UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Primerjava izračunov letne rabe energije po mesečni in urni metodi za stanovanjsko stavbo
Matjaž Istenič
Ljubljana, avgust 2021
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje
Strojništvo - Razvojno raziskovalni program
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Primerjava izračunov letne rabe energije po mesečni in urni metodi za stanovanjsko stavbo
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program
Matjaž Istenič
Mentor: izr. prof. dr. Uroš Stritih, univ. dipl. inž.
Ljubljana, avgust 2021
VLOGA ZA PREVZEM TEME ZAKLJUNE NALOGE
Univerzitetni ftudiijski program 1. stopnje STROJNITVO - Razvojno raziskovalni program
t. zaldjuórie naloge (izp&ni Studentski referat): ( '-
Datum prejema vloge v
.€
LOLi
Podatki o tudentu:
me in phimek Matja± Istenit
Vp 23170150
isna t_ - -
Datum. kra; rojstva:_ 6.3.1998. Ljubljana
Podatki o zakljuOni nalog;:
Nasov zakljuãne naloge (siovensk
Pnmerava izraOunov letne rabe energije P0 meseni in urni metodi za stanovanjsko stavbo
Naslov zakljuOne naloge (angleki):
Comparison of ccuations for annual energy consumption with the monthly and hourly method for a residental building
Mentor r.a FS: Urot Sthtih
Somentor na FS:
Veijavno.st naslova teme je 6 mesecev od oddaje Vioge za prevzem.
Zahvala
Rad bi se zahvalil mentorju izr. prof. dr. Urošu Stritihu za pomoč in vso usmerjanje tekom izdelave zaključne naloge, hkrati pa bi se zahvalil tudi družini za podporo tekom študija.
Izvleček
UDK 620.9:728:621.317.38(043.2) Tek. štev.: UN I/1465
Primerjava izračunov letne rabe energije po mesečni in urni metodi za stanovanjsko stavbo
Matjaž Istenič
Ključne besede: stanovanjske stavbe raba energije pravilniki mesečna metoda urna metoda primerjave toplotni dobitki
V nalogi smo predstavili, kako se naredi izračun za rabo energije z namenskimi orodji. Za razumevanje smo najprej predstavili teoretične osnove in trenutne smernice Evropske unije na področju rabe energije v stanovanjski stavbah. Nato smo s pomočjo programov DesignBuilder in URSA4 naredili izračun po mesečni in urni metodi, kar smo na koncu primerjali med sabo, kot tudi z dejanskimi podatki obstoječe stavbe. Ugotovili smo, da je urna metoda bolj primerna za izračun rabe energije za ogrevanje in jo je smiselno uporabiti, ko imamo na voljo dovolj podatkov ter želimo čim bolj natančen izračun.
Abstract
UDC 620.9:728:621.317.38(043.2) No.: UN I/1465
Comparison of calculations for annual energy consumption with the monthly and hourly method for a residential building
Matjaž Istenič
Key words: residential buildings energy consumption policies
monthly method hourly method comparisons heat gains
In this paper we have presented how to do a calculation of the energy consumption with the dedicated tools. For understanding, we first presented the theoretical foundations and current guidelines of the European Union in the field of energy use in residential buildings. Then with using the DesignBuilder and URSA4 programs, we made a calculation according to monthly and hourly method, which we finally compared with each other as well as with the actual data of the existing house. We found that the hourly method is more suitable for calculation of energy use for heating and is reasonable to use it, if we have enough data and if we want the most accurate results.
Kazalo
Kazalo slik ... xi
Kazalo preglednic ... xii
Seznam uporabljenih simbolov ... xiii
Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 2
2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3
2.1 Energijsko učinkovito dizajniranje stavbe ... 3
2.2 Mesečna metoda ... 4
2.2.1 Preračun ... 5
2.2.1.1 Ogrevanje ... 5
2.2.1.2 Hlajenje ... 6
2.3 Urna metoda ... 7
2.3.1 Notranji toplotni dobitki ... 7
2.3.2 Dolgovalovno sevanje neba ... 7
2.3.3 Sončno sevanje ... 8
2.3.3.1 Izmenjava toplote na zunanjih površinah ... 8
2.3.4 Ogrevanje ... 8
2.4 Opis stavbe ... 8
3 Metodologija raziskave ... 10
3.1 DesignBuilder ... 10
3.1.1 Modeliranje ... 11
3.1.2 Aktivnosti ... 13
3.1.2.1 Predloga ... 13
3.1.2.2 Zasedenost ... 13
3.1.2.3 Metabolizem ... 14
3.1.2.4 Počitnice ... 14
3.1.2.5 Poraba sanitarne vode ... 14
3.1.2.6 Nadzor okolja ... 14
3.1.2.7 Računalniki in pisarniška oprema ... 15
3.1.3 Konstrukcija ... 15
3.1.4 Odprtine ... 15
3.1.4.1 Predloga ... 16
3.1.4.2 Zunanja okna ... 16
3.1.4.3 Notranja okna ... 17
3.1.4.4 Vrata ... 17
3.1.5 Osvetljava ... 17
3.1.6 HVAC ... 18
3.2 URSA4 ... 18
3.2.1 Podatki o projektu in stavbi ... 18
3.2.2 Cone ... 20
3.2.3 Analiza gradbenih konstrukcij ... 20
3.2.4 Toplotne izgube ovoja stavbe ... 21
3.2.5 Ogrevalni sistem ... 22
3.2.6 Kurilni sistem ... 22
3.2.7 Sistem za pripravo tople vode ... 23
4 Rezultati ... 25
4.1 DesignBuilder ... 25
4.1.1 Model stavbe ... 25
4.1.2 Toplotne izgube in toplotni dobitki ... 26
4.1.3 Raba energije ... 27
4.2 URSA4 ... 28
4.2.1 Toplotne izgube ... 28
4.2.2 Toplotni dobitki ... 29
4.2.3 Raba energije ... 29
4.3 Primerjava rezultatov ... 30
5 Diskusija ... 35
6 Zaključki ... 36
Kazalo slik
Slika 2.1: Lokacija stavbe ... 9
Slika 3.1: Dodajanje novega projekta ... 10
Slika 3.2: Prikaz risanja tlorisa objekta ... 11
Slika 3.3: Prikaz modela pritličja ... 11
Slika 3.4: Prikaz oblike stavbe ... 12
Slika 3.5: Model zunanjosti hiše ... 12
Slika 3.6: Notranjost pritličja ... 13
Slika 3.7: Shema okna v steni [11] ... 16
Slika 3.8: Shema okvirja okna [12] ... 17
Slika 3.9: Tipi pritrditve luči [13] ... 18
Slika 3.10: Podatki o projektu in stavbi ... 19
Slika 3.11: Klimatski podatki ... 19
Slika 3.12: Podatki o coni ... 20
Slika 3.13: Gradbene konstrukcije ... 21
Slika 3.14: Toplotne izgube ovoja stavbe ... 21
Slika 3.15: Podatki o ogrevalnem sistemu ... 22
Slika 3.16: Podatki o kurilni napravi ... 23
Slika 4.1: Končni model hiše ... 25
Slika 4.2: Prikaz toplotnih izgub in dobitkov ... 26
Slika 4.3: Vrednosti rabe energije ... 27
Slika 4.4: Učinkovitost stavbe glede na primarno energijo ... 27
Slika 4.5: Vrednosti porabljene energije posameznih porabnikov ... 28
Slika 4.6: Prikaz toplotnih izgub ... 28
Slika 4.7: Raba energije ... 29
Slika 4.8: Energetska izkaznica stavbe ... 30
Slika 4.9: Primerjava rabe primarne energije ... 31
Slika 4.10: Primerjava energije za ogrevanje ... 32
Slika 4.11: Primerjava potrebne energije za ogrevanje po mesecih ... 32
Slika 4.12: Primerjava toplotnih dobitkov ... 33
Slika 4.13: Primerjava toplotnih izgub ... 33
Slika 4.14: Primerjava energije za hlajenje ... 34
Slika 4.15: Primerjava potrebne energije za hlajenje po mesecih ... 34
Kazalo preglednic
Preglednica 2.1: Vrednosti porabe električne energije po mesecih ... 9
Preglednica 3.1: Dimenzije oken ... 16
Preglednica 3.2: Dimenzije okvirja ... 17
Preglednica 4.1: Vrednosti toplotnih izgub ... 26
Preglednica 4.2: Vrednosti toplotnih dobitkov... 26
Preglednica 4.3: Vrednosti toplotnih izgub ... 29
Preglednica 4.4: Vrednosti toplotnih dobitkov... 29
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
𝑎O / numerični parameter
𝐴k / skupna površina elementa k 𝐴tla m2 površina tal ogrevanega prostora
𝑏𝑣𝑒 / nastavljiv temperaturni faktor
𝐹r,k / faktor oblike med zunanjimi površinami stavbe in nebom ℎse / koeficient površinskega prenosa toplote
ℎ𝑠𝑒,𝑐 / konvektivni koeficient površinskega prenosa toplote ℎse,r / sevalni koeficient površinskega prenosa toplote 𝐻tot W/K skupni koeficient prenosa toplote za stavbo
𝐻tr W/K transmisijski koeficient prenosa toplote 𝐻ve W/K ventilacijski koeficient prenosa toplote
𝐼sol,k,t W/m2 globalno sončno sevanje na element k za časovni trenutek t k / število primernih elementov stavbe
𝑛 h−1 toplotne izgube zaradi dolgovalovnega sevanja
𝑞notr,t W/m2 notranji toplotni dobitki na enoto površine ogrevanega prostora 𝑄D,H MJ skupna energija toplotnih virov za hlajenje
𝑄D,O MJ skupna energija toplotnih virov za ogrevanje 𝑄I,H MJ skupni prenos toplote pri hlajenju
𝑄I,O MJ skupni prenos toplote pri ogrevanju 𝑄P,H MJ vsa potrebna energija za hlajenje stavbe 𝑄P,O MJ vsa potrebna energija za ogrevanje stavbe
𝑈k W/m2 K toplotna prepustnost elementa k 𝑉 m3 notranji volumen stavbe
𝛼sw,se,k / koeficient absorpcije sončnega sevanja za element k 𝛾O / razmerje dobitkov napram izgubam
∆𝜃er / razlika med zunanjo temperaturo zraka ponoči in podnevi 𝜀lw,se,k / emisivnost zunanjih površin elementa k
𝜃i,t K notranja temperatura zraka pri času t 𝜃e,t K zunanja temperatura zraka pri času t 𝜃i,t K notranja temperatura zraka pri času t
𝜇I,H / brezdimenzijski korekcijski faktor izgub pri hlajenju
∆𝜃er / razlika med zunanjo temperaturo zraka ponoči in podnevi 𝜇D,H / brezdimenzijski korekcijski faktor dobitkov pri hlajenju 𝜇D,O / brezdimenzijski korekcijski faktor dobitkov
𝜇I,H / brezdimenzijski korekcijski faktor izgub pri hlajenju 𝛷notr,t W notranji toplotni dobitki ogrevanega prostora
𝛷r,t W toplotne izgube zaradi dolgovalovnega sevanja
𝛷sol,ab,t W dobitki kratkovalovnega sončnega sevanja na zunanjih površinah
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
CO2 ogljikov dioksid
CoP koeficient učinkovitosti (angl. Coefficient of performance)
DB DesignBuilder
EPBD direktiva o energetski učinkovitosti stavbnega sektorja (angl. Energy performance of buildings directive)
EU Evropska unija
HVAC ogrevanje, prezračevanje in klimatizacija (angl. Heating, ventilation, and air conditioning)
PURES Pravilnik o učinkoviti rabi energije
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Ljudje porabljamo vedno več energije, katere velik delež dobimo iz fosilnih goriv. Pri tem se pojavlja problem globalnega segrevanja, saj se povprečna temperatura površine Zemlje povečuje [1]. Razlog za to je v onesnaževanju, ker ob uporabi fosilnih goriv nastajajo emisije, ki tvorijo efekt tople grede in zmanjšujejo količino sončnega sevanja, ki se odbije od površine Zemlje nazaj v vesolje [2]. To vodi do taljenja ledu, širjenja puščav, požarov, ekstremnih vremenskih pojavov, izumrtja določenih vrst, ipd. Vsi ti dejavniki ogrožajo tudi človeka, saj bi prišlo do problemov s pitno vodo, hrano, boleznimi, vročino, finančnih kriz in še mnogo drugih problemov [3]. Da bi to v čim večji meri preprečili, je dandanes vedno večji poudarek na izboljšanju učinkovitosti rabe energije in s tem zmanjšanju emisij [1].
Dejstvo, da so članice Evropske unije porabljale 40 % vse energije za stavbe in pri tem povzročale 36 % vseh emisij 𝐶𝑂2, je Združene narode peljalo do odločitve, da so leta 1997 sprejeli Kjotski protokol, v katerem so se zavzemali za zmanjšanje porabe energije in toplogrednih plinov ter povečanje energijske učinkovitosti [1]. Evropa se je torej zavedala, da je stavbni sektor ključen za doseganje energijskih in okoljevarstvenih ciljev, hkrati pa to izboljša tudi kvaliteto življenja ljudi. Glede na zgoraj našteta dejstva se je Evropska unija odločila, da sprejme direktivo 2010/31/EU (EPBD) o energijskem delovanju stavb ter direktivo 2012/27/EU o energijski učinkovitosti. V njih se zavzema za doseganje visoke energijske učinkovitosti, dekarbonizacijo stavb, ustvarjanje razmer za investicije in tako omogoči uporabnikom, da sprejmejo boljše ekološke in finančne odločitve. Leta 2018 sta bili direktivi še dodatno spremenjeni in tako je nastala nova direktiva o energijskem delovanju stavb 2018/844/EU, v kateri so novi deli o modernizaciji stavbnega sektorja. Poleg teh direktiv je EU objavila tudi nekaj priporočil glede prenove stavb, saj je v EU 35 % stavb starejših od 50 let in skoraj 75 % stavb energijsko neučinkovitih, zato bi prenove le teh lahko pripomogle k bistvenim energijskim prihrankom in znižanju emisij [4].
Slovenija kot članica EU seveda mora slediti njenim direktivam, zato pri nas velja pravilnik PURES, ki upošteva Direktivo 98/34/ES ter 2006/96/ES. Ta pravilnik določa zahteve za učinkovito rabo energije v stavbah in se uporablja pri gradnji novih stavb kot tudi pri rekonstrukciji starih [5].
Uvod
1.2 Cilji
Slovenski pravnik PURES zahteva za izračun mesečno metodo, medtem ko je v marsikateri drugi evropski državi za izračun predpisana urna metoda, ki velja za bolj natančno. PURES je potreben prenove, saj je bil sprejet že leta 2010 in ne upošteva najnovejših direktiv EU.
Ko se bo pravilnik prenavljal, bo potrebno razmisliti tudi o metodi preračuna oziroma o smiselnosti menjave metode iz mesečne na urno. To pa je tudi cilj te naloge, da naredimo izračun in primerjamo obe metodi z dejansko rabo energije ter presodimo smiselnost uporabe ene oziroma druge metode.
2 Teoretične osnove in pregled literature
2.1 Energijsko učinkovito dizajniranje stavbe
Za učinkovito dizajniranje in upravljanje stavb, se je vzpostavil sistem klasifikacij, ki določi energijsko učinkovitost stavbe. Te klasifikacije lahko naredimo v fazi dizajniranja, še preden je stavba postavljena, ali pa v fazi obratovanja. To naredimo z namenskimi orodji, ki uporabljajo statične ali dinamične metode simulacij. Na ta način lahko določimo, kako energijsko učinkovita je stavba in njeno ustreznost energijskim zahtevam države, hkrati pa ugotovimo, kako in kje bi lahko izboljšali energetsko učinkovitost stavbe [6].
Energijske simulacije zahtevajo vnos veliko vhodnih podatkov, ki jih ni mogoče popolnoma točno določit, saj so odvisni od številnih dinamičnih faktorjev. V fazi dizajniranja tudi še niso znani vsi podatki, ki se nanašajo na energijsko učinkovitost. Kvaliteta vhodnih podatkov vpliva na rezultate simulacij, zato velikokrat tudi zaradi tega pride do velikih odstopanj med izračunano in dejansko rabo energije. Razumevanje možnih vzrokov, ki lahko privedejo do odstopanj, je zelo pomembno za zanesljivo napoved rabe energije v stavbah [7]. Pogosti vzroki so naslednji:
• Kompleksnost dizajna
Zelo kompleksen dizajn stavbe lahko privede do kasnejših težav pri gradnji stavbe, kar pripelje do odstopanj [8].
