Norma PN-EN ISO 52016-1

Norma PN EN ISO 52016-1 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia, wewnętrzne temperatury oraz jawne i utajone obciążenia cieplne. Część 1: Procedury obliczania [1] została przyjęta do zbioru polskich norm we wrześniu 2017 r. metodą uznaniową, w wersji angielskiej. W listopadzie 2020 r. przyjęta została jej wersja polska. Norma przedstawia spójny zestaw metod obliczeniowych umożliwiających na różnych poziomach szczegółowości obliczenia zapotrzebowania na: energię użyteczną ogrzewania i chłodzenia budynku (ciepło jawne), energię użyteczną do nawilżania lub osuszania powietrza wentylującego budynek (ciepło utajone), wyznaczania zmiennej w czasie wartości bilansowej temperatury wewnętrznej w budynku oraz projektowania obciążenia cieplnego systemów ogrzewania i chłodzenia budynku. Przedstawione w normie metody obliczeniowe uwzględniają także wpływ systemów technicznych budynku i jego instalacji wewnętrznych oraz systemów sterowania i automatyki na zapotrzebowanie na energię.

Opisane metody mają różny stopień dokładności w zależności od przyjętego do obliczeń kroku czasowego – miesiąc lub godzina. Norma przedstawia zatem godzinową i miesięczną metodę obliczeń. Za pomocą metody miesięcznej można wyznaczać przybliżone zapotrzebowanie na energię użyteczną budynku w ciągu roku. Metoda godzinowa z kolei pozwala wyznaczać zapotrzebowanie na energię użyteczną, temperaturę bilansową oraz obciążenie cieplne dla budynku. Za pomocą metod obliczania opisanych w normie możliwe jest zarówno wyznaczanie zapotrzebowania na moc cieplną lub chłodniczą jawną i utajoną do celów projektowych, jak i obliczanie rocznego zapotrzebowania na energię w postaci ciepła jawnego i utajonego do ogrzewania i chłodzenia budynku. W artykule przybliżono ogólne założenia metod obliczania i przedstawiono związek opisywanej normy z wycofaną ze zbioru polskich norm PN-EN ISO 13790 oraz z systemem obliczeń na potrzeby świadectw energetycznych i auditingu energetycznego.

Główne założenia normy PN-EN ISO 52016-1

Nowelizacja dyrektywy 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (EPBD Recast) wymogła na krajach członkowskich UE nowelizację szeregu norm dotyczących charakterystyki energetycznej budynków (Energy Performance of Buildings – EPB). Zgodnie z mandatem M/480 [2] Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego (CEN), począwszy od 2011 r. podjęto prace nad nowelizacją i opracowaniem nowych norm obejmujących swym zakresem zagadnienia wyznaczania zapotrzebowania na energię w postaci ciepła jawnego i utajonego w budynkach na potrzeby ich ogrzewania i chłodzenia. Opracowano pakiet norm mających na celu harmonizację metodyki określania charakterystyk energetycznych budynków w krajach członkowskich Unii Europejskiej.

Zbiór norm EPB został podzielony na cztery główne obszary zagadnień, obejmujące szeroko pojęte zapotrzebowanie na energię w budynkach: M1 – normy nadrzędne; M2 – budynek (jako taki); M3–M11 – systemy i techniczne wyposażenie budynku (wpływające na charakterystykę energetyczną budynku), w tym M3 – ogrzewanie, M4 – chłodzenie, M5 – wentylacja, M6 – nawilżanie, M7 – osuszanie, M8 – ciepła woda użytkowa, M9 – oświetlenie, M10 – automatyka i sterowanie systemami budynku, M11 – systemy odnawialnych źródeł energii; M12–M13 – inne systemy lub urządzenia niemające wpływu na charakterystykę energetyczną budynku.

W ramach obszaru M2 zagadnień zbioru norm EPB wydzielono jedenaście podobszarów: 1 – zagadnienia ogólne, 2 – zapotrzebowanie budynku na energię, 3 – parametry wewnętrzne bez systemów, 4 – sposoby poprawy efektywności energetycznej, 5 – wymiana ciepła przez przenikanie, 6 – wymiana ciepła przez infiltrację i wentylację, 7 – wewnętrzne zyski ciepła, 8 – zyski ciepła promieniowania słonecznego, 9 – dynamika cieplna budynków (pojemność cieplna), 10 – charakterystyka energetyczna budynku – pomiary, 11 – kontrola, weryfikacja.

