Zmiany klimatu wymagają zmian w projektowaniu systemów HVAC

21 czerwca 2023 r., podczas XI Kongresu PORT PC w Krakowie, miała miejsce premiera raportu z kompleksowych prac badawczych prowadzonych w ramach projektu Strefy Klimatyczne Polski 2000 (SKP2000), którego celem było wyznaczenie nowych parametrów obliczeniowych klimatu Polski dla zimy i lata. Parametry te są wykorzystywane przy projektowaniu systemów ogrzewania oraz wentylacji, chłodzenia i klimatyzacji w budynkach. Podstawą zmian były dane meteorologiczne zmierzone w latach 1991-2020, a więc obejmujące okres aż 30 lat. Projekt ten dopełnia prace zakończone jesienią 2022 r., realizowane w ramach projektu TLM2000, aktualizującego dane dla typowego roku meteorologicznego w Polsce.

Inicjatorami i sponsorami wspomnianych projektów były trzy podmioty: Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC), Stowarzyszenie Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych (SPIUG) oraz firma KAN Sp. z o.o. Prace prowadził wybitny specjalista – dr inż. Piotr Narowski z Politechniki Warszawskiej.

Przeczytaj artykuł Piotra Narowskiego Nowe typowe lata meteorologiczne dla Polski

Nieaktualne dane i brak podstaw prawnych

Pierwszą normą wprowadzającą podział Polski na strefy klimatyczne i określającą wartości obliczeniowe temperatury zewnętrznej na potrzeby ogrzewnictwa była norma PN/B-102 z 1934 r. Wyznaczono wówczas cztery strefy klimatyczne, z temperaturą od -25 do -15°C i dodatkową, piątą strefę o temperaturze -25°C dla obszarów położonych powyżej 600 m n.p.m. Kolejne normy pojawiły się w 1950 r. (nowelizacja w 1957 r.), 1974 r., 1982 r. i 2006 r. W tej ostatniej, PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego, znajduje się obecny podział Polski na pięć stref klimatycznych. Warto jednak zaznaczyć, że podział ten, wraz z wartościami temperatury obliczeniowej zewnętrznej w zakresie od -24 do -16°C, przyjęto wprost z normy z 1982 r. – PN-82/B-02403 Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe. Parametry podane w normie PN-EN 12831:2006 zostały więc wyznaczone na podstawie danych z wieloletnich pomiarów sprzed roku 1982. Norma ta została już wycofana i zastąpiona w 2017 r. normą PN-EN 128311-1:2017-08 w wersji angielskiej, w której, niestety, nie ma danych potrzebnych do projektowania.

Nie lepiej jest w przypadku danych obliczeniowych powietrza zewnętrznego do projektowania systemów wentylacji, chłodzenia i klimatyzacji. Tu również mamy normę prawie 50-letnią, z 1976 r. − PN76/B03420 Wentylacja i klimatyzacja – Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego, obecnie również wycofaną. Norma ta wprowadza podział Polski na dwie strefy klimatyczne, wskazując parametry obliczeniowe powietrza tylko w okresie od kwietnia do września, dodatkowo określając takie parametry jak entalpia, zawartość wilgoci czy wilgotność względna jako pojedyncze wartości dla tych miesięcy.

Sytuację dodatkowo komplikują obowiązujące przepisy techniczno-budowlane. W rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych możemy w zakresie ogrzewnictwa znaleźć odwołanie do normy PN-EN 12831:2006 oraz PN-82/B-02403, choć obie zostały wycofane ze zbioru norm PKN. Co więcej, rozporządzenie to nie wskazuje jakichkolwiek parametrów obliczeniowych na potrzeby projektowania układów chłodzenia, wentylacji czy klimatyzacji.

Skutek jest taki, że projektanci albo są zobowiązani do korzystania z wycofanych norm (układy ogrzewcze), albo korzystają z wycofanych norm w ramach tzw. dobrej praktyki projektowej (układy chłodzenia, wentylacji czy klimatyzacji). W każdym z tych przypadków parametry wskazane w normach nie były aktualizowane przez wiele lat.

Mamy rzetelne odniesienie, potrzebujemy bardziej dokładnych narzędzi

W ramach prac związanych z aktualizacją danych zostały określone nowe wartości parametrów obliczeniowych klimatu Polski aż dla 56 stacji meteorologicznych. Uwzględniono przy tym dane meteorologiczne z lat 1991-2020 (okres 30 lat). Podstawą obliczeń było sześć części normy PN-EN ISO 15927 Cieplno-wilgotnościowe właściwości użytkowe budynków -- Obliczanie i prezentacja danych klimatycznych oraz wytyczne ASHRAE. Części tej normy posłużyły do wyznaczenia kilkunastu parametrów i wartości statystyk parametrów klimatu, które następnie zostały wykorzystane do wyznaczenia nowych map stref klimatycznych Polski dla okresu zimy i lata.

Przeprowadzone analizy przekonują, że choć parametry obliczeniowe można przedstawiać tak jak dotychczas − jako mapy izolinii, to zdecydowanie bardziej dokładne są mapy z obszarami, którym przyporządkowuje się właściwe dla nich parametry. Można też stworzyć tabele parametrów, np. dla poszczególnych powiatów, co zapobiegnie interpolacji wyników parametrów obliczeniowych  z map izolinii lub obszarów przyporządkowanych synoptycznym stacjom meteorologicznym.

