Wspomaganie projektowania za pomocą dynamicznych symulacji energetycznych na przykładzie optymalizacji elewacji

Opublikowano: 06/11/2019

Budynki, w których spędzamy większość dnia, mają za zadanie m.in. zapewnienie komfortowych warunków życia i pracy osób w nich przebywających. Do realizacji tych zadań, budynki zużywają znaczne ilości energii, które stanowią około 40% całkowitego zużycia energii w Unii Europejskiej[1]. Pokazuje to jak ważne jest ekologiczne i energooszczędne projektowanie budynków.

Zwiększenie efektywności energetycznej

Zwiększenie efektywności energetycznej pociąga za sobą pozytywne konsekwencje w postaci zmniejszenia zużycia energii, a więc obniżenia rachunków i zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych oraz innych zanieczyszczeń, przyczyniając się do poprawy jakości powietrza i atmosfery. Żeby w pełni wykorzystać potencjał wynikający ze zwiększenia efektywności energetycznej, należy przewidzieć zastosowanie odpowiednich rozwiązań już na wczesnym etapie koncepcyjnym.

Przykładem narzędzi wspierających zwiększenie efektywności energetycznej są wielokryterialne systemy zielonej certyfikacji budynków, takie jak np. BREEAM lub LEED, które kładą duży nacisk na zagadnienia służące ograniczeniu zużycia energii. Metody te promują wykonywanie cyfrowych modeli budynku, w dokładny sposób odzwierciedlający projektowany obiekt. Takie podejście jest bardziej wiarygodne niż korzystanie np. z charakterystyk energetycznych.

Fasady budynku – jak mogą pozytywnie wpływać na ludzi?

Rosnąca świadomość ekologiczna inwestorów oraz wymagania dotyczące energooszczędności wymuszają od projektantów i architektów dogłębne przeanalizowanie każdego z aspektów projektowych. Jednym z istotniejszych zagadnień stojących przed architektem jest projekt fasady budynku. Jest ona nie tylko wizytówką projektowanej budowli, ale i barierą chroniącą użytkowników przed wpływem czynników zewnętrznych.

Elewacje budynków powinny pełnić funkcje estetyczne i mieć optymalnie dobrane parametry termiczne. Taki projekt powinien mieć na celu jak największe ograniczenie zużycia energii, przy jednoczesnym zachowaniu komfortu użytkowników budynku oraz optymalizacji nakładów finansowych. Ważnym aspektem jest również zapewnienie dostępu do oświetlenia dziennego i odpowiedniego widoku przez okno ze stanowiska pracy. Wszystkie te elementy pozytywnie wpływają na samopoczucie, zdrowie oraz efektywność pracy osób przebywających w budynku.

Modelowanie oraz symulacje dynamiczne budynków

Istotną pomocą w podejmowaniu decyzji i wyborze optymalnych rozwiązań może być oprogramowanie służące do dynamicznych symulacji różnego rodzaju procesów zachodzących w budynku. Zbudowany za jego pomocą model 3D obiektu jest osadzony w wirtualnym środowisku, w którym są zawarte szczegółowe informacje na temat jego konstrukcji i instalacji wewnętrznych. Przygotowany model pozwala m.in. na przeanalizowanie różnych rozwiązań materiałowych: zastosowanie materiałów budowlanych o większej pojemności cieplnej i różnych współczynnikach przenikania ciepła, oraz konstrukcyjnych i architektonicznych: wielkość i rozkład powierzchni przeszklonych, wykorzystanie daszków i innych elementów zacieniających.

Dzięki wykonanym na jego podstawie specjalistycznym analizom, można określić przewidywane zużycie energii budynku, parametry komfortu cieplnego w nim panujące, jakość oświetlenia dziennego i wiele innych parametrów wpływających na późniejszą eksploatację i samopoczucie użytkowników.  Również coraz powszechniejsze wykorzystanie technologii BIM sprzyja szerszemu stosowaniu programów do symulacji dynamicznych.

Analiza wariantowa rozwiązań projektowych fasady

Jednym z najbardziej wszechstronnych narzędzi służących do przeprowadzania analiz energetycznych jest oprogramowanie Integrated Environmental Solutions, Virtual Environment (IES VE). W poniższym przykładzie zaprezentowano możliwości wykorzystania środowiska IES VE do optymalizacji rozwiązań fasady.

Wykonano model budynku biurowego o 15 kondygnacjach naziemnych, którego systemy techniczne i ich parametry zostały dobrane tak, aby spełniały minimalne wymagania Warunków technicznych obowiązujących od 2017 roku.

