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.
Autor: dr inż. Michał Strzeszewski, Politechnika Warszawska, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji
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: