Wpływ wyników obliczeń normy PN-EN 12831:2006 na dalsze wyliczenia instalacji c.o. (cz. 1)

Na rys. 1 przedstawiono schemat czynności wykonywanych do zwymiarowania instalacji centralnego ogrzewania. W praktyce projektowej projektanci korzystają z oprogramowania, np. do obliczenia projektowanego obciążania cieplnego pomieszczeń i budynku Audytor OZC [7] czy do zwymiarowania instalacji Audytor C.O. [8].

Norma PN-EN 12831 [2] generuje wiele wyników cząstkowych, w ocenie autora sprzecznych z powszechnie stosowanymi metodami wymiarowania instalacji c.o., które nie są umocowane prawnie – brakuje obligatoryjnych norm. W artykule odniesiono się do tzw. szczegółowej metody obliczeń, zwłaszcza w stosunku do budownictwa wielorodzinnego.

Usystematyzowanie wyników końcowych zdefiniowanych normą PN-EN 12831 dla pomieszczenia, lokalu mieszkalnego i budynku

Norma przewiduje logiczny algorytm obliczeń, począwszy od pojedynczego pomieszczenia, poprzez cały lokal mieszkalny (wyodrębniona strefa grzewcza), na całym budynku kończąc. Dla poszczególnych etapów obliczeń w dokumencie opisano szczegółowe zależności. Na potrzeby artykułu autor dodatkowo przetworzył równania występujące we wspomnianej normie [2].

Metoda wyznaczania projektowego obciążenia cieplnego dla pomieszczenia (przestrzeni ogrzewanej)

Ogólny, tekstowy opis obliczeń przedstawiony został w punkcie 5.1 normy PN-EN 12831 [2].

Projektowe obciążenie cieplne dla przestrzeni ogrzewanej (i) jako wynik końcowy dla pojedynczego pomieszczenia wyliczane jest z równania:

(1)

(2)

gdzie:

Φ_^PHL,i – projektowe obciążenie cieplne dla przestrzeni ogrzewanej (i), W;

Φ^P_RH,i – nadwyżka mocy cieplnej wymagana do skompensowania skutków osłabienia ogrzewania strefy ogrzewanej (i), W;

Φ^P_i – całkowita projektowa strata ciepła przestrzeni ogrzewanej (i) z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

Φ^P_T,i – projektowa strata ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) przez przenikanie z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

Φ^P_V,i – wentylacyjna strata ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

P – oznaczenie autora, indeks oznaczający wielkość dotyczącą pomieszczenia.

Poszczególne składowe związane z przenikaniem obliczane są kolejno z poniższych zależności:

(3)

gdzie:

θ_int,i – projektowa temperatura wewnątrz przestrzeni ogrzewanej (i),°C;

θ_e – projektowa temperatura zewnętrzna,°C;

H_T,ie – współczynnik strat ciepła przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej (i) do otoczenia (e) przez obudowę budynku, W/K;

H_T,iue – współczynnik strat ciepła przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej (i) do otoczenia (e) przez przestrzeń nieogrzewaną (u), W/K;

H_T,ig – współczynnik strat ciepła przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej (i) do gruntu (g) w warunkach ustalonych, W/K;

H_T,ij – współczynnik strat ciepła przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej (i) do sąsiedniej przestrzeni (j) ogrzanej do znacząco różnej temperatury, W/K.

Natomiast współczynnik strat ciepła H_T,ij obliczany jest z równania:

(4)

gdzie:

f_ij – współczynnik redukcyjny temperatury uwzględniający różnicę temperatury przyległej przestrzeni i projektowanej temperatury zewnętrznej, wyliczany za pomocą zależności

temperatura przyległej przestrzeni przyjmowana jest zgodnie z tabelą 1;

A_k – powierzchnia elementu budynku (k), m²;

U_k – współczynnik przenikania ciepła elementu budynku (k), W/(m² K).

Poszczególne składowe związane z wentylacją obliczane są kolejno z równania:

(5)

(6)

gdzie:

H_V,i – współczynnik projektowej wentylacyjnej straty ciepła, W;

V_.i – strumień powietrza wentylacyjnego przestrzeni ogrzewanej (i), m³/s.

