Analityczno-pomiarowa metoda wyznaczania zużycia energii na ogrzewanie lokali w budynkach wielorodzinnych

W rozprawie przedstawiono dotychczasowe sposoby określania zużycia energii na potrzeby ogrzewania w budynkach wielorodzinnych, w których stosuje się rozliczanie indywidualnych kosztów ogrzewania.
Jak wykazano w opisie dotychczasowego stanu techniki w tym zakresie, w budynkach, w których jakość przegród wewnętrznych jest relatywnie niższa niż jakość przegród zewnętrznych, natomiast przewody rozprowadzające czynnik ogrzewczy do grzejników w poszczególnych lokalach nie są ukryte w ścianach oraz izolowane, zużycie energii w lokalu w trybie ogrzewania nie jest tożsame z ilością energii dostarczonej do tego lokalu przez grzejniki. W budynkach, w których ciepło dostarczane jest centralnie, a rozliczanie kosztów ogrzewania poszczególnych lokali dokonywane jest na podstawie ilości energii koniecznej do ich ogrzania, przyjęcie za kryterium podziału kosztów ogrzewania tylko ilości energii emitowanej z grzejników prowadzi do dużych błędów. W granicznych przypadkach, przy obiektach po przeprowadzonej termomodernizacji przegród zewnętrznych (ściany i stolarka), bez modernizacji instalacji ogrzewczej, rozliczania kosztów ogrzewania tylko na podstawie wartości miarodajnych do ilości energii z grzejników jest problematyczne, a w niektórych przypadkach pozbawione technicznego uzasadnienia.
W rozprawie zaproponowano nowe rozwiązanie, które z wykorzystaniem środków technicznych, częściowo już dostępnych w budownictwie wielorodzinnym, może prowadzić do naprawy jakości rozliczania kosztów ogrzewania na podstawie odczytu przyrządów. Punktem wyjścia nowej propozycji są zapisy normy PN-EN ISO 13790 [49] oraz ich twórcza modyfikacja [33]. W rozprawie wprowadzono parametry, które lepiej niż dotychczas opisują zużycie energii do ogrzewania budynku lub lokalu. Składają się one z następujących składników: obiektywnego, zależnego od właściwości fizycznych budynku, oraz nazwanego w rozprawie subiektywnym, zależnego od sposobu użytkowania. Nowe parametry są skorygowanymi zależnościami wprowadzonymi przez normę PN-EN ISO 13790 [49]. Zabieg ten pozwolił na zaimplementowanie normy do procedury wykorzystywanej podczas rozliczania indywidualnych kosztów ogrzewania w budynkach wielorodzinnych.
Nowy sposób wyznaczania energii do ogrzewania i na jego podstawie określania kosztów ogrzewania lokali nazwano metodą MP-2010. Pozwala on na wyeliminowanie podstawowych błędów popełnianych przy określaniu zużycia energii na potrzeby ogrzewania, wykorzystujących tylko pomiar energii z poszczególnych grzejników lub całej instalacji ogrzewczej w lokalu. Dużym atutem rozwiązania opisanego w tej rozprawie jest wykorzystanie istniejących już na rynku budownictwa środków technicznych, np. podzielników kosztów ogrzewania, rejestratorów temperatury czy lokalowych liczników ciepła.
W rozprawie przedstawiono rachunek błędu możliwego do popełnienia przy użyciu MP-2010 oraz dokonano weryfikacji prawidłowości hipotez teoretycznych, które poczyniono w trakcie tworzenia nowego modelu. Weryfikację przeprowadzono metodami quasi-stacjonarnymi, przy wspomaganiu oprogramowaniem komercyjnym (np. Audytor OZC4,8Pro) oraz metodami dynamicznymi, z wykorzystaniem programu do symulacji dynamicznych ESPr. Przeanalizowano wpływ cech dynamicznych obiektu (akumulacyjności) na zakres stosowania nowego rozwiązania. Pozwala to ustalić, w jakich obiektach nowy sposób określania zużycia energii na potrzeby ogrzewania może stać się użytecznym pakietem do zastosowań komercyjnych. Chcąc zwiększyć walory utylitarne rozprawy, przeprowadzono podział całkowitego zużycia energii na potrzeby ogrzewania dla budynku na poszczególne lokale, wykorzystując jako narzędzie nowe rozwiązanie. Za dane do rozliczeń przyjęto rzeczywiste wartości z sezonu 2008/2009 dla istniejącego budynku i na ich podstawie sporządzono zestawienie zużycia energii dla 30 lokali budynku.

