Trajnostno vrednotenje jeklenih konstrukcij

Univerza v Ljubljani Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo Trajnostno vrednotenje jeklenih konstrukcij TEORETIČNE OSNOVE: FAZA UPORABE ENERGIJA POTREBNA ZA OBRATOVANJE junij 2014

Vsebina uvod lokacija stavbe in klima metoda za izračun energetskih potreb algoritem za določitev količine potrebne energije (faza uporabe) referenčni prostor (SIST EN 15265:2007) referenčno večsobno stanovanje (prilagojen primer iz SIST EN 15265:2007) računski primer stanovanjske stavbe 12/7/2014 2

Uvod Algoritem za določitev potrebne energije za fazo uporabe je bil razvit v okviru raziskovalnega projekta RFCS SB_Steel (2014), Sustainable Building Project in Steel. Osnutek končnega poročila. RFSR CT 2010 00027. Raziskovalni program Evropske skupnosti za premog in jeklo (angl. Research Fund for Coal and Steel RFCS). 12/7/2014 3

Uvod Energetska učinkovitost stavbe je odvisna od večjega števila parametrov. Posledično je zelo zahtevno natančno predvideti potrebno energijo za obratovanje stavbe. Ovoj stavbe: - koeficient oblike stavbe npr. avtomatska - orientacija stavbe kontrola - zrakotesnost - neprosojni elementi (stene, streha, itd) - toplotna izolacija, toplotni mostovi - okna, zasteklitve, okvirji -senčila, nadstreški Človeški faktorji: - urnik zasedenosti - režim rabe - notranji toplotni dobitki npr. regulacija prezračevanja V stavbo vgrajeni sistemi: -aparati - osvetlitev, dnevna svetloba - ogrevanje, klima - prezračevanje, toplotni rekup. - oskrba s toplo sanitarno vodo Podnebje: - temperatura zraka -sončno sevanje - relativna vlažnost - hitrost in smer vetra - temperatura tal - dolžina dneva Zaradi nerazpoložljivosti in nenatančnosti vhodnih podatkov, je izračun potrebne energije v zgodnji fazi projektiranja še težje. 12/7/2014 4

Lokacija stavbe in klima Lokacija stavbe je v smislu klimatskih pogojev ključnega pomena v izračunih toplotnega odziva stavbe. V zvezi s tem je za izračun energetskih potreb potrebno definirati dva glavna podnebna parametra: temperatura zraka; sončno sevanje na površino s podano orientacijo. Večina teh klimatskih podatkov je bila dobljena iz podnebne podatkovne baze programskega orodja za energetske simulacije EnergyPlus (EERE USDoE, 2014), preostali del pa s strani raziskovalnih partnerjev v projektu. EERE USDoE (2014), Energy Efficiency and Renewable Energy Website, spletna stran ameriškega ministrstva za energijo (United States Department of Energy): http://apps1.eere.energy.gov /buildings/energyplus/cfm/w eather_data2.cfm/ region=6_europe_wmo_regi on_6 Sončno sevanje [W/m 2 ] 300 250 200 150 100 50 Timisoara (RO) 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 25 20 15 10 5 0 5 Temperatura zraka [ C] North East South West Horiz. Air Temp. 12/7/2014 5

Lokacija stavbe in klima Trenutno je metodologija kalibrirana za pet podnebnih območij (razvrščena v skladu s podnebnimi klasifikacijami po Köppen Geiger): (i) Csa; (ii) Csb; (iii) Cfb; (iv) Dfb; (v) Dfc. D fc Podnebni tipi: Padavine: Temperatura: D fb A: ekvatorialno B: suho C: tople temperature D: sneg E: polarno W: puščava S: stepa f: vlažno s: suha poletja w: suhe zime m: monsunsko h: vroče in sušno k: mrzlo in sušno a: vroča poletja b: topla poletja c: hladna poletja F: polarno - led T: polarno tundra C sb C fb d: ekstremno kontinentalno C sa 12/7/2014 6

