Obliczanie projektowej wentylacyjnej straty ciepła w przypadku

Dr inż. MICHAŁ STRZESZEWSKI
Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji
Politechnika Warszawska
W artykule przestawiono sposób obliczania projektowej
wentylacyjnej straty ciepła wg normy PN–EN 12831
w przypadku wentylacji naturalnej. Zaprezentowaną
metodykę zilustrowano przykładem.
Pomijając dla uproszczenia zmienność wartości gęstości
i ciepła właściwego powietrza w funkcji temperatury i odnosząc strumień powietrza do jednej godziny, równanie (2)
przyjmuje następującą postać:
W NORMIE PN-EN 12831 [15] podano nie tylko nową
metodykę obliczeń, ale również wprowadzono nowy system pojęć. I tak, np. w miejsce „zapotrzebowania na ciepło
do wentylacji” występuje „projektowa wentylacyjna strata
ciepła”. Poza tym, norma wprowadza „współczynnik projektowej straty ciepła”. Jest to projektowa strata ciepła podzielona przez różnicę temperatury. Ważniejsze pojęcia
wprowadzone przez normę PN-EN 12831:2006 zestawiono w tabeli 1. Część pojęć, występujących w nowej normie, nie była używana w normie PN-B-03406:1994 [11]
lub znajdowała się jedynie w założeniach metody obliczeniowej.
Dotychczasowa norma PN-B-03406:1994 [11] określała
zapotrzebowanie na ciepło do wentylacji na podstawie strumienia powietrza wymaganego ze względów higienicznych.
Natomiast wg normy PN-EN 12831 należy również określić
strumień powietrza infiltrującego i przyjąć większą z tych
dwóch wartości.
H V , i = 0,34 ⋅ V&i , W/K
Projektowa wentylacyjna strata ciepła
W normie PN-EN 12831 podano wzór do obliczania projektowej wentylacyjnej straty ciepła przestrzeni ogrzewanej:
(1)
ΦV, i = H V, i ⋅ (θ int, i − θ e ), W
gdzie:
HV, i – współczynnik projektowej wentylacyjnej straty ciepła, W/K,
θint, i – projektowa temperatura wewnętrzna przestrzeni
ogrzewanej i, °C,
θe – projektowa temperatura zewnętrzna, °C.
Współczynnik projektowej wentylacyjnej straty
ciepła
Jak wynika z równania (1) współczynnik projektowej
wentylacyjnej straty ciepła HV, i odnosi stratę ciepła do różnicy temperatury wewnętrznej i zewnętrznej. Współczynnik
ten oblicza się w następujący sposób:
(3)
gdzie:
V·i – strumień objętości powietrza wentylacyjnego przestrzeni ogrzewanej i, m3/h.
Sposób określania strumienia objętości powietrza wentylacyjnego zależy od tego, czy w pomieszczeniu znajduje się
instalacja wentylacyjna, czy nie.
Strumień objętości powietrza wentylacyjnego
W przypadku braku instalacji wentylacyjnej zakłada się,
że powietrze dopływające do pomieszczenia charakteryzuje
się parametrami powietrza zewnętrznego.
Jako wartość strumienia objętości powietrza wentylacyjnego należy przyjąć większą z dwóch wartości:
– wartość strumienia powietrza na drodze infiltracji
V·inf, i,
– minimalna wartość strumienia powietrza wentylacyjnego, wymagana ze względów higienicznych V·min, i
V&i = max (V&inf,i , V&min,i ), m 3 /h .
(4)
Dokładną metodę określania strumienia objętości powietrza w budynku podano w PN-EN 13465 [14]. Natomiast
norma PN-EN 12831 zawiera zależności uproszczone, które
przytoczono poniżej.