Współczynnik projektowej wentylacyjnej straty ciepła HV,i liczony jest odmiennie dla dwóch przypadków: gdy budynek nie ma instalacji wentylacyjnej (wentylacja naturalna) oraz gdy jest w nią wyposażony:

dla wentylacji naturalnej

(7)

dla instalacji wentylacyjnej

(8)

 i jednocześnie 

gdzie:

V._inf,i – strumień objętości powietrza infiltrującego do przestrzeni ogrzewanej (i), m³/h;

V._min,i – minimalny strumień objętości powietrza do przestrzeni ogrzewanej (i) wymagany ze względów higienicznych, m³/h;

V._su,i – strumień objętości powietrza doprowadzony do przestrzeni ogrzewanej (i), m³/h;

V._mech,inf,i – nadmiar objętości powietrza usuwanego z przestrzeni ogrzewanej (i), m³/h;

f_V,i – współczynnik redukcji temperatury,

(9);

θ_su,i – temperatura powietrza dostarczonego do przestrzeni ogrzewanej (i), °C.

Użyte w opisie składowych sformułowanie „z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku” odnosi się do:

• projektowej straty ciepła ogrzewanej prze­strzeni (i) przez przenikanie Φ^P_T,i – poprzez uwzględnienie w obliczeniach składowej H_T,ij – współczynnika strat ciepła przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej (i) do sąsiedniej przestrzeni (j),
• wentylacyjnej straty ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) Φ^P_V,i – poprzez uwzględnienie w obliczeniach dotyczących budynków wyposażonych w instalację wentylacji współczynnika redukcji temperatury f_V,i.

Metoda wyznaczania projektowego obciążenia cieplnego dla mieszkania (części budynku)

Wyniki obliczeń obciążenia projektowego na poziomie poszczególnych mieszkań nie zawsze są obligatoryjne. W przypadku instalacji rozprowadzonej w systemie pionów zasilających interesuje nas wyłącznie lokalowy poziom obliczeń hydraulicznych, odmiennie – kiedy przydzielana jest moc zamówiona dla poszczególnych mieszkań w systemie rozprowadzenia instalacji c.o. typu mieszkaniowego.

Literalnie ogólny opis obliczeń (dla części budynku) przedstawiony jest w punkcie 5.2 normy [2] i jest tożsamy z poziomem obliczeń budynku. Natomiast w praktyce projektowej przy zastosowaniu oprogramowania [7] przyjmuje się, że lokal mieszkalny jest na tyle niewielką jednostką bryły budynku, by można było stosować metodologię redukcji, co w ocenie autora jest prawidłową interpretacją „części budynku”.

Projektowe obciążenie cieplne dla mieszkania (n) liczone jest zazwyczaj jako suma poszczególnych pomieszczeń (i) wchodzących w skład mieszkania, a w szczególności:

(10)

(11)

gdzie:

ΦMHL,n – projektowe obciążenie cieplne dla mieszkania (n), tj. części budynku, W;

ΦMn – całkowita projektowa strata ciepła mieszkania (n) z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΣΦPi – suma całkowitych projektowych strat ciepła wszystkich przestrzeni ogrzewanych (i) wchodzących w skład mieszkania (n) z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΦPRH,i – suma nadwyżek mocy cieplnej wymagana do skompensowania skutków osłabienia przestrzeni ogrzewanych (i) wchodzących w skład mieszkania (n), W;

ΣΦPT,i – suma projektowych strat ciepła przez przenikanie wszystkich przestrzeni ogrzewanych (i) wchodzących w skład mieszkania (n) z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΣΦPV,i – suma wentylacyjnych strat ciepła ogrzewanych przestrzeni (i) wchodzących w skład mieszkania (n) z uwzględnieniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

M – oznaczenie autora, indeks oznaczający wielkość dot. mieszkania (części budynku).

