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 pojawi 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
"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-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 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]. 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
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:
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]
Tabela 4 Minimalna krotność wymiany powietrza zewnętrznego [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 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:
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). 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. Na przykład w firmie Sankom trwają aktualnie końcowe prace nad wersją 4.0 programu Audytor OZC, dostosowujące program do nowej metodyki obliczeniowej. Literatura: 1. 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. 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 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). Źródło: