Kluczowe zmiany w metodyce obliczania

1
http://www.systemyogrzewania.pl/aktualnosci/aktualnosci.asp?id_artykulu=914
Kluczowe zmiany w metodyce obliczania zapotrzebowania na ciepło zawarte w PN-EN
12831
Norma PN-EN 12831:2006 [11], będąca tłumaczeniem normy europejskiej EN 12831:2003
[9], zastępuje dotychczasową normę PN-B-03406:1994 [5]. Jednak należy zwrócić uwagę, że
obowiązek jej stosowania pojawił się dopiero wraz z nowelizacją rozporządzenia Ministra
Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny
odpowiadać budynki i ich usytuowanie [12] w zakresie i terminie, które zostaną podane w
rozporządzeniu [2]. Norma PN-EN 12831:2006 wprowadza wiele zmian w stosunku do
dotychczasowej procedury obliczania zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków.
Zmian tych jest tak dużo, że w zasadzie powinno się mówić raczej o zupełnie nowej
metodyce, niż o zmianach w stosunku do obecnego sposobu prowadzenia obliczeń. Jednak z
uwagi na powszechną znajomość dotychczasowego toku postępowania wśród projektantów,
zdaniem autora wydaje się celowe wskazanie najważniejszych zmian w stosunku do metody
obecnej.
Norma PN-EN 12831:2006, oprócz zmiany sposobu obliczeń, wprowadza również nowy
system pojęć. Porównanie wybranych wielkości fizycznych i ich symboli, występujących w
normie PN-EN 12831: 2006 oraz dotychczasowej normie PN-B-03406:1994, zestawiono w
tabeli 1.
Tabela 1 Porównanie wybranych wielkości i symboli występujących w normach
PN-EN 12831:2006 i PN-B-03406:1994 [11, 5]
1
temperatura operacyjna w centralnym miejscu przestrzeni ogrzewanej (na wysokości między
0,6 a 1,6 m)
stosowana do obliczeń projektowych strat ciepła
2
"Projektowy"
Jedną ze zmian w terminologii, jest wprowadzenie określenia "projektowy" zamiast
dotychczasowego słowa "obliczeniowy". W nowej normie występuje szereg terminów z
określeniem "projektowy", np. "projektowa temperatura zewnętrzna", "projektowa
temperatura wewnętrzna", "projektowa różnica temperatury" czy "projektowe obciążenie
cieplne".
"Projektowa temperatura wewnętrzna" a "obliczeniowa temperatura powietrza w
pomieszczeniu"
Jedną z takich zmian jest zastąpienie "obliczeniowej temperatury powietrza w
pomieszczeniu" przez "projektową temperaturę wewnętrzną". W tym przypadku jednak
zmiana nie dotyczy tylko nazewnictwa. Wg nowej normy, projektowa temperatura
wewnętrzna to temperatura operacyjna, czyli średnia arytmetyczna z wartości temperatury
powietrza wewnętrznego i średniej temperatury promieniowania, w centralnym miejscu
przestrzeni ogrzewanej (na wysokości między 0,6 a 1,6 m). Wartości projektowej temperatury
wewnętrznej podane są obecnie w załączniku krajowym do normy PN-EN 12831:2006.
Wartości te są zgodne z rozporządzeniem ministra infrastruktury w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [12].
Rys. 1 Podział terytorium Polski na strefy klimatyczne, na podstawie [11]
Średnia roczna temperatura zewnętrzna
W nowej normie podział Polski na strefy klimatyczne nie uległ zmianie w stosunku do normy
PN-82/B-02403 [4] (rys. 1). Dodatkowo w PN-EN 12831 (w załączniku krajowym) podane są
wartości średniej rocznej temperatury zewnętrznej (tabela 2), nieobecne w poprzedniej normie
PN-82/B-02403 jako niepotrzebne do obliczania zapotrzebowania na ciepło wg normy PN-B-
3
03406:1994 [5]. Obecnie natomiast są one wykorzystywane do obliczania strat ciepła do
gruntu oraz strat ciepła przez przenikanie do przyległych pomieszczeń.