• Nezanesljivost modeliranja energije v stavbah
Za natančno dizajniranje rabe energije je potrebno veliko število podatkov, ki jih ni mogoče popolnoma točno določit, njihova majhna sprememba pa lahko povzroči velike razlike v končnih rezultatih, zato je potrebno te podatke jemati z določeno stopnjo nezaupanja [8].
• Nezanesljivost specifikacij
Velikokrat pride do pomanjkanja točnih informacij o objektu (npr. informacije o geometriji, materialih, HVAC specifikacije, urnik stavbe,…) [7]. Ti podatki so
Teoretične osnove in pregled literature
mnogokrat tudi še nedoločeni v začetni fazi dizajniranja, hkrati pa je razlog za netočne podatke lahko tudi v slabi komunikaciji med inženirji, izvajalci in naročniki [8].
• Računska nezanesljivost
Pri simulacijah lahko pride do kar velikih odstopanj, zaradi napak v samih algoritmih programov [8].
• Veliko možnih scenarijev
Stavba je postavljena v zunanje okolje in je odvisna od vremena, ki se vseskozi spreminja in je lahko iz leta v leto drugačno, kar pa lahko pripelje do znatnih odstopanj [8]. Prav tako so v stavbi ljudje, ki imajo glavno vlogo pri procesih v stavbi (npr. osvetljava, delovanje električnih naprav, odpiranje oken, spreminjanje HVAC nastavitev,…). V izračunu se upošteva tudi, kdaj so ljudje v stavbi. Vsi ti podatki so zelo odvisni od vsakega posameznika in jih je nemogoče točno določiti [8].
• Gradbena dela
Z novimi tehnologijami se povečujejo tudi gradbene zahteve, zato jih je potrebno gradbenim delavcem predstaviti in jih naučiti nove tehnike. Velikokrat se pojavljajo težave pri doseganju zelo dobrega tesnjenja zraka, pri montaži vodovoda, zračnih kanalov, stičiščih, nepravilne pozicije oken in vrat. Te težave vplivajo na energijsko učinkovitost [8].
• Spremembe po dizajniranju
Včasih se že po dizajniranju na lokaciji objekta pojavijo določene omejitve ali pa težave s financami, ki zahtevajo naknadne spremembe, ki povzročijo razlike med predpisanimi in inštaliranimi komponentami. Teh sprememb nihče ne javi inženirjem in tako nastane odstopanje pri napovedani rabi energije [8].
• Slaba nabava
Pri gradnji stavbe je potrebno zagotoviti materiale, stroje, komponente,... Njihova učinkovitost je odvisna tudi od kakovosti, zato je pomembno, da se pri nabavi gleda tudi na kvaliteto in se preverja, če se sklada s predpisano [8].
2.2 Mesečna metoda
Teoretične osnove in pregled literature
Poenostavljena metoda mora biti:
• Transparentna: Metoda mora biti jasno predstavljena s kombinacijo enačb in parametrov z omejeno velikostjo in kompleksnostjo ter jasnimi pravili o uporabi.
Tako uporabniku omogoča, da pravilno sledi vsakemu koraku v preračunu [9].
• Stabilna: Prenesti mora velik spekter različnih situacij in kljub temu, da morda v nekem primeru izgubi na natančnosti, še vedno ostane znotraj določenih mej in ne gre popolnoma izven kontrole [9].
• Ponovljiva: Za določen primer mora voditi do enakega rezultata ne glede na
različne uporabnike, zato morajo biti vse možnosti nedvoumno in jasno opisane [9].
Te lastnosti so pomembne za uporabnike, saj jim to omogoča dobro razumevanje metode in zagotovilo, da bo preračun po taki metodi verodostojen. Pomembne so tudi za nadzor preračunov, saj se včasih zgodi, da nekateri iščejo metode, ki niso povsem stabilne in tako pod določenimi pogoji dobijo predobro energijsko učinkovitost namesto, da bi iskali načine, kako jo dejansko izboljšati [9].
2.2.1 Preračun
Pri mesečni metodi se dinamični učinki upoštevajo z vpeljavo korekcijskih faktorjev [9].
2.2.1.1 Ogrevanje
Pri ogrevanju se uporablja korekcijski faktor za notranje dobitke in za dobitke zaradi sončnega sevanja. Pri tem se upošteva, da se ta energija uporablja za zmanjšanje potrebne energije za ogrevanje, ostalo pa vodi do višje temperature od nastavljene. Pri tem pristopu se v toplotnem ravnotežju zanemari nekorigirane vire, kar se izenači z neupoštevanjem dodatnih transmisij in ventilacijskega prenosa toplote zaradi višje temperature od nastavljene [9].
Za stavbe se potrebna energija za ogrevanje prostorov izračuna po enačbi(2.1) [9].
𝑸𝑷,𝑶= 𝑸𝑰,𝑶− 𝝁𝑫,𝑶∙ 𝑸𝑫,𝑶 (2.1)
Razmerje dobitkov napram izgubam izračunamo po enačbi (2.2).
𝜸𝑶= 𝑸𝑫,𝑶
𝑸𝑰,𝑶 (2.2)
Teoretične osnove in pregled literature
Korekcijski faktor dobitkov je funkcija numeričnega parametra (odvisen od časovne konstante stavbe ) in razmerja dobitkov napram izgubam. Za izračun imamo dve možnosti [9].
1) Če je 𝛾O ≠ 1, potem velja enačba (2.3) [9].
𝝁𝑫,𝑶= 𝟏 − 𝜸𝑶𝒂𝑶
𝟏 − 𝜸𝑶𝒂𝑶+𝟏 (2.3)
2) V primeru, da 𝛾O = 1 pa velja enačba (2.4) [9].
𝝁𝑫,𝑶= 𝒂𝑶
𝒂𝑶+ 𝟏 (2.4)
2.2.1.2 Hlajenje
Pri hlajenju imamo dva načina uporabe metode [9]:
1) Korekcijski faktor za izgube (obratni pristop kot pri ogrevanju)
Korekcijski faktor za izgube se upošteva kot, da se samo korigiran del transmisij in ventilacijskega prenosa toplote uporabi za zmanjšanje potreb po hlajenju. Drug nekorigiran del transmisij in ventilacijskega prenosa toplote pa se pojavi takrat, ko nima vpliva na hlajenje. Pri tem pristopu se pri toplotnem ravnotežju zanemari nekorigiran del transmisij in ventilacijskega prenosa toplote. To se potem
uravnoteži z zanemarjenjem dejstva, da nastavljena temperatura ohlajanja ni vedno dosežena. Potrebna energija za hlajenje se izračuna po enačbi (2.5) [9].
𝑸𝑷,𝑯 = 𝑸𝑫,𝑯− 𝝁𝑰,𝑯∙ 𝑸𝑰,𝑯 (2.5)
2) Korekcijski faktor za dobitke (enak pristop kot pri ogrevanju)
Pri korekcijskem faktorju za notranje dobitke in dobitke sončne toplote se upošteva, da je samo korigiran del te toplote nadomeščen s transmisijami in ventilacijskim prenosom toplote do maksimalne notranje temperature. Drug nekorigiran del te
Teoretične osnove in pregled literature
2.3 Urna metoda
Normalno se toplotni dobitki dobijo pri notranjih emisijah, dolgovalovnem sevanju in sončnem sevanju. Nastanejo zaradi toplejših notranjih površin, kot je notranja temperatura zraka. Do tega pa pride zaradi oddajanja toplote ljudi, električnih naprav, osvetljave,… Ta toplota iz toplejših površin se potem običajno prenese s konvekcijo in radiacijo. Vse te toplotne dobitke je potrebno upoštevati pri potrebni energiji za ogrevanje in hlajenje [10].
2.3.1 Notranji toplotni dobitki
Notranje toplotne dobitke bi lahko popolnoma natančno izračunali, če bi poznali temperature površin. Ker jih ne poznamo, se uporablja normativne vrednosti, ki so običajno določene kot toplotni tok na enoto površine. Prenos toplote poteka na enak način kot pri napravah za ogrevanje (npr. radiatorji), torej konvekcija in sevanje, zato lahko prevzamemo, da v ogrevalni sezoni ti dobitki znižujejo potrebno energijo za ogrevanje. Energijo, ki zmanjša potrebno energijo za ogrevanje izračunamo po enačbi (2.7) [10].
𝜱𝒏𝒐𝒕𝒓,𝒕= 𝒒𝒏𝒐𝒕𝒓,𝒕∙ 𝑨𝒕𝒍𝒂 (2.7)
2.3.2 Dolgovalovno sevanje neba
Različna temperatura med nebom in zunanjostjo hiše povzroči, da pride do toplotne izmenjave med tema dvema površinama. Toplota se na zunanje površine stavbe prenaša s konvekcijo in dolgovalovnim toplotnim sevanjem, zato se tudi koeficient prenosa toplote na površine izračuna kot vsota konvektivnega in sevalnega koeficienta po enačbi (2.8) [10].
𝒉𝒔𝒆= 𝒉𝒔𝒆,𝒄+ 𝒉𝒔𝒆,𝒓 (2.8)
Zunanje površine absorbirajo skoraj celotno energijo dolgovalovnega sevanja. To pomeni, da samo majhen del tega sevanja (to velja tudi za steklo) pride direktno v stavbo.
Dolgovalovno sevanje torej vpliva na zunanje površine stavbe, saj jim niža temperaturo, zato se v ogrevalni sezoni pojavijo dodatne toplotne izgube, kar povzroča večjo zahtevo po skupni energiji. Te toplotne izgube izračunamo z enačbo (2.9) [10].
𝜱𝒓,𝒕= 𝒉𝒔𝒆,𝒓∙ ∆𝜽𝒆𝒓
𝒉𝒔𝒆,𝒄+ 𝒉𝒔𝒆,𝒓∙ ∑[𝜺𝒍𝒘,𝒔𝒆,𝒌∙ 𝑭𝒓,𝒌∙ 𝑼𝒌∙ 𝑨𝒌]
𝒏 𝒌=𝟏
(2.9)
Teoretične osnove in pregled literature
2.3.3 Sončno sevanje
2.3.3.1 Izmenjava toplote na zunanjih površinah
Del kratkovalovnega sončnega sevanja je absorbiran v zunanjih površinah stavbe (tudi v prozornih površinah) in zato ne pride v notranjost stavbe. Zaradi sončnega sevanja je temperatura zunanjih površin višja kot temperatura zraka v okolici, prav tako se poveča tudi temperatura notranjih površin. To povzroči dodatni prenos toplote, ki temelji na konvekciji in dolgovalovnem sevanju. Na ta način kratkovalovno sončno sevanje na zunanjih površinah zmanjšuje potrebno energijo za ogrevanje v ogrevalni sezoni za vrednost ∅𝑠𝑜𝑙,𝑎𝑏,𝑡, ki jo izračunamo po enačbi (2.10).
𝜱𝒔𝒐𝒍,𝒂𝒃,𝒕= 𝑰𝒔𝒐𝒍,𝒌,𝒕
𝒉𝒔𝒆,𝒄+ 𝒉𝒔𝒆,𝒓∙ ∑(𝜶𝒔𝒘,𝒔𝒆,𝒌∙ 𝑭𝒔𝒉,𝒌∙ 𝑼𝒌∙ 𝑨𝒌)
𝒏 𝒌=𝟏
(2.10)
2.3.4 Ogrevanje
Časovni korak za urno metodo je ∆𝑡 = 1, pri tem se predpostavi, da je znotraj tega časovnega koraka prenos toplote v kvazi-stacionarnem stanju. Potrebni energijski tok za vsak časovni trenutek t za ogrevanje v stavbi se izračuna po enačbi (2.12), pri tem pa se koeficiente prenosa toplote izračuna po enačbah (2.13), (2.14), (2.15).
𝜱𝑯,𝒕= 𝑯𝒕𝒐𝒕∙ (𝜽𝒊,𝒕− 𝜽𝒆,𝒕) − 𝜱𝒏𝒐𝒕𝒓,𝒕+ 𝜱𝒓,𝒕− 𝜱𝒔𝒐𝒍,𝒂𝒃,𝒕 (2.12)
𝑯𝒕𝒐𝒕= 𝑯𝒕𝒓+ 𝑯𝒗𝒆 (2.13)
𝑯𝒕𝒓= ∑(𝑼𝒌 ∙ 𝑨𝒌) (2.14)
𝑯𝒗𝒆= 𝝆𝒂∙ 𝒄𝒂 ∙ ∑(𝒏 ∙ 𝑽 ∙ 𝒃𝒗𝒆) (2.15)
Teoretične osnove in pregled literature
opeke, hkrati pa so izolirane tudi s 5 cm kamene volne. Izolirana so tudi tla v pritličju in v prvem nadstropju ter strop v prvem nadstropju s kameno volno. Nameščena so okna z lesenimi okvirji in dvojno zasteklitvijo ter z žaluzijami na zunanji strani. Streha je iz opečne kritine in je nagnjena na obe strani.
Objekt se nahaja v občini Vrhnika, natančneje v vasi Lesno Brdo. Ima specifično lego (prikazana na sliki 2.1), saj leži vzporedno z lokalnim hribom, zato sonce v jutranjem času ne obsije hiše direktno.
Slika 2.1: Lokacija stavbe
Stavba ima talno ogrevanje in se ogreva s pečjo italijanskega proizvajalca FER GGN-40 na kurilno olje. Za dobavo tople vode je inštalirana toplotna črpalka Coolwex. V stavbi ni sistema za klimatizacijo, zato se stavba zrači z odpiranjem oken, kar stanovalci poleti izkoriščajo tudi za hlajenje v nočnih in jutranjih urah.
Glede na povprečje zadnjih štirih let, smo določili dejansko rabo energije za stavbo. Letno se za ogrevanje prostorov v stavbi in za ogrevanje tople vode pozimi porabi približno 1300 litrov kurilnega olja oziroma 13130 kWh energije. Elektrika se porablja za vse naprave na električno napajanje, razsvetljavo in ogrevanje tople vodi poleti. Vrednosti porabljene energije za elektriko po mesecih so prikazane v preglednici 2.1. Skupaj se za elektriko letno porabi 5190 kWh. Torej je skupna letna poraba energije za eno leto 18320 kWh.
Preglednica 2.1: Vrednosti porabe električne energije po mesecih
Januar [kWh]
Februar [kWh]
Marec [kWh]
April [kWh]
Maj [kWh]
Junij [kWh]
Julij [kWh]
Avgust [kWh]
September [kWh]
Oktober [kWh]
November [kWh]
December [kWh]
478 432 437 415 410 404 397 381 427 443 476 490
3 Metodologija raziskave
Za izračun rabe energije smo uporabili dva različna programa, ki uporabljata različni metodi za preračun. Program DB uporablja urno metodo, URSA4 pa mesečno metodo. Postopek izračuna v obeh programih smo opisali v nadaljevanju.
3.1 DesignBuilder
Ko odpremo program, najprej izberemo nov projekt ter določimo ime projekta, lokacijo ter način analize. Ker gre za angleški program, ima omejeno bazo krajev v Sloveniji, zato izberemo kraj Ljubljana / Bežigrad, ki je najbližje lokaciji objekta. Program ima za to lokacijo določeno zemljepisno širino in dolžino, nadmorsko višino, izpostavljenost vetru, orientacijo, podlago, časovni pas in vremenske ter temperaturne podatke. Za tip analize določimo EnergyPlus.
Metodologija raziskave
3.1.1 Modeliranje
V orodni vrstici smo dodali novo stavbo in definirali podatke o lastniku, naročniku kot tudi naslov in kraj objekta. Tukaj smo spremenili tudi orientacijo objekta in sicer na 215°. Potem smo narisali tloris z zunanjimi gabariti in določili višino ene etaže ter splošno debelino sten.
Slika 3.2: Prikaz risanja tlorisa objekta
Slika 3.3: Prikaz modela pritličja
Na enak način smo dobili tudi prvo nadstropje, medtem ko je za modeliranje strehe nekoliko bolj zapleten postopek. Program ima funkcijo samodejnega modeliranja strehe, vendar s to funkcijo ni možno strehe narediti enako kot na objektu, saj je streha nagnjena pod kotom 45°
ter sega 2 m čez zunanje stene in rob strehe je povezan z zunanjimi stenami. Tukaj smo zanemarili, da streha sega 1 m čez zunanje stene tudi na straneh, proti katerima ne pada, ker je v programu to težko dovolj točno zmodelirati in niti nima bistvenega vpliva na izračun.
Metodologija raziskave
Slika 3.4: Prikaz oblike stavbe
Program sicer sam postavi okna na objekt glede na predpostavljeno zasteklitev, vendar smo ta okna izbrisali in naredili nova, ki se skladajo z dejanskimi na objektu. Podobno smo naredili tudi za zunanja vrata. Nato smo dodali še balkon in s tem je bilo modeliranje zunanjosti hiše končano.
Slika 3.5: Model zunanjosti hiše
Nadaljevali smo z notranjostjo, kjer smo si pomagali s tlorisom stavbe. Najprej smo zmodelirali notranje stene in ob tem za vsak prostor določili svojo cono, da je izračun bolj natančen. Zmodelirali smo še notranja okna, vrata in ostale odprtine. S tem pa je bila končana notranjost stavbe in tudi celotna stavba.
Metodologija raziskave
Slika 3.6: Notranjost pritličja
3.1.2 Aktivnosti
Tukaj se upošteva notranje toplotne dobitke zaradi ljudi in njihovih aktivnosti. Najprej smo določili splošno predlogo glede na tip posameznega prostora in tako nam program sam predlaga vse parametre za posamezen tip prostora. Spremenili smo tiste podatke, ki smo jih imeli na voljo, ostale pa smo pustili predpostavljene. V nadaljevanju smo opisali izbor in pomen posameznih parametrov.
3.1.2.1 Predloga
Že ko smo naredili model stavbe, smo za vsak prostor določili svojo cono, zato smo tu lahko vsaki coni določili svojo predlogo glede na karakteristiko posameznega prostora. Tip con smo izbrali kot standarden, saj je v stavbi živijo ljudje in je hlajena ali ogrevana.
3.1.2.2 Zasedenost
Glede na izbrano predlogo, program sam določi zasedenost prostora za vsak prostor. To pomeni, da je določil od kdaj do kdaj bo določeno število ljudi v posameznem prostoru.
Tukaj se upošteva tako razlike zasedenosti v posameznem dnevu po urah, kot tudi razlike med posameznimi dnevi, na primer čez vikend je zasedenost lahko drugačna kot čez teden.
Upošteva se tudi razlike med poletjem in zimo.
Metodologija raziskave
3.1.2.3 Metabolizem
Program nam sam ponudi privzete izbire glede na tip prostora. Torej glede na namembnost posameznega prostora se določi stopnjo presnove, ki definira količino dobljene toplote na osebo v posamezni coni in zajema konvektivno, radialno ter latentno toploto. Ker so ljudje različnih velikosti, smo morali nastavit še faktor metabolizma. Za moške velja vrednost 1, za ženske pa smo to vrednost pomnožili z 0,85. Ker v stavbi živijo trije moški in ena ženska, smo izračunali povprečje in dobili, da vrednost znaša 0,96.
Koliko toplote človek izgubi iz telesa, je odvisno tudi od tega, koliko je oblečen, zato smo tukaj določili oblečenost v enoti Clo. Za zimo smo izbrali vrednost 1 Clo, poleti pa smo oblečeni manj, zato je ta vrednost manjša in smo jo določili kot 0.5 Clo.
3.1.2.4 Počitnice
Skupaj 12 dni na leto spomladi in poleti v stavbi ni nikogar, zato smo nastavili počitnice, kjer smo upoštevali vpliv zaprtja stavbe v nekem časovnem obdobju.
3.1.2.5 Poraba sanitarne vode
Program za vsak prostor določi porabo sanitarne vode glede na aktivnost oseb v posamezni coni. Tukaj se ne upošteva porabe tople vode.
3.1.2.6 Nadzor okolja
3.1.2.6.1 Idealna temperatura
Idealna temperatura je, ko je prižgano ogrevanje, torej je to temperatura, na katero je nastavljen termostat. Ker so v posameznih conah različne temperature, smo za vsako cono nastavili svojo temperaturo. V kuhinji, dnevni sobi, kopalnici ter kurilnici smo idealno temperaturo nastavili na 22,0 °C, v ostalih pa na 19°C. Enako bi morali narediti tudi za hlajenje, vendar v hiši ni naprave, ki bi to omogočala, zato smo kasneje pod kategorijo HVAC določili, da ni hlajenja.
3.1.2.6.2 Najnižja temperatura
Nastavili smo najnižjo temperaturo na 12 °C. To je minimalna temperatura zraka v stavbi in
Metodologija raziskave
3.1.2.6.3 Vlažnost
Lahko nastavimo relativno vlažnost, pri kateri se začne ovlaževanje oziroma razvlaževanje.
Ker pa stavba nima sistema, s katerim bi lahko korigirali relativno vlažnost, smo ta del izpustili in kasneje pri kategoriji HVAC nastavili, da ni vlaženja in razvlaževanja.
3.1.2.6.4 Naravna ventilacija
Naravna ventilacija pomeni, da izkoristimo veter in toplotni vzgon, da ustvarimo gibanje zraka v in iz hiše brez uporabe mehanskega sistema. S tem dobimo v hišo svež zrak, hkrati pa lahko v poletnih mesecih čez noč pustimo odprta okna in tako hladimo stavbo.
Temperaturo, pri kateri se začne naravna ventilacija, smo nastavili na 24 °C.
3.1.2.6.5 Svež zrak
Količino svežega zraka na osebo v coni smo pustili na predpostavljeni vrednosti glede na aktivnost v coni.
3.1.2.6.6 Osvetljava
Glede na aktivnost se v coni določi, kakšna mora biti osvetljava prostora ter koliko energije se porabi za osvetlitev morebitnih zaslonov. Uporabili smo predpostavljene vrednosti.
3.1.2.7 Računalniki in pisarniška oprema
Zaradi računalnikov in pisarniške opreme imamo notranje toplotne dobitke, zato smo v tistih prostorih, kjer obstaja take vrste opreme, to vnesli. Najprej smo nastavili, koliko toplote dobimo na en kvadratni meter, potem pa še, koliko te toplote se prenese na notranji zrak in koliko na notranje površine.
3.1.3 Konstrukcija
Za celotno stavbo smo morali določiti tudi materiale. Pomagali smo si s knjižnico materialov, ki so na voljo v programu. Tiste materiale, ki se niso skladali z dejanskimi, smo vnesli ročno .
3.1.4 Odprtine
V glavni konstrukciji stavbe so tudi odprtine kot so vrata, okna, zračniki in luknje. Ti elementi so zelo pomembni pri izračunu rabe energije, zato jih je potrebno bolj natančno določiti. Program omogoča, da tudi za stavbe, ki so še v fazah načrtovanja, določimo kolikšno je razmerje med okni in stenami ter tako ne rabimo oken vedno znova spreminjat
Metodologija raziskave
na modelu, ampak lahko na ta način zelo hitro naredimo energijske simulacije in določimo idealno razmerje. Obravnavana stavba že stoji in ima določena vsa okna, zato v nadaljevanju ne moremo delati več na nivoju celotne stavbe, ampak moramo bolj natančne karakteristike določiti za vsa narisana okna na modelu. To smo storili po naslednjem postopku:
3.1.4.1 Predloga
Nastavili smo predlogo za prozorna okna z dvojno zasteklitvijo ter brez notranjega senčenja.
3.1.4.2 Zunanja okna
Tukaj smo natančno določili zgoraj izbrano vrsto zunanjih oken. Okna imajo dva sloja 6 mm debelega prozornega stekla, vmes pa je 13 mm debela plast zraka.
3.1.4.2.1 Dimenzije
Glede na spodnjo sliko smo določili položaj okna v prečnem prerezu stene ter dolžino police na notranji strani stavbe.
Slika 3.7: Shema okna v steni [11]
Vsa okna v stavbi imajo te vrednosti enake in so prikazane v preglednici 3.1.3.1
Preglednica 3.1: Dimenzije oken
Metodologija raziskave
Slika 3.8: Shema okvirja okna [12]
Preglednica 3.2: Dimenzije okvirja
Širina okvirja 7 cm
Zunanja projekcija okvirja 1,5 cm
Notranja projekcija okvirja 3 cm
3.1.4.2.3 Senčenje
Vnesli smo, da so na stavbi zunanje visoko odbojne žaluzije, urnik senčenja pa smo nastavili ustrezno za stanovanjsko stavbo.
3.1.4.3 Notranja okna
V stavbi imamo tudi nekaj notranjih oken, ki smo jih morali obravnavat posebej. Postopek obravnavanja je enak kot za zunanja, zato ga nismo še enkrat opisovali.
3.1.4.4 Vrata
Program sicer omogoča, da sam generira vrata, vendar smo jih mi sami zmodelirali na modelu, tako da se ujemajo z dejanskimi na stavbi.
3.1.5 Osvetljava
Glede na že prej določen tip prostora oziroma aktivnosti v njemu se določi, koliko energije potrebujemo za razsvetljavo. Ta vrednost se potem korigira s faktorjem med 0 in 1 glede na urnik prostora. Če prostor dovolj osvetljuje naravna svetloba, se tam privzame, da ni potrebna dodatna razsvetljava. Tako potrebno energijo za razsvetljavo prostora množimo z 0. V primeru, da bi bila potrebna popolna osvetljava, pa bi množili to vrednost z 1.
Metodologija raziskave
Urnik razsvetljave smo določili glede na tip aktivnosti v prostoru, način pritrditve pa glede na sliko 3.9 .
Slika 3.9: Tipi pritrditve luči [13]
3.1.6 HVAC
Preračun smo nadaljevali s kategorijo HVAC, kjer smo bolj natančno definirali ogrevanje, ventilacijo ter klimatizacijo. Za to kategorijo nismo imeli veliko podatkov, zato smo v večini primerov uporabili predpostavljene podatke glede na izbrano predlogo za talno gretje z naravno ventilacijo. Sistem za mehansko ventilacijo in kontroliranje vlažnosti smo izklopili, saj ta v stavbi ni nameščen. Nato smo nastavili, da je gorivo za ogrevanje kurilno olje in določili še vrednost CoP, kjer smo zajeli učinkovitosti vseh naprav v HVAC sistemu.
Vklopili smo tudi toplotno črpalko z napajanjem na elektriko, kjer je pomembno, da smo nastavili primeren urnik, saj ta pozimi ne deluje.
Ker stavba nima mehanskega prezračevanja, je zelo pomembna naravna ventilacija, kjer se ne upošteva tok zraka čez špranje oken, vrat in ostalih rež, ampak le načrtno odpiranje vrat, oken in ostalih odprtin. Ker nimamo podatkov o količini izmenjanega zraka v posamezni coni, smo tudi tukaj uporabili predpostavljene podatke.
3.2 URSA4
Odprli smo nov projekt in vnesli vse potrebne podatke o projektu Podatki so razdeljeni v več kategorij in si sledijo od osnovnih do bolj natančnih podatkov. Začeli smo z začetno kategorijo in sledili do zadnje.
Metodologija raziskave
smo tudi, da gre za enostanovanjsko stavbo, srednje težke gradnje z do tremi etažami ter izbrali nekatere standarde za preračun kapacitivnosti, kondenzacije ter toplotnih mostov.
–––––
Slika 3.10: Podatki o projektu in stavbi
Nato smo v orodni vrstici izbrali še klimatske podatke, kjer smo določili, da je naklon 60, saj je stavba približno obrnjena proti jugozahodu. Ostale podatke smo pustili predpostavljene.
Slika 3.11: Klimatski podatki
Metodologija raziskave
3.2.2 Cone
Upoštevali smo samo eno toplotno cono, tako da smo preračun nekoliko poenostavili, saj smo predpostavili, da je celotna ogrevana prostornina ogrevana na enako temperaturo.
Določili smo še nekatere podatke, ki se nanašajo predvsem na geometrijo stavbe.
Slika 3.12: Podatki o coni
3.2.3 Analiza gradbenih konstrukcij
Pri tej kategoriji smo določili vse konstrukcije stavbe, ki ločujejo ogrevani del stavbe od zunanjosti ali neogrevanega dela. Program nam nudi katalog konstrukcij, kjer so že nekatere pogosto uporabljene konstrukcije. Za tiste konstrukcije, ki se ujemajo z dejanskimi na stavbi, smo uporabili katalog URSA, ostale pa smo vnesli ročno. Konstrukcija je sicer lahko sestavljena iz več plasti različnih debelin, nato se poračunajo skupne toplotne lastnosti za posamezno konstrukcijo.
Metodologija raziskave
Slika 3.13: Gradbene konstrukcije
3.2.4 Toplotne izgube ovoja stavbe
Za vsako gradbeno konstrukcijo smo vnesli ploščino, nagib in orientacijo. Pomagali smo si s že prej izdelanim 3D-modelom v DB, tako da smo lahko vnesli točne površine in nagib, medtem ko se orientacija upošteva nekoliko bolj poenostavljeno, saj je ne moremo določiti v točnih stopinjah, ampak jo določimo kot splošno smer neba.
Slika 3.14: Toplotne izgube ovoja stavbe
Metodologija raziskave
3.2.5 Ogrevalni sistem
Vnesli smo nekaj podatkov o ogrevalnem sistemu in sicer predvsem o tipu ogreval, regulaciji temperature prostora, temperaturnem režimu in vrsti sistema.
Slika 3.15: Podatki o ogrevalnem sistemu
3.2.6 Kurilni sistem
Vnesli smo podatke o kurilni napravi. Med drugim smo izbrali tudi možnost, da se kurilni sistem uporablja tudi za pripravo tople vode, vendar le v zimskem času.
Metodologija raziskave
Slika 3.16: Podatki o kurilni napravi
3.2.7 Sistem za pripravo tople vode
Ker imamo v stavbi toplotno črpalko, smo vnesli še podatke o njej. Toplotna črpalka v stavbi ne deluje celo leto, ampak le v toplejših mesecih, zato smo označili, da potrebno dodatno toplo vodo zagotavlja kurilna naprava.
Metodologija raziskave
4 Rezultati
4.1 DesignBuilder
Izračun smo najprej naredili v DB, ki omogoča vrsto natančnih rezultatov, vendar smo v nadaljevanju predstavili le tisti del, ki je povezan z našo nalogo.
4.1.1 Model stavbe
Na sliki 4.1 prikazan končni model hiše z materiali, ki smo jih določili v programu. Model je praktično enak dejanski stavbi, edina razlika je v strehi, saj je nismo popolnoma enako zmodelirali, ker streha na dejanski stavbi sega 1,5 m čez stene na obeh straneh, kjer je balkon.
Na ta način smo s programom DB zelo natančno določili vhodne podatke, ki se tičejo geometrije stavbe, saj smo naredili natančen model stavbe s pomočjo arhitekturnih načrtov.
Slika 4.1: Končni model hiše
Rezultati
4.1.2 Toplotne izgube in toplotni dobitki
Na sliki 4.2 so prikazane toplotne izgube in dobitki. Vidimo, da se največ toplote izgubi zaradi prezračevanja. To je tudi smiselno, saj v stavbi ni nameščenega sistema, ki bi stavbo hladil in prezračeval Zato jo je potrebno bistveno več ročno prezračevat oziroma odpirati okna, da dobimo svež zrak in jo poleti v nočnem in jutranjem času hladimo. Na tak način so izgube sicer večje, ampak ni porabe energije za delovanje klimatizacijskih sistemov.
Toplota se zgublja še skozi okna, stene, strop, tla in streho, vendar so te izgube bistveno manjše kot zaradi prezračevanja.
Največ toplotnih dobitkov predstavlja toplota, ki jo dobimo z ogrevanjem stavbe prek peči na kurilno olje. Potreba po tej toploti je odvisna tudi od ostalih notranjih dobitkov. Vsi dobitki so prikazani na sliki 4.2, sicer pa vidimo, da velik del dobitkov dobimo s sončnim sevanjem in oddajanjem toplote ljudi, manjši del pa s toploto, ki jo oddajajo električne naprave in osvetljava.
