Wentylacja grawitacyjna budynku jako element jego charakterystyki energetycznej

Podstawowe wymaganie dotyczące budynków zawarte jest w art. 5 Prawa budowlanego, według którego obiekt budowlany wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, zapewniając spełnienie wymagań podstawowych, do których należą m.in. odpowiednie warunki higieniczne i zdrowotne.

Oznacza to, że wentylacja i klimatyzacja powinny zapewniać odpowiednią jakość środowiska wewnętrznego, w tym wielkość wymiany powietrza, jego czystość, temperaturę, wilgotność względną i prędkość ruchu w pomieszczeniu, przy zachowaniu przepisów odrębnych i wymagań polskich norm dotyczących wentylacji. W polskim budownictwie mieszkaniowym i użyteczności publicznej dominującym rozwiązaniem jest ciągle wentylacja grawitacyjna. Dotyczy to również obiektów nowo projektowanych. Zgodnie z WT wentylację należy zapewnić w pomieszczeniach:

• przeznaczonych na pobyt ludzi,
• bez otwieranych okien,
• innych, w których ze względów zdrowotnych, technologicznych lub bezpieczeństwa konieczne jest zapewnienie wymiany powietrza.

Ponadto strumień powietrza zewnętrznego doprowadzanego do pomieszczeń niebędących pomieszczeniami pracy powinien odpowiadać wymaganiom polskiej normy dotyczącej wentylacji, przy czym w mieszkaniach strumień ten powinien wynikać z wielkości strumienia powietrza wywiewanego, lecz być nie mniejszy niż 20 m³/h na osobę przewidywaną na pobyt stały w budynku. Strumień powietrza zewnętrznego doprowadzonego do pomieszczeń pracy powinien odpowiadać wymaganiom określonym w przepisach o bezpieczeństwie i higienie pracy.

Prawidłowa wentylacja powinna zapewniać doprowadzenie powietrza do pokoi i kuchni z oknem zewnętrznym oraz usuwanie powietrza zużytego z kuchni, łazienki, oddzielnego ustępu, ewentualnego pomocniczego pomieszczenia bezokiennego (składzik, garderoba), pokoju oddzielonego od tych pomieszczeń więcej niż dwojgiem drzwi, pokoju znajdującego się na wyższym poziomie w wielopoziomowym domu jednorodzinnym lub wielopoziomowym mieszkaniu domu wielorodzinnego.

Wielkość strumienia powietrza wentylacyjnego

Normą regulującą wielkość niezbędnego strumienia powietrza wentylacyjnego wynikającą z minimum higienicznego jest PN-B-03430 [3]. Strumień objętości powietrza wentylacyjnego w budynku mieszkalnym jest określony przez sumę strumieni powietrza usuwanego z pomieszczeń pomocniczych. Minimalne wielkości przedstawiono w tabelach 1, 2, 3.

Ponadto wentylacja piwnic powinna zapewnić min. 0,3 wymiany na godzinę. W odniesieniu do wydzielonych klatek schodowych przyjmuje się dodatkowo jednokrotną wymianę na godzinę. Pralniom domowym należy zapewnić wentylację odpowiadającą min. dwukrotnej wymianie powietrza na godzinę. Pomieszczenia, w których jest suszarnia bielizny, powinny mieć zapewnioną wentylację odpowiadającą 1 wymianie powietrza na godzinę.

Przyjmuje się, że wentylacja naturalna powinna spełniać podane wyżej wymagania, poczynając już od różnicy temperatury powietrza wewnątrz pomieszczenia i powietrza zewnętrznego wynoszącej 10°C.

Obliczanie współczynnika strat ciepła na wentylację zgodnie z metodologią

Według rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [11] współczynnik strat ciepła na wentylację oblicza się na podstawie poniższej zależności:

gdzie:

V_ve,k,mn – uśredniony w czasie strumień powietrza k [m³/s],

b_ve,k – współczynnik korekcyjny,

ρ_ac_a – pojemność cieplna powietrza [1200 J/m³K].

Strumienie powietrza wentylacyjnego występujące we wzorze (1) należy wyznaczyć na podstawie:

• dokumentacji technicznej budynku i instalacji wentylacyjnej,
• programu użytkowania budynku lub lokalu mieszkalnego,
• wizji lokalnej obiektu,
• z uwzględnieniem obowiązujących, wymienionych wcześniej przepisów.

W odniesieniu do budynku z wentylacją naturalną współczynniki korekcyjne b_ve,k oraz uśredniony w czasie strumień powietrza k przyjmuje się następująco:

gdzie:

V₀ – obliczeniowy strumień powietrza wentylacyjnego, wymagany ze względów higienicznych według wytycznych normy PN -B-03430 [3] [m³/h],

V_inf. – strumień powietrza infiltrującego przez nieszczelności [m³/h].

Po przyjęciu powyższych wartości wzór (1) ma postać:

Strumień powietrza infiltrującego przez nieszczelności, spowodowanego działaniem wiatru i wyporu termicznego, dla przypadku wentylacji grawitacyjnej (budynek bez próby szczelności) wyznacza się według wzoru:

V_inf. = 0,2×kubatura wentylowana [m³/h] (3).

Przedstawiona procedura znacznie różni się od stosowanej w praktyce projektowej – obliczania całkowitego projektowego obciążenia cieplnego według normy PN-EN 12831:2006 [6], gdzie strumień powietrza wentylacyjnego przyjmowany jest jako większy z tych dwóch wartości:

gdzie:

V_min. – minimalny strumień objętości powietrza wymagany ze względów higienicznych, obliczony na podstawie minimalnej krotności wymiany powietrza wewnętrznego na godzinę przy wykorzystaniu załączników krajowych wymienionej normy,

V_inf. – strumień objętości powietrza infiltrującego  przestrzeni ogrzewanej, spowodowanej wiatrem i efektem kominowym działającym na obudowę budynku.

W normie PN-EN ISO 13790:2006 [7], która ma być docelowym dokumentem stanowiącym podstawę sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej, całkowity strumień wymienianego powietrza określony jest jako wartość większa z minimalnego strumienia:

gdzie:

V_min. – minimalny strumień wentylacji, równy 0,3 V,

V_d – obliczeniowy strumień wentylacji, określany na podstawie danych krajowych.

Bilans miesięcznego zapotrzebowania na ciepło

W bilansie zapotrzebowania na ciepło funkcjonuje kilka decydujących składników:

• współczynniki przenikania ciepła przegród, w tym stolarki,
• minimalny strumień powietrza wentylacyjnego i strumień powietrza infiltrującego,
• współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego przez oszklenie,
• współczynnik zacienienia budynku.

Strukturę elementów bilansu oraz niezbędne dane przedstawiono na rysunku 1.

Przykładowy budynek

Do obliczeń zapotrzebowania na ciepło przyjęto niewielki budynek jednorodzinny o zwartej bryle, nieogrzewanym garażem i poddaszem. Kubatura wentylowana budynku wynosi V = 322 m³, powierzchnia zabudowy – 100 m², powierzchnia o regulowanej temperaturze – 124 m². Na rzutach (rys. 2) oznaczono układ pomieszczeń oraz schemat działania wentylacji naturalnej w danym budynku. W tabeli 4 zestawiono wielkość minimalnego wymaganego ze względów higienicznych strumienia powietrza wentylacyjnego w odniesieniu do opisanego budynku. V₀ dla przykładowego budynku wynosi 165 m³/h.

Budynek nie został poddany próbie szczelności, stąd:

Ostatecznie, zgodnie ze wzorem (2) (według PN-EN 12831 ρ_ac_a = 0,34):

Straty ciepła przez wentylację w ogólnym bilansie zapotrzebowania do ogrzewania i wentylacji dla wybranego budynku przedstawiono w tabeli 5. Procentowy udział zapotrzebowania na ciepło do wentylacji przedstawiono na rys. 3.

Podsumowanie

Na przestrzeni kolejnych lat wymagania dotyczące współczynników przenikania ciepła przegród stawały się stopniowo coraz ostrzejsze. Wymagania dotyczące wartości minimalnego strumienia powietrza wentylacyjnego wprowadzono w normie w 1983 r. i zwiększono w jej poprawce z roku 2000. Oznacza to, że przy tej samej geometrii budynku procentowy udział strat na wentylację się zwiększa. Często przy ocenie budynków jest to składnik, którym próbuje się manipulować, podczas gdy jest on stały.

Literatura

1. PN-B-02020:1982 Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia.
2. PN-B-02020:1991 Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia.
3. PN-B-03430:1983/Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
4. PN-EN ISO 6946:1999 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
5. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.
6. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
7. PN-EN ISO 13790:2006 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania.
8. PN-EN ISO 13789:2007 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania.
9. M. Robakiewicz, Metoda obliczania zapotrzebowania na energię dla ogrzewania i wentylacji, „Energia i Budynek” nr 2/2009.
10. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, ze zm.).
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość technicznoużytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU nr 201, poz. 1240).
12. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU nr 89, poz. 414, ze zm.).