Influence of usage profile on energy needs for heating and cooling in a building with thermally activated building systems

Wstęp

System stropów aktywowanych termicznie (TABS) w budynkach biurowych to rozwiązanie energooszczędne, stosowane w wielu krajach europejskich. Wykorzystanie masy termicznej budynku pomaga zapewnić komfort cieplny jednocześnie zmniejszając zużycie energii, w porównaniu z powietrznymi systemami klimatyzacyjnymi. Na zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia ma wpływ: temperatura zewnętrzna, promieniowanie słoneczne, rodzaj elementów zacieniających, wewnętrzne źródła ciepła, konstrukcja przegród budowlanych oraz rodzaj stolarki okiennej i drzwiowej [7]. Natomiast zapewnienie komfortu cieplnego to jeden z najistotniejszych warunków komfortu klimatycznego. Komfort cieplny w aspekcie czynników kształtujących jakość klimatu wewnętrznego w budynkach pasywnych analizowali autorzy artykułu [5].

Zadaniem płaszczyznowych systemów grzewczo-chłodzących, współpracujących z komponentami o wysokiej pojemności cieplnej, jest stabilizacja temperatury operatywnej w zakresie komfortu cieplnego przy obciążeniach grzewczych i chłodniczych zmiennych w czasie. System stropów aktywowanych termicznie wspomaga zjawisko akumulacji ciepła masywnych elementów konstrukcyjnych. Zatopiony w konstrukcji rdzeń zasilany wodą grzewczą bądź chłodzącą aktywuje termicznie elementy żelbetowe [4, 15].

Zastosowanie stropów aktywowanych termicznie redukuje zakres wymagań do spełnienia przez instalację wentylacji. Strumień powietrza nawiewanego obliczany jest według kryterium higienicznego, co zmniejsza wielkość instalacji i eliminuje zjawisko występowania zbyt dużych prędkości powietrza w strefie przebywania ludzi [9]

Rozwiązanie zagadnienia zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia pomieszczenia biurowego, w którym zastosowano stropy aktywowane termicznie, powinno uwzględniać rozdział sposobu wymiany ciepła na drodze promieniowania i konwekcji oraz dynamikę cieplną budynku. Jednostkowy strumień ciepła wymieniany na drodze promieniowania obliczany jest ze wzoru [1, 11]:

gdzie:

C0 – stała promieniowania ciała doskonale czarnego, C0 = 5,67W/ (m2 ∙ K4)

εS-P – współczynnik emisyjności wzajemnej (zastępczej) pomiędzy powierzchnią grzewczo-chłodzącą a powierzchniami radiacyjnej wymiany ciepła (dla materiałów budowlanych εS-P = 0,9 – 0,95)

TP – temperatura powierzchni ogrzewanych/ chłodzonych [K]

TS – temperatura powierzchni grzewczo- chłodzącej [K]

φ S-P – zastępczy współczynnik konfiguracji [-]

Natomiast jednostkowy strumień ciepła wymieniany na drodze konwekcji obliczany jest z zależności [11]:

gdzie:

αK – konwekcyjny współczynnik przejmowania ciepła [W/m2K]

ti – temperatura powietrza w pomieszczeniu [°C]

ts – temperatura powierzchni sufitu chłodzącego [°C]

Pojemność cieplna, czyli ilość ciepła jaka jest wymagana do podniesienia temperatury 1m3 materiału o 1K, znacząco wpływa na bilans cieplny budynku oraz komfort cieplny użytkowników [16]. Obliczana jest w zależności od ciepła właściwego i gęstości materiałów przegrody. Ma wpływ na bezwładność cieplną budynku i w konsekwencji definiuje reakcje środowiska wewnętrznego na zmiany warunków środowiska zewnętrznego i wewnętrzne źródła ciepła (ludzie, urządzenia, oświetlenie).

Zagadnienie obciążenia chłodniczego i profilu użytkowania budynków biurowych zostało opisane w VDI 2078:2015-06 [14]. W artykule [6] autorzy przedstawili wyniki badań zysków ciepła od urządzeń biurowych. Natomiast profil użytkowania budynku w kontekście zużycia energii pierwotnej analizowany był przez autorów artykułu [4], którzy wykonali symulację w TRNSYS 17 dla trzech typów budynku: rządowego, komercyjnego i edukacyjnego. Przyjęte kryteria optymalizacji to komfort cieplny oraz minimalne zapotrzebowanie na energię pierwotną z zapewnieniem komfortu cieplnego. Zmienną decyzyjną była temperatura wody zasilającej TABS.

W artykule przedstawiono wyniki obliczeń wykonanych prostą metodą godzinową stworzoną w celu uwzględniania dynamiki cieplnej strefy wyposażonej w system stropu lub sufitu aktywowanego termicznie o dużej pojemności cieplnej i rozdziału sposobu wymiany ciepła na drodze promieniowania i konwekcji (model oporowo-pojemnościowy 14R4C). Porównano zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia dla różnych profili użytkowania pomieszczenia. Otrzymane charakterystyczne cykle temperaturowe pokazują odziaływania systemu aktywowanego termicznie na warunki termiczne w środowisku wewnętrznym. Analizowane warianty pozwoliły ocenić potencjał wykorzystania TABS dla różnych profili użytkowania pomieszczenia.

 

Model obliczeniowy

Model obliczeniowy powstał w oparciu o prostą godzinową dynamiczną metodę obliczania opisaną w normie EN ISO 13790:2008 [12] i procedury obliczeniowe znajdujące się w normie PN-EN ISO 52016-1 [13]. Został stworzony w celu uwzględnienia rozdziału sposobu wymiany ciepła na drodze promieniowania i konwekcji oraz dynamiki cieplnej strefy wyposażonej w system stropu lub sufitu aktywowanego termicznie o dużej pojemności cieplnej (model oporowo-pojemnościowy 14R4C, rys 1.). Zestaw równań modelu 14R4C przedstawiono w [8].

Strumienie ciepła od nasłonecznienia (Φsol) i wewnętrznych źródeł ciepła (Φint) są rozdzielone pomiędzy węzeł powietrzny (Θa) i węzły powierzchni wewnętrznych (Θs,s, Θs,z, Θs,w). Sieć modelująca przepływ ciepła składa się również z węzłów reprezentujących temperaturę wewnątrz komponentów o zdefiniowanej pojemności cieplnej (Θm,s, Θm,z, Θm,w), temperaturę powietrza nawiewanego (Θsup), temperaturę powietrza zewnętrznego (Θe) i temperaturę powietrza sąsiednich pomieszczeń (Θw). Jako nastawę temperaturową procesu obliczeniowego przyjęto temperaturę operatywną (Θop).

Fig. 1.
14R4C heat exchange model [8]

Model rozwiązania oparty jest na metodzie Cranka-Nicholsona. Wartości chwilowe temperatury elementów pojemnościowych dla godzinowego kroku czasowego obliczono z poprzedniej wartości temperatury [3, 11].

Charakterystyka pomieszczenia

Do analizy wybrano pomieszczenie biurowe o powierzchni 97,3m2, znajdujące się na pierwszym piętrze, po wschodniej stronie budynku zlokalizowanego w Warszawie. Pojemność cieplną przegród obliczono na podstawie właściwości termofizycznych materiałów przedstawionych w [2]. Do obliczeń przyjęto statystyczne dane klimatyczne do obliczeń energetycznych budynków udostępniane przez Ministerstwo Inwestycji i Rozwoju [15]. W tabeli 1 przedstawiono charakterystyczne parametry dla analizowanego pomieszczenia.

Emisję ciepła od ludzi (II poziomu aktywności – 75W/os) obliczono na podstawie wytycznych znajdujących się w [14], natomiast zyski ciepła od oświetlenia typu LED przyjęto na poziomie 3W/m2, według badań opublikowanych w [10]. Analizowane warianty profili użytkowania pomieszczenia wraz z charakterystyką stanowisk pracy przedstawiono w tabeli 2. Dla przerw obiadowych w wariancie 1b i1c strumień ciepła od źródeł wewnętrznych jaki został wprowadzony do modelu (6,58 W/m2) uwzględnia działanie urządzeń w trybie czuwania. Zastosowano ograniczenie dla mocy chłodniczej stropu aktywowanego termicznie równe 35W/m2, a dla mocy grzewczej 30W/m2. Temperatura powietrza nawiewanego w godzinach pracy biura zależy od temperatury zewnętrznej i przyjmuje wartości z zakresu 20-25°C, natomiast poza godzinami pracy zakres rozszerzony jest do wartości 18-29°C. Gdy temperatura zewnętrzna spełnia założenia temperaturowe dla środowiska wewnętrznego powietrze nawiewane do pomieszczenia nie jest poddawane obróbce termicznej.

Table 1.
Characteristic parameters of the office
Table 2.
Variables of the variants

Wyniki analiz

Obliczenia wykonano dla 8760 godzin (rok). Do analizy cykli temperaturowych wybrano dwa charakterystyczne dni: 15 stycznia (okres grzewczy) i 9 lipca (okres chłodniczy). Na rys. 2 i 3 przedstawiono wyniki dla wariantu bazowego pokazujące dobową zmianę temperatury operatywnej (Θop), temperatury powierzchni wewnętrznej stropu aktywowanego termicznie (Θs,s), temperatury powietrza w pomieszczeniu (Θa) i temperatury powietrza zewnętrznego (Θz). Charakterystyczne cykle temperaturowe dla różnych godzin użytkowania pomieszczenia pokazano na rys. 4, natomiast na rys. 5 przedstawiono charakterystyczne cykle temperaturowe dla różnych strumieni ciepła zależnych od wewnętrznych źródeł ciepła (Φint). Moc chłodnicza (ΦHC,s) na wykresach przyjmuje wartości ujemne, natomiast moc grzewcza (ΦHC,s) wartości dodatnie. Wyniki obliczeń zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia dla analizowanych wariantów zestawiono w tabeli 3.

Fig. 2.
Temperature cycle for the selected day of heating season in the base variant; description of symbols in text
Fig. 3.
Temperature cycle for the selected day of cooling season in the base variant; description of symbols in text
Table 3.
Heating and cooling energy demand

Wnioski

Wykonana analiza potwierdza wpływ profilu użytkowania pomieszczenia na bilans energetyczny budynku. Roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia dla wariantów różniących się godzinami użytkowania pomieszczenia (bazowy, 1a, 1b, 1c) jest z zakresu 12,5-14,0 kWh/(m2∙a). Istotne różnice można zauważyć dopiero, dokonując porównania na poziomie zapotrzebowania na energię użytkową na cele ogrzewania (QH,nd) lub zapotrzebowania na energię użytkową na cele chłodzenia (QC,nd).

Roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania (QH,nd) spada wraz ze zwiększeniem przerwy (dla 8 godzin pracy). W porównaniu z wariantem bazowym w wariancie 1b (z godzinową przerwą) QH,nd spadło o 0,7 kWh/(m2∙a), czyli 17%, a w wariancie 1c (z dwugodzinową przerwą) QH,nd spadło o 2,6 kWh/(m2∙a), czyli 62%. Dla dziesięciogodzinowego cyklu pracy bez przerwy (wariant 1a) roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania spadło o 75% (3,13 kWh/(m2∙a)).

Zmiana powierzchni stanowiska pracy z 11,6 m2/os. na 5,8 m2/os., oznaczająca dwukrotne zwiększenie liczby pracowników, spowodowała eliminację zapotrzebowania na energię do ogrzewania, ale jednocześnie nastąpił wzrost rocznego zapotrzebowania na energię do chłodzenia o ponad trzy razy (ponad 21 kWh/(m2∙a)) w odniesieniu do wariantu bazowego. Porównując wariant 3a z 3b, który również różni się dwukrotnie liczbą osób można zauważyć spadek QH,nd o 10,9 kWh/(m2∙a) i wzrost QC,nd o 9 kWh/(m2∙a).