Lokacija stavbe in klima Podatkovna baza za 52 mest Mesto Država Podnebna regija Mesto Država Podnebna regija Mesto Država Podnebna regija Amsterdam Nizozemska Cfb Kijev Ukrajina Dfb Oslo Norveška Dfb Ankara Turčija Csb Kiruna Švedska Dfc Ostersund Švedska Dfc Arhangelsk Rusija Dfc Krakov Poljska Cfb Pariz Francija Cfb Atene Grčija Csa La Korunja Španija Csb Porto Portugalska Csb Barcelona Španija Csa Lizbona Portugalska Csa Poznan Poljska Cfb Berlin Nemčija Cfb Ljubljana Slovenija Cfb Praga Češka Cfb Bilbao Španija Cfb London Anglija Cfb Rim Italija Csa Bratislava Slovaška Cfb Lublin Poljska Dfb Salamanca Španija Csb Bruselj Belgija Cfb Madrid Španija Csa Sanremo Italija Csb Cluj Napoca Romunija Dfb Marseille Francija Csa Sevilla Španija Csa Coimbra Portugalska Csb Milano Italija Cfb Stockholm Švedska Dfb Gdansk Poljska Cfb Minsk Belorusija Dfb Tampere Finska Dfc Genova Italija Csb Montpellier Francija Csa Timisoara Romunija Cfb Gradec Avstrija Dfb Moskva Rusija Dfb Dunaj Avstrija Dfb Hamburg Nemčija Cfb Munchen Nemčija Cfb Varšava Poljska Dfb Helsinki Finska Dfb Nantes Francija Cfb Vroclav Poljska Cfb Istambul Turčija Csa Nica Francija Csb Katowice Poljska Cfb Opole Poljska Cfb 12/7/2014 7

Računska metoda za določitev energetskih potreb Poenostavljen algoritem vgrajen v program AMECO 3 omogoča napoved energetskih potreb stavbe iz naslova: ogrevanja prostorov; hlajenja prostorov; oskrbe s toplo sanitarno vodo (DHW). Algoritem temelji na smernicah iz več mednarodnih standardov. Izračun potrebne energije za ogrevanje in hlajenje sledi mesečni računski metodi na podlagi navidezno stacionarnega stanja, ki je definirana v standardu SIST EN ISO 13790 (2008). Energijske potrebe za proizvodnjo tople sanitarne vode (DHW) so izračunane v skladu s standardom SIST EN 15316-3-1 (2007). SIST EN ISO 13790, (2008) Energijske lastnosti stavb Račun rabe energije za ogrevanje in hlajenje prostorov (ISO 13790:2008), SIST Slovenski inštitut za standardizacijo. SIST EN 15316 3 1, (2007) Grelni sistemi v stavbah Metoda izračuna energijskih zahtev in učinkovitosti sistema 3 1.del.: Hišni sistemi in značilnosti potreb za toplo vodo (zahteve porabe), SIST Slovenski inštitut za standardizacijo. 12/7/2014 8

Računska metoda za določitev energetskih potreb Mesečna računska metoda z upoštevanjem navidezno stacionarnega stanja SIST EN ISO 13790 PRENOS TOPLOTE/DOBITKI ENERGIJA TOPLOTNA BILANCA PREHOD TOPLOTE TRANSMISIJA Zasteklitev Streha/Stene Pritličje ISO 10077 1 ISO 6946 ISO 13370 PREHOD TOPLOTE TRANSMISIJA TOPLOTNI DOBITKI/IZGUBE PREHOD TOPLOTE PREZRAČEVANJE Pretok zraka ISO 15242 ISO 13789 PARAMETRI DINAMIČNIH VPLIVOV PREHOD TOPLOTE PREZRAČEVANJE PORABA ENERGIJE TOPLOTNI DOBITKI OVOJ/ZASEDENOST Energijske potrebe Sončna ISO 10077 1 Učinkovitost sistema TOPLOTNI DOBITKI OVOJ/ZASEDENOST Uporabniki TOPLOTNA VZTRAJNOST MAKRO KOMPONENTE EN 13786 ISO 13790 Osvetlitev EN 15193 12/7/2014 9

Algoritem za količinsko opredelitev energije (faza uporabe) Vhodni podatki LOKACIJA STAVBE v povezavi s podnebjem (za izbrano mesto oz. klimatsko regijo): i) temperatura zraka; ii) sončno sevanje na površino s podano orientacijo. VRSTA STAVBE: npr. stanovanjska, pisarne, trgovska ali industrijska. OVOJ STAVBE, ki temelji na makro komponentah oziroma konstrukcijskih sestavih (npr. stene, stropovi, strehe, pritličje, odprtine). DIMENZIJE STAVBE in ORIENTACIJA (npr. dolžina, širina, višina in št. etaž). NOTRANJI POGOJI: nastavljena temperatura za ogrevanje in hlajenje, hitrost pretoka zraka v povezavi s prezračevanjem. VGRAJENI SISTEMI za ogrevanje in hlajenje prostorov ter za oskrbo s toplo sanitarno vodo. Rezultati Potrebna energija za ogrevanje, hlajenje in za oskrbo s toplo sanitarno vodo. Toplotna bilanca z upoštevanjem toplotnega prehoda skozi glavne konstrukcijske elemente stavbe (npr. stene, streha, okna). 12/7/2014 10

