Szczelność budynków i jej prawidłowe wyznaczanie

Nieszczelność i niekontrolowana infiltracja powietrza może w istotny sposób wpłynąć na charakterystykę energetyczną budynku, zatem liczne kraje europejskie decydują się na wprowadzanie wymagań dotyczących szczelności do swoich przepisów techniczno-budowlanych, uzależniając je np. od rodzaju wentylacji (Niemcy), rodzaju budynku mieszkalnego (Francja) czy zwartości bryły budynku (Hiszpania) [1]. W coraz większej liczbie krajów pomiar szczelności staje się istotnym badaniem, a w niektórych krajach parametr ten uwzględniany jest w obliczeniach charakterystyki energetycznej budynku. W materiale pt. Wpływ szczelności budynku na obliczenia charakterystyki energetycznej budynku (Building airtightness impact on Energy Performance (EP) calculations) ekspertki AIVC wskazały sposoby uwzględniania szczelności budynku w takich obliczeniach i przykładowe praktyki w różnych krajach [1]. Nie uwzględniono w nim Polski, mimo że w krajowej metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku także uwzględnia się jego szczelność [2].

Szczelność budynku a jego charakterystyka energetyczna

Straty energii związane z infiltracją oblicza się w oparciu o wskaźniki szczelności powietrznej budynku i różnicę temperatury między środowiskiem zewnętrznym i wewnętrznym. Dokładne określenie wielkości infiltracji dla danego budynku w określonym momencie czasu wymagałoby znajomości rozkładu ciśnienia w obszarze jego obudowy oraz rozmieszczenia nieszczelności i warunków przepływu powietrza na każdej z nich. Tak szczegółowe dane zwykle nie są dostępne, a szczelność wyznacza się lub mierzy dla całej obudowy przy określonej pomiarowej różnicy ciśnienia, zwykle większej niż w faktycznych warunkach funkcjonowania budynku. Dlatego do wyznaczenia wskaźnika infiltracji na potrzeby obliczeń charakterystyki energetycznej powstały modele obliczeniowe o różnym poziomie dokładności i skomplikowania.

Stosunek nieszczelności i infiltracji zakłada istnienie liniowej zależności pomiędzy roczną wielkością infiltracji powietrza w warunkach naturalnych (q_inf) a poziomem szczelności budynku rozumianym jako wielkość przecieków powietrza przy różnicy ciśnienia 50 Pa (w warunkach badania szczelności powietrza). Zależność tę określono jako:

gdzie:

n_inf – wskaźnik infiltracji, h^-1;

n₅₀ – wskaźnik szczelności budynku przy testowej różnicy ciśnienia 50 Pa, h ^–1;

N – współczynnik mieszczący się w zakresie 10–30, zależny m.in. od miejscowego klimatu, osłon przed wiatrem, wysokości budynki i wielkości dróg wycieków powietrza.

Jako wartość typową N przyjmuje się 20, natomiast w przypadku silnej ekspozycji na wiatr, nierównomiernie rozmieszczonych obszarów nieszczelności czy wreszcie budynków wysokich wartość ta powinna być mniejsza. Przykładowo w Finlandii, gdzie wskaźnik ten uwzględnia się w obliczeniach charakterystyki energetycznej, jego wartość zależy od wysokości budynku i wynosi od 35 w przypadku budynków jednokondygnacyjnych do 15, jeśli budynek ma pięć lub więcej kondygnacji [1].

Przybliżony w ten sposób wskaźnik infiltracji używany jest do określania strat ciepła poprzez infiltrację. Metoda ta stosowana jest również w Polsce, zgodnie z rozporządzeniem w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [2]. Do wyznaczenia wskaźnika infiltracji przyjmuje się współczynnik N wynoszący 20. Jest on uwzględniany w obliczeniach średniego dodatkowego strumienia powietrza zewnętrznego infiltrującego przez nieszczelności V_inf w przypadku wentylacji grawitacyjnej i wyłączonej wentylacji mechanicznej:

gdzie:

n₅₀ – krotność wymiany powietrza w budynku zmierzona przy różnicy ciśnienia 50 Pa, h^–1;

V – kubatura strefy ogrzewanej, m³.