Podstawowym parametrem okien wpływającym na zużycie energii budynku jest wielkość zastosowanego przeszklenia. Duże powierzchnie przeszklone powodują zwiększenie zewnętrznych zysków ciepła, co ma przede wszystkim negatywny wpływ na zużycie energii na cele chłodzenia. Nieodpowiedni dobór urządzeń chłodniczych może prowadzić do przegrzewania się pomieszczeń w okresie letnim. Wielkość okien ma również zasadniczy wpływ na ilość docierającego do pomieszczeń światła dziennego. Optymalne jego wykorzystanie może w znacznym stopniu obniżyć zużycie energii potrzebnej do zapewnienia odpowiedniego poziomu oświetlenia sztucznego dla zapewnienia komfortu pracy i dobrego samopoczucia pracowników (np. poprzez sterowanie natężeniem oświetlenia z wykorzystaniem czujników światła dziennego).

Dla analizowanego budynku, przetestowano 3 warianty wielkości przeszklenia fasady o regularnej siatce. Zamodelowano elewacje z oknami o trzech różnych wysokościach: 3 m, 2,5 m oraz 2,0 m.

Wyniki przeprowadzonych symulacji pokazują wyraźny wzrost zapotrzebowania na energię, zarówno na potrzeby ogrzewania, jak i chłodzenia, wraz ze zwiększoną wysokością przeszklenia. Spowodowane jest to stratami ciepła przez powierzchnię szyb w okresie zimowym i zwiększonym przenikaniem promieni słonecznych w głąb budynku w okresie letnim. Powoduje to bardziej intensywne nagrzewanie się powierzchni i szybszy wzrost temperatury w pomieszczeniach.

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię użytkową i zużycia energii pierwotnej wiąże się z wymiernymi korzyściami dla właściciela budynku i najemców. Pozwala zmniejszyć roczne koszty eksploatacyjne zakupu energii. W przypadku analizowanego budynku szacowane oszczędności, przy zmniejszeniu wielkości przeszklenia z 3,0 m do 2,0 m, wyniosły ponad 25 tys. zł rocznie, przy założeniu ogrzewania z miejskiej sieci cieplnej i typowego agregatu wody lodowej jako źródło chłodu.

Innym parametrem elewacji, na który warto zwrócić uwagę w trakcie projektowania budynku jest współczynnik przepuszczania energii promieniowania słonecznego g. Określa on jaka część całkowitego promieniowania słonecznego przedostaje się do budynku przez przeszklone powierzchnie. Im wyższe wartości współczynnika, tym większe zyski ciepła od promieniowania słonecznego. Ma to oczywiście wpływ na wzrost zużycia energii na potrzeby chłodzenia pomieszczeń. W okresie zimowym, dzięki możliwości wykorzystania zysków ciepła, wyższy współczynnik g może mieć pozytywny wpływ na obniżenie zapotrzebowania energii na ogrzewanie. Dlatego ważny jest optymalny dobór parametrów przeszklenia i wybór najkorzystniejszego pod względem ekonomicznym wariantu.

Dla analizowanego budynku, rozpatrzono 3 przypadki współczynnika g: 30 %, 40 % oraz 50 %.

Podobnie jak w przypadku wielkości okien, wartość współczynnika g przeszklenia w znacznym stopniu wpływa na zużycie energii. W przypadku wymiarów okien, zarówno zapotrzebowanie energii na cele ogrzewania, jak i chłodzenia rosną wraz z wielkością przeszklenia. W przypadku współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego sytuacja jest nieco bardziej złożona. Wraz z rosnącym współczynnikiem g, zapotrzebowanie na energię chłodniczą rośnie, natomiast wymagana energia grzewcza maleje. Ważne zatem jest analizowanie zużycia energii w budynku z uwzględnieniem wszystkich systemów.

Korzyści wynikające z zastosowania energooszczędnych rozwiązań

Przedstawione przykłady analiz parametrów fasady budynku to oczywiście nie jedyne możliwości zastosowania symulacji dynamicznych we wspomaganiu podejmowania decyzji na etapie projektowym. Optymalizacji mogą podlegać również inne czynniki: od kształtu bryły budynku, przez orientację, rozkład pomieszczeń po zastosowanie architektonicznych elementów zacienienia i wykorzystanie pojemności cieplnej materiałów. Symulacje energetyczne pozwalają na badanie wielu czynników jednocześnie, dzięki czemu ich optymalizacja może się odbywać we wczesnej fazie projektowania.

Programy do symulacji umożliwiają też szczegółowe modelowanie pracy instalacji HVAC oraz integrację modelu z oprogramowaniem BIM. Otwiera to drogę do wykorzystania go na etapie eksploatacji budynku. Dalszy rozwój i popularyzacja technologii BIM będzie pozwalała na coraz szersze wykorzystanie cyfrowych modeli budynków w utrzymaniu i zarządzaniu nieruchomości. Wydaje się, że przed coraz większą digitalizacją budynków nie ma odwrotu.

Współautor:

Grzegorz Pomian – Młodszy Specjalista ds. modelowania dynamicznego

Źródła:
[1] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/HTML/?uri=CELEX:52016DC0860(01)&from=EN