Algoritem za količinsko opredelitev energije (faza uporabe) Postopek za izračun potrebne energije za OGREVANJE prostorov, Q H,nd : 1) Toplotna bilanca z upoštevanjem NEPREKINJENEGA ogrevanja: a) Q H,ht celoten prenos toplote (transmisija + prezračevanje) (toplotne izgube) b) Q H,gn celotni toplotni dobitki (notranji + solarni) c) η H,gn izkoristek energijskih dobitkov Q H,nd = Q H,nd,cont = Q H,ht η H,gn Q H,gn 2) Korekcija za upoštevanje PREKINJENEGA režima ogrevanja: a) redukcijski faktor za prekinjeno ogrevanje (a H,red ) Q H,nd,interm = a H,red Q H,nd,cont 12/7/2014 11

Algoritem za količinsko opredelitev energije (faza uporabe) Postopek za izračun potrebne energije za HLAJENJE* prostorov, Q C,nd : 1) Toplotna bilanca z upoštevanjem NEPREKINJENEGA hlajenja: a) Q C,ht celoten prenos toplote (transmisija + bprezračevanje) b) Q C,gn celotni toplotni dobitki (notranji + solarni) c) η C,ls izkoristek energijskih izgub v režimu hlajenja Primerjava z režimom ogrevanja Q H,nd = Q H,nd,cont = Q H,ht η H,gn Q H,gn Q C,nd = Q C,nd,cont = Q C,gn η C,ls Q C,ht 2) Korekcija za upoštevanje PREKINJENEGA režima hlajenja: a) redukcijski faktor za prekinjeno hlajenje * Podoben pristop kot v primeru ogrevanja

Algoritem za količinsko opredelitev energije (faza uporabe) Podmoduli 1, 2 in 3 Vrednost U Toplotna kapaciteta Prehod toplote preko tal Glavni modul Ogrevanje/hlajenje prostorov Koeficient toplotnega prehoda Stopnja pretoka zraka Toplotni tok uporabnikov Toplotni tok osvetlitve Solarni toplotni tok Vrednost Uz upoštevanjem senčila P P Faktor senčenja Toplotni dobitek Kvocient toplotnega ravnovesja Sodelujoča toplotna kapaciteta Prehod sončne energije z upoštevanjem senčila Izkoristek dobitkov η Redukcijski faktor režima HVAC Potreba po energiji Učinkovitost sistema COP Poraba energije Podmoduli 4, 5 in 6 Glavni modul DHW oskrba Povečanje temperature Zahtevan volumen DHW Potreba po energiji Učinkovitost sistema η 12/7/2014 13

Izračun potrebne energije Vgrajen algoritem za napoved energetskih potreb iz naslova ogrevanja in hlajenja prostorov stavbe je bil kalibriran, natančnost rezultatov je bila preverjena na različnih nivojih (Santos et al. 2014): referenčni prostor (SIST EN 15265:2007); referenčno večsobno stanovanje (prilagojen primer iz SIST EN 15265:2007); računski primer stanovanjske stavbe. P. SANTOS; R. MARTINS; H. GERVÁSIO; L. SIMÕES DA SILVA, Assessment of building operational energy at early stages of design A monthly quasi steady state approach, Energy and Buildings (ISSN: 0378 7788), vol. 79, pp. 58 73, 2014. SIST EN 15265, (2007) Energijske značilnosti stavb Računanje porabljene energije za segrevanje in hlajenje prostora z dinamično metodo Splošna merila in validacija postopka, SIST Slovenski inštitut za standardizacijo. 12/7/2014 14

Referenčni prostor (SIST EN 15265:2007) Standard definira nabor 12 računskih primerov za referenčni prostor. (Informativen) Test 1 Referenčni primer Test 2 visoka toplotna vztrajnost Test 3 brez notranjih dobitkov Test 4 brez sončne zaščite 5.5 m 2.8 m 3.6 m Prekinjen HVAC (predpisan) Test 5 = Test1 + Test 6 = Test2 + Test 7 = Test3 + Test 8 = Test4 + HVAC samo za interval 8h-18h od ponedeljka do petka Prekinjen HVAC + streha (predpisan) Test 9 = Test5 + Test 10 = Test6 + Test 11 = Test7 + Test 12 = Test8 + streha S Ti računski primeri omogočajo študijo vpliva nekaterih ključnih parametrov v računskem postopku za določitev potrebne energije, kot npr.: naprave za senčenje, toplotna masa, prekinjeno oz. neprekinjeno delovanje sistema HVAC, notranji dobitki, itd. 12/7/2014 15

Referenčni prostor (SIST EN 15265:2007) Natančnost algoritma je odvisna od: računskega primera, obravnavanega meseca v letu ter od režima ogrevanja oz. hlajenja. Napaka 15% 10% 5% 0% 5% 10% 15% Največja napaka po mesecih < 12% Največja napaka po mesecih < 7% J F M A M J J A S O N D 15% 10% 5% 0% J F M A M J J A S O N D 5% 10% 15% a) Režim ogrevanja b) Režim hlajenja Napaka Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8 Test 9 Test 10 Test 11 Test 12 Natančnost mesečnega algoritma za režim ogrevanja / hlajenja: 12 računskih primerov iz SIST EN 15265:2007. 16