Polska metodologia przewiduje także uwzględnienie infiltracji, jeśli dla danego budynku nie wykonano próby szczelności. Wówczas:

gdzie:

n – krotność wymiany powietrza w budynku spowodowana infiltracją powietrza przez nieszczelności obudowy budynku w warunkach eksploatacyjnych, h^–1; wynosząca n = 0,2 w budynkach wzniesionych po 1995 r. oraz starszych, w których po 1995 r. wymieniono okna i drzwi balkonowe, oraz n = 0,3 w pozostałych budynkach [2].

Na podobnej zasadzie strumień infiltracyjny uwzględnia się w Belgii, gdzie wskaźnik N wynosi 25. W obliczeniach stosuje się wartość q_E50,av,ext – średni strumień strat infiltracyjnych przez obudowę budynku przy 50 Pa [m³/(h ∙ m²)] oraz powierzchnię, przez którą następują straty ciepła AT [m²]. Wówczas:

Jeśli wartość strumienia strat infiltracyjnych nie jest znana, przyjmuje się, że dla ogrzewania q_E50,av,ext wynosi 12 m³/(h ∙ m²), a dla chłodzenia 0 m³/(h ∙ m²) [1].

Modele infiltracji prostej uwzględniają w obliczeniach dodatkowe parametry zależne od czasu, takie jak wpływ warunków pogodowych, charakterystyka budynku czy działanie systemów wentylacyjnych. Przykładowo w Wielkiej Brytanii stosowany jest wskaźnik wynoszący 20, ale z uwzględnieniem miesięcznych współczynników korygujących ze względu na fluktuacje wiatru. Natomiast w Hiszpanii obliczenia wskaźnika infiltracji uwzględniają takie czynniki, jak prędkość wiatru, współczynniki ciśnienia wiatru i ekspozycji (dla dachu oraz dla fasad zależne od orientacji względem kierunku wiatru), parametry przepływu dla nieszczelności zależne od rodzaju i wielkości otworów, przez które następuje infiltracja, oraz wartość projektowanego strumienia powietrza wentylacyjnego [1].

Model ciśnienia równowagi uwzględnia ciśnienie wyznaczone z równania równowagi masowej. Obliczenia wykonywane z określonym krokiem czasowym (często godzinowym) wymagają oszacowania rozkładu ciśnienia i szczelności na fasadzie budynku, choć na niepewność wyników ma wpływ nieznajomość rozmieszczenia nieciągłości w powłoce budynku. Potwierdzono wysoką dokładność oszacowań realizowanych tą metodą, jest ona jednak niewygodna, ponieważ wymaga określenia wielu parametrów wejściowych i rozwiązania równania parametrycznego pozwalającego wyznaczyć ciśnienie zewnętrzne [1]. Metoda ta została opisana w normie ­PN-EN 16798-7 Charakterystyka energetyczna budynków. Wentylacja budynków. Część 7: Metody obliczeniowe służące określaniu strumieni objętościowych powietrza w budynkach, włącznie z infiltracją (Moduł M5-5) [3].

Problem badania szczelności budynków wysokich i wysokościowych

Szczelność budynku w krajach europejskich wyznacza się dzięki pomiarom zgodnym z normą PN-EN ISO 9972:2015-10 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora [4]. Dużym wyzwaniem pozostaje wykonanie wiarygodnego pomiaru szczelności w przypadku budynku wysokiego i wysokościowego ze względu na oddziaływanie tzw. efektu stosu (ang. stack effect). Sama norma PN-EN ISO 9972 [4] wskazuje, że trudno jest spełnić warunek maksymalnej różnicy ciśnień w warunkach przepływu zerowego nieprzekraczającej 5 Pa, jeśli iloczyn wysokości budynku oraz różnicy temperatury zewnętrznej i wewnętrznej (H ∙ ΔT) przekracza 250 m ∙ K (norma nie przedstawia definicji budynku wysokiego, a jedynie odnosi się do sytuacji, w której wysokość i różnica temperatury będą miały wpływ na przebieg badania szczelności). W normie tej nie zawarto wymagań dotyczących przygotowania badań dla tego typu budynków [4].

