Wentylacja w budynkach niemieszkalnych wg PN-EN 15251

PN-EN 15251 [2] jest wprowadzeniem w języku oryginału do polskiego systemu normalizacji międzynarodowych ustaleń zawartych w normie europejskiej. Norma ta opisuje warunki środowiska wewnętrznego, które powinny zostać zapewnione, aby umożliwić użytkowanie pomieszczeń i budynków zgodnie z ich przeznaczeniem oraz gwarantować przebywającym w nich osobom właściwe warunki higieniczne.

Wymagania uwzględniające jakość powietrza, warunki termiczne, oświetlenie oraz hałas dotyczą:

• projektowania budynków, pomieszczeń oraz ich systemów grzewczych, chłodniczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych,
• obliczeń zużycia energii w budynku,
• oceny środowiska wewnętrznego, w tym ocen długookresowych,
• pomiarów środowiska wewnętrznego w istniejących budynkach,
• klasyfikacji oraz certyfikacji budynków lub ich części.

Podane w normie [2] standardy odnoszą się do budynków nieprzemysłowych, takich jak: mieszkalne, użyteczności publicznej, oświatowe, handlowe itp., w których warunki środowiska wewnętrznego można oszacować na podstawie typowych zachowań użytkowników. Zaproponowano podział obiektów na cztery kategorie uwzględniające różny poziom warunków komfortu zapewnionych użytkownikowi [1, 2]. Oznaczono je kolejnymi cyframi rzymskimi od I do IV.

Pierwsza dotyczy obiektów o szczególnie wysokich wymaganiach, drugiej odpowiadają wymagania standardowe, trzeciej niższy standard, ale jeszcze akceptowalny. Do czwartej kategorii zaliczono takie pomieszczenia i budynki, w których warunki środowiska wewnętrznego są poza zakresem ustalonym dla wyższych kategorii (i to pod warunkiem, że taki stan w trakcie całego roku może wystąpić jedynie przez ograniczony okres czasu).

W normie PN-EN 15251 [2] dopuszcza się zróżnicowanie warunków w zależności od typu budynku, sposobu użytkowania pomieszczeń, klimatu czy konkretnych uwarunkowań danego kraju. Projektant ma swobodę określenia założeń obliczeniowych, istotne jest jednak, aby kierował się ogólnymi zasadami ustanowionymi tą normą. Powinny gwarantować taką ilość powietrza zewnętrznego, doprowadzanego ciepła lub chłodu, aby temperatura powietrza w pomieszczeniu mieściła się w zakresie zadanych wartości minimalnej i maksymalnej.

Przy określaniu strumienia powietrza wentylacyjnego trzeba brać pod uwagę wymagania zawarte w EN 15241 [3] i EN 15242 [4]. Poza standardami podanymi w EN należy jednak przede wszystkim uwzględniać szczegółowe wymagania krajowe. W przypadku ich braku norma [2] odsyła do swoich załączników (o charakterze informacyjnym), w których omówiono i zilustrowano przykładami ogólne metody obliczeniowe. Ich wykorzystanie może zapewnić utrzymanie właściwych parametrów środowiska wewnętrznego dla różnych wyszczególnionych kategorii pomieszczeń, przy typowym ich użytkowaniu (warunki uśrednione) i sprawnie działających instalacjach.

Zwrócono też uwagę, aby przyjęte przez projektanta założenia dotyczące warunków środowiska wewnętrznego były przez niego czytelnie opisane w dokumentacji projektowej [1, 2].

Założenia

Wymagania projektowe dotyczące zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza opisane w normie PN-EN 15251 [2] podzielono na dwie grupy: dla budynków mieszkalnych i budynków niemieszkalnych. Wskazano, że ich podstawę powinny stanowić przede wszystkim wytyczne krajowe. Podkreślono, że w większości państw ustanowione są szczegółowe zasady, które regulują metodę projektowania wentylacji mechanicznej, naturalnej czy wywiewnej. Norma europejska [2] ustala standard, który należy stosować w przypadku braku rozwiązań krajowych lub nie są tak szczegółowe. Konkretne zalecenia opisano w jej załączniku informacyjnym oznaczonym literą B.

Według PN-EN 15251 [2] dla budynków mieszkalnych strumień objętości powietrza wentylacyjnego jest wyznaczany w oparciu o krotność wymiany powietrza na godzinę, wymagany strumień powietrza zewnętrznego (obliczony na podstawie jednostkowego wskaźnika odniesionego do powierzchni podłogi lub do liczby mieszkańców) oraz strumień powietrza wywiewanego (łazienka, kuchnia, wc) [1, 2].

W przypadku budynków niemieszkalnych zagadnienie jest jednak bardziej złożone. Niezbędne jest uwzględnienie wymagań wynikających z konkretnego przeznaczenia użytkowego pomieszczeń. Obliczeniowy objętościowy strumień powietrza wentylacyjnego jest wypadkową wynikającą z warunków stwarzanych przebywającym w pomieszczeniu osobom, prowadzonej tam działalności oraz zachodzących procesów fizyko-chemicznych. Ogólne metody obliczeniowe bazują na wskaźnikach odniesionych do liczby osób, powierzchni podłogi pomieszczeń oraz poziomu stężenia CO₂.

Zwrócono uwagę, że tak wyznaczany strumień powietrza wentylacyjnego, wynikający ze spełnienia kryteriów środowiska wewnętrznego ustalonych normą [2] nie zależy od pory roku, a wynika ze sposobu użytkowania, zachowań osób przebywających w pomieszczeniu (palenie tytoniu, gotowanie, pranie, sprzątanie...), zachodzących procesów (np. obsługa kserokopiarek i drukarek w biurze, doświadczenia chemiczne w szkole...) czy emisji zanieczyszczeń chemicznych z materiałów zastosowanych do budowy i wyposażenia pomieszczenia.

Oczywiste jest, że podstawą wyznaczenia projektowanego strumienia powietrza wentylacyjnego mogą być też inne czynniki (np. zyski ciepła jawnego czy wilgoci). Ważne jest też, aby zidentyfikować dla pomieszczenia główne źródła zanieczyszczenia powietrza i w miarę możliwości dodatkowo ograniczyć ich oddziaływanie [2].

Metody obliczeń

Nie istnieje jeden, ogólny, uniwersalny wskaźnik oceny jakości powietrza wewnętrznego. Wobec tego jakość jest opisywana poprzez niezbędny strumień powietrza wentylacyjnego lub dopuszczalne stężenie CO₂. W przypadku niewystępowania w pomieszczeniu procesów technologicznych mogących wpłynąć w sposób odczuwalny na jakość powietrza zależy ona od emisji zanieczyszczeń przez ludzi (wydychane produkty przemian metabolicznych, dym tytoniowy itp.), uzależnionej od ich zachowań i aktywności („składowa ludzka”), oraz od emisji substancji chemicznych z materiałów użytych do budowy i wyposażenia pomieszczenia („komponent budowlany”).

Wyznaczony w oparciu o metody podane w PN-EN 15231 [2] strumień powietrza wentylacyjnego dla budynków niemieszkalnych (i nieprzemysłowych) wynika tylko z kryteriów komfortu i zdrowia. Warunki zdrowotne zapewnione są przez odpowiednie zmniejszenie stężeń zanieczyszczeń w powietrzu, warunki komfortu poprzez eliminację stanu (np. nieprzyjemne zapachy, czynniki powodujące podrażnienia itd.), który choć nie stwarza zagrożenia dla zdrowia przebywających osób, może wywoływać ich niezadowolenie (np. mierzony wskaźnikiem PPD, tj. przewidywanym odsetkiem osób niezadowolonych).

Brak jest kompleksowej wiedzy na temat wzajemnych interakcji poszczególnych zanieczyszczeń. Nie można zatem jednoznacznie stwierdzić, czy skutki zawartości w powietrzu różnych substancji chemicznych będą się sumować, czy też można uznać, że oddziałują na człowieka niezależnie od siebie [2]. Owszem, powietrze wentylujące pomieszczenie redukuje stężenia wszystkich zanieczyszczeń równocześnie, jednak może być konieczne, aby niezbędny strumień powietrza wentylacyjnego określony został odrębnie dla każdego z czynników i na koniec zsumowany.

W normie PN-EN 15251 [2] wskazano zatem na trzy podstawowe metody obliczeń, warunkujące zapewnienie przyjętych kryteriów jakości powietrza wewnątrz pomieszczeń w budynkach niemieszkalnych:

• wymagany strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego określony jako suma ilości wynikającej z czynników ludzkich (dodatkowo jeszcze, z uwzględnieniem palenia lub niepalenia tytoniu) i wynikającej z „komponentu budowlanego”,
• wymagany strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego określony alternatywnie na podstawie wskaźników odniesionych do liczby osób lub odniesionych do powierzchni podłogi,
• wymagany strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego określony na podstawie bilansu masowego i dopuszczalnego poziomu stężenia CO₂.

Nie ma pośród metod wskazanych w normie [2] sposobu opartego na wskaźnikach krotności wymiany powietrza w pomieszczeniu, jak ma to w niej miejsce w przypadku budynków mieszkalnych. Warto tu jednak zwrócić uwagę, że podane dla budynków mieszkalnych wskaźniki krotności wymiany powietrza i jednostkowego strumienia powietrza odniesionego do 1 m² powierzchni podłogi są w zasadzie tożsame, gdy przyjąć wysokość pomieszczeń w świetle równą 2,5 m.

Suma dwóch składowych

Jako pierwszą metodę stosowaną do wyznaczenia strumienia powietrza wentylacyjnego podczas projektowania instalacji wentylacji i klimatyzacji w budynkach niemieszkalnych wskazano w [2] sposób, w którym łącznie uwzględnia się strumień powietrza wynikający z obecności użytkowników w pomieszczeniu i strumień eliminujący zanieczyszczenia emitowane z konstrukcji budowlanej pomieszczenia i jego wyposażenia. Opisuje to zależność [2]:

gdzie:
q_tot– całkowity strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego dla pomieszczenia [dm³/s],
n – obliczeniowa liczba użytkowników pomieszczenia,
q_p – wskaźnik jednostkowy odniesiony do liczby użytkowników [dm³/(s · osobę)],
A – powierzchnia podłogi pomieszczenia [m²],
q_B – wskaźnik jednostkowy dla określenia wpływu „komponentu budowlanego” [dm³/(s · m²)].

Dla poszczególnych kategorii budynków (i ich pomieszczeń) – wg klasyfikacji przyjętej w [2] – w tabeli 1. zestawiono wskaźniki jednostkowe q_p, dodatkowo uzupełniając ją o kolumnę z wartościami PPD. Wartości PPD są przy tym wyższe niż w przypadku określonych w normie [2] rekomendacji dotyczących warunków termicznych. Widać z tego, że w podziale na kategorie obiektów przyjmowane są różne wartości podstawowych mierników komfortu, w zależności od analizowanego parametru warunków środowiska wewnętrznego.

Odrębnie zostały określone też wskaźniki jednostkowe dla drugiej składowej sumy (1). Wyszczególniono przy tym trzy poziomy emisji substancji szkodliwych z konstrukcji budowlanej pomieszczenia (i przez jego wyposażenie) – tab. 2. W normie PN-EN 15251 [2] wprowadzono definicję budynków:

• z bardzo niską emisją zanieczyszczeń – obiekty, dla których w sposób niezwykle starannie przeprowadzono dobór materiałów konstrukcyjnych oraz wyposażenia pod względem niskiej emisji zanieczyszczeń, a w pomieszczeniach zabronione są czynności i procesy mogące powodować emisję zanieczyszczeń, nie przewiduje się też obecności w nich źródeł zanieczyszczeń takich jak dym tytoniowy itp.,
• z niską emisją zanieczyszczeń – obiekty, dla których dokonano doboru materiałów konstrukcyjnych oraz wyposażenia pod względem niskiej emisji zanieczyszczeń, a w pomieszczeniach czynności lub procesy mogące powodować emisję zanieczyszczeń są zabronione lub dopuszczone w ograniczonym zakresie,
• z emisją zanieczyszczeń – obiekty istniejące lub nowo wznoszone, dla których nie zwracano uwagi na ograniczenie stosowania materiałów mogących emitować zanieczyszczenia powietrza, a w pomieszczeniach nie są zabronione czynności i procesy powodujące emisję zanieczyszczeń, dopuszcza się też występowanie w nich źródeł zanieczyszczeń takich jak np. dym tytoniowy,

omawiając równocześnie w załączniku informacyjnym C kryteria umożliwiające dokonanie tego podziału. Według podanej w [2] charakterystyki w budynkach z niską emisją zanieczyszczeń zastosowane są w większości materiały o niskiej emisji zanieczyszczeń, czyli takie jak naturalne materiały (szkło, kamień), o których wiadomo, że są bezpieczne pod względem emisji niebezpiecznych substancji chemicznych, oraz materiały, które spełniają określone kryteria (tab. 3.).

W budynkach z bardzo niską emisją zanieczyszczeń zastosowane są natomiast w większości materiały o bardzo niskiej emisji zanieczyszczeń, a w ich pomieszczeniach jest kategorycznie zabronione palenie tytoniu. Materiały o bardzo niskiej emisji zanieczyszczeń wg [2] to tradycyjne, naturalne materiały (szkło, kamień, metal), o których wiadomo, że są bezpieczne pod względem emisji niebezpiecznych substancji chemicznych oraz materiały, które spełniają określone kryteria (tab. 3.) [2].

W załączniku B normy PN-EN 15251 [2] dla wybranych typów pomieszczeń, określając przez analogię do wzoru (1), w odrębnej tabeli podano również wartości wskaźników całkowitego strumienia powietrza wentylującego (odniesionego do powierzchni pomieszczenia) q_tot/A_t oraz wskaźników jednostkowych odniesionych do liczby użytkowników (przeliczonych jednak na jednostkową powierzchnię użytkową pomieszczenia A_j) q_p /A _j.

W zasadzie takie przeliczenie nie wnosi prawie nic nowego, gdyż łatwo jest w większości przypadków podanych przykładów pomieszczeń dokonać przeliczeń wartości podanych w tab. 2., po przyjęciu wskaźników powierzchni podłogi przypadającej na jednego użytkownika. Co najwyżej tabela B.2. normy PNEN 15251 [2] sugeruje, że podana w normie trochę wcześniej wartość q_B dla budynków z bardzo niską emisją zanieczyszczeń i III kategorią równą 0,3 dm³/(s · m²) może być skutkiem błędu autorów lub popełnionym już w trakcie składu druku.

W tabeli dla wszystkich ośmiu wybranych typów pomieszczeń konsekwentnie podano bowiem dla takiego przypadku wartość 0,2 dm³/(s · m²). Taką samą wartość (tj. 0,2) powtórzono również w tabeli B.3. przy omawianiu kolejnego sposobu obliczeń, bazującego na tych samych założeniach podstawowych, a jedynie nieuwzględniającego sumowania dwóch składowych strumienia powietrza wentylacyjnego.

Przykładowe wartości zalecanego całkowitego jednostkowego strumienia powietrza wentylacyjnego odniesione do powierzchni pomieszczenia (q_tot/A_t ) podano w tabeli B.2. normy dla: pojedynczego pomieszczenia biurowego (A_j = 10 m²/osobę), biura wielkoprzestrzennego (A_j = 15 m²/osobę), sali konferencyjnej (A_j = 2 m²/osobę), sali audytoryjnej (A_j = 0,75 m²/osobę), sali restauracyjnej (A_j = 1,5 m²/osobę), sali lekcyjnej (A_j = 2,0 m²/osobę), sal w przedszkolach (A_j = 2,0 m²/osobę; zwiększono przy tym jednostkowy wskaźnik strumienia powietrza na osobę o 20%) oraz domów towarowych (A_j = 7 m²/osobę).

Dużo bardziej istotnym zagadnieniem jest podanie w tej tabeli dodatkowego strumienia powietrza wentylacyjnego wynikającego z dopuszczenia palenia tytoniu w pomieszczeniu. W takich warunkach wartość wyznaczona ze wzoru (1) poza tym, że obliczona jest jak dla budynków z emisją zanieczyszczeń, to jeszcze powinna być zwiększona o iloczyn powierzchni pomieszczenia i wskaźnika jednostkowego q_smok.

Podane wartości wskaźnika (tab. 4.) określono w [2] przy założeniu, że 20% przebywających w pomieszczeniu osób jest palaczami i będą palić 1,2 papierosa na godzinę. W przypadku przewidywania większej intensywności palenia podane wartości należy proporcjonalnie zwiększyć. Oczywiste jest, że ten wskaźnik jednostkowy określony jest jedynie na podstawie kryterium komfortu i pomija kryterium bezpieczeństwa dla zdrowia [2].

Alternatywa składowych

PN-EN 15251 [2] wskazuje, że poza określeniem strumienia powietrza wentylacyjnego na podstawie wzoru (1) niekiedy może być stosowana metoda przyjmująca do projektowania instalacji wartość maksymalną z obliczonej na podstawie liczby osób i na podstawie powierzchni pomieszczenia:

Można też przyjmować wartość pośrednią, zawartą w przedziale ograniczonym wartościami wyznaczonymi na podstawie wzorów (1) i (2). Gdy nie ma szczegółowych zaleceń krajowych, projektant samodzielnie powinien podjąć decyzję o wyborze metody, uzasadniając ją w dokumentacji projektowej [2].

Bilans CO₂

Jakość powietrza wewnętrznego określana może być również na podstawie stężenia dwutlenku węgla. Strumień objętościowy powietrza wentylacyjnego może być wówczas określony w oparciu o bilans masy CO₂ wykonany dla pomieszczenia, z uwzględnieniem stężenia CO₂ w powietrzu nawiewanym (zewnętrznym). Norma PN-EN 15251 [2] odsyła do szczegółów zawartych w normie EN 13779 [5], podając jednak wartości graniczne stężeń dla poszczególnych kategorii budynków (tab. 5.).

Przerwa w użytkowaniu

W okresie braku użytkowania wentylowanych pomieszczeń strumień powietrza wentylacyjnego powinien zostać ograniczony. Minimalny strumień powietrza musi wynikać ze specyfiki użytkowania budynku i specyfiki źródeł zanieczyszczenia powietrza. W przypadku braku krajowych przepisów w tym zakresie norma [2] zaleca przyjmować jednostkowy strumień powietrza z przedziału 0,1÷0,2 dm³/(s · m²).

Przed rozpoczęciem użytkowania pomieszczeń konieczne jest zintensyfikowanie działania wentylacji i uzyskanie 2-krotnej wymiany powietrza. Oznaczać to będzie, że po przerwie w użytkowaniu budynku powinien zostać zwiększony strumień powietrza wentylacyjnego z wartości minimalnej do wartości gwarantującej uzyskanie odpowiedniej krotności wymian (np. zwiększenie strumienia powietrza wentylacyjnego tylko na 30 min przed otwarciem wymaga zapewnienia w tym czasie krotności 4 h–1, na 1 godz. przed – krotności 2 h–1 itd.). W tym bilansie powietrza nawiewanego należy uwzględnić infiltrację powietrza zewnętrznego [2].

Podsumowanie

Ustanowienie PN-EN 15251 [2] jest konsekwencją tworzenia w Europie jednolitego standardu metod obliczania efektywności energetycznej budynków i związanych z tym pojęciem założeń obliczeniowych dla projektowania instalacji grzewczych, chłodniczych, wentylacji, klimatyzacji czy elektrycznych. Wynika to z wdrażania do prawodawstwa państw członkowskich UE europejskiej dyrektywy EPBD [6]. Trzeba pamiętać, że dyrektywy europejskie stanowią tylko ogólne ramy dla krajowych systemów prawa, pozostawiając swobodę w zakresie szczegółów rozwiązań. Tak jest i w przypadku dyrektywy 2002/91/EC [6].

PN-EN 15251 [2] również wskazuje na pierwszeństwo ustaleń krajowych, oczywiście nie powinny być sprzeczne z ogólnymi zasadami opisanymi w tej normie. W zakresie wymagań dotyczących obliczeń strumienia powietrza wentylacyjnego zapewniającego właściwą jakość powietrza w pomieszczeniach niemieszkalnych (i równocześnie nieprzemysłowych) podaje dość ogólne zalecenia, polegając na wiedzy projektanta i właściwie podejmowanych przez niego decyzjach.

Jest też uzupełnieniem zasad zawartych w innych normach (np. [3, 4, 5]) i przepisów krajowych, które dopiero traktowane łącznie tworzą podstawę do wymiarowania instalacji. Ogólną zasadą, którą kieruje się, jest zapewnienie odpowiednich warunków osobom przebywającym w pomieszczeniu, natomiast ograniczeniu zużycia energii nadaje mniejsze znaczenie.

Uzasadnieniem takiego stanowiska jest argument, że potencjalne oszczędzanie, którego skutkiem będzie niekorzystne pogorszenie warunków komfortu i jakości powietrza, skutkuje dużo większymi kosztami społecznymi i indywidualnymi niż ewentualnie planowane korzyści wynikające ze zmniejszenia energochłonności budynku i jego instalacji [1, 2].

Literatura

1. Nowak B. Kryteria środowiska wewnętrznego, Rynek Instalacyjny 3/2008, s. 32.
2. PN-EN 15251:2007 Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas (oryg.), (EN 15251:2007 Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics).
3. EN 15241:2007 Ventilation for buildings – Calculation methods for energy losses due to ventilation and infiltration in commercial buildings (PN-EN 15241:2007 Wentylacja budynków – Metody obliczania strat energii na skutek wentylacji i infiltracji powietrza w budynkach użyteczności publicznej (oryg.)).
4. EN 15242:2007 Ventilation for buildings – Calculation methods for the determination of air flow rates in buildings including infiltration (PN-EN 15242:2007 Wentylacja budynków – Metody obliczeniowe do określania strumieni objętości powietrza w budynkach z uwzględnieniem infiltracji (oryg.)).
5. EN 13779:2007 Ventilation for non-residential buildings. Performance requirements for ventilation and roomconditioning systems (PN-EN 13779:2007 Wentylacja budynków niemieszkalnych – Wymagane właściwości systemów wentylacji i klimatyzacji (oryg.)).
6. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (DzU UE Nr L001 z dnia 4.01.2003 r., s. 65.)