Natomiast w obszarach M3–M11 wydzielono dwanaście podobszarów: 1 – zagadnienia ogólne, 2 – zapotrzebowanie na energię, 3 – maksymalne obciążenie i moc, 4 – sposoby poprawy efektywności energetycznej, 5 – emisja i kontrola, 6 – dystrybucja i kontrola, 7 – przechowywanie i kontrola, 8 – wytwarzanie i kontrola, 9 – dystrybucja obciążeń cieplnych i warunki eksploatacyjne, 10 – charakterystyka energetyczna budynku – pomiary, 11 – kontrola, weryfikacja, 12 – BMS – systemy zarządzania budynkiem.

Pozycja normy PN-EN ISO 52016-1 w obrębie zestawu norm EPB w kontekście tej modułowej struktury określona została w normie PN-EN ISO 52000-1 [12]. Opisywana norma obejmuje swym zasięgiem moduły: M2-2 – zapotrzebowanie budynku na energię, M2-3 – parametry wewnętrzne budynku, M2-6 – wymiana ciepła przez infiltrację i wentylację, M3-3 – zapotrzebowanie na moc ogrzewania, M4-3 – zapotrzebowanie na moc chłodzenia, M6-3 – zapotrzebowanie na moc nawilżania oraz M7-3 – zapotrzebowanie na moc odwilżania.

Zgodnie z opisaną powyżej strukturą modułową zestawu norm EPB, norma PN-EN ISO 52016-1 omawia metody, za pomocą których można wyznaczyć:

1. jawne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia, w oparciu o obliczenia godzinowe lub miesięczne – zapotrzebowanie na energię użyteczną dla budynku,
2. utajone zapotrzebowanie na energię osuszania lub nawilżania, w oparciu o obliczenia godzinowe lub miesięczne – zapotrzebowanie na energię użyteczną dla budynku,
3. wartości temperatury wewnętrznej, za pomocą obliczeń godzinowych – wyznaczanie temperatury operacyjnej w budynku w stanach nieustalonych,
4. jawne obciążenie cieplne ogrzewania i chłodzenia, na podstawie obliczeń godzinowych – zapotrzebowanie na moc,
5. obciążenia wilgocią i ciepłem utajonym dotyczącym odwilżania lub nawilżania, oparte na obliczeniach godzinowych,
6. projektowe jawne obciążenia ogrzewania i chłodzenia oraz projektowe utajone obciążenia ogrzewania i chłodzenia budynku z wykorzystaniem godzinowej metody obliczeń – projektowe zapotrzebowanie na moc,
7. parametry powietrza dostarczanego do budynku w celu zapewnienia niezbędnego nawilżania i osuszania.

Norma PN-EN ISO 52016-1 odwołuje się do innych norm pakietu norm EPB, w szczególności do:

• ISO 9050 Glass in building – Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors,
• ISO 10077-1 Thermal performance of windows, doors and shutters – Calculation of thermal transmittance – Part 1: General,
• ISO 10292 Glass in building – Calculation of steady-state U values (thermal transmittance) of multiple glazing,
• ISO 13789 Thermal performance of buildings – Transmission and ventilation heat transfer coefficients – Calculation method 1,
• ISO 15099 Thermal performance of windows, doors and shading devices – Detailed calculations,
• ISO 15927-2 Hygrothermal performance of buildings – Calculation and presentation of climatic data – Part 2: Hourly data for design cooling load,
• ISO 15927-4 Hygrothermal performance of buildings – Calculation and presentation of climatic data – Part 4: Hourly data for assessing the annual energy use for heating and cooling,
• ISO 15927-5 Hygrothermal performance of buildings – Calculation and presentation of climatic data – Part 5: Data for design heat load for space heating,
• ISO 52000-1 Energy performance of buildings – Overarching EPB assessment – Part 1: General framework and procedures,
• „EN 410 Glass in building – Determination of luminous and solar characteristics of glazing,
• EN 673 Glass in building – Determination of thermal transmittance (U value) – Calculation method,
• EN 12831 Heating systems and water based cooling systems in buildings – Method for calculation of the design heat load – Part 1: Space heating load.

Zależność omawianej normy od podanej powyżej listy norm, które w drugiej kolejności odwołują się do kolejnych dokumentów, wskazuje, że jest ona kluczowa w systemie obliczeń energetycznych dla potrzeb budownictwa. Upraszając, norma omawia dwa główne sposoby obliczeń: metodę miesięczną do uproszczonych obliczeń zapotrzebowania na energię użytkową budynku do ogrzewania, chłodzenia, nawilżania i odwilżania powietrza wentylacyjnego oraz metodę godzinową, za pomocą której można dokładnie wyznaczać roczne zapotrzebowanie na energię użytkową do budynku ogrzewania, chłodzenia, nawilżania i osuszania powietrza wentylacyjnego, a także obliczania projektowego obciążenia cieplnego i chłodniczego, nawilżania i osuszania oraz wyznaczania rocznych przebiegów parametrów powietrza wewnętrznego w budynkach w stanach nieustalonych. Metoda godzinowa normy opisuje sposób budowy modeli symulacji energetycznej budynku w oparciu o metodę skupionych współczynników przenoszenia ciepła i pojemności cieplnych. Za pomocą tej metody buduje się schemat przepływu energii w budynku analogicznie do schematów liniowych układów elektrycznych, który rozwiązuje się za pomocą tworzonego dla tego schematu układu równań liniowych. Metoda godzinowa normy opisuje złożony system symulacji energetycznej budynku w przeciwieństwie do normy PN-EN ISO 13790, która wprowadzała uproszczoną metodę godzinową w oparciu o schemat 5R1C przepływu energii w budynkach. W normie PN-EN ISO 52016-1 nie ma opisu prostej metody godzinowej analiz energetycznych dla budynków.

Aktualny stan prawny metodyki wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku w Polsce

Stan prawny w zakresie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków opartej na standardowym sposobie ich użytkowania zmieniał się w ciągu ostatnich lat. Wynika to przede wszystkim ze zmian aktów prawnych oraz postępu technologicznego. Zmianom uległy zarówno przepisy krajowe, jak i unijne, rozwijały się także techniki obliczeniowe oraz symulacje energetyczne stosowane w fizyce budynków. Zachodzące zmiany spowodowały, że wiele przepisów i założeń systemu świadectw i auditingu energetycznego przyjętych w Polsce ponad dekadę temu przestało być aktualne.

Obecna metodologia wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku została wprowadzona w 2015 r. przez rozporządzenie w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej [3]. W ogólnym zakresie i metodzie obliczeń powiela ona metodologię wprowadzoną jeszcze w 2008 r. [4]. Po ponad 10 latach funkcjonowania i rozwoju techniki instalacyjnej, obliczeniowej i budowlanej konieczne są korekty harmonizujące procedury obliczeniowe wynikające ze zmian aktów prawych, w szczególności:

• dyrektywy 2018/844/UE [5], która zmieniła dyrektywę 2010/31 w sprawie charakterystyki energetycznej budynków,
• rozporządzenia 1253/2014 w sprawie wykonania dyrektywy 2009/125/WE [6],
• zmian w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 2285) [7],

oraz aktualizacji i wprowadzenia norm:

• PN-EN ISO 52016-1 (wersja polska) Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia, wewnętrzne temperatury oraz jawne i utajone obciążenia cieplne. Część 1: Procedury obliczania,
• „PN-EN ISO 52017-1:2017-10 (wersja angielska) Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Jawne i utajone obciążenia cieplne oraz temperatury wewnętrzne. Część 1: Ogólne procedury obliczania,
• PN-EN ISO 13789:2017-10 (wersja polska) Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania,
• PN-EN 16798-7:2017-07 Charakterystyka energetyczna budynków. Wentylacja budynków. Część 7: Metody obliczeniowe służące określaniu strumieni objętościowych powietrza w budynkach, włącznie z infiltracją (Moduł M5-5).

Analizując obecnie obowiązującą metodologię wyznaczania charakterystyki energetycznej opartej na standardowym sposobie użytkowania, można zauważyć szereg problemów obliczeniowych i prawnych. Wśród najważniejszych zagadnień dotyczących przepisów prawnych należy wymienić:

• wymaganie zapisane w art. 10 ust. 6 punkt c) dyrektywy 2010/31/UE [8], znowelizowane dyrektywą 2018/844/UE, tj. metodologia obliczania zapotrzebowania na energię powinna umożliwiać ocenę działań modernizacyjnych poprzez porównanie świadectw charakterystyki energetycznej wydanych przed renowacją i po niej, co dotyczy szczególnie modernizacji instalacji wentylacyjnej i ciepłej wody użytkowej;
• wymaganie zapisane w punkcie 1 załącznika I dyrektywy 2010/31/UE, wprowadzone dyrektywą 2018/844/UE, tj. Metodologia stosowana w celu ustalenia charakterystyki energetycznej budynku jest przejrzysta i otwarta na innowacje (np. brak możliwości wykonania obliczeń dla budynku wyposażonego w system wentylacji hybrydowej lub problematyczne ze względu na obowiązującą procedurę uwzględnienie sterowania wentylacją wg zapotrzebowania);
• wymaganie zapisane w punkcie 1 załącznika I Dyrektywy 2010/31/UE, wprowadzone dyrektywą 2018/844/UE, stwierdzające, że: Państwa członkowskie opisują swoje krajowe metodologie obliczania zgodnie z załącznikami krajowymi powiązanych norm europejskich, mianowicie ISO 52000-1, 52003-1, 52010-1, 52016-1 oraz 52018-1 opracowanych na podstawie mandatu M/480 udzielonego Europejskiemu Komitetowi Normalizacyjnemu;
• stwierdzenie w punkcie 9 preambuły dyrektywy 2010/31/UE dotyczące metodologii, która powinna obejmować również inne niż charakterystyka cieplna czynniki, m.in. jakość powietrza wewnątrz budynku;
• stwierdzenie w punkcie 25 preambuły dyrektywy 2010/31/UE dotyczące ograniczenia możliwości przegrzewania budynków, w tym również budynków niewyposażonych w aktywny system chłodzenia, co powinno znaleźć odzwierciedlenie w opracowywaniu charakterystyki energetycznej budynków jako ważna informacja dla użytkownika;
• niezgodność klasyfikacji budynków z punktem 5 załącznika I dyrektywy 2010/31/UE obejmującym:
  • domy jednorodzinne różnych rodzajów,
  • bloki mieszkalne,
  • biura,
  • budynki oświatowe,
  • szpitale,
  • hotele i restauracje,
  • obiekty sportowe,
  • budynki usług, handlu hurtowego i detalicznego,
  • inne rodzaje budynków zużywających energię;
• ogólne i nieprecyzyjne odwołania do norm w metodyce obliczeń zamieszczonej w rozporządzeniu (DzU 2015, poz. 376).

Aktualna metodyka obliczeń charakterystyki energetycznej budynków bazuje na niepełnej implementacji quasi-dynamicznej metody miesięcznej obliczeń zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i chłodzenia opisanej w wycofanej w 2017 r. normie PN-EN ISO 13790. W stosunku do oryginalnej metody miesięcznej metodyka ta została uproszczona, co jeszcze bardziej wpływa na niedokładność obliczeń zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i chłodzenia. Metoda obliczania zapotrzebowania na energię z metodyki świadectw charakterystyki energetycznej w przypadku współcześnie wznoszonych budynków niskoenergetycznych lub w przypadku budynków innych niż mieszkalne w zasadzie nie powinna być używana, ponieważ prowadzi do znacznych błędów. Aktualna metodyka wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku nie implementuje metod obliczania opisanych w normie PN-EN ISO 52016-1, co jest wymagane w dyrektywie 2018/844/UE.

Obliczenia metodą godzinową i miesięczną

Opisywana norma PN-EN ISO 52016-1 preferuje obliczenia metodą godzinową dla większości wielkości zapotrzebowania na energię i moc cieplną budynku. Jedynie dla potrzeb wyznaczenia zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia budynku możliwe jest wykorzystanie metody miesięcznej. Należy mieć jednak na uwadze, że obliczenia te są mniej dokładne ze względu na wiele założeń upraszczających zjawiska cieplne zachodzące w ogrzewanym lub chłodzonym budynku oraz ze względu na uśrednianie wielu wartości w okresie miesiąca. Obliczenia godzinowe opisywane w normie wykorzystują ogólną procedurę obliczeniową metody godzinowej symulacji energetycznej budynku opartą na metodzie bilansu cieplnego budynku i powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych jego wszystkich przegród. Uogólniona procedura obliczeniowa symulacji energetycznych opisana została w normie PN-EN ISO 52017-1 [11] i stanowi podstawę metod obliczeniowych opisywanej normy. Zależności pomiędzy normą PN-EN ISO 52016-1 i normami przez nią powołanymi przedstawia rys. 1.

Norma PN-EN ISO 52017-1 jest szczególnie ważna, ponieważ przedstawia ogólne założenia, warunki brzegowe i równania do obliczania, w warunkach nieustalonej wymiany ciepła z korkiem godzinowym lub subgodzinowym, wartości temperatury wewnętrznej powietrza i operacyjnej oraz obciążenia cieplnego ogrzewania, chłodzenia oraz nawilżania i osuszania w celu utrzymania określonych wartości zadanych temperatury i wilgotności w pojedynczej strefie cieplnej budynku. Norma ta nie narzuca żadnych określonych technik obliczeniowych. Szczegółowe procedury obliczania, oparte na ogólnych procedurach podanych w normie ­PN-EN ISO 52017-1, przedstawiono w normie PN-EN ISO 52016-1. Szczegółowe uproszczenia, założenia i warunki brzegowe podane w normie PN-EN ISO 52016-1 są dopasowane do odpowiednich obszarów zastosowania, takich jak: zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia oraz do nawilżania i osuszania, godzinowa temperatura wewnętrzna, projektowe obciążenie ogrzewaniem i chłodzeniem oraz nawilżaniem i osuszaniem. Przedstawiony zakres stosowania normy ­PN-EN ISO 52017-1 wskazuje na jej bardzo ścisły związek z normą PN-EN ISO 52016-1 i w zasadzie nie można jej stosować bez normy PN-EN ISO 52017-1. Dodatkowo norma opisująca ogólne procedury obliczeniowe powołuje się na następujące normy:

• ISO 13370 Thermal performance of buildings – Heat transfer via the ground – Calculation methods,
• ISO 52010-1 Energy performance of buildings – Overarching assessment procedures for external environment conditions – Part 1: Conversion of measured hourly weather data to input for energy calculations,
• ISO 52016-1 Energy performance of buildings – Calculations of the energy needs for heating and cooling, internal temperatures and heating and cooling load in a building or building zone – Part 1: Calculation procedures.

Metoda godzinowa i metoda miesięczna przedstawione w normie PN- EN ISO 52016-1 są ze sobą ściśle powiązane. Obie metody używają niemal tych samych założeń do obliczeń oraz danych wejściowych. Analogicznie jak w normie PN-EN ISO 13790, metoda godzinowa umożliwia wyznaczenie uśrednionych parametrów budynku i jego systemów, które są niezbędne w obliczeniach metodą miesięczną. Można dzięki temu przeprowadzić wiele analiz zapotrzebowania na energię w budynkach za pomocą metody godzinowej, a następnie na podstawie tych obliczeń wyznaczyć wiele wskaźników i korelacji, które mogą być użytkowane w metodzie miesięcznej. Zasada wspólnych danych wejściowych, w największym stopniu jak to możliwe, została dla metody godzinowej i miesięcznej utrzymana analogicznie do metod opisanych w normie PN-EN ISO 13790. Dzięki temu możliwe jest wyznaczenie wielu parametrów metody miesięcznej dla budownictwa reprezentatywnego dla danego kraju.

W wielu krajach członkowskich UE podjęto działania mające na celu wyznaczanie parametrów metody miesięcznej na podstawie analiz energetycznych reprezentatywnych dla obiektów z danych rodzajów budownictwa, wykorzystując szczegółowe modele i metody godzinowe. W Polsce pomimo wielu lat implementacji normy PN-EN ISO 13790 tego typu działań nie podjęto. Omawiana norma PN-EN 52016-1 wprowadza bardziej szczegółowe modele obliczeniowe i umożliwia bardziej precyzyjne wyznaczenie wskaźników dla metody miesięcznej, która pozwala na uproszczenie obliczeń zapotrzebowania na energię tam, gdzie jest to możliwe lub wymagane. Należy jednak pamiętać, że nie można bezpośrednio implementować metody miesięcznej bez wyznaczenia parametrów metody dla budownictwa charakterystycznego dla danego typu obiektów w danym kraju, jak na przykład dla budownictwa mieszkalnego wielorodzinnego, budynków szkolnych, użyteczności publicznej itd. Związek pomiędzy metodą godzinową i metodą miesięczną ilustruje rys. 2.

Metoda godzinowa opisana w normie ­PN-EN ISO 52016-1 jest oparta na bilansach cieplnych powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych przegród budowlanych oraz masy powietrza w strefach cieplnych analizowanego budynku w stanach nieustalonej wymiany ciepła. Metoda ta w pełni uwzględnia dynamikę cieplną przegród nieprzezroczystych budynku oraz zmienność w czasie wewnętrznych zysków ciepła i zysków ciepła promieniowania słonecznego oraz promieniowania cieplnego długofalowego. Metoda godzinowa implementuje ogólne zasady budowania modelu nieustalonej wymiany ciepła i bilansu cieplnego budynku przedstawione w normie PN-EN ISO 52017-1. Opisywana metoda godzinowa jest o wiele bardziej zaawansowana obliczeniowo od uproszczonego modelu godzinowego 5R1C implementowanego w wycofanej normie ­PN-EN ISO 13790, przedstawionego na rys. 3. Model ten, choć uwzględniał pojemność cieplną budynku, był bardzo prosty ze względu na wykorzystanie sześciu skupionych parametrów cieplnych budynku lub jego strefy cieplnej w postaci pięciu przewodności cieplnych (współczynników przenoszenia ciepła) oraz jednej pojemności cieplnej reprezentującej całą masę termiczną budynku. W efekcie model bardzo się upraszczał, co prowadziło do prostego rozwiązania równania różniczkowego opisującego ten model w postaci układu trzech równań liniowych wyznaczających w pojedynczym interwale czasu wartości temperatury konstrukcji budynku, temperatury powierzchni wewnętrznej budynku oraz temperatury powietrza wewnętrznego budynku. Szczegółowe rozważania na temat tego modelu można znaleźć w literaturze [9,10].

W przeciwieństwie do modelu 5R1C metoda godzinowa normy PN-EN ISO 52016-1 umożliwia budowę modelu budynku z dowolną liczbą węzłów, dla których wyznacza się wartości temperatury bilansowej w pojedynczym kroku czasowym, w tym przypadku jednej godziny. Inaczej niż to ma miejsce w modelu w wycofanej normie PN-EN ISO 13790, elementy budynku nie są agregowane do kilku przewodności cieplnych, lecz każdy element budynku może mieć swoją przewodność i pojemność cieplną i być związany z bilansem cieplnym powietrza wewnątrz budynku. Prowadzi to do układu równań liniowych opisujących zjawiska wymiany ciepła w przegrodach budowlanych i bilansujących energię na powierzchniach tych przegród oraz opisujących bilanse energii powietrza w strefach cieplnych budynku. Liczba równań bilansowych układu równań opisujących budynek zależy bezpośrednio od liczby węzłów, w których dokonuje się bilansu energii w pojedynczym kroku czasowym. Im bardziej skomplikowany model przepływu ciepła w budynku, tym większa liczba równań. Opisywana metoda godzinowa nie narzuca stopnia złożoności modelu, ale zaleca, żeby każdy komponent budynku posiadał co najmniej dwa węzły bilansowe na obu jego powierzchniach. W przypadku przegród z pustkami powietrznymi wentylowanymi liczba tych węzłów zwiększa się o węzły wewnętrzne wewnątrz przegrody. Różnica pomiędzy przyjętym sposobem modelowania przepływu ciepła w budynku w stanie nieustalonym w opisywanej normie a modelem 5R1C została pokazana na rys. 4.

Przyjęcie zasady, że każdy element budynku modelowany jest oddzielnie w porównaniu do sumarycznych współczynników przenoszenia ciepła w modelu 5R1C powoduje, że model cieplny całego budynku bardziej odzwierciedla rzeczywisty budynek i nie powoduje niejednoznacznych uproszczeń. W szczególności widoczne jest to w wiązaniu zysków ciepła z elementami konstrukcyjnymi budynku (np. zyski ciepła promieniowania słonecznego i połacie dachu budynku) oraz wiązaniu pojemności cieplnej elementów budynku, a nie, jak to miało miejsce w modelu 5R1C, z jedną pojemnością cieplną całej konstrukcji budynku. Zastosowanie wielowęzłowego modelu z bilansami energii powierzchni elementów budynku pozwala wyznaczyć wartość temperatury bilansowej tych powierzchni, co umożliwia wyznaczanie średniej temperatury promieniowania przegród otaczających strefę cieplną, co z kolei poprawia możliwości wyznaczania bilansów cieplnych w punktach węzłowych modelu i dokładność wyznaczania strumieni energii w modelowanym obiekcie.

Główną zaletą metody godzinowej w porównaniu do metody miesięcznej przedstawionej w normie PN-EN ISO 52016-1 jest możliwość szczegółowego modelowania wielu zmiennych w czasie parametrów opisujących budynek oraz parametrów eksploatacyjnych jego technicznych systemów. Dodatkowo uwzględnia się szczegółowo zmienność parametrów klimatu zewnętrznego. Reasumując, za pomocą metody godzinowej możliwe jest uwzględnianie zmienności współczynników zacienienia, przegród zewnętrznych oraz okien budynku, zmienności pracy systemów wentylacji, ogrzewania i chłodzenia, wpływanie na zmienne wartości temperatury nastawy w strefach cieplnych budynku. Dodatkowo możliwe jest wykorzystywanie harmonogramów obecności osób w budynku oraz harmonogramów oświetlenia sztucznego budynku i zysków ciepła od urządzeń, co umożliwia wyznaczanie zmiennych w czasie wewnętrznych zysków ciepła, które mają wpływ na dynamikę przepływu ciepła przez budynek. Zaproponowany w opisywanej normie model godzinowy umożliwia analizowanie wielu aspektów związanych z obliczeniami zapotrzebowania na energię oraz maksymalnym obciążeniem cieplnym systemu ogrzewania i klimatyzacji budynków. Jak wspomniano wcześniej, zaawansowane obliczeniowo modele mogą być wykorzystane do wyznaczania wartości średnich miesięcznych wskaźników metody miesięcznej, za pomocą której można małym kosztem obliczeniowym wyznaczać zapotrzebowanie na energię, jednak mniej dokładnie w porównaniu do metody godzinowej.

Metoda miesięczna opisana w normie PN-EN ISO 52016-1 w zakresie podstaw matematycznych pozostała bez zmian w porównaniu do metody miesięcznej opisanej w normie PN-EN ISO 13790. W metodzie miesięcznej podstawowe równania bilansu energii dla potrzeb ogrzewania i chłodzenia uwzględniają odpowiednio miesięczne straty ciepła pomniejszane o miesięczne zyski ciepła skalowane współczynnikiem wykorzystania zysków ciepła oraz miesięczne zyski ciepła pomniejszone o straty ciepła skalowane współczynnikiem wykorzystania strat ciepła. W obu przypadkach – ogrzewania i chłodzenia – współczynniki wykorzystania zysków/strat ciepła budynku zależne są od stałej czasowej budynku, a ta zależy bezpośrednio od pojemności cieplnej budynku i jego zdolności do rozpraszania energii poprzez przenikanie ciepła przez elementy obudowy zewnętrznej oraz wentylację budynku. Podobnie jak w przypadku wycofanej normy PN-EN ISO 13790, na poziomie krajowym należy wyznaczyć parametry modelu miesięcznego dla różnych typów i przeznaczenia budynków, czego do chwili obecnej w Polsce nie wykonano.

Implementacja metod obliczeniowych normy na poziomie krajowym

Norma PN-EN ISO 52016-1, stworzona na poziomie europejskim, powinna zostać zaadaptowana w systemach świadectw charakterystyki energetycznej budynków w poszczególnych krajach Unii Europejskiej. Przedstawiono w niej jednoznaczny, ale bardzo elastyczny model obliczeniowy, pozwalający modelować cieplnie cały budynek lub pojedyncze sprzężone ze sobą strefy cieplne w stanach nieustalonej w czasie wymiany ciepła. Autorzy przewidzieli, że na poziome krajowym należy przyjmować domyślne wartości wejściowe w modelach budynków w zależności od rodzaju i przeznaczenia budynku. W związku z tym w normie europejskiej w załącznikach A i B przedstawiono szablony załączników krajowych, które powinny zostać opracowane na poziomie krajowym, uwzględniające specyficzne uwarunkowania klimatyczne, kulturowe, administracyjne, polityki energetyczne oraz dotyczące przeszłych, obecnych i przyszłych technologii stosowanych w budownictwie. Szczególnie ważne są domyślne dane wejściowe opisywane przez Prawo budowlane oraz prawo obejmujące charakterystyki i świadectwa energetyczne budynków. Brak załączników krajowych może prowadzić do tworzenia systemów obliczeniowych, które mogą nie uwzględniać wielu założeń polityki energetycznej.

W przypadku metody miesięcznej jej stosowanie nie jest możliwe bez wyznaczania parametrów modelu miesięcznego dla różnych typów budynków o różnym przeznaczeniu. Stosowanie domyślnych wartości przyjętych w normie europejskiej może w wielu przypadkach prowadzić do znacznych rozbieżności pomiędzy wielkościami ilości energii dla ogrzewania i chłodzenia budynku obliczonej metodą miesięczną w stosunku do obliczeń metodą godzinową i w porównaniu do rzeczywistych potrzeb budynku. Jeżeli metoda miesięczna będzie stosowana w systemach certyfikacji budynków, może to prowadzić do znacznych różnic pomiędzy obliczeniami a rzeczywistymi mierzonymi ilościami energii niezbędnej do ogrzewania i chłodzenia budynków. Z tego punktu widzenia niezmierne istotne jest prawidłowe implementowanie opisywanej normy na poziomie krajowym.