Efekt stosu i jego wpływ na wiarygodność badania szczelności oraz propozycję alternatywnej metody pomiarowej opisano w rekomendacji AIVC pt. Szczelność budynków wysokich – wpływ błędu efektu stosu na pomiary punktowe (High-rise buildings airtightness – error due to stack effect on point measurements) [5]. Wyjaśniono w niej specyfikę badań szczelności budynków wysokich i wysokościowych (w oryginalnym dokumencie objętych wspólną nazwą „high-rise building”) oraz zaproponowano alternatywne warunki badania do zawartych w normie PN-EN ISO 9972 [4]. Dzięki zastosowaniu tych wskazówek można przeprowadzać testy bardziej wiarygodne, zachowując większą niezależność od warunków przeprowadzania badania.

Zobacz także: Wpływ szczelności na energooszczędność budynków

W przypadku idealnego badania szczelności budynku należy zachować stałą w czasie i jednakową dla całej obudowy budynku różnicę ciśnienia między wnętrzem budynku a środowiskiem zewnętrznym. Spełnienie tego wymogu gwarantuje uwzględnienie wszystkich nieszczelności budynku, a jednocześnie daje pewność, że wyniki badania nie zależą od warunków, w których test się odbywa. W przypadku budynków wysokich nie można uzyskać jednakowej różnicy ciśnienia na całej obudowie budynku – jest to spowodowane efektem stosu i stratami ciśnienia związanymi np. z drzwiami czy klatkami schodowymi.

Efekt stosu oznacza różnicę ciśnienia związaną z różnicą temperatury (a zatem gęstości powietrza) między środowiskiem zewnętrznym i wnętrzem budynku, która może powodować przemieszczanie się powietrza w budynku poprzez otwory lub nieszczelności. Na przykład zimą na wysokich kondygnacjach powstaje nadciśnienie, a przy gruncie, gdzie występuje infiltracja zimnego powietrza (o większej gęstości), powstaje podciśnienie.

Odchyłka różnicy ciśnienia między górną i dolną częścią budynku związana z efektem stosu wynosi:

gdzie:

ρ_int – gęstość powietrza wewnątrz budynku, kg/m³;

ρ_ext – gęstość powietrza na zewnątrz budynku, kg/m³;

g – przyspieszenie ziemskie, m/s²;

H – wysokość budynku, m;

T_int – zewnętrzna temperatura powietrza (przyjęta jako jednolita), °C;

T_ext – temperatura powietrza wewnątrz, °C.

W szczególnym przypadku równomiernego rozłożenia nieszczelności powietrznych na całej wysokości budynku płaszczyzna ciśnienia neutralnego (czyli płaszczyzna, na której ciśnienie na zewnątrz p_ext jest równe ciśnieniu wewnątrz budynku pint, czyli p_ext = p_int) wystąpi w połowie wysokości budynku, a różnica ciśnienia p_ext – p_int będzie miała na najwyższej kondygnacji budynku i na poziomie gruntu taką samą wartość bezwzględną (wynoszącą ½Δ_pstack), ale przeciwny znak [5].

Kiedy ciśnienie potrzebne do wykonania pomiaru szczelności wytwarzane jest w budynku od poziomu gruntu, przeszkody znajdujące się na drodze do kolejnych pomieszczeń i wyższych pięter uniemożliwiają równomierny rozkład ciśnienia w budynku. Różnica ciśnień wymagana do przeprowadzenia pomiaru maleje zatem wraz z wysokością budynku. Co więcej, techniki łagodzenia efektu stosu (np. podział wysokiego budynku na strefy) pogłębiają efekt strat ciśnienia na przeszkodach [5].

Innym ważnym czynnikiem wpływającym na pomiar jest oddziaływanie wiatru – ma ono zmienny charakter i powoduje wytworzenie nadciśnienia na zewnętrznych fasadach nawietrznych i podciśnienia na zewnętrznych fasadach zawietrznych. Z tym związane jest zalecenie, by badania szczelności prowadzić w bezwietrzne dni. Problem oddziaływania wiatru dotyczy nie tylko budynków wysokich, jednak w odniesieniu do nich jest częściej podnoszony – według badań kanadyjskich wpływ efektu stosu jest większy od oddziaływania wiatru w przypadku budynków wyższych niż 40 m [5]. Jedną z możliwości złagodzenia wpływu zarówno oddziaływania wiatru, jak i efektu stosu jest np. zwiększenie różnicy ciśnień podczas pomiarów do 75 Pa, co zaleca w swoim standardzie Amerykańskie Towarzystwo Badań i Materiałów [6].

