazynki (10,12,13), korytarze (15), sala gimnastyczna (18), część kuchenna (16,17) i biurowa
(14).
N
9
11
8
10
12
13
patio
14
18
15
16
17
Rys.4. Badany obiekt – rzut piętra
Ze względu na dążenie do zmniejszenia zużycia ciepła na cele grzewcze w 2007 roku w obiekcie przeprowadzona została kompleksowa termomodernizacja, obejmująca docieplenie przegród zewnętrznych
oraz modernizację systemu grzewczego. W ramach zaplanowanych zgodnie z wykonanym audytem
energetycznym prac ściany zewnętrzne ocieplono metodą lekką przy użyciu styropianu o grubości 0,14
m. Stropodach wentylowany został ocieplony przy użyciu granulatu wełny mineralnej o grubości 0,16
m, wprowadzonego do przestrzeni między płytami, natomiast stropodach pełny został zmodernizowany
przy pomocy płyt dachowych z wełny mineralnej o grubości 0,14 m, klejonych do istniejącego dachu.
W trakcie termomodernizacji całkowicie zdemontowano istniejącą instalację centralnego ogrzewania
i wykonano nową pompową z rozdziałem dolnym systemu zamkniętego– zastosowano rury stalowe
i grzejniki płytowe, które wyposażono w zawory termostatyczne montowane na gałązkach zasilających.
Źródłem ciepła pozostał węzeł cieplny w piwnicy budynku, zasilany z miejskiej sieci ciepłowniczej,
wyposażony w automatykę pogodową.
2.3. Rzeczywiste zużycie ciepła
Analizę rzeczywistego zużycia ciepła do celów grzewczych wykonano w oparciu o przeprowadzone w
latach 2003-2012 comiesięczne odczyty stanu liczników cieplnych zamontowanych w węźle cieplnym
badanego obiektu.
W celu obiektywnego porównania odczytane wartości miesięcznego zużycia ciepła przeliczono na warunki roku typowego. Dane odnośnie temperatur zewnętrznych w rozpatrywanym okresie uzyskano z
Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej [11]. Uzyskane wartości miesięcznego zużycia ciepła w
poszczególnych miesiącach pokazuje rysunek 5.
Rys.5. Zużycie ciepła do celów grzewczych w poszczególnych miesiącach z okresu pomiarowego 2003-2012
Przebieg zmienności miesięcznego zużycia ciepła w poszczególnych miesiącach roku jest podobny dla
dwóch okresów pomiarowych: 2003-2006 (przed modernizacją) i 2008-2012 (po modernizacji).
W 2007 roku można zaobserwować, że w pierwszej części roku zużycie było wysokie, natomiast w
drugiej, kiedy to obiekt przeszedł już modernizację znacznie się obniżyło, dlatego rok 2007 nie był brany pod uwagę podczas analiz. Największe rozbieżności w zużyciu ciepła w poszczególnych latach
można zaobserwować w styczniu, co może być w pewnym stopniu spowodowane przypadającą w tym
okresie przerwą świąteczną i feriami zimowymi, kiedy to część dzieci nie uczęszcza do przedszkola i
możliwe jest łączenie zajęć poszczególnych grup i obniżenie temperatury w nieużytkowanych pomieszczeniach.
W celu lepszego pokazania zmian spowodowanych termomoderrnizacją uzyskane wyniki porównano
w okresach rocznych (rys.6).
Średnie zużycie ciepła w latach przed modernizacją obiektu (lata 2003-2006) wyniosło 1760 GJ/rok,
natomiast po wykonanej termomodernizacji 727 GJ/rok, czyli nastąpiło około 59% zmniejszenie zużycia ciepła do celów grzewczych. W roku 2007, kiedy to przeprowadzono modernizację i przez większość roku budynek był nieocieplony, natomiast przez około 3 ostatnie jesienno-zimowe miesiące warunki zmieniły się, stąd roczne zużycie ciepła jest niższe niż w latach 2003-2006, ale wyższe niż w latach 2008-2012.
W większości przypadków zużycie ciepła na potrzeby ogrzewania budynku z pomiarów było zbliżone
do wartości otrzymanych po przeliczeniu na rok typowy (różnice wynosiły do ±5%), jednak w przypadku roku 2005 było to około 14%, a w latach 2008 i 2011 10%.
Zależność rzeczywistego miesięcznego zużycia ciepła do celów grzewczych od średniej miesięcznej
temperatury zewnętrznej pokazano na rysunku 7.
Rys.6. Zużycie ciepła do celów grzewczych
w poszczególnych latach
Rys.7. Korelacja pomiędzy zużyciem ciepła do celów grzewczych
w poszczególnych miesiącach i średnią temperaturą zewnętrzną
2.4. Teoretyczne zapotrzebowanie na ciepło
Szacowanie rocznego zapotrzebowania na energię cieplną odbywa się z oparciu o normę PN-EN ISO
13790:2009 [12] oraz Rozporządzenie Ministra Infrastruktury [13]. Na całkowite zapotrzebowanie
składają się dwa podstawowe czynniki: ilość ciepła niezbędna do ogrzania powietrza wentylacyjnego
oraz straty ciepła przez przenikanie przez przegrody budowlane.
Na całkowite zapotrzebowanie budynku na energię do ogrzewania składają się dwa podstawowe czynniki, zgodnie z zależnością:
QH ,nd  QH ,ht H , gn  QH , gn [GJ / m  c] ,
[1]
gdzie:
QH,ht to całkowite przenoszenie ciepła do ogrzewania w GJ/m-c, ηH,gn to współczynnik wykorzystania
zysków ciepła, a QH,gn to całkowite zyski ciepła (wewnętrzne i od nasłonecznienia) w GJ/m-c.
Całkowite zapotrzebowanie na energię cieplną jest określane jako suma wartości pokrywającej straty
ciepła przez przenikanie i wentylację.
Zapotrzebowanie energii cieplnej do ogrzania powietrza wentylacyjnego zostało obliczone zgodnie ze
wzorem [2]:
Qve,  H ve,adj (int  e )t [GJ / m  c]
[2]
gdzie:
θint jest projektową temperaturą wewnętrzną w oC, θe jest temperaturą zewnętrzną w oC, t to czas w Ms,
a Hve,adj to współczynnik strat ciepła na wentylację w W/K.
Analogicznie część energii niezbędna do pokrycia strat ciepła związanych z przenikaniem ciepła przez
ściany i stropy obiektu jest obliczane zgodnie z zależnością:
Qtr  Htr ,adj (int  e )t [GJ / m  c] .
[3]
Całkowite zapotrzebowanie na energię cieplną wyliczone zgodnie z [12] jest następnie przeliczane na
zapotrzebowanie energii końcowej zgodnie z [1] według zależności:
QH , sys 

QHnd
 H ,sys
[GJ / rok ] ,
[4]
gdzie: ηH,sys jest całkowitą sprawnością system grzewczego, wyliczaną jako iloczyn czterech czynników: ηH,g (sprawności wytwarzania), ηH,d (sprawność dystrybucji), ηH,a (sprawności akumulacji) i ηH,e
(sprawności regulacji).
Wartości otrzymane z obliczeń dla rozpatrywanego obiektu pokazano na rysunku 7
Ze względu na różnice wynikające z przyjęcia różnych wartości sprawności cząstkowych na wykresie
zobrazowano wyniki dla czterech wariantów:
1 – wartości wyliczone wg [12],
2 – po uwzględnieniu minimalnych sprawności systemu grzewczego,
3 – po przyjęciu średnich wartości sprawności systemu z zakresu wg [13],
4 – dla wartości maksymalnych sprawności.
W przypadku budynku przed modernizacją uwzględnienie sprawności systemu grzewczego powoduje
znaczy wzrost zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania. Jest to spowodowane niską sprawnością instalacji wynoszącą 61-71%, zależnie od wariantu 2-4. Najbardziej zbliżone wartości do uzyskanych z pomiarów zaobserwowano w przypadku przejęcia maksymalnych sprawności z zakresu proponowanego
w rozporządzeniu [13].
Rys.7. Zużycie ciepła do celów grzewczych w poszczególnych latach
Dla obiektu po modernizacji wzrosła sprawność systemu grzewczego, która wyniosła minimalnie 84,
a maksymalnie 87%. Również w tym przypadku wyniki uzyskane podczas pomiarów są najbardziej
zbliżone do wyliczonych po przyjęciu maksymalnych sprawności wytwarzania i przesyłu ciepła, oraz
regulacji systemu.
3. PODSUMOWANIE
Badania rzeczywistego zużycia ciepła na cele grzewcze w przedszkolu zlokalizowanym w Białymstoku
wykazały, że średnia wartość w obiekcie przed przeprowadzeniem kompleksowej termomodernizacji
wyniosła 1678 GJ/rok (po przeliczeniu na warunki roku standardowego 1760 GJ/rok). Wartość ta jest
zbliżona do otrzymanej w trakcie przeprowadzonych obliczeń przy założeniu maksymalnej sprawności
wytwarzania, dystrybucji ciepła i regulacji systemu grzewczego podanych w [13], wynoszącej 1816 GJ,
natomiast od wartości otrzymanej bezpośrednio z normy [12] jest wyższa o 8% ( dla roku typowego
3%), a od wartości otrzymanej po przyjęciu średniej i minimalnej sprawności systemu grzewczego niższa odpowiednio o 27 i 17%.