Infiltracja przez obudowę budynku
W normie PN-EN 12831 podano wzór do obliczania
strumienia powietrza infiltrującego do przestrzeni ogrzewanej i:
V&inf , i = 2 ⋅ Vi ⋅ n50 ⋅ ei ⋅ ε i , m 3 /h
(5)
(2)
gdzie:
V·i – strumień objętości powietrza wentylacyjnego przestrzeni ogrzewanej i, m3/s,
ρ – gęstość powietrza w temperaturze θi, int, kg/m3,
cp – ciepło właściwe powietrza w temperaturze θi,int,
J/kg·K.
gdzie:
Vi – kubatura przestrzeni ogrzewanej i (obliczona na podstawie wymiarów wewnętrznych), m3,
n50 – krotność wymiany powietrza wewnętrznego, wynikająca z różnicy ciśnienia 50 Pa między wnętrzem
a otoczeniem budynku, z uwzględnieniem wpływu
nawiewników powietrza (tabela 2), h–1,
ei – współczynnik osłonięcia (tabela 3),
εi – współczynnik poprawkowy uwzględniający wzrost
prędkości wiatru w zależności od wysokości położenia przestrzeni ogrzewanej ponad poziomem terenu
(tabela 4).
CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 6/2007
33
H V , i = V&i ⋅ ρ ⋅ c p , W/K
WENTYLACJA • KLIMATYZACJA
Obliczanie projektowej wentylacyjnej straty ciepła
w przypadku wentylacji naturalnej wg PN–EN 12831
TABELA 1. Porównanie wybranych terminów i symboli używanych w normach PN-EN 12831:2006 [15] i PN-B-03406:
1994 [11], występujących w obliczaniu projektowej wentylacyjnej straty ciepła
PN-EN 12831:2006
Pojęcie
symbol jednostka
PN-B-03406:1994
pojęcie
symbol jednostka
Projektowa
wentylacyjna
strata ciepła
ΦV
W
zapotrzebowanie
na ciepło
do wentylacji
Qw
W
Współczynnik
projektowej
wentylacyjnej
straty ciepła
HV
W/K
–
–
–
Projektowa
temperatura
wewnętrzna1)
θint
°C
ti
°C
Projektowa
temperatura
zewnętrzna
θe
°C
obliczeniowa
temperatura
powietrza w
pomieszczeniu
obliczeniowa
temperatura
powietrza
zewnętrznego
strumień objętości powietrza
wentylacyjnego
TABELA 2. Krotność wymiany powietrza dotycząca całego budynku [15]
Konstrukcja
n50
h–1
stopień szczelności obudowy budynku
(jakość uszczelek okiennych)
średni (okna
wysoki (wysoka
niski
z podwójnym
jakość uszczelek
(pojedynczo
oszkleniem,
w oknach
oszklone okna,
uszczelki
i drzwiach)
bez uszczelek)
standardowe)
Budynki
jednorodzinne
<4
4–10
> 10
Inne mieszkania
lub budynki
<2
2–5
>5
TABELA 3. Współczynnik osłonięcia [15]
te
°C
e
Klasy osłonięcia
liczba odsłoniętych otworów w przestrzeni
ogrzewanej (okna i drzwi)
Strumień obję·
·
m3/s
m3/s
tości powietrza
V
V
m3/h
m3/h
wentylacyjnego
Strumień
·
m3/s
V inf
powietrza
–
–
–
m3/h
infiltrującego
Minimalny
(zakładano
strumień objęrówny 1 kuba·
tości powietrza,
V min
m3/s
turze pomiesz–
–
wymagany
3
m /h
czenia w ciągu
ze względów
1 godziny)
higienicznych
Kubatura
m3
kubatura
m3
V
V
Krotność wymiany powietrza
wewnętrznego,
wynikająca
z różnicy ciśnienia 50 Pa mięn50
dzy wnętrzem
h–1
–
–
–
a otoczeniem
budynku, z uwzględnieniem
wpływu nawiewników powietrza (tabela 2)
Minimalna krotność wymiany
(zakładano
nmin
h–1
–
–
powietrza
1 h–1)
zewnętrzne
Współczynnik
osłonięcia
–
–
–
–
e
(tabela 3)
Współczynnik
poprawkowy
uwzględniający
wzrost prędkości wiatru w zależności od wy–
–
–
–
ε
sokości położenia przestrzeni
ogrzewanej ponad poziomem
terenu (tabela 4)
Stopień szczelności obudowy
–
–
–
–
–
budynku
Klasa osłonięcia
–
–
–
–
–
Indeks dla
przestrzeni
–
–
–
–
i
ogrzewanej
1) Temperatura operacyjna w centralnym miejscu przestrzeni ogrzewanej
(na wysokości między 0,6 a 1,6 m) stosowana do obliczeń projektowych
strat ciepła.
