Niejednoznaczne ciepło na wentylację, czyli jak obliczać zapotrzebowanie na moc cieplną potrzebną do ogrzania powietrza wentylacyjnego w budynkach mieszkalnych

Dwie normy i... wykluczające się zasady Zasady obliczania zapotrzebowania na moc cieplną niezbędną do ogrzania powietrza wentylacyjnego w budynkach mieszkalnych regulują normy: • PN-94/B-03406 „Obliczanie zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń o kubaturze do 600 m³”, • PN-83/B-03430 „Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej”. Niestety zawarte w nich informacje miejscami są niejasne, a czasami wykluczają się nawzajem!

Jako autor programu Audytor OZC służącego między innymi do obliczania zapotrzebowania
na moc cieplną niezbędną
do ogrzania budynków, bardzo często
otrzymuję od projektantów pytania, jak
należy określać obliczeniową moc cieplną przeznaczoną do ogrzania powietrza
wentylacyjnego dopływającego do poszczególnych
pomieszczeń w mieszkaniu.
Poniżej postaram się przedstawić najczęściej
pojawiające się problemy i proponowane
przeze mnie rozwiązania.

1. Pierwszy etap obliczeń – określenie
obliczeniowych strumieni
objętościowych zewnętrznego
powietrza wentylacyjnego (V)
dopływających do poszczególnych
pomieszczeń
Według normy PN-94/B-03406
Podana tu jest bardzo prosta zasada wyznaczania
Ve. Mieszkanie traktuje się, jak
jedno pomieszczenie, do którego dopływa
strumień powietrza zewnętrznego
(Ve) równy jego kubaturze (Kub). Strumienie
powietrza dopływające do poszczególnych
pomieszczeń w mieszkaniu
są równe ich kubaturom (1 wymiana na
godzinę). Norma zakłada również, że do
wszystkich pomieszczeń dopływa powietrze
wentylacyjne o temperaturze równej
obliczeniowej temperaturze powietrza
zewnętrznego (te).
Powyższa metoda nie jest zbyt precyzyjna,
a czasami brak jej logiki (np. powietrze
zewnętrzne dopływające do łazienki
bez okna). Jednak jej niezaprzeczalną zalet
ą jest bardzo prosta metodyka obliczania
strumieni powietrza wentylacyjnego,
inaczej mówiąc trudno popełnić błąd.

Według normy PN-83/B-03430

Tu z kolei sprawa jest zdecydowanie bardziej
zagmatwana. Czytelnie i precyzyjnie
określone są minimalne strumienie powietrza
usuwanego z kuchni, łazienek, WC
itd. Natomiast informacja o minimalnych
strumieniach świeżego powietrza dopływającego do poszczególnych pomieszczeń
w mieszkaniu jest dość niejasna, a czasami
wręcz ukryta między wierszami.
Czytając pierwsze punkty normy, można
dojść do wniosku, że o minimalnych strumieniach
świeżego powietrza decydują
minimalne strumienie powietrza wentylacyjnego
usuwanego z mieszkania. Jednak
w kolejnych punktach pojawiają się
informacje o konieczności zapewnienia
w pomieszczeniach mieszkalnych (pokoje,
sypialnie itd.) strumienia świeżego
powietrza. W budynkach mieszkalnych
jest to minimum 30 m³/h. Natomiast
w budynkach zamieszkania zbiorowego –
jedna wymiana powietrza na godzinę.
Z powyższych informacji wynika więc, że
należałoby wykonywać bilans minimalnego
strumienia świeżego powietrza wentylacyjnego
dopływającego do mieszkania
oraz minimalnego strumienia powietrza
wentylacyjnego usuwanego z mieszkania.
Do dalszych obliczeń należałoby przyjmować
większy ze strumieni (taka metodyka
obowiązywała do wprowadzenia
normy PN-94/B-03406).

Przykład obliczeniowy bilansu minimalnych
strumieni powietrza wentylacyjnego
dopływającego do mieszkania
i usuwanego z niego

Rozpatrzmy bilans dla mieszkań o powierzchniach
od 35 do 120 m³ i wysokościach
w świetle 2,6 m. Przyjęto strumień
objętościowy świeżego powietrza dopływaj
ącego do pokoi, sypialni i kuchni
z oknem równy 1 wymianie na godzinę
(w przypadku budynków mieszkalnych
jest to pewne uproszczenie zakładające,
że średnia powierzchnia pokoju wynosi:
30/2,6 = 11,5 m³).