Metoda wyznaczania projektowego obciążenia cieplnego dla budynku

Ogólny, tekstowy opis obliczeń przedstawiony jest w punkcie 5.2 normy [2]. Należy zwrócić szczególną uwagę, że na poziomie obliczeń budynku korzysta się ze wcześniejszych obliczeń, z tą różnicą, że nie uwzględnia się ciepła wymienianego wewnątrz budynku. Projektowe obciążenie cieplne dla całego budynku wyliczane jest z równania:

(12)

(13)

gdzie:

Φ^B_HL – projektowe obciążenie cieplne dla budynku, W;

Φ^B – całkowita projektowa strata ciepła budynku z wyłączeniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΣΦ^M_HL,n – suma projektowych obciążeń cieplnych wszystkich mieszkań (n) wchodzących w skład budynku z wyłączeniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΣΦP_i – suma całkowitych projektowych strat ciepła wszystkich przestrzeni ogrzewanych (i) wchodzących w skład budynku z wyłączeniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΣΦ^M_RH,i – suma nadwyżek mocy cieplnej wymagana do skompensowania skutków osłabienia wszystkich przestrzeni ogrzewanych (i) wchodzących w skład budynku, W;

ΣΦM_n – suma całkowitych projektowych strat ciepła mieszkań (n) w budynku z wyłączeniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΣΦP_T,i – suma projektowych strat ciepła przez przenikanie wszystkich przestrzeni ogrzewanych (i) wchodzących w skład budynku z wyłączeniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

ΦP_V,i – suma wentylacyjnych strat ciepła ogrzewanych przestrzeni (i) wchodzących w skład budynku z wyłączeniem ciepła wymienianego wewnątrz części budynku, W;

B – oznaczenie autora, indeks oznaczający wielkość dotyczącą budynku.

Kolejno poszczególne składowe są obliczane tak jak dla pomieszczeń, z tym że nie wlicza się składowej HT,ij, która opisuje wymianę ciepła wewnątrz budynku. W związku z tym zależność opisująca sumę projektowych strat ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) w bryle budynku przez przenikanie przyjmuje postać:

(14)

a tym samym jest pomniejszona o wyrażenie H_T,ij.

Obliczając sumę wentylacyjnych strat ciepła ogrzewanych przestrzeni (i) wchodzących w skład budynku ΣΦ^P_V,i, korzysta się z zależności przedstawionych jak dla pomieszczeń z różnicą, która uwzględnia wyłączenie ciepła wymienianego wewnątrz części budynku. Różnica zawarta jest w obliczeniu sumy strumieni powietrza w odniesieniu do budynku Σ_V.i, zgodnie z następującymi równaniami:

dla wentylacji naturalnej

(15)

dla instalacji wentylacyjnej

(16)

gdzie:

Σ_V.i – strumień powietrza wentylacyjnego wszystkich przestrzeni ogrzewanych (i) w budynku, m³/s;

η_n – sprawność instalacji odzysku ciepła z usuwanego powietrza, przy braku odzysku ciepła równa 0.

Podsumowanie wyników obliczeń otrzymanych dla pomieszczeń, mieszkań i budynku

Jak wynika z przedstawianych zależności, obliczenia powinny zostać przeprowadzone na trzech logicznych poziomach, tj. pomieszczenia, lokalu i budynku. Wyniki takie będą następnie implementowane do zwymiarowania instalacji c.o. (elementy grzewcze, orurowanie, armatura, moc zamówiona itp.).

Z przedstawionych zależności wynika, że logika obliczeń na poziomie budynku wielolokalowego nie jest równoznaczna z obliczeniami na poziomie pomieszczeń, tzn. suma projektowego obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń ogrzewanych Φ^P_HL,i nie jest równa projektowemu obciążeniu cieplnemu budynku Φ^B_HL.

Różnice wynikają z faktu, że w obliczeniach projektowego obciążenia cieplnego budynku nie uwzględnia się wymienianego ciepła wewnątrz części bryły budynku, co matematycznie związane jest z:

1. Projektowa strata ciepła ogrzewanej przestrzeni (i) Φ^P_T,i przez przenikanie liczona na potrzeby budynku (Φ^B_HL) nie uwzględnia w obliczeniach składowej – współczynnika strat ciepła przez przenikanie H_T,ij, jest o nią pomniejszona. Metodologia normy zakłada ryzyko wystąpienia obniżonej temperatury wewnętrznej w sąsiednim pomieszczeniu lub całym mieszkaniu nienależącym (a tym samym niemającym wpływu) do właściciela pomieszczeń (mieszkania) sąsiadującego. Jeśli część mieszkań będzie z różnych przyczyn nieogrzewana lub ogrzewana z osłabieniem, to uzyskana w ten sposób oszczędność mocy będzie skompensowana na poziomie budynku – trudno tę logikę przenieść na poziom tak małej jednostki, jak mieszkanie.
2. W przypadku wentylacji naturalnej strumień powietrza wentylacyjnego przestrzeni ogrzewanej V._i liczony na potrzeby budynku (Φ^B_HL) może być dwukrotnie niższy niż liczony na poziomie pomieszczeń, co jest związane z uwzględnieniem w zależności (15) współczynnika zmniejszającego, równego 0,5. Logika normy zakłada, że w przypadku powietrza napływającego w drodze infiltracji V._inf,i (na skutek przepływu powietrza przez szczeliny i połączenia w obudowie budynku) dla obliczeń pomieszczenia przyjmowany jest najbardziej niekorzystny przypadek, tj. całe powietrze infiltrujące wpływa do budynku z jednej strony (występuje współczynnik 2). Dla obliczeń na poziomie budynku taki przypadek nie nastąpi, dlatego przyjęto współczynnik 0,5. W praktyce w obecnie projektowanych budynkach o wysokiej szczelności (n₅₀< 4 domy jednorodzinne, n₅₀< 2 inne mieszkania lub budynki – tablica D.7 normy [2]) ilość strumienia powietrza napływającego jest mniejsza od minimalnego strumienia objętości ze względów higienicznych V._min,i. W budynkach istniejących o dużym stopniu nieszczelności zachodzi odwrotna relacja i wartością wiodącą do dalszych obliczeń może być wielkość V._inf,i dla pomieszczeń i 0,5 · V. _inf,i dla budynku.
3. Przy występowaniu instalacji wentylacyjnej sposób liczenia strumienia powietrza wentylacyjnego przestrzeni ogrzewanej V.i, na potrzeby budynku (Φ^B_HL) nie jest tożsamy z obliczeniami na poziomie pomieszczeń z uwagi na:

1. 1. niekorzystne warunki uwzględniane są przy obliczeniach pomieszczeń, natomiast na poziomie obliczeń budynku norma nie przewiduje takiego zjawiska, dlatego skorygowano postać równania (16) oraz usunięto warunek, by strumień powietrza odniesiony do budynku był większy od sumy minimalnych strumieni wymaganych ze względów higienicznych, tj. ΣV.i³ V_.min,i;
   2. dla budynku do równania (15) wprowadzono podobnie jak dla wentylacji naturalnej współczynnik 0,5 redukujący strumień powietrza infiltrującego V_.inf,i;
   3. ponadto zastąpiono współczynnik redukcji temperatury f_V,i sprawnością instalacji odzysku ciepła h_n. W przypadku szczególnym jeżeli występuje instalacja odzysku ciepła, jak wykazano w [4] f_V,i = (1 – h_n), to strumień wielkości powietrza doprowadzanego do pomieszczenia V._su,i jest równy na poziomie pomierzeń i budynku. Analogiczna sytuacja zachodzi w przypadku braku instalacji odzysku ciepła i temperatury nawiewanej do pomieszczeń równej temperaturze obliczeniowej, tj. θ_int,i= θ_su,i i h_n= 0. Odmienna sytuacja zachodzi, kiedy nie ma instalacji odzysku ciepła, a nawiewane powietrze ma temperaturę wyższą od obliczeniowej w pomieszczeniu, tj. θ_int,i < θ_su,i i h_n= 0, wówczas zgodnie ze wzorem (9) współczynnik redukcji temperatury f_V,i, przyjmuje wartości ujemne, co implikuje w konsekwencji matematyczne zwiększenie strumienia powietrza V.i na poziomie bu­dynku.

Z przeprowadzonych powyżej rozważań można wysnuć następujące wnioski dla wymiarowania instalacji centralnego ogrzewania dla szczelnych budynków wielolokalowych:

1. Dla budynku wyposażonego w wentylację naturalną: projektowe obciążenie cieplne dla budynku Φ^B_HL jest mniejsze niż suma projektowego obciążenia wszystkich mieszkań w budynku Φ^M_HL,n, a tym samym mniejsze niż suma projektowego obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń w budynku Φ^P_HL,i.
2. Dla budynku wyposażonego w instalację wentylacji: projektowe obciążenie cieplne dla budynku Φ^B_HL jest różne od sumy projektowego obciążenia wszystkich mieszkań w budynku Φ^M_HL,n, a tym samym jest różne niż suma projektowego obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń w budynku Φ^P_HL,i.