Wpływ efektu stosu na pomiar szczelności budynku zależy w znacznym stopniu od wysokości budynku (H), różnicy temperatury między środowiskiem zewnętrznym a wnętrzem budynku (ΔT) oraz rozkładu nieszczelności na obudowie budynku. Im większy połączony wpływ takich czynników jak wartość H ∙ ΔT (uwzględnienie wpływu zarówno wysokości, jak i różnicy temperatury) i nierównomierność rozkładu nieszczelności, tym trudniej uzyskać warunki przeprowadzania badania zgodne z normą PN-EN ISO 9972 [4], a błędy pomiarowe mogą przekroczyć nawet 50% [5].

Nowa metodologia pomiaru szczelności dla budynków wysokich i wysokościowych

Zatem zamiast w pełni bazować na warunkach przeprowadzania pomiarów zawartych w normie PN-EN ISO 9972 [4], należy przyjąć następujące kryteria:

• odchylenie standardowe pomiarów ciśnienia w warunkach zerowego przepływu mniejsze niż 5 Pa;
• uśrednienie wyników próby nadciśnieniowej i podciśnieniowej;
• określenie pierwszego punktu pomiarowego w sposób zapewniający, że nadciśnienie/podciśnienie w całej obudowie budynku będzie jednakowe, z marginesem ok. 10 Pa (w warunkach idealnych margines powinien wynosić co najmniej 10 Pa – im niższy, co może być konieczne w określonych warunkach, tym większy błąd);
• H ∙ ΔT < 2000 m ∙ K, aby ograniczyć błąd, a idealnie H ∙ ΔT < 1250 m ∙ K, co pozwala uzyskać różnicę ciśnienia pomiarowego poniżej 100 Pa [5].

Nowa metoda nie wskazuje sposobu przygotowania samego budynku, co w istocie ma istotny wpływ na wynik testu, ale też powinno zależeć od celu badania. Należy jednak przestrzegać następujących zaleceń:

1. Przez kilka dni poprzedzających badanie należy zminimalizować różnicę temperatury między środowiskiem zewnętrznym a wnętrzem budynku – np. w miarę możliwości realizować badanie podczas ciepłej pogody nocą w okresie przejściowym (lub zamknąć osłony przeciwsłoneczne w przypadku prowadzenia badania w dzień) i dobrze przewietrzyć budynek bez ogrzewania lub chłodzenia.

2. Tuż przed próbą nadciśnieniową zmierzyć ciśnienie w warunkach przepływu zerowego Δ_p0,ground oraz:

a. upewnić się, że odchylenie standardowe dla Δ_p0,ground jest niższe niż 5 Pa, co ograniczy wpływ oddziaływania wiatru;

b. upewnić się, że H ∙ ΔT < 2000 m ∙ K (wartość rekomendowana wynosi < 1250 m ∙ K dla prób wielokrotnych z różnicą ciśnienia poniżej 100 Pa).

3. Wyznaczyć wpływ efektu stosu ze wzoru:

Δ_pstack = −(Δ_int−Δ_ext) · g · H ≈ 0,04 · H · (T_int – T_ext)

oraz określić ciśnienie w warunkach zerowego przepływu na najwyższej kondygnacji budynku:

Δ_p0,top = Δ_p0,ground + 0,04 · H · (T_int – T_ext).

4. Wyznaczyć minimalne ciśnienie bezwzględne na drzwiach nawiewnych (p_BD,min), które należy zapewnić w celu uzyskania prawidłowego ciśnienia w całej bryle budynku:

|p_BD,min| = maks (|Δ_p0,top|; |Δ_p0,ground|) + margines bezpieczeństwa.

Ciśnienie wytwarzane przez drzwi nawiewne do uzyskania różnicy ciśnienia:

a. p_BD = −|p_BD,min| dla próby podciśnieniowej;

b. p_BD = |p_BD,min| dla próby nadciśnieniowej.