Gledano v celoti so toplotne izgube (vrednosti prikazane v preglednici 4.1) skoraj dvakrat večje od toplotnih dobitkov (vrednosti prikazane v preglednici 4.2).
Slika 4.2: Prikaz toplotnih izgub in dobitkov
Preglednica 4.1: Vrednosti toplotnih izgub
Toplotne izgube [kWh]
Ventilacija 13079,810
Streha 4890,138
Stene 4194,265
Okna 5511,376
Tla 837,463
Strop 869,957
Skupaj 29383,009
Rezultati
4.1.3 Raba energije
Na sliki 4.3 so prikazani rezultati rabe energije za simulacijo dolgo 1 leto oziroma 8760 ur.
Zgoraj je navedena poraba primarne energije, na spodnji strani tabele pa energija, ki jo proizvede vir, da zagotavlja potrebno primarno energijo za oskrbo stavbe. Vidimo, da je ta vrednost nekajkrat višja od vrednosti primarne energije, ker so tukaj vštete tudi vse izgube energije, ki so povezane s proizvodnjo in transportom. Na desni strani slike 4.3 so navedene vrednosti na enoto površine.
Slika 4.3: Vrednosti rabe energije
Z zgornjimi podatki smo naredili energetsko izkaznico stavbe glede za porabo primarne energije na površino enote. Vidimo, da se nahajamo v zelenem območju, torej je stavba glede na primarno energijo energetsko učinkovita.
Slika 4.4: Učinkovitost stavbe glede na primarno energijo
Primarna energija zajema vso energijo, ki je potrebna za delovanje stavbe. Vrednosti posameznih porabnikov energije so prikazane na sliki 4.5. Razberemo lahko, da se največ energije porabi za ogrevanje, medtem ko se za osvetljavo, napajanje električnih naprav in ogrevanje tople vode porabi veliko manj energije.
Rezultati
Slika 4.5: Vrednosti porabljene energije posameznih porabnikov
4.2 URSA4
V URSI4 se ne modelira geometrije stavbe, ampak zgolj vnese nekatere vrednosti geometrije. Mi smo te podatke vzeli iz programa DB, kjer smo stavbo natančno zmodelirali.
Na ta način smo vnesli v URSO4 verjetno bolj natančne vhodne podatke geometrije, kot bi jih samo s pomočjo načrtov, hkrati smo tako tudi v oba programa vnesli iste vhodne podatke geometrije stavbe.
4.2.1 Toplotne izgube
Na sliki 4.6 vidimo, da približno 46 % vseh toplotnih izgub predstavljajo izgube zaradi prezračevanja. Po okoli 20 % predstavljajo izgube skozi okna in streho, ter 15 % skozi ovoj.
Najmanjši delež toplotnih izgub imajo tla in sicer približno 5%. Vrednosti so prikazane v preglednici 4.3.
Rezultati
Preglednica 4.3: Vrednosti toplotnih izgub
Transmisijske izgube 14513 kWh
Ventilacijske izgube 12032 kWh
Skupne toplotne izgube 26545 kWh
4.2.2 Toplotni dobitki
Za toplotne dobitke URSA4 ne izriše grafa, ki bi prikazoval posamezne deleže, zato smo pripravili zgolj preglednico 4.4, kjer so prikazani deleži posameznih dobitkov. Vidimo, da se približno 42 % toplotnih dobitkov dobi s sončnim sevanjem, medtem ko je delež vseh notranjih dobitkov 58 %. Sem spadajo dobitki zaradi oddajanja toplote ljudi, osvetljave in drugih električnih naprav. Ne smemo pozabiti tudi na vrnjene toplotne izgube sistemov.
Preglednica 4.4: Vrednosti toplotnih dobitkov
Notranji dobitki 10560 kWh
Sončno sevanje 7665 kWh
Vrnjene toplotne izgube sistemov 3097 kWh
Skupni toplotni dobitki 15128 kWh
4.2.3 Raba energije
Na sliki 4.7 so prikazani rezultati izračuna rabe energije za eno leto oziroma 8760 ur.
Slika 4.7: Raba energije
Program sam naredi tudi energetsko izkaznico za stavbo, ki je prikazana na sliki 4.8. Glede na potrebno toploto za ogrevanje se določi energetski razred. Vidimo, da stavba spada v
Rezultati
razred C in izpolnjuje minimalne zahteve za leto 2021. Letno stavba porabi 20935,234 kWh primarne energije, kar znaša 69,462 kWh/m2, s tem se stavba glede na porabo primarne energije uvršča v svetlo zeleno območje.
Slika 4.8: Energetska izkaznica stavbe
4.3 Primerjava rezultatov
Zgoraj smo že prikazali rezultate simulacij za oba uporabljena programa. Za določitev natančnosti enega in drugega programa oziroma metode smo morali rezultate simulacij primerjati tudi z dejansko rabo energije stavbe. Ti podatki so nam bili na voljo, saj je stavba postavljena in obratuje že več let.
Na sliki 4.9 je prikazana dejanska raba primarne energije in izračunana raba primarne energije v obeh programih. Vidimo, da je dejanska raba nižja od obeh izračunanih, kar je iz
Rezultati
od dejanske rabe dokaj majhno, glede na veliko število vseh vhodnih podatkov, ki jih ni možno popolnoma točno zajeti in napovedati.
Slika 4.9: Primerjava rabe primarne energije
Zanimala nas je predvsem primerjava med mesečno in urno metodo, zato smo morali rabo primarne energije analizirati bolj natančno. Urna in mesečna metoda se uporabljata za izračun potrebne energije za ogrevanje in hlajenje, medtem ko primarna energija vključuje tudi energijo porabljeno za ogrevanje vode, napajanje električnih naprav in osvetljavo. Za določanje natančnosti same metode izračuna, smo za primerjavo vzeli potrebno letno energijo za ogrevanje. Rezultate smo prikazali na sliki 4.10, kjer vidimo, da je izračunana potrebna energije za ogrevanje v DB za okoli 14 % večja kot v URSI4. To odstopanje je kar nekaj večje kot v izračunu za primarno energijo. Če izračun primerjamo še z dejansko rabo energije ugotovimo, da je izračuna vrednost v DB za 7,54 % večja od dejanske, medtem ko je v URSI4 za 6,80 % nižja. Kljub temu, da je odstopanje med izračunano in dejansko rabo energije za ogrevanje v URSI4 nekoliko manjše kot v DB, lahko iz tega zaključimo, da je mesečna metoda slabša, saj je izračunana vrednost manjša od dejanske rabe. To pomeni, da bi po mesečni metodi dobili, da je stavba energetsko za 6,80 % preveč učinkovita kot v resnici, kar ni dobro iz energetskega vidika.
18320
20227,35 20935,23
0 5000 10000 15000 20000 25000
Primarna energija [kWh]
Raba primarne energije
Dejanska raba DesignBuilder URSA4
Rezultati
Slika 4.10: Primerjava energije za ogrevanje
Na sliki 4.11 smo prikazali primerjavo izračunane potrebne energije za ogrevanje po mesecih v obeh programih. Vidimo, da je v poletnih mesecih v obeh programih poraba energije za ogrevanje minimalna, kar je pravilno, saj je takrat na lokaciji stavbe zunanja temperatura dovolj visoka, da ni potrebno dodatno ogrevanje. Do največjih razlik pride v zimskih mesecih, ko je potreba po energiji za ogrevanje največja, medtem ko so vrednosti spomladi in jeseni veliko bolj podobne.
12250
13249,52
11417
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Energija [kWh]
Energija za ogrevanje
Dejanska raba DesignBuilder URSA4
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Energija [kWh]
Mesec
Potrebna energija za ogrevanje po mesecih
URSA4 DB
Rezultati
spodnjih grafov bi lahko sklepali, da so toplotne izgube v URSI4 premajhne, saj je tukaj večja razlika med izračunoma kot pri toplotnih dobitkih, vendar tudi tega zanesljivo ne moremo trditi, ker nimamo dejanskih podatkov o toplotnih dobitkih in izgubah.