W budynku po przeprowadzeniu docieplenia przegród zewnętrznych, wymianie okien i wymianie systemu grzewczego w trakcie pomiarów prowadzonych przez 5 lat otrzymano średnie roczne zużycie ciepła 715 GJ/rok ( dla warunków roku typowego 727 GJ/rok). Wartość zapotrzebowania na ciepło do
ogrzewania obliczona wg [12] wyniosła 783 GJ/rok, a po uwzględnieniu minimalnej, średniej i maksymalnej sprawności systemu odpowiednio: 934, 914 i 895 GJ/rok.
Otrzymane w trakcie obliczeń i pomiarów wartości wskazują na dobra zgodność uzyskanych wyników
w budynku przed modernizacją, przy założeniu maksymalnej sprawności systemu grzewczego. W przypadku obiektu po modernizacji rzeczywiste zużycie ciepła jest niższe o 23-28% niż wyliczone zgodnie
z [12],[13]. Niniejsza rozbieżność może być spowodowana wieloma względami, na przykład zmniejszeniem rzeczywistej ilości powietrza wentylacyjnego, kiedy w procedurze obliczeniowej zarówno
przed jak i po modernizacji przyjmowana jest projektowa krotność wymian powietrza. Powodem może
też być niższa, niż normowa temperatura wewnętrzna w pomieszczeniach, która w pomieszczeniach o
obliczeniowej temperaturze 20 oC wahała się w zakresie 17,2-20,3oC.
Termomodernizacja w badanym obiekcie przyniosła znaczne (59%) obniżenie zużycia ciepła do celów
grzewczych, a co za tym idzie kosztów ogrzewania.
LITERATURA
[1] Gaitani N., Lehmann C., Santamouris M., Mihalakakou G., Patargias P.: Using principal components and clusters analysis in the heating evolution of school building sector. Applied Energy 87
(2010) 2079-2086.
[2] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie..4. Dz. U. Nr 162, poz. 1121 z późniejszymi zmianami
[3] Dascalaki E., Sermpetzoglou V.: Energy performance and indoor environmental quality in Hellenic
schools. Energy and Buildings 43 (2011) 718–727.
[4] Theodosiou T.G., Ordoumpozanis K.T.: Energy, comfort and indoor air quality in nursery and elementary school buildings in the cold climatic zone of Greece. Energy and Buildings 40 (2008)
2207–2214
[5] Ward I., Ogbonna A., Altan H.: Sector review of UK higher education energy consumpti1 on. Energy Policy 36 (2008) 2939– 2949
[6] Hernandez O., Burke K., Lewis J.O.: Development of energy performance benchmarks and building energy ratings for non-domestic buildings: an example for Irish primary schools. Energy and
Buildings 40 (3) (2008) 249– 254.
[7] Butala V., Novac P.: Energy consumption and potential energy savings in old school buildings.
Energy and Buildings 29 (3) (1999) 241–246.2
[8] Sartori I., Wachenfeldt B.J., Hestnes A.G.: Energy demand in the Norwegian building stock: Scenarios on potential reduction. Energy Policy 37 (2009) 1614–1627
[9] Krawczyk D.A.: Theoretical and real effect of the school’s thermal modernization – a case study.
Artykuł po 1 recenzji Energy &Buildings.
[10] Zabagło Z.: Projekt budowlano-wykonawczy. Termomodernizacja budynku Przedszkola
Samorządowego. Białystok 2006
[11] Dane IMiGW
[12] Norma PN-EN ISO 13790:2009. Energetyczne właściwości cieplne budynków – Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia.
[13] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. 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.
Praca finansowana w ramach prac statutowych Politechniki Białostockiej S/WBIŚ/5/2011.
THE
ENERGY
CONSUMPTION
LOCATED IN BIAŁYSTOK
FOR
HEATING
IN
A
KINDERGARTEN
Key words: energy consumption, thermal modernization, kindergarten
Summary. The paper presents the results of energy consumption for heating measurements conducted in a kindergarten
located in Białystok. The object was modernized during the test period. The thermal modernization included windows and
doors replacement, external walls and roofs modernization with insulation, but the heating system was modernized as well so
the effect of full building modernization was shown. Moreover the results of theoretical calculation of energy consumption
according to PN-EN 13790 were presented and the theoretical effect of thermal modernization was compared with the
achieved one.
Dorota Anna Krawczyk, dr inż., pracownik Katedry Ciepłownictwa Politechniki Białostockiej.
Hobby to podróże, ogród i taniec, e-mail:[email protected]
Katarzyna Gładyszewska-Fiedoruk, dr inż., pracownik Katedry Ciepłownictwa Politechniki Białostockiej. Hobby to wędrówki z dziećmi, prace kuchenne (zawór bezpieczeństwa) i polska beletrystyka
(nie romanse), e-mail: [email protected]