Prof. Edward Szczechowiak
Prof. Edward Szczechowiak
Politechnika Poznańska, WBiIŚ
Politechnika Poznańska, WBiIŚ
Podejście zintegrowane
w projektowaniu
budynków współczesnych
Projektowanie systemów WKiCh (1)
Inżynieria Środowiska 2009
E. Szczechowiak 2009
Zakres
" Cechy budynków współczesnych
" Oszczędność energii i rozwój zrównoważony
" Wpływ nowych rozwiązań na projektowanie
" Integracja działań projektowych
" Wykorzystanie nowych narzędzi w projektowaniu
" Przykład podejścia zintegrowanego
E. Szczechowiak 2009
1
Budynek " środowisko " energia
" Zasoby środowiska i zużycie energii
" Zasoby budowlane i zużycie energii (UE25  2005)
 Budynki  41% (700 mln Mg oleju eq.)
 Transport  31%
 Przemysł  28%
 A
Ä…cznie 1700 mln Mg oleju eq. (w tym Rolnictwo  3%)
 Zużycie energii przez budynki (30-50% zużycia energii danego
kraju)
" Kryzysy energetyczne  zmiana polityki energetycznej
" Budownictwo  największe zużycie i największy potencjał
redukcyjny
Epizod ropy naftowej w historii ludzkości Energia promieniowania słonecznego
1870 & 2130  kąt życia 0,005 deg
E. Szczechowiak 2009
Zmiany cen ropy naftowej surowej
lata 1860-2007
E. Szczechowiak 2009
2
Strategia przyszłościowa zużycia energii
E. Szczechowiak 2009
Budynek " środowisko " energia
" Wymóg współczesności:
 Efektywniejsze gospodarowanie zasobami środowiska, w tym
paliwami pierwotnymi
 Optymalny komfort cieplny i jakość powietrza (IAQ)
 Wzrost efektywności w budownictwie (unikanie strat i
optymalizacja zysków a nie nadmierne zużycie energii dla
uzupełnienia strat)
 Synergia między jakością energetyczną i ekologiczną budynku a
efektywnością jego technicznego wyposażenia
" Ewolucje w budownictwie (nowe koncepcje projektowe,
nowe materiały i technologie, technologie realizacji,
profesjonalna eksploatacja)  pozwalajÄ… na nowÄ…
rewolucjÄ™
" Rozwój zrównoważony (Sustainable development)
" Standard BUDYNKU PASYWNEGO
" Buildings Science
E. Szczechowiak 2009
3
Rozwój zrównoważony
Zasady rozwoju zrównoważonego
Elementy zrównoważenia w budownictwie
E. Szczechowiak 2009
Budynki zrównoważone
" Sustainable building, green building;
" Cechy budynków zrównoważonych:
 Zmniejszenie (reduce)  materiały budowlane, zasoby
energii,
 Ponowne użycie (reuse)  ponowne użycie materiałów,
 Recykling (recycle)  użycie materiałów z recyklingu i takie
projektowanie, aby materiały mogły być odzyskane,
 Odnawialny (renewable)  energia odnawialna i
komponenty budowlane z materiałów odnawialnych
" Program GBC (Green Building Challenge)  system
kryteriów oceny oddziaływania na środowisko.
" Ocena w cyklu życia (LCA)  E-Audyt GBC:
 Zużycie zasobów,
 Zdrowie człowieka,
 Konsekwencje ekologiczne,
 Trwałość i jakość obiektu.
E. Szczechowiak 2009
4
Rozwój zrównoważony
Oddziaływanie budynków na środowisko  efekt roczny [%] (USA)
E. Szczechowiak 2009
Cechy budynków współczesnych
" Wymagania dotyczące budynków współczesnych:
 Forma i struktura budynku, funkcja
 Bezpieczeństwo (konstrukcji, pożarowe, użytkowania),
 Komfort klimatyczny (komfort cieplny, jakość powietrza i
komfort użytkowania - hałas, oświetlenie),
 Energia i obciążenie środowiska,
 Ekonomia  LCC,
" Rozwój technologii w budownictwie i technice
instalacyjnej,
" Rozwój metod projektowania, budowy i eksploatacji
budynków (Facility Management).
" Sprostanie tym wymogom  podejście systemowe
(zintegrowane) w projektowaniu, realizacji i
eksploatacji
E. Szczechowiak 2009
5
Efektywność energetyczna budynków
" Poziom zużycia energii
 Etap wznoszenia budynku
 Etap eksploatacji budynku
" Szerokie znaczenie
 Budynek i jego charakterystyka energetyczna*
 Techniczne wyposażenie (Building services)
 Sterowanie i zarzÄ…dzanie (BEMS)
" Całkowite zużycie energii i energii pierwotnej
" Wzorce zużycia energii (benchmanking)
" Efektywne zużycie energii pierwotnej
" Wzrost znaczenia energii odnawialnej
" Certyfikaty energetyczne (od 1.01.2009)
* Directive 2002/91/EC on the energy performance
Klasa energetyczna budynku
of buildings (16 December 2002)
E. Szczechowiak 2009
Cechy współczesnych budynków
" Wymagania dotyczące budynków współczesnych:
 Forma i struktura budynku,
 Bezpieczeństwo (konstrukcji, pożarowe, użytkowania),
 Komfort klimatyczny (komfort cieplny, jakość powietrza i komfort
użytkowania - hałas, oświetlenie),
 Energia i obciążenie środowiska,
 Ekonomia  LCC,
" Rozwój technologii w budownictwie i technice instalacyjnej,
" Rozwój metod projektowania, budowy i eksploatacji budynków
(Facility Management).
" Sprostanie tym wymogom  podejście systemowe
(zintegrowane) w projektowaniu, realizacji i eksploatacji
E. Szczechowiak 2009
6
Cechy budynków współczesnych
Uczestnicy procesu inwestycyjnego i eksploatacji budynku
" Właściciele i inwestorzy, banki
" Architekci i projektanci budynku i TWB
" Managerowie budynków (facility management)
" Producenci materiałów, wyposażenia i urządzeń
" Agendy rzÄ…dowe i samorzÄ…dowe (prawo budowlane, przepisy,
normy, nadzór budowlany)
E. Szczechowiak 2009
Energooszczędność i zrównoważony rozwój
w projektowaniu budynków
Właściwości budynku:
" Energochłonność i ekologiczność materiałów
konstrukcyjnych i wykończeniowych
" Energochłonność wznoszenia budynku
" Ochrona termiczna obiektu w zimie i w lecie
" Szczelność powietrzna budynku
" Zdolność konstrukcji budynku do wykorzystania EPS
" Zdolność konstrukcji do akumulacji energii
" Zdolność konstrukcji i struktury do wentylacji i
chłodzenia naturalnego
E. Szczechowiak 2009
7
Energooszczędność i zrównoważony rozwój
w projektowaniu budynków
Właściwości systemów technicznego
wyposażenia
" Energochłonność i ekologiczność użytych materiałów i
urządzeń TWB
" Wysoka sprawność użytkowa
" Niskie koszty obsługi i eksploatacji
" Niezawodność i trwałość
" Niski poziom hałasu i drgań
" Optymalne sterowanie i eksploatacja
" Wykorzystanie niekonwencjonalnych z
ródeł energii
Zaawansowane metody projektowania, wykonawstwa i
eksploatacji
E. Szczechowiak 2009
Rozwój procesu projektowania budynków
E. Szczechowiak 2009
8
Schemat ideowy powiązań przy projektowaniu
budynków wg optymalizacji częściowej
TWB
Architektura
Fizyka
(w tym klimatyzacja
i konstrukcja
budowli
z ogrzewaniem,
budynku
chłodzeniem,
wentylacjÄ…)
Funkcja celu:
Budynek
- Forma
- Komfort klimatyczny
- Komfort użytkowania
- Niezawodność i bezpieczeństwo
- Funkcjonalność
- Ekonomia
- Ekologia
TWB  Techniczne wyposażenie budynków
E. Szczechowiak 2009
Schemat ideowy powiązań przy projektowaniu
budynków wg optymalizacji pełnej (projektowanie
zintegrowane)
Architektura
Teoria systemów technicznych
i konstrukcja budynku
Fizyka budowli
Techniki optymalizacji
TWB (w tym klimatyzacja) Strategia zrównoważonego rozwoju
Funkcja celu:
Budynek
- Forma
- Komfort klimatyczny
- Komfort użytkowania
- Niezawodność i bezpieczeństwo
- Funkcjonalność
- Ekonomia
- Ekologia
E. Szczechowiak 2009
9
Budynki energooszczędne
100
100
75
4
50
50
25
25
5
0
1974 1 2 3
Trendy w konsumpcji energii w architekturze budynków niemieszkalnych:
1-projektowanie konwencjonalne, 2-projektowanie zaawansowane, 3-potencjał
projektowania selektywnego, 4-zastosowanie zasad projektowania selektywnego
E. Szczechowiak 2009
Budynki energooszczędne
Pierwsze realizacje  Korsgaard  Kopenhaga 1977
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Budynek WschVO'84 WschVO'95 EnEV'02 NEH'95 NEH'02 Budynek
1970 pasywny
Rozwój standardów energooszczędności budynków mieszkalnych jednorodzinnych
E. Szczechowiak 2009
10
Zużycie energii
[%
2
[kWh/(m a)]
Wskaz
nik sezonowego zużycia ciepła
Zmiany standardów energetycznych
budynków
PL 99  standard polski z 1999, NEH  budynek niskoenergetyczny,
PH  budynek pasywny
E. Szczechowiak 2009
Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło dla celów
grzewczych wg rozp. Min. infrastruktury  2002 (Dz.U.