Mapy z obszarami, które przedstawiono w ramach raportu zaprezentowanego na kongresie (rys. 1 i 2), nie uwzględniają zmian parametrów obliczeniowych klimatu związanych z położeniem terenu nad poziomem morza i nie są one ostatecznym rozwiązaniem. Warto opracować precyzyjne narzędzie, uwzględniające aproksymację parametrów obliczeniowych z uwzględnieniem topografii terenu, wysp ciepła występujących w aglomeracjach miejskich (np. Warszawa Okęcie 30°C, Warszawa Śródmieście 33°C) czy obszarów mikroklimatu (np. mikroklimat Trójmiasta).

Jak zmieniły się wartości temperatury obliczeniowej?

Gdy porównano wciąż obowiązujące wartości obliczeniowej temperatury zewnętrznej dla zimy z nowymi wartościami, określonymi na podstawie danych z lat 1991-2020, właściwie dla każdej z analizowanych lokalizacji stwierdzono istotne różnice (zaniżenie wartości obliczeniowej dla zimy). Przykładowo:

• Łeba, I strefa, zmiana z -16°C na -11,2°C, różnica 30%,
• Zielona Góra, II strefa, zmiana z -18°C na -12,5°C, różnica 31%,
• Łódź, III strefa, zmiana z -20°C na -14,5°C, różnica 28%,
• Warszawa, III strefa, zmiana z -20°C na -15,2°C, różnica 24%,
• Siedlce, IV strefa, zmiana z -22°C na -17,2°C, różnica 22%,
• Zakopane, V strefa, zmiana z -24°C na -16,6°C, różnica 31%,
• Suwałki, V strefa, zmiana z -24°C na -18,8°C, różnica 22%.

Średnio wartości temperatury obliczeniowej dla ogrzewnictwa okazały się wyższe w stosunku do obecnie obowiązujących aż o około 27%, a to oznacza, że moc obliczeniową urządzeń i systemów ogrzewania można średnio obniżyć o około 13%.

W przypadku temperatury obliczeniowej powietrza zewnętrznego dla lata różnice w stosunku do wartości wskazanych w normie PN76/B03420 są zdecydowanie mniejsze lub nie występują. Przykładowo:

• Łeba, I strefa, zmiana z 28°C na 26,9°C, różnica -4%,
• Zielona Góra, II strefa, zmiana z 30°C na 30,0°C, różnica 0%,
• Łódź, II strefa, zmiana z 30°C na 30,3°C, różnica 1%,
• Warszawa, II strefa, zmiana z 30°C na 30,3°C, różnica 1%,
• Siedlce, II strefa, zmiana z 30°C na 29,9°C, różnica 0%,
• Zakopane, II strefa, zmiana z 30°C na 26,7°C, różnica -11%,
• Suwałki, II strefa, zmiana z 30°C na 28,7°C, różnica -4%.

Wartości temperatury obliczeniowej wykorzystywane na potrzeby projektowania układów wentylacji i klimatyzacji w zasadzie pozostają więc bez zmian, ale za wyjątkiem terenów położonych na większej wysokości, gdzie obserwuje się spadek o około 10%.

Analizując wyniki obliczeń, warto zwrócić uwagę, że zgodnie z normą PN-EN ISO 15927 czy wytycznymi ASHRAE, projektowych parametrów powietrza zewnętrznego jest znacznie więcej niż tylko wartość temperatury. Są one zróżnicowane dla okresu zimy i lata, przy czym dodatkowo uwzględniana jest intensywność pewnych czynników. Wśród tych parametrów wymienia się np. temperaturę termometru suchego, temperaturę termometru mokrego, temperaturę punktu rosy, zawartość wilgoci, prędkość i kierunek wiatru czy entalpię powietrza oraz współwystępujące prędkości i kierunki wiatru.

Co dalej z projektami SKP2000 i TLM2000?

Jednym z głównych wniosków podsumowujących prace realizowane w ramach projektów SKP2000 i TLM2000 jest konieczność aktualizacji Warunków Technicznych i załącznika krajowego do normy PN-EN 12831 lub też opracowanie nowych norm, tak aby nowe parametry obliczeniowe były formalnie uwzględniane przy obliczaniu zapotrzebowania na moc systemów ogrzewania, chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji budynków. Należy również przewidzieć okresowe aktualizacje parametrów obliczeniowych, aby nie dopuścić do powtórki z obecnej sytuacji, w której parametry obliczeniowe klimatu Polski nie były aktualizowane od niemal pół wieku.

Jesienią tego roku inicjatorzy przedsięwzięcia, PORT PC, SPIUG i firma KAN, planują zorganizować spotkanie z przedstawicielami branży poświęcone projektom SKP2000 i TLM2000, z udziałem dr inż. Piotra Narowskiego, specjalisty, który prowadził prace. Zostaną na nie zaproszeni także przedstawiciele Ministerstwa Rozwoju i Technologii. Celem spotkania będzie m.in. wypracowanie wspólnego stanowiska w sprawie ostatecznej prezentacji zmian parametrów obliczeniowych – czy będą one przedstawione w postaci map ze strefami (obszarami) klimatycznymi, czy też dla każdego powiatu zostaną przyporządkowane odpowiednie wartości projektowej temperatury zewnętrznej. Planowane jest również bezpłatne udostępnienie aktualnych danych obliczeniowych w otwartej formule (arkusze kalkulacyjne).

mat. PORT PC