Margines bezpieczeństwa 10 Pa jest zalecany, by skompensować niepewność pomiaru ciśnienia, wahania ciśnienia w czasie (związane ze zmianami wiatru i temperatury) oraz wahania ciśnienia wokół powłoki budynku zależnie od wysokości i orientacji fasady. Co ważne, przy większych wiatrach margines ten może się okazać niewystarczający.

5. Obliczyć różnicę ciśnienia przy gruncie Δ_ps,ground, którą należy zapewnić podczas pierwszej próby ciśnieniowej:

Δ_ps,ground = p_BD + Δ_p0,ground

Wartość Δ_p0,ground (w przypadku Tint > Text) jest zwykle ujemna, a Δ_pstack dodatnia. Zachodzi także zależność Δ_pstack > –Δ_p0,ground.

Rekomendowane wartości Δ_ps,ground wynoszą:

a. w przypadku próby nadciśnieniowej:

i. jeśli |Δ_p0,top| > |Δ_p0,ground|,

Δ_ps,ground = Δ_pstack + 2 · Δ_p0,ground + 10 [Pa],

ii. jeśli |Δ_p0,top| < |Δ_p0,ground|, Δ_ps,ground = 10 Pa;

b. w przypadku próby podciśnieniowej:

i. jeśli |Δ_p0,top| > |Δ_p0,ground|, Δ_ps,ground = – Δ_pstack – 10 [Pa],

ii. jeśli |Δ_p0,top| < |Δ_p0,ground|, Δ_ps,ground = 2 · Δ_p0,ground – 10 [Pa].

Wartości bezwzględne różnicy ciśnienia są wówczas takie same dla próby nadciśnieniowej i podciśnieniowej. Jeśli osiągnięcie tak określonych wartości jest w danych warunkach niemożliwe, wartość Δ_ps,ground musi gwarantować odpowiedni rozkład ciśnienia w całym budynku. W przypadku próby nadciśnieniowej wartość ta powinna odpowiadać przyjętemu marginesowi bezpieczeństwa, a w przypadku próby podciśnieniowej należy przyjąć wartość Δ_ps,ground = − Δ_pstack – margines bezpieczeństwa.

6. Sprawdzić równomierność rozkładu ciśnienia w budynku.

7. Przeprowadzić pomiary szczelności powietrznej dla kilku testowych różnic ciśnień w trybie próby nadciśnieniowej i podciśnieniowej, spełniając minimalne wymagania w zakresie ciśnienia wytwarzanego na potrzeby próby szczelności budynku. Zgodnie z normą PN-EN ISO 9972 [4] najwyższa testowa różnica ciśnienia powinna wynosić ponad 25 Pa i być jak najbliższa wartości 100 Pa.

8. Zmierzyć ciśnienie w warunkach przepływu zerowego po badaniach i upewnić się, że odchylenie standardowe jest mniejsze niż 5 Pa.

9. Wyznaczyć wynik poprzez uśrednienie prób nadciśnieniowej i podciśnieniowej po regresji [5].

Badanie prowadzone według powyższej metodologii okazuje się bardziej wiarygodne dla budynków wysokich lub w przypadku dużej różnicy temperatury T_int – T_ext.

Literatura

1. Hurel Nolwenn, Leprinc Valérie, Building airtightness impact on Energy Performance (EP) calculations, Ventilation Information Paper No. 46, AIVC, Ghent 2023

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376, z późn. zm.)

3. PN-EN 16798-7 Charakterystyka energetyczna budynków. Wentylacja budynków. Część 7: Metody obliczeniowe służące określaniu strumieni objętościowych powietrza w budynkach, włącznie z infiltracją (Moduł M5-5)

4. PN-EN ISO 9972:2015-10 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Określanie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora

5. Hurel Nolwenn, Leprinc Valérie, High-rise buildings airtightness – error due to stack effect on point measurements, Ventilation Information Paper No. 47, AIVC, Ghent 2023

6. American Society for Testing and Materials, ASTM E779-19. Standard Test Method for Determining Air Leakage Rate by Fan Pressurization