Nowa charakterystyka energetyczna – przewodnik po normach | cz. 1. Straty ciepła przez przenikanie i wentylację

Charakterystyka energetyczna budynku zawiera, w zależności od etapu, na którym jest wykonywana, ocenę przewidywanego lub faktycznego zużycia energii w budynku związanego z jego użytkowaniem, tj. na potrzeby ogrzewania, chłodzenia i wentylacji pomieszczeń, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego oraz pracy urządzeń wspomagających systemy techniczne budynku. W obiektach mieszkalnych jedno- i wielorodzinnych z oceny wyłączony jest zakres oświetlenia wbudowanego.

Każda z poddanych analizie energetycznej dziedzin ma własny zbiór norm przedmiotowych definiujący zakres wymaganych szczegółowych obliczeń, charakterystycznych wielkości w danym zakresie, specyfikę warunków brzegowych i sposoby ich określania czy badania wielkości poszczególnych parametrów.

W nowej metodyce obliczeń charakterystyki energetycznej normy przedmiotowe oraz dane typowego roku meteorologicznego powołane zostały bardzo ogólnie, bez ich szczegółowego wskazania (numeru i tytułu), co w początkowym okresie pracy przysparza sporo trudności. Wybór istotnych w obliczeniach norm wynika z bezpośredniego powołania w rozporządzeniu oraz pośrednio przez odwołania zamieszczone we wskazanych normach.

Obliczenia zapotrzebowania na energię na potrzeby ogrzewania i wentylacji

Algorytm obliczeń zapotrzebowania na energię na potrzeby ogrzewania i wentylacji pomieszczeń przewiduje określenie dla analizowanej przestrzeni:

• współczynników wymiany ciepła przez przenikanie i wentylację oraz strat ciepła przez przenikanie i wentylację,
• całkowitych zysków ciepła – wewnętrznych oraz od promieniowania słonecznego,
• bilansu potrzeb i strat ciepła w skali typowego roku meteorologicznego – zapotrzebowania na energię użytkową,
• średniej sezonowej sprawności całkowitej systemu ogrzewania oraz zapotrzebowania na energię końcową (finalną) na potrzeby ogrzewania i wentylacji,
• zapotrzebowania na energię pomocniczą w systemie,
• współczynników nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii w rozpatrywanym systemie,
• zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną.

Obliczenia wykonuje się w miesięcznym kroku czasowym przy uwzględnieniu elementów klimatu zewnętrznego określonych w typowym roku meteorologicznym wygenerowanym z danych klimatycznych najbliższej, względem lokalizacji analizowanej przestrzeni, stacji meteorologicznej.

W artykule szczegółowo omówiono każdy z elementów wspomnianego algorytmu obliczeń ze szczególnym podkreśleniem zakresu stosowalności norm przedmiotowych.

Straty ciepła przez przenikanie

Obowiązująca metodyka obliczeń charakterystyki energetycznej budynku [15] podaje tylko ogólny wzór opisujący współczynnik wymiany (przenoszenia) ciepła przez przenikanie (1), dalej odwołując się do metody podstawowej obliczeń zawartej w normie dotyczącej instalacji ogrzewczych w budynkach – metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego, tj. normy PN-EN 12831 [9].

(1)

Współczynnik wymiany ciepła ustalany jest dla przegród ograniczających przestrzeń o regulowanej temperaturze w czterech możliwych sytuacjach, w których przegroda oddziela środowisko wewnętrzne (i) od zewnętrznego (e) – Htr,ie (2), przestrzeni o nieregulowanej temperaturze (u) i następnie warunków zewnętrznych (e) – Htr,iue (3); przestrzeni sąsiedniej w tej samej lub przyległej części budynku (j) – Htr,ij (4) oraz gruntu (g) – Htr,ig (5).

(2)

(3)

(4)

(5)

gdzie:
A_k – pole powierzchni k-tego komponentu, m²;
U_k – współczynnik przenikania ciepła k-tego komponentu, W/(m² K);
b_u – współczynnik redukcji temperatury, –;
e, f, G_W – współczynniki korekcyjne (opis w tekście), –;
l – długość węzła tworzącego mostek termiczny, m;
y – liniowy współczynnik przenikania ciepła, W/(m K).

Powołany we wzorach (2–5) współczynnik przenikania ciepła obliczany jest według odpowiedniej normy przedmiotowej z zakresu fizyki budowli, w zależności od rodzaju przegrody chłodzącej:

• PN-EN ISO 6946 [1] – w przypadku przegród pełnych w kontakcie z powietrzem,
• PN-EN ISO 10077-1 oraz PN-EN ISO 10077-2 [5, 6] – w odniesieniu do stolarki otworowej,
• PN-EN ISO 13370 [10] – dla przegród w kontakcie z gruntem.

Granica stosowalności norm PN-EN ISO 13370 i PN-EN ISO 6946 określona została w normie PN-EN ISO 13789 [11]. Przyjęty podział elementów budynku ze względu na kontakt z gruntem prze­biega na granicy wewnętrznego poziomu podłogi na gruncie w przypadku braku podpiwni­czenia oraz na granicy zewnętrznego poziomu gruntu – w sytuacji gdy obiekt ma podziemie ogrzewane.

Wyznaczona izolacyjność termiczna przegród (współczynnik przenikania ciepła U) powinna uwzględniać obliczeniową wartość przewodności cieplnej materiałów tworzących przegrodę określoną na podstawie normy PN-EN ISO 10456 [8] (dotychczas obowiązująca norma PN-EN 12524 została wycofana w marcu 2012 r.).

W przypadku podłóg na gruncie zgodnie z normą PN-EN ISO 13370 opór cieplny warstw podłogowych (Rf) uwzględnia tylko warstwy izolacyjne oraz wykończeniowe i w skrajnym przypadku – wykończenia podłogi posadzką o dużej przewodności cieplnej i braku warstw izolacyjnych – przyjmuje wartość 0 (m² K)/W [10]. Dodatkowo w obliczeniach wymiany ciepła z gruntem należy zwrócić uwagę na sposób obliczania powierzchni i obwodu podłogi, w zależności od występowania lub braku podpiwniczenia (podziemie ogrzewane). Zasadę wymiarowania przedstawiono na rys. 1.

Należy zwrócić uwagę, że powołana w metodyce obliczeń norma PN-EN 12831 dopuszcza, poza obliczeniami zgodnymi z normą PN-EN ISO 13370, wykorzystanie wartości ekwiwalentnej U_eqiuv współczynnika przenikania ciepła podłogi na gruncie, ustalanego na podstawie wartości wymiaru charakterystycznego podłogi B’, zagłębienia górnej warstwy podłogi z oraz podstawowej wartości współczynnika przenikania ciepła U wyznaczonego zgodnie z normą [4].

Należy jednak wskazać, że wykorzystanie wartości ekwiwalentnych nie daje możliwości uwzględnienia rzeczywistych warunków cieplnych podłoża, wpływu izolacji krawędziowej, typu podłogi (w tym podłogi podniesionej), a przede wszystkim – nie ma zastosowania do podłóg o niskim współczynniku przenikania ciepła, np. domów pasywnych, dla których współczynnik przenikania ciepła jest mniejszy niż 0,25 W/(m² K).

Zgodnie ze wzorem (5) współczynnik wymiany ciepła z przestrzeni ogrzewanej do gruntu koryguje się wielkościami f_g1, f_g2 oraz G_W. Współczynnik korekcyjny uwzględniający wpływ wody gruntowej na zwiększenie wymiany ciepła określa się na podstawie normy PN-EN ISO 13370, jednak w tym celu wymagana jest znajomość głębokości lustra wody gruntowej poniżej terenu oraz jej średniej prędkości przepływu.

Wartości przybliżone dla dwóch przypadków (odległość pomiędzy założonym poziomem wód gruntowych oraz płytą podłogi na gruncie wynosząca do i ponad 1 m) podaje norma PN-EN 12831 w załączniku normatywnym NB. Orientacyjna wartość współczynnika uwzględniającego wpływ rocznych wahań temperatury zewnętrznej f_g1 wynosi 1,45, natomiast współczynnik f_g2 (wg wzoru (6)) uwzględnia różnicę między średnią roczną temperaturą powietrza zewnętrznego a jej wartością obliczeniową.