(6)
gdzie:
nmin – minimalna krotność wymiany powietrza na godzinę
(tabela 5), h–1,
Vi – kubatura przestrzeni ogrzewanej i (obliczona na
podstawie wymiarów wewnętrznych), m3.
Krotności wymiany powietrza podane w tabeli 5 odniesione są do wymiarów wewnętrznych. Jeśli w obliczeniach stosowane są wymiary zewnętrzne, wartości krotności wymiany
powietrza podane w tabeli należy pomnożyć przez stosunek
34
CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 6/2007
0
1
>1
Brak osłonięcia
(budynek w wietrznej przestrzeni, wysokie budynki
w centrach miast)
0
0,03
0,05
Średnie osłonięcie
(budynki na prowincji
z drzewami lub innymi
budynkami wokół nich,
przedmieścia)
0
0,02
0,03
Dobrze osłonięte
(budynki średniowysokie
w centrach miast,
budynki w lasach)
0
0,01
0,02
TABELA 4. Współczynnik poprawkowy ze względu na wysokość [15]
Wysokość przestrzeni ogrzewanej
ponad poziomem terenu
(wysokość środka pomieszczenia
ponad poziomem terenu)
ε
0 – 10 m
1,0
>10 – 30 m
1,2
>30 m
1,5
Współczynnik 2 w równaniu (5) uwzględnia najgorszy
przypadek, w którym całe infiltrujące powietrze wpływa do
budynku z jednej strony.
Minimalny strumień objętości powietrza
ze względów higienicznych
Minimalny strumień objętości powietrza, wymagany ze
względów higienicznych, dopływający do przestrzeni ogrzewanej i może być określony w sposób następujący:
V&min,i = nmin ⋅ Vi , m 3 /h
TABELA 5. Porównanie minimalnej krotności wymiany powietrza zewnętrznego [12, 13, 15]
Typ pomieszczenia
Pomieszczenie mieszkalne
(orientacyjnie)
Kuchnia ≤ 20 m3
Kuchnia > 20 m3
Łazienka z oknem
Pokój biurowy
Sala konferencyjna,
sala lekcyjna
polski
załącznik
krajowy
nmin
h–1
„domyślny”
załącznik
europejski
niemiecki
załącznik
krajowy
0,5
0,5
0,5
0,5
1,5
1,0
1,0
1,0
0,5
1,5
1,0
2,0
2,0
2,0
Obliczenia wg PN–EN 12831: 2006
Kolejność obliczeń przedstawiono na rysunku.
Wartość n50 przyjęto 3,5 h–1 (na podstawie tab. 2).
Strumień powietrza infiltrującego do przestrzeni ogrzewanej i:
V&inf = 2 ⋅ V ⋅ n50 ⋅ e ⋅ ε = 2 ⋅ 35 ⋅ 3,5 ⋅ 0,02 ⋅ 1,2 = 5,88 m 3 /h .
Minimalny strumień objętości powietrza, wymagany ze
względów higienicznych:
V&min = 0,5 ⋅ 35 = 17,50 m 3 /h .
Strumień objętości powietrza wentylacyjnego:
(
)
V& = max V&inf , V&min = max(5,88; 17,50 ) = 17,50 m 3 /h .
między kubaturą wewnętrzną a zewnętrzną (w przybliżeniu
można przyjąć 0,8).
W przypadku otwartych kominków należy przyjmować
wyższe wartości strumienia powietrza, wymagane ze względu na proces spalania.
W tabeli 5 porównano minimalne krotności wymiany powietrza zewnętrznego wg polskiego i niemieckiego załącznika krajowego oraz wartości domyślne wg załącznika europejskiego, do wykorzystania na wypadek braku załączników
krajowych. W załączniku polskim zwraca uwagę stosunkowo niskie wymaganie dla „kuchni lub łazienki z oknem”
– 0,5 wymiany na godzinę, wobec 1,5 w załączniku europejskim. Wartość 0,5 h–1 wydaje się dość niska, biorąc pod uwagę ilość wilgoci, wytwarzanej w czasie normalnej eksploatacji tych pomieszczeń [3].