Nr 75, poz. 690)
" Eo = 29 kWh/m3a dla A/V d" 0,20
" Eo = 37,4 kWh/m3a dla A/V e" 0,90
Dla budynków o wysokości kondygnacji 2,8 m
" Eo = 80 kWh/m2a dla A/V d" 0,20
" Eo = 100 kWh/m2a dla A/V e" 0,90
Dyrektywa 2002/91/EC:
Charakterystyka energetyczna budynków
E. Szczechowiak 2009
11
Kierunki zmian - warunki techniczne WT2008 (4)
Maksymalne zużycie energii dla ogrzewania i wentylacji budynków: EP  energia
pierwotna, Eo  energia użytkowa, Eu  energia użytkowa; Eu = EP/(1,1 · 1,25)
WT2008  wymagania polskie wg warunków technicznych 2008
EnEV 02  wymagania niemieckie o ochronie energii z 2002
E. Szczechowiak 2009
Droga do budynku pasywnego
Udział budynków budowanych w różnych okresach - Niemcy
E. Szczechowiak 2009
12
Budynki przyszłości
Zasady projektowania budynków przyszłości
Każdy budynek spełniający kryteria zrównoważonego rozwoju
musi być budynkiem energooszczędnym
E. Szczechowiak 2009
Zmiany standardów energetycznych
domów mieszkalnych (A/V = 1)
WSVO 95  standard z 1995, EnEV 02  standard z 2002, NEH  dom niskoenergetyczny,
PH  dom pasywny
E. Szczechowiak 2009
13
Efekty nowych rozwiązań - ewolucje w
standardach zużycia energii
budynków biurowych [kWh/m2a]
Ogrzewanie
A
Chłodzenie
Wieża chłodnicza
Nawilżanie
B
Ciepła woda
Wentylatory
Pompy
C
Oświetlenie
UrzÄ…dzenia
Windy
D
Odzysk ciepła
0 50 100 150 200 250 300 350 kWh/m2a
A - Budynek przed kryzysem energetycznym (1970)  328
B - Budynek po kryzysie energetycznym (1980)  230
C - Istniejące budynki o wysokiej efektywności energetycznej
(1990)  200
D - Współczesne budynki o niskim zużyciu energii (2000)  90
D1 - Współczesne budynki pasywne  66
Rozwój standardów
energooszczędności budynków
Budynek biurowy (warunki klimatyczne  Nowy Jork) biurowych (Europa)
E. Szczechowiak 2009
Efekty nowych rozwiązań - ewolucje w
standardach zużycia energii
budynków biurowych [kWh/m2a]
Podstawowe parametry budynków energooszczędnych
Dom Energooszczędny
Dom pasywny
energooszczędny dom aktywny
U (W/m2/K) U (W/m2/K) U (W/m2/K)
Stropodach 0,20 0,15 0,10
Ściana zewnętrzna 0,30 0,25 0,15
Strop piwnicy 0,35 0,30 0,15
Okna 1,50 1,5-0,8 0,80
Zapotrzebowanie ciepła 70 kWh/m2a 30  40 kWh/m2a 15 kWh/m2a
Szczelność powietrzna n50 < 2,0 / h < 1,0 / h < 0,6 / h
Wentylacja mechaniczna lub Mechaniczna z mechaniczna z
hybrydowa odzyskiem ciepła odzyskiem > 75%
Zużycie energii pierwotnej < 200 kWh/m2a < 120 kWh/m2a < 120 kWh/m2a
E. Szczechowiak 2009
14
Nowe rozwiązania budynków
efektywnych energetycznie
Podstawowe parametry budynków energooszczędnych
E. Szczechowiak 2009
Budynki mieszkalne o niskim zużyciu energii
" Zwartość struktury budynku  A/V;
" Bardzo dobra izolacja termiczna:
dach d"0,15 W/(m2K),
ściany zewnętrzne d"0,25 W/(m2K),
strop piwnicy (posadzka) d"0,30 W/(m2K),
" okna d"1,50 W/(m2K);
" Redukcja mostków cieplnych;
" Szczelność obudowy budynku  n50 d"1,0 h-1;
" Bierne wykorzystanie energii słonecznej;