Tabela 2 Projektowa temperatura zewnętrzna
i średnia roczna temperatura zewnętrzna [11]
Współczynnik projektowej straty ciepła
W nowej normie występuje niestosowane do tej pory pojęcie „współczynnik projektowej
straty ciepła”. Jest to stosunek straty ciepła (przez przenikanie lub wentylacyjnej) do
projektowej różnicy temperatury. Jednostką współczynnika projektowej straty ciepła jest
W/K.
"Całkowita projektowa strata ciepła" a "projektowe obciążenie cieplne"
Istotną zmianą, mającą wpływ na sam tok obliczeń, jest – nieobecne w dotychczasowej
normie – rozróżnienie pojęć "całkowita projektowa strata ciepła" i "projektowe obciążenie
cieplne".
Rys. 2 Porównanie pojęć "całkowita projektowa strata ciepła"
i "projektowe obciążenie cieplne"
Różnica polega na tym, że "projektowe obciążenie cieplne" – obok całkowitej projektowej
straty ciepła – uwzględnia dodatkowo nadwyżkę mocy cieplnej, wymaganą do
4
skompensowania skutków osłabienia ogrzewania (rys. 2).
Projektowe obciążenie cieplne przestrzeni ogrzewanej oblicza się w następujący sposób:
gdzie:
ΦT,i – projektowa strata ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) przez przenikanie [W];
ΦV,i – projektowa wentylacyjna strata ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) [W];
ΦRH,i – nadwyżka mocy cieplnej wymagana do skompensowania skutków osłabienia
ogrzewania strefy ogrzewanej (i) [W].
W normie PN-B-03406:1994 zrezygnowano z występującego wcześniej "dodatku na przerwy
w działaniu ogrzewania", czyli odpowiednika wprowadzonej obecnie "nadwyżki mocy
cieplnej". W momencie wprowadzenia normy PN-B-03406:1994 wycofanie tego dodatku
uzasadniono względami ekonomicznymi [5]. Miało to zapobiegać znacznemu wzrostowi
kosztów elementów instalacji (źródeł ciepła, grzejników, przewodów). Dlatego założono
ciągłość działania instalacji, gdy temperatura zewnętrzna jest równa lub niższa niż -5°C.
Natomiast w obecnej sytuacji ekonomicznej stosunek kosztów eksploatacyjnych do
inwestycyjnych instalacji grzewczych jest znacznie większy niż wcześniej i dlatego ponowne
umożliwienie osłabienia ogrzewania także w warunkach niskiej temperatury zewnętrznej
wydaje się uzasadnione.
Całkowita projektowa strata ciepła przestrzeni ogrzewanej
Do obliczania całkowitej projektowej straty ciepła przestrzeni ogrzewanej w podstawowych
przypadkach wg normy PN-EN 12831 służy następujący wzór:
gdzie:
ΦT,i – projektowa strata ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) przez przenikanie [W];
ΦV,i – projektowa wentylacyjna strata ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) [W].
Wzór powyższy jest zbliżony do wzoru wg normy PN-B-03406:1994:
gdzie:
Qp – straty ciepła przez przenikanie [W];
d1 – dodatek do strat ciepła przez przenikanie dla wyrównania wpływu niskiej temperatury
powierzchni przegród chłodzących pomieszczenia [W];
d2 – dodatek do strat ciepła przez przenikanie uwzględniający skutki nasłonecznienia
przegród i pomieszczeń [W];
Qw – zapotrzebowanie na ciepło do wentylacji [W].
5
Główna różnica polega na tym, że w nowym wzorze nie występują dodatki do strat ciepła
przez przenikanie. W nowej normie, w podstawowym przypadku, nie uwzględnia się wpływu
przegród chłodzących: zakłada się, że budynek jest dobrze zaizolowany i nie występują
znaczne różnice między temperaturą przegród budowlanych i temperaturą powietrza. Jeśli jest
inaczej, stosuje się metodę dla budynków o znacznej różnicy między temperatur ą powietrza i
średnią temperaturą promieniowania (przypadek szczególny).
