Cel

Współczesne wymogi legislacyjne w budownictwie, stosowane w nim rozwiązania technologiczne oraz stale rosnące ceny nośników energii wymagają coraz dokładniejszych metod wyznaczania zapotrzebowania na moc oraz energię dla istniejących i projektowanych budynków. Powszechnie stosowane proste metody obliczeniowe często nie pozwalają na dokładne określenie zapotrzebowania na moc cieplną lub ilości energii, którą w przyszłości będzie zużywał projektowany lub modernizowany budynek. Coraz częściej do precyzyjnego określenia tych wielkości wykorzystywane są komputerowe systemy symulacyjne.
Komputerowe symulacje zapotrzebowania na energię dla budynków umożliwiają inżynierom, architektom oraz badaczom modelować zmienne w czasie zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, chłodzenia, wentylacji oraz oświetlenia budynków istniejących oraz projektowanych. Systemy symulacji komputerowych umożliwiają również modelowanie zapotrzebowania na nośniki energii oraz wodę dostarczaną do obiektu. Modelowanie zmiennych w czasie parametrów eksploatacyjnych budynków umożliwia osobom zaangażowanym w proces projektowania nowego budynku lub modernizacji istniejącego obiektu podejmowanie decyzji optymalizujących rozwiązania architektoniczne oraz instalacyjne, co prowadzi do zmniejszenia zapotrzebowania na energię oraz wodę dla projektowanego budynku.

Zakres

• Modelowanie zapotrzebowania na energię użyteczną do ogrzewania i chłodzenia dla budynków mieszkalnych oraz użyteczności publicznej z dowolnym krokiem czasowym i dla dowolnego przedziału czasu na dowolnym etapie projektowania
• Określanie zapotrzebowania na energię dla systemów dostawy energii do budynku na podstawie zapotrzebowania na energię użytkową
• Modelowanie systemów kogeneracji i poligeneracji energii, umożliwiające określenie efektywności zastosowania tego typu rozwiązań w budownictwie
• Obliczenia z użyciem metod komputerowej dynamiki płynów (CFD) służące do modelowania pól prędkości i temperatury powietrza w pomieszczeniach projektowanych budynków oraz w jego otoczeniu
• Analizy dziennego i sztucznego oświetlenia w projektowanych budynkach
• Wyznaczanie zapotrzebowania na energię elektryczną dla potrzeb oświetlenia i eksploatacji wyposażenia wewnętrznego w budynkach
• Analizy energetyczne zastosowania różnych rozwiązań architektonicznych w budownictwie – podwójne fasady, zewnętrzne elementy zacieniające
• Doradztwo w zakresie rozwiązań technicznych mających wpływ na zużycie energii w projektowanych i istniejących budynkach – nowoczesne systemy wentylacji naturalnej i hybrydowej wspomaganej energią słoneczną, nietypowe rozwiązania w zakresie strategii sterowania systemami ogrzewania i chłodzenia i wentylacji budynków
• Symulacje energetyczne wykonywane dla potrzeb systemów oceny charakterystyki energetycznej budynków
• Obliczenia z wykorzystaniem metod modelowania energetycznego, pozwalające określić zgodność projektu budynku z wymaganiami stawianymi współcześnie wznoszonym obiektom
• Analizy zanieczyszczenia i jakości powietrza wewnętrznego w budynkach

Metodyka

Wszelkie obliczenia i analizy energetyczne budynków i ich systemów dostawy energii wykonywane są za pomocą specjalistycznego oprogramowania służącego do symulacji energetycznych. Do obliczeń symulacyjnych wykorzystywane są systemy EnergyPlus, ESP-r oraz programy i procedury obliczeniowe opracowane przez ekspertów i specjalistów współpracujących z Narodową Agencją Poszanowania Energii. W celu zwiększenia efektywności wykorzystania systemu symulacji energetycznych EnergyPlus do przygotowania modelu budynku oraz analizy wyników obliczeń wykorzystywany jest pakiet DesignBuilder w wersji Advanced Simulation Package oraz dodatek OpenStudio dla programu Google SketchUp. Oba systemy wspomagają użytkowanie silnika obliczeniowego EnergyPlus, który charakteryzuje się następującymi cechami:

• zintegrowane symulacje energetyczne budynku i jego instalacji wewnętrznych – sprzężone obliczenia zapotrzebowania na energię użyteczną i pracy systemów dostawy energii
• subgodzinowy, definiowany przez użytkownika, krok obliczeniowy wykorzystywany w obliczeniach dynamiki cieplnej stref budynku, ich interakcji ze środowiskiem zewnętrznym i wewnętrznymi instalacjami budynku
• zmienne w czasie strumienie przewodzonego ciepła w poszczególnych elementach budynku z wykorzystaniem funkcji odpowiedzi cieplnych
• udoskonalone obliczenia strat ciepła budynku do gruntu z wykorzystaniem trójwymiarowego modelowania za pomocą metod różnic skończonych i uproszczonych metod analitycznych
• zespolone modelowanie wymiany ciepła i masy w przegrodach budynku za pomocą funkcji odpowiedzi lub modelu efektywnego wnikania wilgoci (EPDM)
• modelowanie komfortu cieplnego w pomieszczeniach budynku na podstawie deklarowanej aktywności fizycznej osób
• anizotropowy model nieboskłonu wykorzystywany do obliczeń natężenia promieniowania rozproszonego na powierzchniach zewnętrznych budynku
• zaawansowane modele przegród przezroczystych, z wykorzystaniem sterowanych elementów zacieniających, szyb elektrochromatycznych itp.
• analiza oświetlenia światłem dziennym, obliczenia natężenia oświetlenia, symulacje olśnienia i przeciwdziałania jego wystąpieniu, ograniczanie sztucznego oświetlenia
• modyfikowanie pętli obliczeniowych systemów ogrzewania, chłodzenia i wentylacji budynków
• analiza jakości powietrza wewnętrznego służąca do redukcji zapotrzebowania na energię budynku

Dodatkowo pakiet DesignBuilder umożliwia wykonywanie:

• analiz architektonicznych i związanych z nimi symulacji energetycznych poszczególnych rozwiązań
• analiz eksploatacyjnych budynków
• obliczeń komfortu cieplnego i pól prędkości powietrza z wykorzystaniem technik CFD
• obliczeń dla potrzeb świadectw energetycznych  i wymagań technicznych budynków

Wszelkie analizy i symulacje energetyczne budynków mogą być również wykonywane za pomocą algorytmów zgodnych z polskimi i europejskimi normami. W tym celu zostały opracowane algorytmy obliczeniowe oparte o normy wraz z biblioteką obliczeniową. Biblioteka jądra obliczeniowego STEP ESS 2.0 symulacji energetycznej budynków jest narzędziem programistycznym zbudowanym dla potrzeb rozwoju oprogramowania służącego do analiz energetycznych w budownictwie. Szczególnie przydatna może ona być w budowie i rozwoju oprogramowania wykorzystywanego do wyznaczania zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia budynków dla potrzeb analiz i audytów energetycznych budynków oraz oprogramowania używanego w systemie oceny efektywności energetycznej budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Biblioteka jądra obliczeniowego ESS (z ang. Energy Simulation System) została opracowana w ramach projektu STEP – Sustainable Thermomodernization of Public Buildings. W bibliotece ESS zastosowano dwie metody wyznaczania zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia budynków, opracowane i rozwijane w projekcie STEP. Pierwsza z nich to metoda godzinowa oparta o model matematyczny 6R1C dynamiki cieplnej budynku, natomiast druga to pseudodynamiczna metoda bilansowa z miesięcznym okresem obliczeniowym. Struktura budowy biblioteki jądra obliczeniowego STEP ESS 2.0 może być centralną częścią graficznych aplikacji symulacji energetycznych budynków pracujących w systemie operacyjnym Windows™.

Zakres symulacji energetycznej jest dostosowany do stopnia złożoności projektowanego lub modernizowanego budynku oraz rodzaju możliwych do zastosowania technologii. Dodatkowym parametrem wpływającym na złożoność zastosowanego modelu wykorzystanego w obliczeniach symulacyjnych i analizach energetycznych jest dostępność danych wejściowych. Symulacje energetyczne dostosowywane są również do etapu projektowania. Uproszczone analizy energetyczne wykorzystywane są
w początkowych stadiach projektowania budynku, natomiast złożone analizy energetyczne wykonywane są na etapie końcowym lub na podstawie dokumentacji powykonawczej budynku.