W przypadku obliczeń obciążenia cieplnego pomieszczeń w projektowaniu instalacji centralnego ogrzewania do wyznaczenia współczynnika f_g2 przyjmowane są wartości średniej rocznej temperatury powietrza zewnętrznego w strefie klimatycznej, natomiast do obliczenia charakterystyki energetycznej budynku przyjmuje się średnią roczną temperaturę powietrza zewnętrznego z rozpatrywanej lokalizacji budynku (tabela 1).

(6)

Współczynnik wymiany ciepła przez przenikanie, opisany zależnościami (2) i (3), uwzględnia dwuwymiarową wymianę ciepła przez mostki termiczne. Liniowy współczynnik przenikania ciepła określa się na podstawie katalogu mostków cieplnych zamieszczonego w normie PN-EN ISO 14683 [13], wyznaczonego dla węzłów przegród o współczynniku przenikania ciepła ok. 0,35 W/(m² K).

Katalog zawiera ograniczona liczbę rozwiązań, stąd w przypadku prowadzenia bardziej szczegółowych obliczeń lub analiz węzłów przegród pasywnych lub semi-pasywnych liniowy współczynnik przenikania ciepła mostka termicznego powinien zostać wyznaczony metodą opisaną w normach PN-EN ISO 10211-1 [7] oraz PN‑EN ISO 10211-2, z reguły z zastosowaniem programów numerycznych.

Przy zastosowaniu w obliczeniach systemu wymiarowania zewnętrznego suma iloczynów liniowego współczynnika przenikania ciepła y i długości węzłów tworzących mostek termiczny daje możliwość uwzględnienia, poprzez podwójne przeliczenie, również trójwymiarowej wymiany ciepła powstającej na przecięciu dwóch lub więcej mostków termicznych (rys. 2).

Przy bilansowaniu mostków termicznych należy również zwrócić uwagę, że przez powołanie w metodyce obliczeń charakterystyki energetycznej budynków [15] podstawowej metody wyznaczania współczynnika wymiany ciepła przez przenikanie nie mają dalszego zastosowania wartości poprawkowego współczynnika DU_Tb powszechnie wykorzystywane do uwzględnienia wpływu mostków termicznych w obliczeniach obciążenia cieplnego pomieszczeń metodą uproszczoną [9].

W sytuacji gdy przegroda zamykająca przestrzeń o regulowanej temperaturze graniczy z przestrzenią nieogrzewaną, w obliczeniach współczynnika wymiany ciepła (wzór (3)) stosuje się współczynnik redukcji temperatury wyznaczany zgodnie z normą PN-EN 12831 [9] lub normą PN-EN ISO 13789 [11], opisany zależnościami (7) i (8):

(7)

(8)

gdzie:
q_int,i – temperatura przestrzeni ogrzewanej, °C;
q_u – temp. przestrzeni nieogrzewanej, °C;
q_e – temperatura środowiska zewnętrznego, °C;
H_ue – współczynnik wymiany ciepła pomiędzy przestrzenią nieogrzewaną i środowiskiem zewnętrznym, W/K;
H_iu – współczynnik wymiany ciepła pomiędzy przestrzenią ogrzewaną i nieogrzewaną, W/K.

W przypadku występowania w budynku przegród z izolacją transparentną, wentylowanych ścian słonecznych czy innych komponentów specjalnych obliczenia współczynnika wymiany ciepła przez przenikanie należy wykonać zgodnie z postanowieniami normy PN-EN ISO 13790 [12].

Straty ciepła przez przenikanie, zgodnie z obowiązującą metodyką obliczeń [15], wyznacza się z zależności (9), analogicznie jak w przypadku normy dotyczącej obliczeń energetycznych właściwości użytkowych budynków – obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia [12].

(9)

gdzie:
t_M – liczba godzin w analizowanym miesiącu, h;
q_int,s,H – temperatura rozpatrywanej przestrzeni ogrzewanej s w trybie ogrzewania, °C.