Załącznik niemiecki traktuje ten przypadek bardziej
szczegółowo. Jedynie dla dużych kuchni (powyżej 20 m3)
przyjmuje 0,5 h–1 (tak, jak załącznik polski), dla mniejszych
kuchni podnosi wymaganie do 1,0 h–1, natomiast dla łazienki z oknem 1,5 h–1 (w tym przypadku tak samo, jak załącznik europejski).
W omawianym przykładzie, minimalny strumień objętości powietrza, wymagany ze względów higienicznych, przewyższa strumień powietrza infiltrującego. Dzieje się tak
w przypadku większości typowych budynków do 10 m wysokości [2].
Współczynnik projektowej wentylacyjnej straty ciepła:
H V = 0,34 ⋅ V&i = 0,34 ⋅ 17,50 = 5,95 W/K .
Projektowa wentylacyjna strata ciepła:
ΦV = H V ⋅ (θ int − θ e ) = 5,95 ⋅ [20 − (− 18)] = 226 W.
Obliczenia wg PN-B-03406: 1994
Dla porównania poniżej przedstawiono obliczenie „zapotrzebowania na ciepło do wentylacji” wg PN-B-03406:
1994:
Qw = [0,34 (ti − t e ) − 9] V = [0,34 (20 − (− 18)) − 9]35 = 345 W.
W tym przypadku wartość obliczona wg PN-B-03406:
1994 jest znacznie większa niż otrzymana wg PN–EN 12831.
Wynika to przede wszystkim z faktu, że norma PN-B-03406:1994 zakładała 1 wymianę powietrza na godzinę, natomiast nowa norma podaje dla pomieszczeń mieszkalnych
minimalną wartość 0,5 wymiany powietrza na godzinę.
Projektowe obciążenie cieplne budynku lub jego
części
Przy obliczaniu strumienia powietrza infiltrującego do poszczególnych przestrzeni ogrzewanych w równaniu (5) występuje współczynnik 2, uwzględniający najgorszy przypadek, w którym całe infiltrujące powietrze wpływa do budynku z jednej strony. Natomiast, w przypadku obliczania
obciążenia cieplnego całego budynku, taka konieczność nie
zachodzi, ponieważ najgorszy przypadek nie wystąpi jednocześnie w pomieszczeniach z obu stron budynku. Dlatego
strumień powietrza infiltrującego dla budynku określa się
w następujący sposób:
∑V&
i
= max (0,5 ⋅ ∑ V&inf,i ,
∑V& ),
min,i
m 3 /h
(7)
Przykład
Rys. Kolejność obliczeń projektowej wentylacyjnej straty ciepła wg
PN-EN 12831 (opracowanie własne)
Obliczyć wartość projektowej wentylacyjnej straty ciepła
dla pokoju mieszkalnego, dla następujących założeń:
– kubatura: 35 m3,
– rodzaj budynku: wielorodzinny,
– stopień szczelności obudowy budynku: średni,
– klasa osłonięcia: średnie osłonięcie,
– liczba odsłoniętych otworów w przestrzeni ogrzewanej: 1,
– wysokość środka pomieszczenia ponad poziomem terenu: 14,5 m,
– lokalizacja: Poznań.
Norma PN-EN 12831 wymaga więcej danych w porównaniu do normy PN-B-03406:1994. Uwzględniana jest, np.
CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 6/2007
35
Jednak w przypadku dużych wartości strumienia powietrza infiltrującego wartość projektowej wentylacyjnej straty
ciepła wg nowej normy może być wyższa niż wg normy dotychczasowej.
Podsumowanie
znajomość wysokości środka pomieszczenia ponad poziomem terenu. Poza tym, obliczenia wg tej normy wydają się
bardziej skomplikowane w porównaniu z normą dotychczasową, która podawała tylko dwa warianty wzorów na zapotrzebowanie na ciepło do wentylacji. Jednak w praktyce nie
powinno to stanowić zbyt dużego problemu, ponieważ obecnie najczęściej do obliczeń wykorzystuje się specjalistyczne
oprogramowanie komputerowe.