" Kontrolowana wentylacja bez- lub z odzyskiem ciepła;
" System grzewczy dopasowany do potrzeb budynku;
" Wysokosprawne wytwarzanie ciepłej wody;
" Optymalne wykorzystanie energii elektrycznej;
" Racjonalna eksploatacja budynku i urządzeń TWB
E. Szczechowiak 2009
15
Budynki mieszkalne pasywne
" Zwartość struktury budynku  A/V;
" Sezonowe zapotrzebowanie ciepła  ogrzewanie i wentylacja
15 kWh/ (m2a)
" Bardzo dobra izolacja termiczna:
dach d"0,15 W/(m2K),
ściany zewnętrzne d"0,15 W/(m2K),
strop piwnicy (posadzka) d"0,15 W/(m2K),
okna d"0,80 W/(m2K);
" Budynek bez mostków cieplnych;
" Szczelność obudowy budynku  n50 d"0,6 h-1;
" Bierne wykorzystanie energii słonecznej;
" Kontrolowana wentylacja z odzyskiem ciepła 75%;
" System grzewczy zintegrowany (c.o., wentylacja, ciepła
woda);
" Optymalne wykorzystanie energii elektrycznej;
" Racjonalna eksploatacja budynku i urządzeń TWB;
" Standard zużycia energii pierwotnej 120 kWh/ (m2a).
E. Szczechowiak 2009
Integracja działań w budownictwie
Podstawowe elementy zintegrowanego podejścia do oceny budynków w cyklu
życia (LCA)
E. Szczechowiak 2009
16
Etapy cyklu życia budynku i ich wpływ na
projektowanie
Cztery kluczowe etapy LCC: Design, Construction, Commissioning, Operation
E. Szczechowiak 2009
Potencjał oszczędności energii na różnych
etapach procesu inwestycyjnego
 Postawienie celu
Projekt
wysoki  Program przestrzenny
niski
wstępny
 Klimat lokalny
 Koncepcje energetyczne
 PowiÄ…zanie z energiami
odnawialnymi
 Zarys planowania
Projekt
 Wybór strategii energooszczędnych
 Sformułowanie celów
 Realizacja strategii
Zatwierdzenie
 Dokładne uzgodnienie z branżami
niski
 Nadzór nad realizacją planów
Realizacja
wysoki
wysoki
energetycznych
 Zabezpieczenie jakości
E. Szczechowiak 2009
17
Stopień szczegółowości
Potencjał oszczędności energii
Złożoność procesu projektowania budynków
współczesnych
Kluczowe elementy procesu projektowania budynku i TWB
E. Szczechowiak 2009
Podejście zintegrowane
w projektowaniu budynków
" Projektowanie zintegrowane  ważne ogniwo procesu
inwestycyjnego
" Rola głównego projektanta (architekta) i specjalistów
branżowych w etapach planowania i projektowania
" Rola projektantów w czasie realizacji inwestycji
Cel 1  realizacja funkcji celu (ludzie, technologia)
Cel 2  oszczędność energii i zasobów naturalnych
Ocena energetyczno-ekologiczna i ekonomiczna:
" Projektowanie budynków
" Realizacja inwestycji
" Eksploatacja budynku
" Likwidacja (rewitalizacja, przebudowa)
E. Szczechowiak 2009
18
Kluczowe cele projektowania nowych
budynków
" Komfort klimatyczny osiągnięty przy minimalnym
oddziaływaniu na środowisko na etapie wznoszenia i
eksploatacji;
" Cztery kluczowe zasady:
 Redukcja energii wbudowanej i zużycia zasobów naturalnych,
 Redukcja energii w czasie eksploatacji,
 Minimalizacja obciążenia i degradacji środowiska
zewnętrznego,