Uwaga do tabeli: należy zaznaczyć, że proporcje między powierzchniami poszczególnych
typów pomieszczeń w obrębie mieszkania mają wpływ na wyniki obliczeń. Wyniki
zamieszczone w tabeli stanowią tylko jeden z przykładów (myślę, że dość reprezentatywny).
Legenda:
Fc – całkowita powierzchnia mieszkania,
Fk – powierzchnia kuchni,
Fł – powierzchnia łazienki,
Fwc – powierzchnia WC,
Vuk – minimalny strumień powietrza wentylacyjnego
usuwanego z kuchni,
Vuł – minimalny strumień powietrza wentylacyjnego
usuwanego z łazienki,
Vuwc – minimalny strumień powietrza wentylacyjnego
usuwanego z WC,
Vu – sumaryczny minimalny strumień powietrza
wentylacyjnego usuwanego z mieszkania,
Ve – minimalny strumień świeżego powietrza wentylacyjnego
dopływającego do mieszkania (pokoje + kuchnia) wg PN-83/B-03430,
V’e – minimalny strumień świeżego powietrza wentylacyjnego
dopływającego do mieszkania przyjmowany
do obliczeń wg PN-94/B-03406,
Nwym – liczba wymian świeżego w całym mieszkaniu
zapewniana przy przyjęciu do obliczeń wyłącznie
powietrza usuwanego (Nwym= Vu/V’e)

Wnioski z tabeli:

1. Minimalny strumień powietrza usuwanego
Vu zapewnia dopływ do mieszkania
odpowiedniej ilość świeżego powietrza
tylko w przypadku, gdy mieszkanie
ma powierzchnię Fc e
wg PN-83/B-03430) lub Fc e wg PN-94/B-03406).
2. Tylko w przypadku bardzo małych
mieszkań strumień świeżego powietrza
wentylacyjnego V’e przyjmowany
wg PN-94/B-03406 jest znacznie
mniejszy od minimalnego strumienia
powierza usuwanego Vu.
3. W przypadku dużych mieszkań przyjmowanie
od obliczeń wyłącznie minimalnego
strumienia powietrza wentylacyjnego
usuwanego Vu (takie sytuacje
niestety zdarzają się dość często) powoduje
znaczne niedoszacowanie zapotrzebowania
na moc cieplną potrzebną
do ogrzania powietrza wentylacyjnego.
Prosta konkluzja – obliczamy
wg PN-94/B-03406

Z powyższej analizy wynika, że do obliczeń zapotrzebowania
na moc cieplną niezbędną do ogrzania
powietrza wentylacyjnego w budynkach mieszkalnych,
najrozsądniej jest stosować metodykę
przyjętą w PN-94/B-03406 zakładającą, że strumień
zewnętrznego powietrza wentylacyjnego V’e
jest równy kubaturze pomieszczenia (1 wymiana na
godzinę). Jest ona nieskomplikowana, przyjęte
uproszczenia nie mają dużego wpływu na dokładność
obliczeń. Dodatkowo taka metody zabezpiecza
nas przed popełnianiem grubych błędów, które
często miały miejsce w przypadku sporządzania bilansu
strumieni powietrza wentylacyjnego.


2. Drugi etap – wyznaczenie mocy
cieplnej (Qw) niezbędnej do ogrzania
powietrza wentylacyjnego
dopływającego do poszczególnych
pomieszczeń w mieszkaniu
Norma PN-94/B-03406 podaje dwa nieskomplikowane
wzory przeznaczone do
określania Qw:
a) dla pomieszczeń użytkowanych co najmniej
12 h w ciągu doby (np. budynki
mieszkalne):

b)dla pomieszczeń użytkowanych mniej
niż 12 h w ciągu doby (np. budynki
użyteczności publicznej):

