2011-09-20 ETAP 15 Opracowanie, na bazie istniejących kodów symulacji energetycznej budynków, algorytmu programu komputerowego do oceny wpływu struktury budynku na zapotrzebowanie energii, możliwość wykorzystania OŹE oraz efektów energetycznych i ekologicznych, wynikających z przyjętej postaci rozwiązania technologicznego źródła Janusz Skorek, Jacek Kalina, Krzysztof Górny Instytut Techniki Cieplnej Politechnika Śląska w Gliwicach

Wprowadzenie Liczba zmiennych decyzyjnych w procesie projektowania budynku jest duża. Ustalenie postaci rozwiązania końcowego (optymalnego) konstrukcji budowlanej wymaga wielokrotnych obliczeń bilansowych godzina po godzinie w okresie typowego roku meteorologicznego. Jest to zadanie czasochłonne i praktycznie niewykonalne bez specjalistycznego oprogramowania komputerowego.

Symulacja energetyczna Symulacja energetyczna budynku jest to szacunkowe określenie chwilowych strumieni energii doprowadzonych, wyprowadzonych i generowanych w poszczególnych elementach jego struktury. Podstawową operacją symulacji jest bilans energii skończonej objętości powietrza (strefy cieplnej), wykonywany z zadanym krokiem czasu . Koncepcja strefy obejmuje skonczoną objetość powietrza o tej samej temperaturze, zawierającą przegrody zewnętrzne i masy wewnętrzne. Strefa może obejmować jedno lub kilka pomieszczeń, jedną lub kilka przegród zewnętrznych.

doprowadzona/wyprowadzona Bilans energii strefy Strefa Zadane w kroku czasu: Tw, dane pogodowe, dane o aktywności ludzkiej i procesach wewnętrznych Zyski Energia źródła doprowadzona/wyprowadzona Akumulacja Straty Masa wewnętrzna

Architektura programu Koncepcja narzędzia zakłada wykonanie całej analizy w arkuszu kalkulacyjnym Simulation engine Analiza i wizualizacja wyników Opis lokalizacji i struktury budynku Dane pogodowe Dane materiałowe Opis technologii źródła

Etapy symulacji energetycznej Określenie lokalizacji (w tym ukształtowania terenu) Określenie materiałów i konstrukcji przegród budowlanych Określenie geometrii budynku i stref cieplnych Określenie wymagań klimatu wewnętrznego i parametrów sterujących symulacją Określenie wewnętrznych zysków ciepła Określenie harmonogramów zmienności poszczególnych parametrów Wprowadzenie zbioru danych pogodowych Określenie zakresu czasu i kroku dla symulacji Przeprowadzenie obliczeń Analiza i wizualizacja wyników

Okno główne programu

Baza danych materiałowych Definicja budynku Budynek GEOMETRIA Strefa Strefa Strefa Powierzchnia Powierzchnia Powierzchnia Powierzchnia Konstrukcja Baza danych materiałowych Materiał Materiał Materiał Materiał

Okno główne bazy danych materiałowych

Definiowanie materiału

Definicja przegród budowlanych

Przypisanie konstrukcji do przegród

Dane pogodowe Wykorzystanie dopstępnych danych pogodowych w formatach TMY2 (Typical Meteorological Year 2) IWEC (International Weather for Energy Calculations) Zakres danych (uklad godzinowy): temperatura gruntu temperatura termometru suchego temperatura termometru mokrego wilgotność wzgledna ciśninie predkość i kierunek wiatru promieniowanie naświetlenie zachmurzenie opady deszczu opady śniegu grubość warstwy śniegu

Stan zaawansowania prac Zadania zrealizowane Opracowanie koncepcji narzędzia Zakup licencji deweloperskiej kodu EnergyPlus (pliki źródłowe w języku FORTRAN) Analiza kodu pakietu EnergyPlus pod kątem selekcji procedur obliczeniowych Określenie zbioru danych wejściowych i założeń o sposobie ich definiowania Opracowanie bazy danych materiałowych (plik *.xls)