 Minimalizacja obciążenia środowiska wewnętrznego i zdrowia
E. Szczechowiak 2009
Budynek współczesny energooszczędny
Integracja działań projektowych
Położenie:
- Lokalizacja i pogoda
- Mikroklimat
- Położenie w terenie
- Orientacja
Forma budynku:
- Kształt
- Właściwości termiczne
- Izolacja
- Okna / przeszklenie
Strategia wentylacji
Strategia oświetlenia
ogrzewania i chłodzenia
naturalnego
Strategia serwisu:
- Kontrola instalacji i urządzeń
- Paliwa i energia
- Monitoring działań
Podstawowe elementy projektowania zintegrowanego budynków
E. Szczechowiak 2009
19
Efektywność decyzji i jej wpływ na koszty
i charakterystykÄ™ budynku
E. Szczechowiak 2009
Integracja działań w projektowaniu
budynków współczesnych
Obudowa
Technologie
Niskie straty ciepła
zoptymalizowana
efektywnie
przez obudowÄ™:
do wykorzystania
energetycznie:
energii słońca:
Układy ogrzewania
Architektura
Zwarta architektura
niskotemperaturowego
słoneczna
Udoskonalona
Okna
Energooszczędna
izolacja termiczna
zoptymalizowane
wentylacja
(izolacja transparentna)
energetycznie
Udoskonalone
Powierzchnie
Szczelność
systemy akumulacji
aktywne słonecznie
powietrzna budynku
energii
Przemysłowa
Struktury ułatwiające Kolektory słoneczne
konstrukcja i
akumulacjÄ™ energii termiczne i
dokładność wykonania
fotowoltaiczne
Technologie odzysku
Chłodzenie solarne
ciepła (słońce,
z
ródła wewnętrzne)
Zoptymalizowane
układy hydrauliczne
i sterowania
E. Szczechowiak 2009
20
Kryteria istotne w projektowaniu
zintegrowanym  zmiana podejścia
E. Szczechowiak 2009
Zmiana podejścia do budynku
energooszczędnego w porównaniu z
tradycyjnym
E. Szczechowiak 2009
21
Zintegrowane podejście  wymóg EnEV 02
E. Szczechowiak 2009
Elementy wpływające na właściwości
energetyczne budynku
E. Szczechowiak 2009
22
Proces projektowania zintegrowanego (1)
E. Szczechowiak 2009
Proces projektowania zintegrowanego (2)
E. Szczechowiak 2009
23
Analiza energetyczna budynków
" Ważna dla programowania, projektowania, wyboru i
oprogramowania BEMS, optymalnej eksploatacji
" Komponenty budynku i cały system
 Analizy statyczne
 Analizy dynamiczne
E. Szczechowiak 2009
Analiza energetyczna budynków
" Oddziaływanie użytkowników
 Wymagania komfortu
 Zasady użytkowania
 Aktywność użytkowników
 Zarządzanie i obsługa kontrola dostępu
" Środowisko zewnętrzne
 Standardowe rodzaje klimatów (gorący suchy, gorący
wilgotny, umiarkowany i zimny)
 Parametry obliczeniowe
 Stopniogodziny lub stopniodni ogrzewania (chłodzenia)
 Rok testowy (referencyjny)
 Symulatory klimatu
E. Szczechowiak 2009
24
Analiza energetyczna budynków
Przepływ energii w systemie budynek
E. Szczechowiak 2009
Elementy wpływające na właściwości
energetyczne budynku
E. Szczechowiak 2009
25
Analiza energetyczna budynków  budynek jako
zintegrowany system dynamiczny
Przepływ energii w systemie budynek
E. Szczechowiak 2009
Analiza energetyczna budynków
Kluczowe elementy:
" Obudowa (envelope)
" Techniczne wyposażenie
(building services)
" Oddziaływanie użytkowników
(human factors)
" Środowisko zewnętrzne (outdoor
environment)
Kluczowe elementy wpływające na zużycie energii
E. Szczechowiak 2009
26
Analiza energetyczna budynków
" Obudowa budynku
 Lokalizacja
 Orientacja
 Wymiary
 Forma budynku
 Kształt/rozplanowanie
 Otwory i szczelność dyfuzyjna i powietrzna
 Izolacyjność termiczna
E. Szczechowiak 2009
Analiza energetyczna budynków
1  standard ochrony z roku 2000, 2  budynek o UF = 1,5 ... 0,5 W/(m2K) UFeq = 1,2 ... -0,5
niskim zużyciu energii, 3  budynek pasywny, 4  W/(m2K)
mur nośny (0,7 W/mK), 5  izolacja termiczna
Optymalne gF = 0,1 ... 0,2
(0,04 W/mK)
Współczynnik przenikania ciepła U
Właściwości termiczne przeszklenia
E. Szczechowiak 2009
27
Analiza energetyczna budynków
" Energochłonność komponentów oraz materiałów
konstrukcyjnych i wykończeniowych
" Energochłonność wznoszenia budynku
" Ochrona termiczna obiektu w zimie i w lecie
" Szczelność powietrzna i dyfuzyjna budynku
" Zdolność konstrukcji budynku do wykorzystania EPS
" Zdolność konstrukcji do akumulacji energii
" Zdolność konstrukcji i struktury do wentylacji i
chłodzenia naturalnego
E. Szczechowiak 2009
Analiza energetyczna budynków
" Techniczne wyposażenie
 Typ systemów
 Wielkość systemów
 Rodzaj energii
 Efektywność energetyczna instalacji
 Kontrola i sterowanie instalacji
 Parametry operacyjne
 Niezawodność
E. Szczechowiak 2009
28
Techniki analizy energetycznej
budynków
" Statyczne (pseudoustalone) bilansowanie
komponentów budowlanych i całych budynków
" Modele dynamiczne
" Narzędzia symulacyjne
E. Szczechowiak 2009
Pojęcie efektywności energetycznej
budynków
" Poziom zużycia energii
 Etap wznoszenia budynku
 Etap eksploatacji budynku
" Szerokie znaczenie
 Budynek i jego charakterystyka energetyczna
 Techniczne wyposażenie (Building services)
 Sterowanie i zarzÄ…dzanie (BEMS)
" Całkowite zużycie energii i energii pierwotnej
" Wzorce zużycia energii (benchmanking)
" Efektywne zużycie energii pierwotnej
" Wzrost znaczenia energii odnawialnej
E. Szczechowiak 2009
29
Wskaz
niki określające efektywność
energetycznÄ…
" Budynek jako system energetyczny
 Energia wbudowana (embodied energy)
 Energia w czasie eksploatacji (operational energy) - EOP
 Zużycie energii pierwotnej - EP
 Wskaz
niki zużycia energii pierwotnej, odnawialnej i słonecznej
 Wskaz
niki emisji zanieczyszczeń
Zmiana energii wbudowanej i w czasie
eksploatacji jako funkcja czasu (przykład)
E. Szczechowiak 2009
Techniki analizy energetycznej
budynków
" Rozwój metod analizy energetycznej (intensywny po 1973)
 1930-1973 - Metody stopniodni
 1973-1980 - Metody komórkowe (Bin)
 1980- - Symulacje dynamiczne z krokiem godzinowym
" Modele jednowęzłowe
" Zintegrowane wielostrefowe modele symulacyjne budynków (m.
analityczne, funkcja przejścia, m. bilansów elementarnych, m.