Temperaturę wewnętrzną w strefie (10) oblicza się zgodnie z normą PN-EN ISO 13790 [12] jako średnią ważoną, gdzie wagę stanowi powierzchnia pomieszczeń o regulowanej temperaturze – powierzchnia użytkowa [15] zdefiniowana w normie dotyczącej obliczania wskaźników powierzchniowych i kubaturowych w budownictwie [14] oraz uszczegółowiona w metodyce obliczeń [15] analogicznie do przyjętych zapisów rozporządzenia w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego [16].

(10)

Należy zwrócić uwagę, że zgodnie z obowiązującą metodyką obliczeń [15] jedną strefę obliczeniową można utworzyć w sytuacji, gdy różnica temperatury przestrzeni przyległych strefy ogrzewanej nie różni się więcej niż o 4 K. Szczegółowy opis warunków podziału budynku na strefy obliczeniowe przedstawiony jest w normie poświęconej obliczaniu zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia, tj. PN-EN ISO 13790 [12].

Średnia miesięczna temperatura powietrza zewnętrznego do wzoru (9) przyjmowana jest z danych typowego roku meteorologicznego [19], określonego dla 61 stacji meteorologicznych zlokalizowanych na terenie kraju. Do obliczeń należy przyjmować informacje ze stacji najbliższej względem analizowanej lokalizacji budynku [15].

Straty ciepła przez wentylację

Zgodnie z metodyką obliczeń charakterystyki energetycznej [15] współczynnik wymiany ciepła przez wentylację oblicza się z zależności (11), analogicznie do zapisów normy PN-EN ISO 13789 [11] oraz PN-EN ISO 13790 [12]. W nowym ujęciu obliczeń objętość rozpatrywanych strumieni powietrza warunkuje się przeznaczeniem budynku oraz rodzajem systemu wentylacji (tabela 2).

Objętość uśrednionego w czasie podstawowego strumienia powietrza wentylacji grawitacyjnej lub mechanicznej wywiewnej określona została wskaźnikowo w odniesieniu do powierzchni pomieszczeń o regulowanej temperaturze (12), a w przypadku wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej zależnością (13).

W odniesieniu do przypadków, które nie zostały wyszczególnione w metodyce obliczeń [15], zastosowanie mają postanowienia normy dotyczącej obliczania zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia, tj. PN-EN ISO 13790 [12], która z kolei zawiera powołanie na normy PN-EN 15241 [1] i PN-EN 15242 [2] oraz PN-EN 15243 [3].

(11)

(12)

(13)

gdzie:
r_ac_a – pojemność cieplna powietrza, przyjmowana jako wartość stała wynosząca 1200 J/(m³ K);
b_ve,k – współczynnik redukcji temperatury strumienia k, –;
V_ve,k – rozpatrywany strumień powietrza, m³/s;
V_ve,1,s – podstawowy strumień powietrza zewnętrznego w okresie użytkowania, m³/(m² s);
A_f – powierzchnia przestrzeni o regulowanej temperaturze, m²;
r_n – współczynnik redukcyjny, –.

Współczynnik b, określający udział czasu pracy wentylatorów wentylacji mechanicznej w rozpatrywanym okresie, wynika ze sposobu użytkowania budynku oraz wymagań określonych w przepisach techniczno-budowlanych. W przypadku braku danych wyznaczany jest na podstawie normy PN-EN ISO 13790 [12] zawierającej odnośnik do kolejnej normy, tj. PN-EN 15242 [2].

Średnią miesięczną sprawność odzysku ciepła z powietrza usuwanego przy zastosowaniu gruntowego wymiennika ciepła oblicza się z zależności [15]:

(14)

w której sprawność gruntowego wymiennika ciepła h_GWC,n przyjmowana jest na podstawie danych udostępnionych przez dostawcę, producenta lub zawartych w projektowej dokumentacji technicznej, a sprawność temperaturową wymiennika ciepła h_oc1,n wyznacza się na podstawie zapisów norm PN-EN 15241 i 15242 [1, 2] poprzez powołanie w normie PN-EN ISO 13790 [12].