Referenčno večsobno stanovanje (prilagojen primer iz SIST EN 15265:2007) Ker algoritem mesečne računske metode ocenjuje potrebe po energiji celotne stavbe in se ne osredotoča samo na en določen prostor v stavbi, kot je to upoštevano v SIST EN 15265 (2007), so bili vsi kalibracijski izračuni izvedeni na novi skupini testnih primerov, ki upoštevajo tipične lastnosti stanovanjske stavbe. a) računski model stanovanja (notranje dimenzije) Vrednost U [W/m 2.K] Element [J/m 2.K] zunanja stena 0,493 81297 notranja stena - 9146 streha 0,243 6697 talna plošča - 63380 κm Površinska toplotna kapaciteta b) Toplotne karakteristike ovoja Rač. primer GFR [%] NGWR [%] SGWR [%] senčilo T1 ON 35 36 54 T2 OFF T3 ON 25 20 40 T4 OFF T5 ON 15 12 24 T6 OFF GFR: delež zasteklitve glede na tlorisno površino; NGWR: delež zasteklitve severne stene; SGWR: delež zasteklitve južne stene. c) Glavne spremenljivke računskega primera Referenčno stanovanje uporabljeno za kalibracijo korekcijskih faktorjev 12/7/2014 17 κ m

Stanovanjska stavba Dvoetažna stanovanjska stavba iz lahke jeklene okvirne konstrukcije v Coimbri na Portugalskem. Pogled: severozahod Pogled: jugozahod 12/7/2014 20

Računski primer stanovanjske stavbe Pritličje Nadstropje S kuhinja garaža spalnica 3 spalnica 1 WC WC WC Main façade dnevna soba spalnica 2 terasa Tloris etaž 12/7/2014 21

Računski primer stanovanjske stavbe Neprosojni del ovoja stavbe: Pohodna streha Zunanja stena Notranja stena Strop etaže Talna plošča Toplotne karakteristike: Element Vrednost U κ m [W/m 2.K] [J/m 2.K] strop strehe 0,37 13435 strop etaže - 61062 talna plošča 0,60 65957 zunanja stena 0,29 13391 notranja stena - 26782 Zastekleni del ovoja: Toplotne karakteristike: Materiali PVC okvir, dvojna zasteklitev (8+6 mm, zračna plast 14 mm) SHGC koeficient sončnih toplotnih dobitkov Vrednost U [W/m 2.K] SHGC 2,60 0,78 12/7/2014 22

Računski primer stanovanjske stavbe Referenčni rezultati za primer obravnavane stavbe so bili dobljeni s pomočjo naprednih dinamičnih simulacij. Programska orodja: Model je razdeljen na 10 toplotnih con. 3D pogled na model v programu DsB Prikaz etaž stavbe Simulacija senčenja za 10 Avgust 12/7/2014 23

Računski primer stanovanjske stavbe Dobljeni rezultati: povprečna napaka: 7.2% [kwh] 700 600 500 400 300 314 QH,nd,ISO QH,nd,Dyn QC,nd,ISO QC,nd,Dyn 332 647 565 462 251 2133 932 2500 2000 1500 1000 [kwh/leto] 200 100 0 139 157 96 65 29 7 J F M A M J J A S O N D Annual 500 0 Potrebna energija za ogrevanje in hlajenje prostorov v stavbi: primerjava razultatov med dinamično analizo (Dyn) in mesečnim algoritmom (ISO) 12/7/2014 24

Ocena energije vložene pri izgradnji stavbe ter energije potrebne za obratovanje stavbe je bistvenega pomena za izvedbo analize življenjskega cikla stavbe. Natančna napoved količine energije potrebne za obratovanje stavbe ni enostaven postopek, saj je problem odvisen od mnogih parametrov. V program je bil vgrajen poenostavljen računski algoritem za izvedbo ocene o količini potrebne energije za ogrevaje / hlajenje stavbe ter oskrbo s toplo sanitarno vodo. Pri tem so bila upoštevana določila nekaterih mednarodnih standardov. Natančnost mesečne računske metode z upoštevanjem navidezno stacionarnega stanja v skladu s SIST EN ISO 13790 je bila preverjena na podlagi primerjave z naprednimi dinamičnimi simulacijami. Na podlagi primerjave rezultatov lahko zaključimo, da je natančnost vgrajenega poenostavljenega računskega postopka povsem sprejemljiva (povprečna napaka < 10%). 12/7/2014 25