STRESZCZENIE 7 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 9 1. WPROWADZENIE 11 2. METODY WYZNACZANIA ZUŻYCIA ENERGII DO OGRZEWANIA 12 2.1. Przegląd metod wyznaczania energii do ogrzewania lokali 12 2.1.1. Wyznaczanie zużycia energii na ogrzewanie za pomocą ciepłomierza 13 2.1.2. Wyznaczanie zużycia energii lokalu wyposażonego w jednostkę grzewczo-chłodzącą (LMTD) 14 2.1.3. Pomiar energii na granicy osłony bilansowej indywidualną jednostką grzewczo-chłodzącą 15 2.1.4. Metoda komfortu cieplnego 15 2.1.5. Metoda oparta na analizie harmonicznej 16 2.1.6. Metoda oparta na wskazaniach podzielników kosztów ogrzewania 16 2.2. Szczegółowy opis podziału dostarczonej do budynku energii na podstawie komfortu cieplnego 17 2.3. Metoda oparta na wskazaniach podzielników kosztów ogrzewania 20 3. OCENA DOTYCHCZASOWYCH METOD WYZNACZANIA ENERGII DO OGRZEWANIA 21 3.1. Zużycie energii do ogrzewania budynku 21 3.2. Wyznaczanie zużycia energii z uwzględnieniem przepływu ciepła pomiędzy sąsiednimi lokalami 23 3.2.1. Normatywne uwzględnianie przepływów ciepła 23 3.2.2. Modelowanie ARMAX do analitycznego opisu przepływów ciepła 24 3.2.3. Badania przepływu ciepła pomiędzy lokalami w Polsce 27 3.2.4. Sposoby korekty błędów spowodowanych przepływami ciepła 28 3.3. Błędy wyznaczania zużycia energii spowodowane zyskami ciepła od nieizolowanych pionów 29 3.4. Jakość powietrza wewnętrznego a zużycie energii 34 3.5. Podsumowanie 35 4. ELEKTRONICZNY PODZIELNIK KOSZTÓW OGRZEWANIA Z REJESTRACJĄ ŚREDNIEJ TEMPERATURY POMIESZCZENIA 36 4.1. Podzielnik kosztów ogrzewania jako wskaźnik ilości ciepła emitowanego przez grzejnik 36 4.2. Podstawowe zależności funkcyjne dla podzielników elektronicznych z dwoma czujnikami 38 4.3. Sposób wyznaczenia średniej temperatury pomieszczenia w sezonie ogrzewczym 40 5. ZUŻYCIE ENERGII NA POKRYCIE STRAT CIEPŁA PRZEZ PRZENIKANIE I NA WENTYLACJĘ 44 5.1. Wprowadzenie 44 5.2. Zużycie energii do ogrzewania indywidualnych lokali budynku wielorodzinnego 46 5.3. Wskazania podzielników elektronicznych jako miernik sposobu użytkowania lokali 47 5.4. Określenie stosunku wskazań podzielników związanego ze sposobem użytkowania lokalu 50 5.5. Wyznaczenie rocznego zużycia energii dla indywidualnego lokalu metodą MP-2010 55 5.6. Dane do wyznaczenia zużycia energii metodą MP-2010 56 6. BŁĄD METODY WYZNACZANIA ZUŻYCIA ENERGII DO OGRZEWANIA 60 6.1. Błąd graniczny określenia współczynnika strat ciepła 62 6.2. Błąd graniczny wyznaczenia średniej temperatury dla pojedynczego lokalu oraz całego budynku 66 6.3. Błąd graniczny wartości odczytanych z podzielników elektronicznych 68 6.4. Błąd graniczny współczynnika strat ciepła na wentylację 70 6.5. Błąd graniczny określenia zużycia energii do ogrzewania i-tego lokalu 71 7. WPŁYW BEZWŁADNOŚCI BUDYNKU NA WYZNACZANIE ENERGII DO OGRZEWANIA 73 7.1. Charakterystyka energetyczna budynku wyznaczona metodą dynamiczną 74 7.2. Wyznaczenie charakterystyki energetycznej dla przykładowego budynku metodą bilansów miesięcznych (metoda quasi-statyczna) 80 7.3. Porównanie parametrów dla prostej metody godzinowej oraz metody bilansów sezonowych 84 7.4. Wpływ bezwładności cieplnej na różnicę względną pomiędzy wartościami energii do ogrzewania dla różnych metodologii 86 8. WERYFIKACJA WYZNACZENIA ENERGII METODĄ QUASI-STATYCZNĄ 94 8.1. Opis metodologii weryfikacji nowej metody 94 8.2. Parametry termofizyczne oraz eksploatacyjne obiektu 97 8.3. Wyniki symulacji użytkowania obiektu bez izolacji 100 8.4. Wyniki symulacji użytkowania obiektu z izolacją 106 8.5. Wyniki symulacji użytkowania obiektu o parametrach prognozowanych WT2012 109 8.6. Wnioski z symulacji użytkowania obiektu 30-lokalowego w warunkach quasi-ustalonych 111 9. WERYFIKACJA WYZNACZENIA ENERGII DO OGRZEWANIA METODĄ DYNAMICZNĄ 113 10. PRZYKŁAD OBLICZANIA ZUŻYCIA ENERGII PRZEZ LOKALE W WARUNKACH RZECZYWISTYCH 119 10.1. Parametry dla przykładowego obliczania zużycia energii do ogrzewania 119 10.2. Wyznaczenie energii do ogrzewania dla poszczególnych lokali w warunkach rzeczywistego sezonu ogrzewczego 2008/2009 121 10.3. Wyznaczenie kosztów ogrzewania dla poszczególnych lokali w warunkach rzeczywistego sezonu ogrzewczego 2008/2009 128 PODSUMOWANIE 132 LITERATURA 134