Zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza wentylacyjnego

Zgodnie z wymaganiami "Warunków technicznych..." [1] "Budynek i jego instalacje ogrzewcze, wentylacyjne i klimatyzacyjne powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby ilość energii cieplnej, potrzebnej do użytkowania budynku, zgodnie z jego przeznaczeniem, można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie".

Wymagania powyższe zostaną spełnione, jeżeli "Wartość wskaźnika E określającego obliczeniowe zapotrzebowanie na energię końcową (ciepło) do ogrzania budynku w sezonie ogrzewczym, wyrażone ilością energii przypadającą w ciągu roku na 1m³ kubatury ogrzewanej części budynku jest mniejsza od wartości granicznej E, a także, jeżeli przegrody budowlane odpowiadają wymaganiom izolacyjności cieplnej, oraz innym wymaganiom określonym w załączniku do rozporządzenia". Wartości graniczne współczynnika E są zależne od kształtu budynku i podane w rozporządzeniu [1]. Wskaźniki sezonowego zapotrzebowania na ciepło E obliczać należy zgodnie z Polską Normą dotyczącą obliczeniowego sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego PN-B-02025 [2]. Rozpatrzmy, jakie wymagania powyższej normy dotyczą zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania powietrza wentylacyjnego. Zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza wentylacyjnego Straty ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego w j-tej strefie budynku, obliczać należy wzorem (25) podanym w normie [2]: Qv(m)=24 cp ρp Vj [Tij - Te (m)] Ld (m) (1)
Dla całego budynku straty ciepła w m-tym miesiącu sezonu ogrzewczego stanowią sumę strat wszystkich stref budynki i wynoszą: Qa (m) = Σ Qv (m) (2)
Wskaźnik zapotrzebowania na ciepło E jest odnoszony do zapotrzebowania w całym sezonie ogrzewczym Q i jest określany jako iloraz zapotrzebowania ciepła Q i kubatury ogrzewanej części budynku V: E = Q • V-1 (3)
Całkowite zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania uzyskuje się sumując zapotrzebowanie w kolejnych miesiącach sezonu ogrzewczego: Q = Σ Qa (m) (4)
Kubaturę części nadziemnej budynku V oblicza się zgodnie z normą PN-ISO 9836; 1997: - powiększając ją o kubaturę ogrzewanych pomieszczeń na poddaszu użytkowym lub w piwnicy, - pomniejszając ją o kubaturę wydzielonych (nieogrzewanych) klatek schodowych, szybów, wind, otwartych wnęk, logii i galerii. Obecnie obowiązująca norma PN-B-02025;2001 [2] jest przewidziana dla budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego. Poprzednie normy PN-B-02025 dotyczyły budynków: z 1998 r. [3] - tylko budynków mieszkalnych, z 1999 r. [4] - budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Dla powyższej grupy budynków, straty ciepła na ogrzanie powietrza zewnętrznego w całym budynku, określić możemy z wzoru: Qa (m)=24 cp ρp Vc [Ti - Te (m)] Ld (m) (5)
Średnie miesięczne straty ciepła, można również wyrazić innym wzorem. Ponieważ: ΔT (m) = Ti - Te (m), oraz Sd (m) = ΔT (m) • Ld (m), wzór [5] zapisać możemy w postaci: Qa(m)=24 cp ρp Vc Sd (m) (6)
Aby na podstawie zależności (5) i (6) można było określić obliczeniowe sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania powietrza zewnętrznego, na podstawie informacji meteorologicznych podanych w normie PN-B-02025: 2001 [2] opracowano tabelę 1, w której dla 16 miast wojewódzkich określono wartości: Te (m), Ld (m), ΔT (m), Sd (m) i Sd (s). Tabela 1 - Parametry powietrza zewnętrznego w sezonie ogrzewczym dla 16 miast wojewódzkich
Tabela 2 - Średnie miesięczne temperatury powietrza zewnętrznego Te (m) określone z rozkładu temperatur podanego na rysunku
Uwagi: 1) Obowiązujący w Polsce wzór do obliczania średniej dobowej temperatury powietrza zewnętrznego obejmuje temperatury mierzone w godzinach 700, 1300 i 2100. 2) Podane na rysunku rozkłady temperatury: N – normalny, gdy na początku i końcu doby, temperatura powietrza jest równa lub zbliżona do siebie. W – gdy następuje wzrost temperatury powietrza w drugiej połowie doby. S – gdy następuje spadek temperatury powietrza w drugiej połowie doby.

Rozkład średnich temperatur powietrza zewnętrznego w okresie sezonu ogrzewczego: a) dla miesiąca ciepłego, b) dla miesiąca chłodnego. Rozkłady temperatur: A - normalny, W - ze wzrostem temperatury powietrza w drugiej połowie doby, S - ze spadkiem temperatury powietrza w drugiej połowie doby. Z sumy wartości miesięcznych. T (m) i Sd (m) uzyskano wartości Te (s) i Sd (s) obejmujące pełny sezon ogrzewczy. Do wyznaczania powyższych wartości, posłużono się następującymi wzorami: Te (s) = 20 – Σ (ΔTe (m)) (7)
Sd (s) = Δ Sd (m) (8)
Z wyżej przeprowadzonej analizy wynika, że obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania powietrza wentylacyjnego w sezonie ogrzewczym, może być określane dwoma wzorami: Qa (s) = Σ Qa (m) (9)
oraz Qa (s) = 24 cp ρp Vc Sd (s) (10)
Podane wzory mają ograniczone zastosowanie do obiektów, w których strumień powietrza wentylacyjnego jest stały w okresie całej doby. Będą to więc budynki z wentylacją grawitacyjną oraz takie, które wymagają stałych warunków wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych. W budynkach zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej występują mieszane systemy wentylacji. Część pomieszczeń (usługi, gastronomia, sale zebrań, itp.) wymaga okresowej wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji. Dla pomieszczeń tych podany w normie [2] wzór (1) nie jest adekwatny do potrzeb, gdyż do obliczeń potrzebna jest wartość średnich miesięcznych temperatur powietrza wentylacyjnego określona dla odcinka czasowego doby, w którym wentylacja mechaniczna jest czynna. Z rozkładu średnich miesięcznych temperatur powietrza wentylacyjnego podanego na rysunku wynika, że średnie powyższe będą różne w zależności od rozpatrywanego odcinka czasowego doby. Z rozpatrywanego rysunku średnie miesięczne temperatury powietrza wentylacyjnego określono dla następujących odcinków czasowych: - dla całej doby (z = 0 - 24 h), - dla okresu z1 = (6-16) h (10 godzin pracy urządzeń wentylacji mechanicznej o obliczeniowym strumieniu powietrza wentylacyjnego), - dla okresu z2 =24 - z1 = (16 - 6) h, w którym działanie wentylacji mechanicznej zastępuje wentylacja grawitacyjna lub wentylacja "dyżurna" o zmniejszonym strumieniu powietrza wentylacyjnego. Obliczone na podstawie rysunku średnie miesięczne temperatury zestawiono w tabeli 2. Obliczenia powyższe przeprowadzono dla trzech rozkładów dobowych temperatur powietrza wentylacyjnego: - rozkładu normalnego (N), przy stabilnych warunkach pogodowych, gdy temperatura powietrza na początku i końcu dnia, jest taka sama lub do siebie zbliżona; - rozkładu temperatur powietrza (W), gdy temperatura w drugiej połowie doby wzrasta (ocieplenie); - rozkład temperatury powietrza (S), gdy temperatura w drugiej połowie doby spada (ochłodzenie). Z wartości średnich temperatur podanych w tabeli 2 wynika, że zmieniają się one zarówno w określonych odcinkach czasu, jak i w zależności od tego, czy mamy pogodę stabilną, czy ulega ona zmianie. Są to wartości różniące się od średnich miesięcznych (dobowych) zalecanych przez normę [2]. Problem ten wymaga zatem oddzielnego omówienia. Autor: dr inż. Edmund NOWAKOWSKI Politechnika Wrocławska
Oznaczenia: cp - ciepło właściwe powietrza w [kJ/ (kg K], C1 - współczynnik oznaczający stosunek średniej miesięcznej temperatur powietrza zewnętrznego dla zakresu czasowego z1, odniesiony do średniej miesięcznej temperatury powietrza zewnętrznego dla doby, podanej w normie PN-B-02025, C2 - współczynnik oznaczający stosunek średniej miesięcznej temperatury powietrza zewnętrznego dla zakresu czasowego z2 odniesiony do średniej miesięcznej temperatury powietrza zewnętrznego dla doby, podanej w normie PN-B-02025, Ld (m) - liczba dni ogrzewania w miesiącu m-tym, Ld (s) = Σ Ld (m) - liczba dni ogrzewania w sezonie ogrzewczym, Sd (m) = [Ti - Te (m)] • Ld (m) - liczba stopniodni w miesiącu m-tym, Sd (s) = Σ Sd (m) - liczba stopniodni w sezonie ogrzewczym, Ti - obliczeniowa temperatura powietrza wewnętrznego w [°C], Tij - obliczeniowa temperatura powietrza wewnętrznego w j-tej strefie budynku w [[°C], Te (m) - średnia temperatura powietrza zewnętrznego w miesiącu m-tym w [[°C], Te (s) - średnia temperatura powietrza zewnętrznego w sezonie ogrzewczym w [[°C], ΔT = Ti – Te (m) - różnica temperatur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego w [K], V - kubatura ogrzewanej części budynku w [m³], Vc - strumień powietrza wentylacyjnego dla całego budynku w [m³/h], V1 - strumień powietrza wentylacyjnego dla części budynku o stałej, całodobowej wentylacji pomieszczeń w [m³], V2 - strumień powietrza wentylacyjnego dla wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji, działającej w czasie z1 w [m³/h], V3 - strumień powietrza wentylacyjnego dla wentylacji “dyżurnej” działającej w czasie z2 w [m³/h], z - czas jednej doby (24 h), dla której określone są średnie temperatury powietrza zewnętrznego Te(m), podane w normie PN-B-02025, z1 - liczba godzin w czasie doby w których działa wentylacja mechaniczna lub klimatyzacja o obliczeniowym strumieniu powietrza wentylacyjnego, z2 = 24 – z2 - liczba godzin w czasie doby, w których działa wentylacja o zmniejszonym strumieniu powietrza wentylacyjnego, ρ - gęstość powietrza w [kg/m³], Qv (m) - straty ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego w j-tej strefie budynku w [kW], Qa (m) = Σ Qv m - straty ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego w budynku w miesiącu m-tym w [kW], Qs = Qa m - zapotrzebowanie na ciepło do podgrzanie powietrza wentylacyjnego w sezonie ogrzewczym w [kW]. LITERATURA: [1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12.04.2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz.U. Nr 75 poz. 690. [2] PN-B-02025; 2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego. [3] PN-B-02025;1998 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych. [4] PN-B-02025;1999 Obliczanie sezonowego zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. [5] PN-83/B-03430/ Az3;2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania. [6] Recknagel-Sprenger : Ogrzewanie i klimatyzacja. Poradnik. Arkady, Warszawa 1976. [7] Rietschel-Raiss : Poradnik ogrzewania i wietrzenia. Wyd. 14, Arkady, Warszawa 1963. [8] Normatyw techniczny projektowania zakładów gastronomicznych. Zarządzenie nr 140-148 Min. Budownictwa i PMB z dnia 27.03.1965. Dz. Bud. Nr 13. Źródło: [url=http://www.tchik.com.pl/]