gdzie:
ti– obliczeniowa temperatura powietrza w pomieszczeniu
[oC],
tw – obliczeniowa temperatura powietrza wentylacyjnego
dopływającego do pomieszczenia, równa
obliczeniowej temperaturze na zewnątrz
budynku [oC],
9; 7 – moc cieplna uzyskiwana z wewnętrznych
zysków ciepła w pomieszczeniu (oświetlenie,
ludzie, urządzenia elektryczne, itd.) przypadająca na 1 m3 jego kubatury [W/m3],
V – obliczeniowy objętościowy strumień powietrza
dopływającego do pomieszczenia, [m3/h], określony
w oparciu o liczbę wymian powietrza w pomieszczeniu
lub wymagania technologiczne,
Kub – kubatura pomieszczenia [m3].
Niestety powyższe wzory mają sens tylko
w przypadku, gdy strumień powietrza
wentylacyjnego V równy jest kubaturze
pomieszczenia (1 wymiana na godzinę).
Stosowanie ich dla innych wartości strumienia
V może powodować znaczne błędy
wynikające z nieprawidłowego określania
mocy cieplnej pochodzącej od wewnętrznych
zysków ciepła.
Na przykład, gdy przyjmiemy do obliczeń
strumień powietrza V równy dwóm kubaturom
(czyli 2 wymiany na godzinę), to
stosując powyższe wzory zamiast 9 lub
7 W, odejmiemy odpowiednio 18 lub
14 W (a przecież liczba wymian powietrza
w pomieszczeniu nie ma znaczącego wpływu
na wielkość wewnętrznych zysków ciepła).
W takich sytuacjach proponuję stosowanie
zmodyfikowanych wzorów:

które można wykorzystywać niezależnie
od wielkości strumienia V.
W przypadku małych strumieni V (poniżej ok.
0,7 wymiany na godzinę – zależy to od strefy
klimatycznej) otrzymana z powyższych wzorów
wartość Qw jest mniejsza od zera (moc
cieplna pochodząca od wewnętrznych zysków
ciepła w całości pokrywa zapotrzebowanie na
moc cieplną potrzebną do ogrzania powietrza
wentylacyjnego). Wówczas do dalszych obliczeń
należy przyjmować Qw=0 lub ograniczać
moc cieplna pochodzącą od wewnętrznych
zysków ciepła. Niestety projektant
musi zdać się na własne doświadczenie ponieważ norma PN-94/B-03406 nie podaje
żadnych informacji, jakie wielkości zysków
ciepła przyjmować np. w spiżarni, garażu,
garderobie itd. (7 W/m3 tak, jak dla pomieszczeń
użytkowanych mniej niż 12 h to na
pewno wartość zbyt duża).
Niestety do tej pory nie została opracowana
norma dotycząca obliczania zapotrzebowania
na moc cieplną potrzebną do ogrzania
pomieszczeń o kubaturze powyżej 600 m³
(hale przemysłowe, hale sportowe, duże sklepy
itd.). Z mojego doświadczenia wynika, że
w związku z tym wielu projektantów stosuje
metodykę zawartą w normie PN-94/B-03406
do obliczeń takich pomieszczeń. W takich
przypadkach należy koniecznie pamiętać,
aby w obliczeniach uwzględniać pionowy
gradient temperatury powietrza w pomieszczeniu
oraz najczęściej (są oczywiście wyjątki
np. hale obróbki cieplnej) znacznie ograniczyć
(do ok. 3W/m3) wartości mocy cieplnej
uzyskiwanej od wewnętrznych zysków ciepła. Ideałem byłoby wykonywanie bilansu
zysków ciepła w takich pomieszczeniach.


Kolejne edycje norm tylko
w konsultacji z autorami
programów komputerowych!
Obie normy wykorzystywane podczas obliczania
zapotrzebowania na moc cieplną
niezbędną do ogrzania powietrza wentylacyjnego
wymagają w kolejnych edycjach
pewnego dopracowania. Zawarte w nich informacje
powinny być jednoznaczne i nie
powinny się nawzajem wykluczać.
Ponadto należałoby pamiętać, że w obecnych
czasach praktycznie wszyscy projektanci
korzystają z programów komputerowych.
Może warto byłoby konsultować
zawartość norm z twórcami oprogramowania
i wprowadzać w nich takie rozwiązania, które
bez problemów da się ująć w algorytmie
programu (algorytmy programów komputerowych
nie tolerują niejednoznacznych lub
wykluczających się nawzajem informacji)
oraz takie, które nie przyprawią projektanta
o zawrót głowy liczbą nieistotnych, niejasnych
lub wręcz zbędnych danych.

Piotr Wereszczyński

Źródło: Polski Instalator nr 2/2003

Źródło: ''