różnic skończonych, m. elementów skończonych)
 1980- - modelowanie odwrotne z wykorzystaniem sieci
neuronowych (Neural Networks) i logiki rozmytej (Fuzzy Logic)
 1990- - połączenie symulacji przepływu powietrza i
energii (wykorzystanie CFD)
E. Szczechowiak 2009
30
Techniki analizy energetycznej
budynków
" Typy symulacji
 Metody jednowymiarowe (stopniodni, stopniodni o zmiennej
podstawie, dynamiczne)
 Uproszczone metody wielowymiarowe (Bin Methods)
 Metody symulacyjne szczegółowe (m. sieciowe, szeregi
Fouriera, metody odpowiedzi termicznej, bilanse cieplne, CFD)
 Metody odwrotne (regresja liniowa, regresja liniowa
wielowymiarowa, sieci neuronowe, Fuzzy Logic)
" Zastosowanie narzędzi symulacyjnych
 Programowanie i projektowanie budynków
 Projektowanie systemu budynek (obudowa, HVAC,
oświetlenie)
 Programowanie pracy systemów i systemów zarządzania
(BEMS)
 Diagnoza błędów w czasie eksploatacji, ocena oszczędności
energii budynków nowoprojektowanych i istniejących
E. Szczechowiak 2009
Techniki analizy energetycznej budynków
Wybrane programy symulacyjne budynków i techniki instalacyjnej
Autor/ Planowanie/ Badania/
Program Zastosowania
dystrybutor projektowanie kształcenie
BLAST University Zapotrzebowanie energii,
of Illinois planowanie, badania, Tak Tak
analizy LCC, LCA
COMIS Lawrence Przepływy wielostrefowe
Tak
Berkeley NLab w budynku
DOE-2 Lawrence Zapotrzebowanie energii,
Tak
Berkeley NLab planowanie, Badania
ENERGY Lawrence Połączenie z BLAST i
Tak
PLUS Berkeley NLab DOE-2, integ. COMIS
TRNSYS Solar EnLab Planowanie, modernizacja,
University of zapotrzebowanie energii, systemy
Tak Tak
Wisconsin kompleksowe, połączenie z
COMIS
DEROB-LTH Lund Institute Zapotrzebowanie energii,
of Technology ogrzewanie, chłodzenie, komfort Tak Tak
cieplny
E. Szczechowiak 2009
31
Planowanie i projektowanie zintegrowane
Programy symulacyjne:
" ALLSOL, EnergyPlus, BSim2000, TRNSYS, APACHE, Energy
Analysis, IDA Indoor Climate and Energy
Podstawowe moduły programów:
" Bazy danych o klimacie, materiałach konstrukcyjnych,
wykończeniowych, instalacjach i urządzeniach
" Modelowanie geometrii budynku
" Symulacja oświetlenia i zacienienia
" Symulacja stanów termicznych
" Symulacja przepływów powietrza
" Symulacja działania HVAC
" Ocena zużycia energii i obciążenia środowiska, kosztów
E. Szczechowiak 2009
Planowanie i projektowanie zintegrowane
Budynki biurowe, hotelowe, handlowe:
" Utrzymanie komfortu cieplnego i jakości powietrza
przy umiarkowanym zużyciu energii
" Ochrona cieplna budynku i redukcja obciążeń
cieplnych
" Obciążenia chłodnicze i pasywne metody chłodzenia
 Masa akumulacyjna (wewnętrzne i zewnętrzne obciążenie
chłodnicze)
 Pasywne systemy chłodzenia
" Koncepcje energetyczne i rozdział energii
E. Szczechowiak 2009
32
Zmiana podejścia do budynku
energooszczędnego w porównaniu z
tradycyjnym
E. Szczechowiak 2009
Podejście zintegrowane do projektowania
TWB (Otto Meyer Hamburg  ROM)
Projekt koncepcyjny
budynku i układów
technicznego
wyposażenia
Symulacja
........