Wymiary
Zgodnie z załącznikiem krajowym do normy PN-EN 12831:2006, podczas obliczania strat
ciepła przez przenikanie należy stosować wymiary zewnętrzne, czyli wymiary mierzone po
zewnętrznej stronie budynku. W czasie określania wymiarów poziomych uwzględnia się
połowę grubości ograniczającej ściany wewnętrznej i całą grubość ograniczającej ściany
zewnętrznej. Natomiast wysokość ściany mierzy się pomiędzy powierzchniami podłóg.
Przykłady wymiarów pokazano na rys. 3 i 4. Z kolei zgodnie z normą PN-B-03406:1994, w
trakcie obliczeń strat ciepła przez przenikanie, pola powierzchni przegród budowlanych
określano w oparciu o wymiary w osiach przegród ograniczających.
Rys. 3 Przykład wymiarów poziomych
6
Rys. 4 Przykład wymiarów pionowych
Mostki cieplne
Kolejną zmianą jest uwzględnianie w obliczeniach mostków cieplnych:
• wg normy EN ISO 10211-2 [8] (obliczenia numeryczne);
• w sposób przybliżony z wykorzystaniem wartości stabelaryzowanych podanych w normie
EN ISO 14683 [7];
• metodą uproszczoną z użyciem współczynnika korekcyjnego, którego wartości podano w
załączniku krajowym do normy PN-EN 12831.
Z uwagi na stosowanie wymiarów zewnętrznych, wartości współczynnika przenikania ciepła
mostka cieplnego mogą być ujemne. Jest to spowodowane tym, że połączenia przegród
zewnętrznych (np. naroża) liczy się "podwójnie".
Straty ciepła przez grunt
Inaczej określa się również straty ciepła przez grunt (do gruntu). Strumień strat ciepła do
gruntu może być obliczony w sposób:
• szczegółowy wg normy EN ISO 13370 [6];
• uproszczony, opisany w normie PN-EN 12831:2006.
Metoda uproszczona polega na wykorzystaniu tabel lub wykresów, sporządzonych dla
wybranych przypadków.
Straty ciepła między przestrzeniami ogrzewanymi o różnych wartościach temperatury
W związku z wprowadzeniem pojęcia "współczynnik projektowej straty ciepła", który jest
mnożony przez różnicę temperatury wewnętrznej i zewnętrznej, w przypadku strat ciepła do
przestrzeni o innej temperaturze niż temperatura zewnętrzna, zachodzi potrzeba stosowania
współczynnika redukcji temperatury. Współczynnik HT,ij obejmuje ciepło przekazywane
przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej (i) do sąsiedniej przestrzeni (j) ogrzewanej do
znacząco innej temperatury. Współczynnik ten oblicza się w następujący sposób:
7
gdzie:
fij – współczynnik redukcyjny temperatury, uwzględniający różnicę temperatury przyległej
przestrzeni i projektowej temperatury zewnętrznej;
Ak – powierzchnia elementu budynku (k) [m2];
Uk – współczynnik przenikania ciepła przegrody (k) [W/m2K].
Współczynnik redukcyjny temperatury określony jest następującym równaniem:
gdzie:
θint,i – projektowa temperatura wewnętrzna przestrzeni ogrzewanej (i) [°C];
θprzyległej przestrzeni – projektowa temperatura przestrzeni przyległej [°C];
θe – projektowa temperatura zewnętrzna [°C].
Wartości orientacyjne temperatury przyległych przestrzeni ogrzewanych podano w tab. 3,
przy czym:
θm,e – roczna średnia temperatura zewnętrzna [°C].
Tabela 3 Temperatura przyległych przestrzeni ogrzewanych [11]
"Strata ciepła do sąsiada"
Dużą zmianą wprowadzoną przez nową normę jest uwzględnianie w obliczeniach obciążenia
cieplnego poszczególnych pomieszczeń strat ciepła do pomieszczeń o tej samej funkcji, ale
należących do innej jednostki budynku (mieszkania, lokalu użytkowego). Do tej pory, jeśli
rozpatrywano ścianę np. pomiędzy dwoma pokojami mieszkalnymi, to w obu pokojach
przyjmowano temperaturę +20°C. W związku z tym różnica temperatury wynosiła 0 K, a
straty ciepła 0 W. Takie podejście było uzasadnione w czasach, kiedy w praktyce nie
występowała możliwość indywidualnej regulacji temperatury wewnętrznej. Jednak obecnie
ten sposób obliczeń nie jest już adekwatny. Istnieje obowiązek zapewnienia indywidualnej
regulacji, a użytkownicy często z tej możliwości korzystają, np. obniżając temperaturę
wewnętrzną w czasie swojej nieobecności w lokalu.