Z uwagi na liczbę możliwych wariantów i typów wentylacji nie jest możliwie jednoznaczne określenie relacji wielkościowych przeprowadzonych obliczeń na poziomie budynku do obliczeń na poziomie pomieszczeń.

Przykłady wyników obliczeń

W tabeli 2 zaprezentowano wyniki obliczeń z realnych budynków (prac projektowych), które wykonano w programie [7].

Obliczenia zostały przeprowadzone zgodnie z normą [2] dla budynków mieszkalnych wielorodzinnych z wentylacją naturalną (bez instalacji wentylacji) znajdujących się w III strefie klimatycznej w województwie małopolskim. Obliczenia strat do pomieszczeń sąsiednich mieszkań (tzw. strata do sąsiada) wykonano dla wariantu „Obliczaj zgodnie z EN 12831:2006”, tzn. zgodnie z zaprezentowanym algorytmem obliczeń.

Jak można zauważyć, redukcja Φ^B_red projektowanego obciążenia cieplnego budynku Φ^B_HL w stosunku do sumy projektowanego obciążenia cieplnego poszczególnych pomieszczeń w budynku Φ^P_HL,_i utrzymuje się na poziomie 16–22%. Jak zostanie wykazane w dalszej części, ma to znaczący wpływ na różnego rodzaju aspekty wymiarowania instalacji centralnego ogrzewania.

Konkludując, w normie [3] proste i jednoznaczne sumowanie zapotrzebowania na moc ciepną poszczególnych pomieszczeń było równoznaczne z wyższymi poziomami obliczeń, takimi jak mieszkanie czy budynek, natomiast aktualna norma [2] znacząco różni się pod tym względem.

Wymiarowanie dwururowej instalacji c.o.

Wymiarowanie sieci przewodów polega na doborze ich średnic oraz elementów regulacyjnych w taki sposób, by zapewnić doprowadzenie odpowiedniej ilości czynnika grzejnego do każdego odbiornika ciepła. Działką nazywamy odcinek sieci przewodów o stałej średnicy prowadzący stały strumień masy czynnika. Obiegiem nazywamy układ działek prowadzących czynnik grzejny od źródła ciepła do odbiornika i z powrotem [9].

Obciążeniem cieplnym działki nazywamy sumę obliczeniowych mocy cieplnych odbiorników ciepła, do których działka doprowadza (działka zasilająca) lub z których odprowadza (działka powrotna) czynnik grzejny [9]. Obliczeniowa moc cieplna odbiornika definiowana jest jako moc odbiornika ciepła wynikająca z zapotrzebowania na moc cieplną pomiędzy odbiornikami znajdującymi się w pomieszczeniu, nie uwzględnia zysków ciepła od przewodów [10].

Strumień masy czynnika m. płynącego w działce dla warunków obliczeniowych wyznacza się z równania [9]:

(17)

gdzie:

m. – obliczeniowy strumień masy czynnika grzejnego, kg/s;

Q. – obciążenie cieplne działki, W;

t_z – obliczeniowa temperatura czynnika zasilającego, °C;

t_p – obliczeniowa temperatura czynnika powrotnego, °C;

C_p – ciepło właściwe wody, kJ/kg K.

Do dalszych rozważeń dla uproszczenia zakłada się:

• brak dodatkowych zysków ciepła w pomieszczeniu (np. od gałązek grzejnikowych),
• brak strat przez izolację rurociągów (sprawność izolacji równa 100%),
• moc odbiornika równą projektowemu obciążeniu pomieszczenia (nie uwzględnia się współczynników na zawór termostatyczny, lokalizacyjnych itp.),
• każde ogrzewane pomieszczenie ma jeden odbiornik ciepła.

Należy zwrócić uwagę, że już na wstępie poszczególne definicje i zmienne nie odnoszą się bezpośrednio do nomenklatury normy [2], a jedynie do ogólnych zasad mechaniki płynów i są zbliżone do nazewnictwa przedstawionego w normie [3].

System rozprowadzenia pionowego czynnika

Klasyczny, najczęściej spotykany system rozprowadzenia pionowego czynnika zazwyczaj z rozdziałem dolnym zakłada dystrybucję czynnika grzewczego od źródła ciepła poprzez kolektor rozprowadzający (zwykle w piwnicy) z licznymi rozgałęzieniami prowadzonymi pionowo przez wszystkie pomieszczenia w tzw. pionie instalacyjnym (rys. 2.).

Sposób wymiarowania przewodów instalacji zakłada w kolejności postępowania: przyporządkowanie właściwych mocy odbiornikom ciepła, pierwszej działce (gałązce grzejnikowej) na najwyższej kondygnacji oraz kolejnym działkom poprzez sumowanie mocy odbiorników zgodnie z kierunkiem przepływu wody aż do źródła ciepła. Tożsama procedura dotyczy działek powrotnych.

W literaturze [10, 11, 12, 13] brakuje informacji, jakie moce (tym samym obliczeniowe strumienie przepływów) przyjmować na poszczególnych etapach obliczeń działek instalacji w odniesieniu do normy [2].

Najbardziej oczywiste wydaje się przyporządkowanie projektowego obciążenia cieplnego pomieszczenia Φ^P_HL,i dla doboru mocy odbiornika ciepła, tym samym obciążenia cieplnego działki grzejnikowej (Q._i^G_Pl,L), można też przyjąć obciążenie cieplne działki pionu instalacyjnego PI_j na danej kondygnacji (i). Schemat przyporządkowania projektowego obciążenia cieplnego pokazano w rys.2.

Takie przyporządkowanie jest realizowane w programie [8] (oczywiście z uwzględnieniem rzeczywistych wychłodzeń czynnika grzewczego, dodatkowych zysków itp.).

Obciążenie cieplne pionu (L) można obliczyć jako:

(18)

gdzie:

Q.lPI – obciążenie cieplne pionu (L), W;

ΦPHL,i – projektowe obciążenie cieplne pomieszczenia przyporządkowane do kondygnacji (i), W;

PI – indeks dotyczący pionu instalacji c.o.;

i – numer kondygnacji;

k – liczba kondygnacji.

Obciążenie działki wychodzącej ze źródła można obliczyć jako:

(19)

gdzie:

Q.^ZC – obciążenie działek wychodzących ze źródła ciepła, W;

Q._l^PI – obciążenie cieplne pionu (L), W;

ZC – indeks dotyczący źródła ciepła instalacji c.o.;

L – numer pionu;m – liczba pionów;

i – numer pomieszczenia w budynku;

y – liczba pomieszczeń ogrzewanych w budynku.

Wynika z tego, że w proponowanych metodach obliczeń [8], przy braku szczegółowego opisu w literaturze, np. [10, 11, 12, 13], wartość obliczeniowego obciążenia cieplnego źródła ciepła Q.^ZC będzie różna od projektowego obciążenia cieplnego budynku FBHL, tj. Q.^ZC ¹ Φ^B_HL, a w przypadku wentylacji naturalnej można przyjąć, że Q.^ZC > Φ_^BHL. Można tym samym stwierdzić, że założenia normy [2] nie są implementowane w realnym elemencie wykonawczym, jakim jest instalacja centralnego ogrzewania.

Brak implementacji wyników normy PN-EN 12831 a wyniki obliczeń instalacji

W związku z brakiem realnego przeniesienia wyników normy [2] autor w swojej praktyce spotkał się następującymi sytuacjami:

1. w projekcie instalacji centralnego ogrzewania obliczeniowe przepływy wychodzące na instalację są odmienne od obliczeniowych przepływów wynikających z obliczeń projektowego obciążenia cieplnego (po uwzględnieniu ochłodzeń w instalacji, doboru odbiorników ciepła itp.
2. w projekcie źródła ciepła obliczeniowe przepływy wychodzące na instalację są odmienne od obliczeniowych przepływów wynikających z projektu instalacji. Projektanci źródła ciepła jako punkt wyjścia do obliczeń powszechnie przyjmują projektowe obciążenie cieplne budynku;
3. definiowana moc zamówiona wymieniona w rozporządzeniu [14] nie opisuje literalnie, jakiego rodzaju moc należy przyjąć na cele grzewcze. Doświadczenie autora wskazuje na przyjmowanie mocy wynikającej z projektowego obciążenia cieplnego budynku;
4. wymieniana w karcie audytu energetycznego obliczeniowa moc cieplna systemu grzewczego zgodnie z rozporządzeniem [15] odnosi się w praktyce do projektowego obciążenia cieplnego budynku. Audyt energetyczny jest opracowaniem wstępnym, studyjnym, a na jego podstawie często przyjmuje się moc kotła, co bezpośrednio wiąże się z uzyskanym efektem ekologicznym i finansowym dla inwestycji. Po wykonaniu projektów budowlanych wyniki są ze sobą sprzeczne.