zachowań
cieplnych
Pole z danymi
Symulacja
Ocena
o systemach
oświetlenia
Ekologiczna
technicznego naturalnego
i Energetyczna
i sztucznego
wyposażenia
Symulacja
pracy układów
Sterowanie
technicznego
budynkiem
wyposażenia
Symulacja
Obliczenia
przepływów
techniczne
powietrza
E. Szczechowiak 2009
33
Podejście zintegrowane do projektowania
budynku w fazie wstępnej za pomocą
ALLSOL
E. Szczechowiak 2009
Podstawy modelowania za pomocÄ… ALLSOL
Podstawy matematyczne  model dynamiczny:
Ti  temperatura wewnętrzna, Tm  temperatura ściany, dachu, podłogi
E. Szczechowiak 2009
34
Podstawy modelowania za pomocÄ… ALLSOL
Podstawy matematyczne  model dynamiczny:
E. Szczechowiak 2009
dt  krok czasowy, dx  grubość warstwy
Struktura programu ALLSOL
E. Szczechowiak 2009
35
Wykorzystanie ALLSOL  wspomaganie
projektowania
Główne wskaz
niki oceny:
" Ocena jakości energetycznej budynku (bilanse roczne)
" OddziaÅ‚ywanie na Å›rodowisko (LCA, CO‚ , SO‚ , energia pierwotna)
" Ekonomia (struktura kosztów, LCA kosztów energii i mediów)
Właściwości budynku/systemu TWB:
" Bilanse energii systemu (miesięczne, dobowe)
" Bilanse termiczne budynku (miesięczne, dobowe)
" Bilanse energii elektryczne (miesięczne, dobowe)
" Zimowe i letnie dni charakterystyczne  bilanse godzinowe
Dynamika systemu:
" Moduł graficzny on-line, charakterystyki dzienne lub godzinowe (temperatura 
T, energia, moc)
E. Szczechowiak 2009
Projektowanie wstępne  ALLSOL (przykład)
Budynek mieszkalny  120 m2, klimat umiarkowany:
" Budynek referencyjny (Ref)
 Współczynniki U: ściany  0,3 W/ m2K, okna  2 W/m2K
 Zużycie wody ciepłej  180 dm3 /d, urz. el.  3 MWh/rok +
oświetlenie, wentylacja naturalna
" Budynek o niskim zużyciu energii (Low)
 Współczynniki U: ściany  0,2 W/m2K, okna  1,2 W/m2K
 Zużycie wody ciepłej  180 dm3/d, urz. el.  2,5 MWh/rok +
oświetlenie energooszczędne, wentylacja mechaniczna z
odzyskiem ciepła 60%
" Budynek pasywny (Fut)
 Współczynniki U: ściany  0,15 W/m2K, okna  0,9 W/m2K
 Zużycie wody ciepłej  120 dm3/d, urz. el.  2,0 MWh/rok +
oświetlenie energooszczędne + kolektor słoneczny  10 m2 +
kolektor PV  2 kW, wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła
70%
E. Szczechowiak 2009
36
Zużycie energii i oddziaływanie na środowisko
różnych rozwiązań domów jednorodzinnych
(elec  energia elektryczna, ww  ciepła woda, space 
ogrzewania, LCA  ocena w cyklu życia)
[Mg]
[Mg]
[MWh]
E. Szczechowiak 2009
Uwagi końcowe  podejście zintegrowane
" Projektowanie budynków spełniających standardy
oszczędności energii (ochrona cieplna dla lata i zimy)
" Stosowanie filozofii zrównoważonego rozwoju
" Energooszczędne techniki instalacyjne
" Określenie rzeczywistych strumieni powietrza i ich
zmienności w czasie - zależnie od potrzeb
" Osuszanie i chłodzenie rozdzielone
" Nawilżanie tylko w przypadkach uzasadnionych
" Wybór systemów dostosowanych do funkcji użytkowej
pomieszczeń
" Regulacja i sterowanie wg kryteriów oszczędności energii
i uzasadnionego zużycia
" Optymalne planowanie zaopatrzenia w ciepło, energię
chłodniczą i elektryczną
" Analiza ekonomiczna w cyklu życia (koszty inwestycyjne,
eksploatacyjne, likwidacji/przebudowy)
E. Szczechowiak 2009
37
2
kWh/(m
Å"
rok)
Uwagi końcowe
" Fascynacja  pragmatyka  analityka  kontrola
środowiska wewnętrznego
" Wysokie wymagania (oszczędność energii, obciążenie
środowiska, koszty całkowite)
" Zaawansowane technologie budowlane i technicznego
wyposażenia
" Zmiana podejścia do projektowania, realizacji i
eksploatacji budynków
" Rozwój projektowania zintegrowanego wspomaganego
programami symulacyjnymi i diagnostycznymi
" Cel: zaplanowanie i wybudowanie budynku
zoptymalizowanego pod względem zużycia energii,
obciążenia środowiska i kosztów w cyklu życia
E. Szczechowiak 2009
Dziękuję za uwagę
E. Szczechowiak 2009
38