W obecnej sytuacji ekonomiczno-społecznej zdarza się coraz częściej, że użytkownicy
posiadają więcej niż jedno mieszkanie i niektóre mieszkania przez krótsze lub dłuższe okresy
są nieużywane. Wtedy, szczególnie w przypadku indywidualnego rozliczania kosztów
8
ogrzewania, temperatura w mieszkaniu jest obniżona w stosunku do temperatury projektowej.
Dlatego w praktyce często pojawia się różnica temperatury po obu stronach przegrody
budowlanej, mimo że w dotychczasowym modelu temperatura w obu pomieszczeniach była
taka sama. W związku z tym, ponieważ ściany wewnętrzne najczęściej nie są izolowane
cieplnie, nawet gdy ta różnica temperatury jest stosunkowo mała, mogą wystąpić znaczne
straty ciepła. Z tego względu zdaniem autora, wskazane jest izolowanie cieplne również
przegród wewnętrznych, oddzielających pomieszczenia ogrzewane, jeśli pomieszczenia te
należą do oddzielnych jednostek budynku (mieszkań lub lokali użytkowych). Izolację taką
warto wykonywać z materiału, który oprócz izolacyjności cieplnej ma właściwości izolacji
akustycznej.
Według nowej normy temperaturę w sąsiednim pomieszczeniu przyjmuje się na podstawie
przeznaczenia, tylko jeśli należy ono do tej samej jednostki budynku (np. do mieszkania).
Natomiast jeżeli pomieszczenie należy do innej jednostki, to do obliczania straty ciepła
przyjmuje się średnią arytmetyczną z projektowej temperatury wewnętrznej i rocznej średniej
temperatury zewnętrznej (tabela 3). Z kolei, gdy sąsiednie pomieszczenie należy do
oddzielnego budynku (budynku przyległego), przyjmuje się roczną średnią temperaturę
zewnętrzną.
Nie oceniając w tym miejscu dokładności takiej metody obliczeń, można stwierdzić, że
pozwala ona podczas doboru grzejników - przynajmniej w sposób przybliżony - uwzględniać
ryzyko wystąpienia obniżonej temperatury wewnętrznej w sąsiednich jednostkach budynku.
Należy również podkreślić, że opisane powyżej straty ciepła uwzględnia się w obliczeniach
obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń w celu doboru grzejników, natomiast nie
uwzględnia się ich podczas określania obciążenia cieplnego całego budynku w celu doboru
źródła ciepła. W skali całego budynku, jeśli część pomieszczeń będzie ogrzewana w sposób
osłabiony, to uzyskana w ten sposób nadwyżka mocy pozwoli na pokrycie zwiększonego
zapotrzebowania na ciepło w pomieszczeniach sąsiednich.
Wentylacyjna strata ciepła
Zmianie uległ również sposób określania wentylacyjnych strat ciepła (wcześniej
"zapotrzebowania na ciepło do wentylacji"). Obecnie w przypadku wentylacji naturalnej, jako
wartość strumienia powietrza wentylacyjnego przyjmuje się wartość większą z następujących
dwóch wielkości:
• strumienia powietrza na drodze infiltracji,
• minimalnej wartości strumienia powietrza wentylacyjnego, wymaganej ze względów
higienicznych.
W większości typowych budynków do 10m wysokości, decydujący jest minimalny strumień
objętości powietrza, wymagany ze względów higienicznych [1].