Slika 4.12: Primerjava toplotnih dobitkov
Slika 4.13: Primerjava toplotnih izgub
Metodi se uporabljata tudi za izračun potrebne energije za hlajenje, zato smo kljub temu, da stavba nima mehanskega sistema za hlajenje, naredili izračun, tako da smo lahko videli, do kakšnih odstopanj med metodama pride pri izračunu za hlajenje. Rezultate smo prikazali na slikah 4.14 in 4.15. V programu DB oziroma po urni metodi je potrebna energija za hlajenje približno 28 % manjša kot po mesečni metodi v URSI4. Do manjše potrebne energije za hlajenje bi lahko prišlo, ker se po mesečni metodi v izračunu upošteva povprečno mesečno temperaturo, medtem ko se pri urni upošteva povprečno temperaturo vsako uro, zato lahko v nočnem času temperatura okolice pade dovolj nizko, da se upošteva naravna ventilacija z odpiranjem oken, na ta način pa je potrebna energija za hlajenje manjša.
Rezultat po urni metodi se zdi bolj smiseln, vendar kljub temu ne moremo trditi, da je bolj točen, saj stavba nima mehanskega sistema za hlajenje, s tem pa tudi nimamo dejanskih
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000
Energija [kWh ]
Toplotni dobitki
DesignBuilder URSA4
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Ener gija [kW h]
Toplotne izgube
DesignBuilder URSA4
Rezultati
podatkov. Tako izračunana energija za hlajenje tudi ni bila upoštevana v izračunu primarne energije, ampak samo za dodatno primerjavo.
Slika 4.14: Primerjava energije za hlajenje
Slika 4.15: Primerjava potrebne energije za hlajenje po mesecih
2969
2137
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Energija [kWh]
Energija za hlajenje
URSA4 DB
0 200 400 600 800 1000 1200
0 2 4 6 8 10 12 14
Energija [kWh]
Mesec
Potrebna energija za hlajenje po mesecih
DB URSA4
5 Diskusija
Program URSA4 uporablja za izračun mesečno metodo, ki se je izkazala za manj primerno od urne metode, ki jo uporablja program DB. Po mesečni metodi je bila potreba po energiji za ogrevanje 6,80 % premajhna. To ni najbolj ugodno, saj je vrednost manjša, kar bi pomenilo, da bi hiša prek izračuna z mesečno metodo izpolnjevala predobre energetske kriterije. Po drugi strani je izračunana potrebna energija za ogrevanje z urno metodo večja za 7,5 %, kar je relativno malo glede na vse možne dejavnike, ki jih ni možno točno zajeti in vplivajo na izračunano vrednost. Kljub temu je treba rezultate te naloge vzeti s previdnostjo, saj izračun ni bil narejen po obeh metodah v istem programu. Dejstvo je, da se v programu DB stavbo zmodelira, zato na popolnoma prava mesta in orientacijo postavljamo posamezne elemente stavbe, kar že lahko pomeni določeno razliko v toplotnih dobitkih in izgubah. Tudi pri vnosu ostalih podatkov ima DB veliko več natančnih nastavitev, ki so vse zelo dobro opisane na njihovi internetni strani (navedi stran). To nam je sicer pomagalo tudi pri izračunu v URSI4, saj smo vnesli enake vrednosti vhodnih parametrov, ki so se pojavili v obeh programih. To tudi pojasni podobnost izračuna primarne energije, saj smo vnesli kar se je le dalo enake vhodne podatke. Izračun v URSI4 je sicer veliko bolj preprost in zahteva tako manj časa kot tudi manj znanja. Dejstvo je tudi, da smo imeli veliko informacij o stavbi in njenem obratovanju, kar nam je vsekakor omogočilo, da smo zelo natančno vnesli podatke v oba programa.
Potrebno je poudariti tudi, da smo lahko v tej nalogi ocenjevali metodi samo na podlagi rezultatov potrebne energije za ogrevanje, čeprav metodi zajemata tudi potrebno energijo za hlajenje, vendar obravnavana stavba nima mehanskega sistema, ki bi to omogočal.
Posledično nismo mogli določevati natančnosti ene in druge metode pri izračunu energije za hlajenje. Ne glede na to, smo zgolj za dodatno primerjavo naredili izračun potrebne energije za hlajenje ter ugotovili, da je odstopanje med metodama približno 28 %, kar je procentualno dvakrat več kot pri ogrevanju, kjer je bila razlika 14 %.
Glede na zgoraj opisane rezultate, lahko rečemo, da je za čimbolj realen izračun potrebne energije za ogrevanje bolj primerna urna metoda. Zato bi bilo smiselno v Sloveniji pred sprejetjem novega PURES-a to zadevo še dodatno preveriti in spremeniti, saj bi na ta način lahko nove stavbe zgradili energetsko bolj učinkovito in tako izpolnjevali evropske direktive ter tako prispevali k skupnem dobremu.
6 Zaključki
V sklopu te naloge smo prišli do naslednjih ugotovitev in zaključkov:
1) Za dobre rezultate izračuna je pomembno, da imamo veliko podatkov o stavbi in njenem delovanju.
2) Preračun z urno metodo zahteva več časa in znanja.
3) Programa DB in URSA4 sta zelo točna pri izračunu rabe primarne energije.
4) Urna metoda je bolj primerna za določanje potrebne energije za ogrevanje.
V tem delu smo raziskali ali je urna metoda bolj primerna od mesečne za izračun rabe energije za ogrevanje v stanovanjskih stavbah. Ugotovili smo, da je odstopanje med dejansko rabo energije in obema izračunanima sicer zelo podobno, vendar je izračun po mesečni metodi manjši od dejanske rabe energije za ogrevanje, zato bi se stavba po mesečni metodi izkazala za preveč energetsko učinkovito, zato je globalno gledano bolj smiselno uporabit urno metodo, saj se bi tako gradile stavbe, ki bi bile energetsko bolj učinkovite.
Predlogi za nadaljnje delo
Izračun za posamezno metodo smo naredili v dveh različnih programih, kar pomeni, da do razlik ni prišlo samo zaradi različne metode. Za nadaljnje delo bi zato predlagali, da bi se našel program, ki omogoča preračun po obeh metodah, tako da bi lahko z gotovostjo trdili, da so izračunane razlike samo zaradi same metode. Prav tako bi morali preračun narediti na več različnih stavbah, ki imajo tudi sisteme za hlajenje. Tako bi lahko ugotovili natančnost metod tudi pri izračunani energiji za hlajenje, saj se je izkazalo, da tukaj pride do procentualno dvakrat večjih razlik med metodama kot pri ogrevanju.
Literatura
[1] M. Herrando, D. Cambra, M. Navarro, L. de la Cruz, G. Millan, I. Zabalza: Energy Performance Certification of Faculty Buildings in Spain: The gap between estimated and real energy consumption, Elsevier, internetni vir, 2016, dostopno na:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890416302783 [2] Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth,
A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S.
Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.): Summary for
Policymakers. In: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2014, str.
6–14.
[3] H. O. Pörtner, D. C. Roberts, V. M. Delmotte, P. Zhai, M. Tignor, E. Poloczanska, K. Mintenback, A. Alegria, M. Nicolai, A. Okem, J. Petzold, B. Rama, N. M.
Weyer: IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, IPCC, internetni vir, 2019, dostopno na:
https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/3/2019/12/SROCC_FullReport_FINAL .pdf
[4] European Commission: Energy performance of buildings directive. Dostopno na:
https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-efficiency/energy-efficient- buildings/energy-performance-buildings-directive_en, [ogled: 15. 4. 2021]
[5] Pravno-informacijski sistem: Pravilnik o učinkoviti rabi energije v stavbah.
Dostopno na: http://www.pisrs.si/Pis.web/pregledPredpisa?id=PRAV10043#
[6] C. van Dronkelaar, M. Dowson, E. Burman, C. Spataru, D. Mumovic: A Review of the Energy Performance Ga pand Its Underlying Causes in Non-Domestic Buildings and real energy consumption, Frontiers in Mechanical Engineering, internetni vir, 2016, dostopno na:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2015.00017/full3
[7] M. M. Salehi, B. T. Cavka, A. Frisque, D. Whitehead, W. K. Bushe: A case study:
The energy performance gap of the Center for Interactive Research on Sustainability at the University of British Columbia, Elsevia, internetni vir, 2015, dostopno na:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352710215300243
