XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA
KOMITETU INŻYNIERII L
DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole  Krynica 2002
Aldona WI
CKOWSKA1
Elżbieta KOSSECKA2
Dariusz HEIM3
Jan KOŚNY4
WPA
YW ROZWI
ZAC
KONSTRUKCYJNO-MATERIAA
OWYCH
ŚCIAN ZEWN
TRZNYCH NA ZUŻYCIE ENERGII W BUDYNKU
JEDNORODZINNYM
1. Wprowadzenie
Wiele zagadnień z zakresu analizy procesów wymiany ciepła i masy w budynkach oraz
projektowania rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych przegród budowlanych, wymaga
zastosowania programów symulacyjnych.
Przodującymi na świecie programami do symulacji energetycznych budynków są:
amerykański DOE-2 [1] i angielski ESP-r [2,3]. Program DOE powstawał na Uniwersytecie
Kalifornijskim mniej więcej w tym samym czasie, kiedy w Glasgow zainicjowano tworzenie
programu ESP-r. Oba programy umożliwiają analizę zużycia energii cieplnej w budynkach
istniejących oraz projektowanych w funkcji lokalizacji, kształtu, wyposażenia, zastoso-
wanych materiałów, systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji w skali rocznej,
godzina po godzinie. Przy użyciu DOE [4], [5], można dodatkowo wyznaczyć koszty
eksploatacji budynków i przeprowadzać analizę ekonomiczną. Program był i jest wszech-
stronnie weryfikowany doświadczalnie na bardzo licznych obiektach rzeczywistych,[4-6].
Oba programy wymagają odpowiednio przygotowanego zestawu danych meteorologicznych,
zapisanych w formacie wewnętrznym przy pomocy specjalnego podprogramu  tzw. pro-
cesora pogody. Są to dane godzinowe, obejmujące temperatury termometru suchego
i wilgotnego, ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru, pokrywę chmur i sumy
promieniowania słonecznego, w postaci Typowego Roku Odniesienia lub Typowego Roku
Meteorologicznego.
1
Dr inż., Katedra Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych, Politechnika A
ódzka
2
Prof. dr hab., Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
3
Mgr inż., Katedra Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych, Politechnika A
ódzka
4
Dr inż., Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, USA
138
Dysponując zestawem danych pogodowych reprezentujących Typowy Rok Meteo-
rologiczny (TRM) dla Warszawy [7], wykonano obliczenia porównawcze sezonowego
zużycia energii przy użyciu najnowszej wersji programu DOE 2.1E [1] z 1993 r. oraz 9-ej
wersji programu ESP-r [2] i porównano je z wynikami obliczeń uzyskanymi przy pomocy
programu bilansowego  AUDYTOR . Program AUDYTOR posiada własną bazę danych
klimatycznych dla wybranych lokalizacji na terenie Polski. Dane z tej bazy dla Warszawy
różnią się oczywiście od odpowiadających im wartości TRM choćby dlatego, że odnoszą się
do innego 30-letniego okresu bazowego, różnice te jednak nie są duże,[8, 9] (tab. 1).
Tablica 1. Porównanie średnich miesięcznych wartości temperatury powietrza i sumy
całkowitego promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą dla Warszawy
w Typowym Roku Meteorologicznym (TRM) i w bazie danych programu AUDYTOR
Średnia temperatura Suma całkowitego
Miesiąc promieniowania słonecznego
powietrza [�C]
[kWh/m2]
TRM AUDYTOR TRM AUDYTOR
Zima (X  IV) 2.4 2.0 306 298
Lato (V - IX) 15.9 15.7 675 647
Rok 8.1 7.8 981 944
W pracy poddano analizie wpływ zastosowania różnych rozwiązań ścian zewnętrznych w
przykładowym budynku jednorodzinnym. Przeprowadzono obliczenia wymiany ciepła w pięciu
wariantach budynku. Na tej podstawie oszacowano różnice w zużyciu energii powstałe na skutek
zastosowania różnych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych ścian zewnętrznych.
2. Sformułowanie zagadnienia
Poddano analizie wolnostojący, niepodpiwniczony, budynek dwukondygnacyjny o po-
wierzchni całkowitej 286 m2 i kubaturze 700 m3, z płaskim dachem (kąt nachylenia połaci
dachowej wynosi 18.5�), zlokalizowany na obrzeżach Warszawy. Konstrukcję dachu
zaprojektowano jako drewnianą, krokwiową, z warstwą wełny mineralnej o grubości 20 cm
pomiędzy krokwiami, kryty dwiema warstwami papy. Podłogę na gruncie stanowiła warstwa
chudego betonu, podkład cementowy, folia i wykładzina dywanowa.
W programach AUDYTOR i ESP-r założono, iż wentylacja zapewnia jedną wymianę
powietrza na godzinę, zaś w programie DOE 2.1E strumień infiltrującego powietrza obliczano
metodą Shermana-Grimsruda [11]. Metoda ta uwzględnia zależność strumienia infiltrującego
powietrza od różnicy temperatur wewnętrznej i zewnętrznej oraz prędkości wiatru. Parametrem
opisującym szczelność budynku, wyznaczanym podczas badań eksperymentalnych metodą
nadciśnieniową (ang. fan pressurization technique), jest tzw. efektywna powierzchnia nie-
szczelności (ang. effective leakage area), którą w programie DOE wyraża się jako procent
całkowitej powierzchni podłogi. Powierzchnię nieszczelności przyjęto jako 0,0005 powierzchni
podłogi. Budynek podzielono na dwie strefy: pierwszą, obejmującą parter i drugą  piętro.
Analizowano następujące warianty konstrukcji ścian zewnętrznych budynku:
Wariant I - ściana z cegły pełnej o grubości 38 cm, ocieplona warstwą styropianu o gr.
14 cm. Współczynnik przenikania ciepła - U = 0.238 W/(m2K),
Wariant II - dom typu  kanadyjczyk - ściana warstwowa na szkielecie drewnianym z
warstwą 15 cm wełny mineralnej. Współczynnik przenikania ciepła komponentu - U =
0.344 W/(m2K),
139
Wariant III - ściana systemu POROTHERM z pustaków o gęstości 840 kg/m3 i gr. 44 cm,
obustronnie otynkowana. Współczynnik przenikania ciepła - U = 0.334 W/(m2K),
Wariant IV - ściana systemu HEBEL z bloczków o gęstości 500 kg/m3 i gr. 36.5 cm,
obustronnie otynkowana. Współczynnik przenikania ciepła - U = 0.350 W/(m2K),
Wariant V - ściana warstwowa z bloczków z betonu komórkowego o gęstości 700 kg/m3
i o gr. 24 cm, styropianu o gr. 6 cm i cegły kratówki o gr. 12 cm, obustronnie
otynkowana. Współczynnik przenikania ciepła - U = 0.384 W/(m2K).
Właściwości fizyczne materiałów budowlanych użytych w konstrukcji wszystkich warian-
tów ścian zewnętrznych przyjęto z danych normowych.
Obliczenia wykonano dla danych klimatycznych Typowego Roku Meteorologicznego
dla Warszawy [7], dla ogrzewania ciągłego, zakładając sterowanie idealne  stałą wielkość
temperatury w obu strefach (20�C). Podczas obliczeń metodami symulacyjnymi stosowano
krok czasowy wynoszący 1 godzinę.
3. Wyniki obliczeń
Mając na uwadze odmienności modeli matematycznych wymiany ciepła stosowanych przez
poszczególne programy, nie spodziewano się, by wyniki obliczeń były identyczne. Prog-
ramem ESP-r oblicza się zapotrzebowanie na energię do celów grzewczych (bez uwzględ-
niania sprawności, wytwarzania, przesyłu i emisji energii) dokładniej modelując wymianę
masy i energii wewnątrz budynku. Natomiast program DOE, choć stosuje prosty model
zjawisk, dzięki bardzo dobrej zgodności z wynikami badań eksperymentalnych oraz uwz-
ględnieniu sprawności instalacji ma szersze zastosowanie, i, jako narzędzie do celów eko-
nomicznych, umożliwia obliczenie energii pierwotnej, a także porównanie pełnych kosztów
nie tylko ogrzewania, lecz także eksploatacji budynku w ciągu całego roku. W tab. 2.
zestawiono wyniki obliczeń całkowitego rocznego zapotrzebowania na energię.
Tablica 2. Całkowite roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania budynku
jednorodzinnego, obliczone przy użyciu programów AUDYTOR, ESP-r i DOE 2.1E
AUD. / AUD. /
Wariant Audytor ESP-r ESP-r DOE 2.1E DOE 2.1E
[kWh] [kWh] [%] [kWh] [%]
I 29009.9 25358 114.4 22207.8 130.6
II 31741.2 25620 123.9 23699.4 133.9
III 31549.3 27035 116.7 23909.2 132.0
IV 31933.2 27397 116.6 24289.9 131.5
V 32509.3 27831 116.8 24821.2 131.0
Wyniki przedstawiono dla pięciu wariantów ścian zewnętrznych. Obliczenia wykonano przy
użyciu programów AUDYTOR, ESP-r i DOE 2.1E. W czwartej i szóstej kolumnie tabeli
umieszczono wyrażony w procentach stosunek zapotrzebowania energetycznego obliczo-
nego przy użyciu AUDYTOR-a do tegoż zapotrzebowania obliczonego programem
symulacyjnym. Wyniki otrzymane przy użyciu AUDYTOR-a są przeciętnie w skali rocznej
o 14-24% wyższe od obliczonych programem ESP-r i o 30-34% wyższe od obliczonych
DOE 2.1E. Jest to prawidłowość wykazywana już wcześniej, np. w [3], wynikająca
z nieuwzględniania w programie bilansowym zysków energii od promieniowania
słonecznego przez przegrody pełne oraz efektów związanych z pojemnością cieplną
przegród. Dość znaczne różnice w zapotrzebowaniu energii obliczonym programem DOE
140
i ESP-r, w porównaniu z metodą bilansową, wynikają z bardziej zbliżonych do warun-
ków rzeczywistych założeń wymiany powietrza podczas obliczeń programami symula-
cyjnymi, co wpłynęło na zmniejszenie zapotrzebowania w warunkach zimowych. Naj-
większe różnice dają się zaobserwować w miesiącach: grudniu, styczniu, lutym i marcu,
(rys. 1 i tab. 3).
Program DOE stwarza możliwości obliczenia rzeczywistego zużycia energii do celów
eksploatacji budynku, z uwzględnieniem sprawności poszczególnych instalacji. Korzystając
z danych klimatycznych Typowego Roku Meteorologicznego obliczono dla analizowanego
budynku całkowite zużycie energii dla celów grzewczych, przyjmując jako nośnik energii
gaz ziemny. Wyniki obliczeń przedstawiono w tab. 4.
a b
ą
ą
c d
ą ą
e
ą
Rys. 1. Zapotrzebowanie na energię do celów grzewczych budynku jednorodzinnego
a) wariant I, b) wariant II, c) wariant III, d) wariant IV, e) wariant V
141
Tablica 3. Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania budynku jednorodzinnego
obliczone przy użyciu programu DOE 2.1E
Miesiąc cegła + styr. kanadyjczyk Porotherm Hebel Warstwowa
[kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh]
Styczeń 4712.9 4991.9 5036.5 5105.3 5214.6
Luty 3846.6 4065.0 4109.2 4159.3 4251.1
Marzec 2685.3 2826.2 2878.1 2903.3 2973.3
Kwiecień 1689.5 1813.1 1824.0 1858.0 1893.7
Maj 412.6 445.2 454.2 459.2 470.6
Czerwiec 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Lipiec 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Sierpień 81.5 127.2 116.6 132.5 131.6
Wrzesień 163.8 229.5 213.6 238.8 239.1
Paz
dziernik 1274.8 1413.7 1410.8 1458.8 1494.6
Listopad 3205.4 3413.2 3440.5 3495.0 3574.7
Grudzień 4135.3 4374.4 4425.7 4479.6 4577.8
Rocznie 22207.8 23699.4 23909.2 24289.9 24821.2
Tablica 4. Całkowite zużycie energii w budynku jednorodzinnym
Zapotrzebowan Zużycie Zużycie Całkowite
Wariant ie energii na paliwa energii zużycie
cele grzewcze gazowego elektr. energii
[kWh] [kWh] [kWh] [kWh]
I 22207.8 31514.6 417.5 31932.1
II 23699.4 33607.5 429.1 34036.6
III 23909.2 33830.3 430.7 34261.0
IV 24289.9 34381.2 433.6 34814.8
V 24821.2 35090.4 437.8 35528.2
Największe zużycie energii we wszystkich wariantach budynku ma miejsce w styczniu.
Średnia sprawność instalacji grzewczej (gaz ziemny) w ciągu całego sezonu wynosi ok.
70%. Wraz ze wzrostem współczynnika przenikania ciepła ścian zewnętrznych daje się
zauważyć wyraz
ne zwiększenie, zarówno całkowitego zużycia energii, jak też i zużycia w
poszczególnych miesiącach.
Mając do dyspozycji wyniki obliczeń zarówno zapotrzebowania na energię cieplną, jak
i wartości strat ciepła przez wszystkie przegrody zewnętrzne, dokonano porównania strat
ciepła przez ściany budynku jednorodzinnego, obliczonych programem symulacyjnym
DOE 2.1E i bilansowym  AUDYTOR. Tab. 5 zawiera wyniki porównania strat ciepła
obliczonych przy użyciu AUDYTOR-a ze stratami obliczonymi programem DOE, wyrażone
w procentach.
Analizując powyższe wyniki można zauważyć szereg ogólnych prawidłowości. Obliczenia
strat ciepła przez ściany wykonane programem AUDYTOR dają wyniki bardzo zbliżone do tych,
które uzyskano przy użyciu programu DOE 2.1E. Jak wynika z tab. 5, sumaryczne roczne straty
ciepła obliczone przy użyciu programu bilansowego i symulacyjnego różnią się średnio o kilka
procent. Nieuwzględnienie przez program bilansowy zysków związanych z pochłanianiem
promieniowania słonecznego przez płaszczyzny nieprzezroczyste, wymiany ciepła z pomiesz-
142
czeniem przez promieniowanie i konwekcję oraz pomijanie pojemności cieplnej materiałów
konstrukcyjnych przegród zewnętrznych powoduje zawyżenie zapotrzebowania na energię
cieplną. Analizując dane z tab. 5 można wyraz
nie zaobserwować wpływ pojemności cieplnej na
zapotrzebowanie energetyczne.
Tablica 5. Procentowy stosunek strat ciepła przez ściany zewnętrzne budynku jedno-
rodzinnego obliczony przy użyciu programów AUDYTOR i DOE 2.1E (war. I -V)
Procentowy stosunek strat ciepła AUDYTOR / DOE 2.1E [%]
Miesiąc Ceglana Warstwowa PORO HEBEL Warstwowa
ocieplona kanadyjczyk THERM z izolacją
Styczeń 97.0 109.6 101.9 99.3 101.7
Luty 102.6 117.0 108.0 105.9 108.4
Marzec 123.4 144.8 130.9 130.4 133.4
Kwiecień 135.7 154.2 143.3 139.5 142.6
Maj 41.0 47.4 43.3 46.0 47.6
Wrzesień 48.9 47.2 50.5 47.1 48.4
Paz
dziernik 133.0 143.8 138.7 130.6 134.0
Listopad 92.9 103.9 97.2 94.3 96.5
Grudzień 94.3 108.2 99.6 97.8 100.3
Rocznie 102.7 115.6 108.0 105.3 107.9
Otóż w marcu i kwietniu, a następnie w paz
dzierniku, wartości wyrażające procentowy
stosunek rosną, osiągając 123 do 154%. Ma to miejsce właśnie w tych miesiącach, kiedy
promieniowanie słoneczne jest na tyle silne, by mieć znaczący wpływ na gospodarkę
energetyczną ściany. Występujące w tym okresie duże dobowe amplitudy temperatury
zewnętrznej powodują silne nagrzewanie ściany w ciągu dnia i intensywne oddawanie ciepła
w nocy. Ściany o większej pojemności cieplnej, jak cegła, pustak ceramiczny lub bloczek z
betonu komórkowego, potrzebują mniej energii, by zniwelować wpływ zmian temperatury
zewnętrznej na temperaturę wynikową wewnątrz budynku. W paz
dzierniku natomiast silne
jest oddziaływanie ciepła zakumulowanego w ścianie w ciągu lata. Program bilansowy nie
uwzględnia tych efektów i stąd wielkości strat są w wymienionych miesiącach wyraz
nie
wyższe. Na bilans energii w warunkach niestacjonarnych ma wpływ nie tylko pojemność
cieplna przegrody ale również układ warstw i położenie warstwy izolacyjnej [10], co nie
zostało uwzględnione w powyższej analizie.
5. Wnioski
Można stwierdzić, że oba programy symulacyjne, przy wykorzystaniu polskich danych
pogodowych reprezentujących Typowy Rok Meteorologiczny dla Warszawy, stanowią dobre
narzędzia do obliczeń całkowitego zapotrzebowania budynków na energię w skali roku i w
kolejnych miesiącach, jak również szeregu parametrów charakteryzujących procesy
energetyczne, zachodzące w budynku, w szczególności wielkości strat i zysków ciepła przez
przegrody zewnętrzne.
Wartości całkowitego rocznego zapotrzebowania na energię do celów ogrzewania
rozpatrywanego budynku jednorodzinnego, obliczone przy użyciu bilansowego programu
AUDYTOR, są przeciętnie o 14-24% wyższe od obliczonych przy użyciu programu
symulacyjnego ESP-r i o 30-34% wyższe od obliczonych przy użyciu DOE 2.1E.
143
Różnice strat ciepła przez zewnętrzne ściany budynków, obliczane przy wykorzystaniu
programów symulacyjnych i bilansowego programu AUDYTOR, są szczególnie znaczące
dla miesięcy okresu przejściowego, marca, kwietnia i paz
dziernika.
Literatura
[1] LBL, DOE 2: BDL Summary, Version 2.1E, LBL-34946, Lawrence Berkeley National
Laboratory, November 1993.
[2] CLARKE J.A., Energy Simulation in Building Design, Adam Hilger Ltd, Bristol and
Boston, 1983.
[3] GAWIN D. (red.), Komputerowa symulacja procesów wymiany masy i energii w
budynku. Przykłady zastosowań. Seria: Komputerowa Fizyka Budowli, Wyd.
Politechniki A
ódzkiej, A
ódz
, 1998.
[4] LANL, DOE-2 Verification Project, Phase 1, Interim Report, Los Alamos National
Laboratory, Report No. LA-8295-MS, 1981.
[5] LANL, DOE-2 Verification Project, Phase 1, Final Report, Los Alamos National
Laboratory, Report No. LA-10649-MS, 1986.
[6] LBL, Comparison of DOE-2 with Measurements in the Pala Test Houses, Lawrence
Berkeley National Laboratory, Report No. LBL-37979, 1995.
[7] KOSSECKA E., GAWIN D., WI
CKOWSKA A., Typowy Rok Meteorologiczny dla
Warszawy, Mat. Konf. KILiW PAN i KN PZITB  Krynica 2001 , Krynica, 2001.
[8] LORENC H. i inni, Opracowanie porównawczego sezonu grzewczego do oceny
zapotrzebowania ciepła budynków. Cz.I: Opracowanie charakterystyk termicznych
sezonu grzewczego i letniego, IMGW, Zakład Klimatologii, Warszawa 1990.
[9] PODOGROCKI J. i inni, Opracowanie porównawczego sezonu grzewczego do oceny
zapotrzebowania ciepła budynków, Cz.II: Opracowanie charakterystyk
aktynometrycznych. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Zakład Klimatologii,
Warszawa 1990.
[10] KOSSECKA E., Wybrane zagadnienia dynamiki cieplnej ścian budynków. Studia z
Zakresu Inżynierii, Nr 45, KILiW PAN, Warszawa 1998.
[11] SHERMAN M. H., GRIMSRUD D.T., Measurement of Infiltration Using Fan
Pressurisation and Weather Data, Lawrence Berkeley Laboratory, University of
California, Berkeley, California, October 1980, LBL-10852.
EFFECT OF THE WALL CONSTRUCTION AND MATERIALS
USED ON ENERGY CONSUMPTION
FOR SINGLE-FAMILY HOUSE
Summary
The results of calculations of total energy consumption for single-family house located in
Poland (Warsaw) have been presented. The weather data of the Typical Meteorological Year
was created for Warsaw and on this base files for the two leading computer codes for energy
simulations  American DOE 2.1E and British ESP-r  were developed. In the analysis five
different building walls were taken into account and for which one total year energy
consumption for gas fuel and monthly energy use as well as heat loss were calculated.
Praca została wykonana w ramach projektu badawczego KBN Nr 7 T07E 018 19.