LITERATURA
[1] Rubik M.: Nowe normy z dziedziny ogrzewnictwa w przededniu wdrożenia w Polsce Dyrektywy Europejskiej 2002/1WE, COW 10/2005
[2] Markert H.: Europäische Norm DIN EN 12831. Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast. Die neue Norm ist gültig – Übergangsfrist
für DIN 4701 bis Oktober 2004, BHKS-Almanach 2004
[3] Kosieradzki J.: Poradnik projektanta. Powietrze wentylacyjne
w PN-EN 12831, COW 3, 4/2007
[4] Strzeszewski M.: Norma PN–EN 12831. Nowe podejście do obliczania
zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków, COW 10/2006
[5] Strzeszewski M.: Wartości temperatury stosowane w obliczeniach obciążenia cieplnego pomieszczeń i budynków wg PN–EN 12831, COW
12/2006
[6] Strzeszewski M.: Obliczanie projektowej straty ciepła przez przenikanie wg PN–EN 12831, COW 1/2007
[7] Strzeszewski M.: Przykłady obliczania projektowej straty ciepła przez
przenikanie wg PN–EN 12831, COW 2/2007
[8] Strzeszewski M.: Uproszczona metoda obliczania projektowej straty
ciepła do gruntu wg PN-EN 12831, COW 4/2007
[9] Strzeszewski M.: Przykłady obliczania projektowej straty ciepła przez
grunt wg PN–EN 12831, COW 5/2007
[10] Wichowski R.: Zapotrzebowanie na moc cieplną. Nowa norma
PN–EN 12831. Rynek Instalacyjny 1-2/2006 i 3/2006
[11] PN-B-03406:1994. Obliczanie zapotrzebowania ciepła pomieszczeń
o kubaturze do 600 m3
[12] EN 12831:2003. Heating Systems in Buildings – Method for Calculation of the Design Heat Load
[13] DIN EN 12831:2003. Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur
Berechnung der Norm-Heizlast
[14] PN-EN 13465:2004. Wentylacja budynków – Metody obliczeniowe do
określenia przepływów powietrza w pomieszczeniach
[15] PN-EN 12831:2006. Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego
www.sigma−not.pl
Największa baza artykułów technicznych online!
STUDIUM PODYPLOMOWE
„Ciepłownictwo i Ogrzewnictwo z Auditingiem Energetycznym”
Miesięcznik
CIEPŁOWNICTWO,
OGRZEWNICTWO,
WENTYLACJA
dostępny
tylko
w prenumeracie!
[email protected]
www.cieplogaz.com.pl
36
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA,
INSTYTUT OGRZEWNICTWA I WENTYLACJI
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
00-653 Warszawa, ul. Nowowiejska 20
tel.: (0-22) 234-75-97, (0-22) 234-78-87
tel./fax.: (0-22) 825-03-09
e-mail: [email protected]
Studium adresowane jest głównie do kadry inżynierskiej przedsiębiorstw ciepłowniczych, eksploatatorów spółdzielczych, komunalnych i przemysłowych
źródeł ciepła, sieci ciepłowniczych i instalacji odbiorczych, a także inżynierów
zajmujących się projektowaniem i modernizacją zarówno systemów ciepłowniczych, jak też wewnętrznych instalacji centralnego ogrzewania, ciepłej wody
użytkowej oraz ciepła technologicznego. Studium przygotowuje absolwentów do
wykonania audytów energetycznych i projektów prac modernizacyjnych w systemach ciepłowniczych, źródłach ciepła i instalacjach wewnętrznych centralnego ogrzewania budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej.
Po zdaniu egzaminu testowego i wykonaniu audytu ćwiczebnego absolwenci
są wpisywani na listę audytorów Krajowej Agencji Poszanowania Energii.
Tematyka Studium obejmuje problemy związane z wdrożeniami dyrektyw
Unii Europejskiej i nowych norm PN-EN.
Wymagane dokumenty – karta zgłoszenia, odpis dyplomu
Czas trwania
– 2 semestry (220 godz.) od października do czerwca
Zasady naboru
– według kolejności zgłoszeń
Termin zgłoszeń
– do 25 września 2007
Opłaty
– 4900 PLN
Informacje dodatkowe – zajęcia odbywają się: piątek, sobota, niedziela
(10 zjazdów) w godz. 1000 ÷ 1800
Kierownik studium: dr inż. Lucjan Furtak, tel. (0-22) 234-54-24
Sekretarz studium:
Anna Pietras, pok. 136, tel. (0-22) 234-75-97,
tel./fax (0-22) 825-03-09
Słowa kluczowe
– inżynieria środowiska, ochrona środowiska, inżynieria
komunalna.
CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 6/2007