Dodatkowy strumień powietrza powstający na skutek oddziaływania sił wyporu termicznego oraz działania wiatru V_inf wyznacza się z zależności (15) w przypadku przeprowadzenia badania szczelności powietrznej obudowy. W sytuacji gdy badanie nie zostało przeprowadzone, korzysta się ze wzoru (16), przyjmując krotność wymiany powietrza [15] n na poziomie 0,2 h^–1 – w przypadku budynków wzniesionych po 1995 r. oraz wcześniejszych, o ile po roku 1995 zostały w nich wymienione okna i drzwi balkonowe.

W pozostałych przypadkach przyjmuje się krotność wymiany kubatury wewnętrznej wynoszącą 0,3 h^–1. We wzorach (15) i (16) przez V oznaczono kubaturę wewnętrzną analizowanej strefy wyrażoną w m³.

(15)

(16)

Straty ciepła przez wentylację, zgodnie z obowiązującą metodyką obliczeń [15], wyznacza się z zależności (17), analogicznie jak w przypadku strat ciepła przez przenikanie (10).

(17)

Podsumowanie

W obliczeniach strat ciepła przez przenikanie i wentylację przeprowadzanych na potrzeby określenia charakterystyki energetycznej budynków zastosowanie ma kilkanaście norm przedmiotowych przywołanych w metodyce obliczeń [15] w sposób bezpośredni lub pośredni. Należy podkreślić, że zapisy każdej z wymienionych w artykule norm mają ograniczony zakres zastosowania w obowiązującym algorytmie określania wskaźników energetycznych budynku. Zestawienie głównych i wtórnych powołań normatywnych przedstawiono w tabeli 3.

Pracę ze wskazanym zbiorem norm przedmiotowych utrudnia brak spójności językowej wynikający z ich tłumaczenia na język polski oraz już niezależna od Polskiego Komitetu Normalizacyjnego niespójność przyjętych oznaczeń poszczególnych wielkości. Szeroki zakres powołań zapisów norm przedmiotowych oraz opisane w nich metody obliczeniowe i dopuszczalne uproszczenia powodują możliwość powstania rozbieżności obliczeniowych w zależności od interpretacji dostępnych danych wejściowych oraz przyjętej metodyki postępowania zgodnej z wyszczególnionymi normatywami.

Literatura

1. 1PN-EN 15241:2007 + AC:2011 Wentylacja budynków. Metody obliczenia strat energii w budynkach spowodowanych wentylacją i infiltracją powietrza.
2. PN-EN 15242:2007 Wentylacja budynków. Metody obliczeniowe do wyznaczania strumieni objętości powietrza w budynkach z uwzględnieniem infiltracji.
3. PN-EN 15243:2007 Wentylacja budynków. Obliczanie temperatury wewnętrznej, obciążenia i energii w budynkach wyposażonych w systemach klimatyzacji.
4. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
5. PN-EN ISO 10077-1:2007 Cieplne właściwości okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 1: Metoda uproszczona
6. PN-EN ISO 10077-2:2012 Cieplne właściwości okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 2: Metoda komputerowa dla ram.
7. PN EN ISO 10211-1:2008 Mostki cieplne w budynkach. Strumień cieplny i temperatura powierzchni. Ogólne metody obliczania.
8. PN-EN ISO 10456:2009 Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych.
9. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia ciepl­nego.
10. PN-EN ISO 13370:2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Przenoszenie ciepła przez grunt. Metody obliczania
11. PN-EN ISO 13789:2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania.
12. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
13. PN-EN ISO 14683:2008 Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczyn­nik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne.
14. PN-ISO 9836:1997 Właściwości użytkowe w budownictwie. Określanie i obliczanie wskaźników powierzchniowych i kubaturowych.
15. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub samodzielnej części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU 2014, poz. 888).
16. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 27 kwietnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU 2012, poz. 462).
17. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926).
18. Gawin D., Sabiniak H. red., Świadectwa charakterystyki energetycznej. Praktyczny poradnik, ArCADiasoft Chudzik sp.j., Łódź 2010.
19. Typowy rok meteorologiczny, www.mir.gov.pl.