Propozycja implementacji wyników obliczeń z normy PN-EN 12831 do obliczania instalacji w systemie pionowym

Nie ulega wątpliwości, że prawo zachowania masy w układzie musi być zachowane, tj.

(20)

m_.ZC – obliczeniowy strumień masy czynnika grzejnego działek wychodzących ze źródła ciepła, kg/s;

m._l^PI – obliczeniowy strumień masy czynnika grzejnego pionu (L), W;

ZC – indeks dotyczący źródła ciepła instalacji c.o.;

L – numer pionu;

m – liczba pionów.

Dlatego nasuwa się zastosowanie analogii do projektowania instalacji zimnej i ciepłej wody użytkowej, by podobnie jak w normie [16] wprowadzić obliczeniowe współczynniki nierównomierności i tym samym sprowadzić obliczeniowy strumień masowy wynikający z projektowego obciążenia cieplnego pomieszczenia do poziomu budynku wynikającego z projektowego obciążenia cieplnego budynku.

Poniżej zaproponowano redukcję obciążenia cieplnego na poziomie obliczeń kolektora rozprowadzającego (rys. 2). Metoda zakłada możliwość występowania strumienia obliczeniowego wynikającego z projektowego obciążenia cieplnego na każdym z pionów, natomiast na kolektorze rozprowadzającym zakłada się redukcję strumienia obliczeniowego w oparciu o właściwy współczynnik nierównoczesności ogrzewania φl. Konsekwencją zastosowania współczynnika φl  jest zachowanie równości pomiędzy obciążeniem cieplnym działek wychodzących ze źródła ciepła a projektowym obciążeniem cieplnym budynku Φ^B_HL. Relacje te opisuje równanie:

(21)

(22)

gdzie:

φ_l – współczynnik nierównoczesności ogrzewania;

Q_.x=z^KO – obciążenie cieplne działki (x) kolektora rozprowadzającego;

z – liczba działek kolektora.

Całość równania (21), (22) można w oparciu o zależność (20) przeliczyć na właściwe obliczeniowe strumienie masowe.

Współczynnik nierównoczesności ogrzewania można próbować wyznaczać analitycznie, kierując się założeniami normy [2] w procedurze obliczania „straty do sąsiada”, lub podjąć badania na realnych obiektach i wyznaczyć go empirycznie, co wydaje się bardziej właściwym rozwiązaniem. Wielkość współczynnika będzie zależeć od:

• liczby sąsiadujących mieszkań (autonomicznych stref grzewczych),
• liczby elementów grzejnych,
• występowania lub nie takich urządzeń jak „podzielnik kosztów ogrzewania”.

Implementacje równania (21) na właściwe rozprowadzenie czynnika w rzeczywistych warunkach instalacji można realizować np. poprzez montaż podpionowych zaworów różnicy ciśnień z ograniczeniem maksymalnego przepływu wynikającego z sumy projektowych obciążeń cieplnych pomieszczeń Φ^P_HL,i w danym pionie. Odpowiednie ciśnienie dyspozycyjne będzie wówczas gwarantowało właściwy przepływ w pionie wynikający z pracy zaworów termostatycznych, jednak nie większy niż Q_.l^PI. Kolejne przepływy w kolektorze będą wynikową właściwych aktualnych sum przepływów w pionach.

Wnioski

Norma PN-EN 12831 proponuje usystematyzowanie obliczeń budynku na różnych jego poziomach. Z uwagi na różny algorytm obliczeń uzyskiwane są odmienne wartości na poziomie pomieszczeń i budynku. Natomiast w praktyce projektowej powszechnie korzysta się z zależności opisanych w literaturze [9], implementowanych np. w oprogramowaniu [8], które nie uwzględniają poziomów obliczeń normy [2], a, jak się wydaje, odnoszą się w dalszym ciągu do nieaktualnej normy [3].

Należy podkreślić, że obliczanie struktury instalacji, odmiennie do bilansowania cieplnego budynku, nie ma umocowania obligatoryjnego w normach czy rozporządzeniach, dlatego bazuje się na ogólnych zależnościach fizycznych. Powstanie rozbieżnościami między brakiem implementacji obliczeń cieplnych budynku do obliczeń struktury instalacji c.o. skutkuje:

• niedomówieniami i rozbieżnościami w dokumentacji projektowej dotyczącej źródła ciepła i instalacji c.o.,
• brakiem wytycznych dotyczących przyjmowania konkretnej wartości dla mocy zamówionej zgodnie z rozporządzeniem [14],
• przewymiarowaniem części instalacji, szczególnie działek części wspólnej od źródła ciepła i kolektorów rozprowadzających ciepło do pionów. Wiąże się to nie tylko z przewymiarowaniem średnic rurociągów, ale także z niepotrzebnym przewymiarowaniem izolacji, armatury regulacyjnej, równoważącej i zaporowej oraz pomp obiegowych. Ma to bezpośrednie przełożenie na zawyżone koszty inwestycyjne instalacji oraz koszty eksploatacyjne poprzez np. zwiększone straty ciepła w przewymiarowanym kolektorze rozprowadzającym (zmniejszone prędkości przepływu).

W związku z powyższym zasadne wydaje się przeprowadzenie optymalizujących badań implementujących wyniki obliczeń normy [2] do metod wymiarowania instalacji c.o. Autor przedstawił propozycję zastosowania współczynnika nierównoczesności ogrzewania, który można stosować na poziomie kolektora rozdzielczego.

Właściwa implementacja normy pozwoli na optymalne projektowanie instalacji oraz uniknięcie sporów wśród osób odpowiedzialnych za projekt źródła ciepła i instalacji c.o., w tym również sporów z dostawcami ciepła systemowego. W kolejnym artykule autor przedstawi wpływ rozbieżności metod obliczeń na mieszkaniowy system instalacji.

Uwagi

W celu zachowania maksymalnej spójności oznaczeń z normą [2] zachowano zaproponowaną w niej nomenklaturę oznaczeń w równaniach, choć z punktu widzenia matematycznego występują pewne kolizje i błędy oznaczeń, np. sum algebraicznych.

Literatura

1. Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).
2. PN-EN 12831:2006 Instalacje grzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowanego obciążenia ciepl­nego.
3. PN-B-03406:1994 Obliczenia zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń o kubaturze do 600 m3.
4. Strzeszewski M., Wereszczyński P., Norma PN-EN 12831. Nowa metoda obliczania projektowanego obciążenia cieplnego. Wersja 1.10, Retting Heating Sp. z o.o., Warszawa 2009.
5. Strzeszewski M., Obciążenie cieplne pomieszczeń obliczone wg norm PN-EN12831 i PN-B-03406, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 7–8/2008.
6. Ruszel F., Obciążenie cieplne pomieszczeń wg norm PN-EN i PN-B-03406, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 3/2008.
7. Audytor OZC wersja od 4.0, Sankom Sp. z o.o.
8. Audytor C.O., Sankom Sp. z o.o.
9. Koczyk H. et al.: Ogrzewnictwo praktyczne. Projektowanie, montaż, certyfikacja energetyczna, eksploatacja, Wydanie II, Poznań 2009.
10. Audytor c.o. – instrukcja, wersja 3.8, Sankom Sp. z o.o., Warszawa 2012.
11. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium wiedzy. Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo, OMNI SCALA, Wrocław 2008.
12. Kołodziejczyk W., Płuciennik M., Wytyczne projektowania instalacji centralnego ogrzewania, Zeszyt 2, COBRTI INSTAL, Warszawa 2001.
13. Nantka M., Ogrzewnictwo i ciepłownictwo, Tom II, WPŚ, Gliwice 2013.
14. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 stycznia 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemów ciepłowniczych (DzU nr 16/2007, poz. 92).
15. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (DzU nr 43/2009, poz. 346).
16. PN-92-B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!