Minimalny strumień objętości powietrza, wymagany ze względów higienicznych,
dopływający do przestrzeni ogrzewanej (i) określa się w sposób następujący:
9
gdzie:
nmin – minimalna krotność wymiany powietrza na godzinę (tabela 4) [h–1];
Vi – kubatura przestrzeni ogrzewanej (i) (obliczona na podstawie wymiarów wewnętrznych)
[m3].
Zmianie uległa też krotność wymiany wymagana ze względów higienicznych i obecnie zależy
ona od przeznaczenia pomieszczenia. Jej wartości zostały podane w tabeli 4.
W przypadku wentylacji mechanicznej dodatkowo uwzględnia się:
• strumień objętości powietrza doprowadzonego;
• nadmiar strumienia objętości powietrza usuwanego (dodatkowa infiltracja, jeżeli strumień
powietrza usuwanego jest większy od strumienia dostarczanego).
Tabela 4 Minimalna krotność wymiany
powietrza zewnętrznego [11]
Podsumowanie
Ujednolicenie metodyki określania obciążenia cieplnego budynków z pewnością ułatwi
inżynierom świadczenie usług projektowych w innych krajach Unii Europejskiej. Należy
jednak pamiętać, że szczegółowe wymagania w poszczególnych krajach członkowskich
podane są w załącznikach krajowych do normy i mogą się różnić.
Przykładowo, polski załącznik krajowy podaje tylko trzy wartości współczynnika
poprawkowego ze względu na wysokość (do określania strumienia powietrza infiltrującego).
Dla wysokości powyżej 30 m nad poziomem terenu, współczynnik ten wynosi 1,5. Natomiast
załącznik niemiecki do normy DIN EN 12831 [10] podaje wartości tego współczynnika
również dla większych wysokości - aż do wartości 2,8 dla wysokości powyżej 90 do 100 m.
Wprowadzaniu nowej metodyki obliczeniowej powinna towarzyszyć szeroka akcja
popularyzatorsko-szkoleniowa, składająca się np. ze szkoleń, referatów i artykułów w prasie
technicznej. Niniejszy artykuł ma - w zamierzeniu autora - być elementem takiej akcji.
Konieczne jest również dostosowanie programów komputerowych, stosowanych do
obliczania zapotrzebowania na ciepło.
Literatura:
1. Markert H.: Europäische Norm DIN EN 12831. Verfahren zur Berechnung der NormHeizlast. Die neue Norm ist gültig - Übergangsfrist für DIN 4701 bis Oktober 2004, BHKSAlmanach 2004.
2. Płuciennik M.: PN-EN 12831 zastąpi PN-B-03406:1994, Polski Instalator NS 7-8/2006.
3. Rubik M.: Nowe normy z dziedziny ogrzewnictwa w przededniu wdrożenia w Polsce
Dyrektywy Europejskiej 2002/1WE, COW 10/2005.
4. PN-82/B-02403. Ogrzewnictwo - Temperatury obliczeniowe zewnętrzne.
5. PN-B-03406:1994. Obliczanie zapotrzebowania ciepła pomieszczeń o kubaturze do 600
m3.
6. PN-EN ISO 13370:2001. Właściwości cieplne budynków - Wymiana ciepła przez grunt Metody obliczania.
7. PN-EN ISO 14683:2001. Mostki cieplne w budynkach - Liniowy współczynnik
10
przenikania ciepła - Metody uproszczone i wartości orientacyjne.
8. PN-EN ISO 10211-2:2002. Mostki cieplne w budynkach - Obliczanie strumieni cieplnych i
temperatury powierzchni - Część 2: Liniowe mostki cieplne.
9. EN 12831:2003. Heating Systems in Buildings - Method for Calculation of the Design Heat
Load. 10. DIN EN 12831:2003. Heizungsanlagen in Gebäuden - Verfahren zur Berechnung
der Norm-Heizlast.
11. PN-EN 12831:2006. Instalacje ogrzewcze w budynkach - Metoda obliczania
projektowego obciążenia cieplnego.
12. Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków
technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (DzU z dnia 15
czerwca 2002 r. z późniejszymi zmianami). [Nowelizacja wprowadzająca PN-EN
12831:2006 - Dz.U. 2008 nr 201 poz. 1238]