Analizując charakterystyczne cykle temperaturowe dla okresu grzewczego i chłodniczego, można zaobserwować, że temperatura operatywna utrzymywana jest w zakresie komfortu cieplnego, natomiast amplituda temperatury powierzchni stropu aktywowanego termicznie nie przekracza 2°C. Wyjątkiem jest wariant 2c, w którym źródła wewnętrzne odgrywają wiodącą rolę w kształtowaniu warunków temperaturowych. Temperatura powietrza wewnętrznego poza godzinami pracy jest niższa od temperatury operatywnej i temperatury powierzchni stropu, natomiast podczas użytkowania pomieszczenia wzrasta i osiąga najwyższe wartości.

Z uwagi na dobre własności termiczne budynku strumień ciepła od zysków wewnętrznych ma istotny wpływ w bilansowaniu stref budynku. Przykładowo dla wariantów 1b i 1c podczas przerwy konieczne jest w okresie grzewczym zwiększenie mocy stropu aktywowanego termicznie, aby utrzymać temperaturę komfortu cieplnego, natomiast w okresie chłodniczym następuje spadek mocy chłodniczej. Analizując charakterystyczne cykle temperaturowe dla różnych strumieni ciepła od wewnętrznych źródeł ciepła można zauważyć w okresie zimowym przesunięcie aktywacji stropu na okres poza godzinami pracy pomieszczenia i skumulowanie w pierwszej godzinie pracy, co jest konsekwencją przyjętego kroku czasowego.

Fig. 4.
Characteristic temperature cycle for different hours of room usage; description of symbols in text
Fig. 5.
Characteristic temperature cycle for different heat gains; description of symbols in text

L I T E R AT U R A

[1] Górka A., Odyjas A., „Simulations of floor cooling system capacity”, Applied Thermal Engineering 51 (2013): 84-90

[2] Nageler P., Schweiger G., Pichler M., Validation of Dynamic Building Energy Simulation Tools based on a Real Test-Box with Thermally Activated Building Systems (TABS); Energy and Buildings 168, 2018, 42-55

[3] Narowski P., Uproszczona metoda godzinowa obliczania ilości ciepła do ogrzewania i chłodzenia budynków, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 1/2009, 27-32

[4] Pałaszyńska K., Bandurski K., Porowski M., Energy demand and thermal comfort of HVAC systems with thermally activated building systems as a function of user profile, E3S Web Conf. Vol. 22, 2017, International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE17)

[5] Radomski B., Bandurski K., Mróz T.M., Rola parametrów komfortu klimatycznego w budynkach pasywnych, INSTAL 10/2017, 27-33

[6] Sarfraz O., Bach C., Update to office equipment diversity and load factors (ASHRAE 1742-RP); Science and Technology for the Built Environment, 2018, 24, 235-447

[7] Sinacka J., Ratajczak K., Analysis of selected input data impact on energy demand in office building – case study, MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 222, 01015-1-01015-8

[8] Sinacka J., Szczechowiak E., Modelowanie przepływu ciepła w budynku ze stropami i sufitami grzewczo-chłodzącymi, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 2018, vol. 49/7, 271-278

[9] Sinacka J., Szczechowiak E., Stropy i sufity grzewczo-chłodzące o dużej pojemności cieplnej, Materiały Budowlane 1/2019, 54-56

[10] Suszanowicz D., Internal heat gain from different light sources in the building lighting systems, E3S Web of Conferences 19, 01024 (2017), EEMS 2017

[11] Wojtkowiak J., Amanowicz Ł., Badania wydajności cieplnej aluminiowego sufitowego panelu grzewczo-chłodzącego, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 2016, 47/10, 413-417

[12] PN-EN ISO 13790, Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chodzenia

[13] PN-EN ISO 52016-1, Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia, wewnętrzne temperatury oraz jawne i utajone obciążenia cieplne. Część 1: Procedury obliczania

[14] VDI 2078:2015-06, Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation), Düsseldorf 2015

[15] www.gov.pl, dostęp z dnia 05.07.2019 r.

[16] www.rehau.pl, dostęp z dnia 05.07.2019 r.