Stan zaawansowania prac Zadania w trakcie realizacji Opracowanie interface’u komunikacyjnego Opracowanie procedur przygotowania danych Opracowanie głównego modułu obliczeniowego (*.exe) Opracowanie procedur komunikacyjnych pomiędzy pakietami Excel - *. exe. - Excel Opracowanie procedur i arkuszy wizualizacji wyników obliczeń Opracowanie dokumentacji programu

Przykładowe obliczenia Lokalizacja: Kraków. Budynek biurowy  Powierzchnia użytkowa: 1425 m2 Kubatura ogrzewana: 5415 m3 Nominalna liczba użytkowników: 10 osób/100 m2 Konstrukcja ścian zewnętrznych: cegła fasadowa (10 cm), żelbet (20 cm), płyta izolacyjna (5 cm), szczelina powietrzna (2,5 cm), płyta gipsowa (2 cm) Konstrukcja podłogi na gruncie: płyta betonowa (20 cm), izolacja podłogowa, Konstrukcja stropów wewnętrznych: żelbet 10 cm, szczelina powietrzna, żelbet (10 cm), izolacja akustyczna podłogowa, Konstrukcja dachu: membrana dachowa, izolacja termiczna (20 cm), poszycie z blachy stalowej. Okna: współczynnik przewodzenia ciepła szyby: 0.0185 W/mK, transmisyjność światła widzialnego: 0.51, transmisyjność promieniowania słonecznego: 0.4, Nominalne natężenie oświetlenia: 20 W/m2, Projektowe zyski ciepła od urządzeń: 20 W/m2, Współczynnik infiltracji powietrza zewnętrznego: 0.002 m3/sm2 Projektowa godzinowa liczba wymian powietrza: 5. .

Przykładowe obliczenia Warianty symulacji Budynek 3 kondygnacyjny, wnętrze typu "open office", dłuższa ściana w osi wschód - zachód. Jak wariant 1 lecz dłuższa ściana w osi północ - południe. Budynek 6 kondygnacyjny o wymiarach zewnętrznych pow. zabudowy 16 x 16 m. Jak w wariancie 1 + ściany działowe + zmniejszona całkowitą powierzchnia przeszklenia + zacienienia na ścianie południowej. Zmienny harmonogram pracy systemu wentylacji, zmienna temperatura wewnętrzna (w nocy oraz w dniach wolnych temperatura dyżurna 15ºC).

Przykładowe obliczenia Wariant konstrukcji: 1 Wariant konstrukcji: 3 Wariant konstrukcji: 4

Przykładowe wyniki Godzinowy wykres poboru mocy cieplnej w symulacji nr 1

Przykładowe wyniki Godzinowy wykres poboru mocy cieplnej w symulacji nr 5

Przykładowe wyniki Godzinowy wykres poboru mocy cieplnej w symulacji nr 5

Przykładowe wyniki Roczne zużycie ciepła i chłodu wyznaczone w poszczególnych symulacjach

2011-09-20 Podsumowanie Uzyskane wyniki pokazały, że przy określonej powierzchni, kubaturze i materia-łach przegród, na zużycie energii oraz jego rozkład w czasie mają wpływ struktura budynku oraz określony przez użytkownika sposób jego eksploatacji. Odpowiednio wykorzystane, symulacje energetyczne mogą mieć istotny wpływ na wybór końcowej postaci konstrukcji budowlanej w aspekcie minimalizacji zużycia energii i rocznych kosztów eksploatacji. Uzyskane w obliczeniach, prognozowane wykresy zmienności poboru mocy po-szczególnych nośników energii stanowią doskonały zbiór danych wejściowych do projektowania układów technologicznych zaopatrzenia budynku, w tym zwymiarowania poszczególnych urządzeń wytwórczych i akumulacyjnych. Symulacja na etapie projektowania pozwala zminimalizować straty energii oraz szkodliwe oddziaływanie na środowisko, związane z nieefektywnym wykorzystaniem urządzeń.