Weryfikacja modelu godzinowego

Opisany w normie model obliczeniowy zapotrzebowania na moc i energię budynku nie wskazuje na jakikolwiek sposób jego implementacji za pomocą technik komputerowych. W związku z tym pozostawione zostało pole do zastosowania dowolnych technik obliczeniowych – np. arkusz obliczeniowy lub algorytmy modelu zakodowane w aplikacjach komputerowych. W związku tą dowolnością technik komputerowych wymagana jest weryfikacja i walidacja powstających środowisk obliczeniowych, za pomocą których dokonuje się obliczeń przedstawionych w normie PN-EN ISO 52016-1. Jako podstawę do weryfikacji przyjęto w normie przypadki obliczeniowe o numerach 600 oraz 900 uznanego na świecie standardu BESTEST.

Obejmują one dwa typy obudowy lekkiej i ciężkiej budynku testowego opisanego w normie ASHRAE 140 [13]. Norma ta zawiera wartości obliczone zapotrzebowania na energię i moc do ogrzewania i chłodzenia budynku testowego, jak również wartości temperatury wewnętrznej. Obliczenia wykonywane są dla typowego roku meteorologicznego w Denver, USA. W normie podano wszystkie parametry cieplne budynku testowego, harmonogramy i sposoby dostarczania energii do budynku oraz wartości temperatury nastawy, a także wyniki obliczeń uzyskane za pomocą renomowanych systemów symulacji energetycznej, które przyjmuje się jako referencyjne. Każda implementacja modelu godzinowego opisanego normą PN-EN ISO 52016-1 powinna przejść weryfikację za pomocą budynku nr 600 i 900 standardu BESTEST, co ma zapewnić poprawność stosowania opisanych metod obliczeniowych. Model godzinowy opisany w normie jest ścisły i każda jego implementacja powinna prowadzić do jednakowych wyników obliczeń, ale należy mieć na uwadze, że wyniki te będą się różnić od wyników obliczeń programów uznanych za referencyjne ze względu na różne modele matematyczne opisujące zjawiska cieplne w stanach nieustalonych w budynkach. Jednak mimo tych różnic wartości zapotrzebowania na energię dla przypadku 600 i 900 BESTEST nie powinny się znacząco różnić od wartości wynikowych prezentowanych w normie ASHRAE 140.

W szczególności należy pamiętać, że w obliczeniach BESTEST nie uwzględniano sprzężenia cieplnego pomiędzy podłogą na gruncie a gruntem, w zjawiskach przenikania ciepła przez przegrody pomijano mostki cieplne, nie uwzględniano sprzężenia cieplnego sąsiadujących stref cieplnych, zewnętrznego zacienienia obiektu, harmonogramów sterowania wentylacją oraz pracą instalacji wewnętrznych itp. Brak modelowania tych zjawisk w analizowanych budynkach powoduje rozbieżności pomiędzy wynikami obliczeń w obrębie tego samego modelu budynku, lecz rozwiązywanego za pomocą różnych systemów symulacji energetycznej.

Podsumowanie

Przyjęta do zbioru polskich norm PN-EN 52016-1 przedstawia dwie metody obliczeniowe umożliwiające analizę zapotrzebowania na energię i moc do ogrzewania, chłodzenia, nawilżania i osuszania powietrza wewnętrznego budynków.

Metoda godzinowa jest szczegółową implementacją ogólnych zasad modelowania energetycznego budynków i ich stref ciepl­nych przedstawioną w PN-EN ISO 52017-1. Opisywana metoda umożliwia budowanie wielowęzłowych modeli przepływu ciepła w budynku w stanach nieustalonych i odchodzi od wyznaczania skupionych parametrów cieplnych całego budynku jak w modelu 5R1C opisanym w wycofanej normie PN-EN ISO 13790. W przeciwieństwie do uproszczonego modelu godzinowego, modelowanie cieplne budynku nową metodą godzinową prowadzi do wyznaczenia układu równań opisujących bilanse energii wszystkich węzłów modelu cieplnego budynku, który należy rozwiązywać w każdym kroku obliczeniowym.

Z kolei metoda miesięczna pozostała w zasadzie niezmieniona w porównaniu do normy PN-EN ISO 13790. Należy jednak pamiętać, że krajowa implementacja omawianej normy będzie wymagać przygotowania wielu domyślnych parametrów dla różnych typów budownictwa, które należy zamieścić w załącznikach krajowych do normy. Innym bardzo istotnym problemem jest wyznaczenie parametrów (stałych czasowych i wartości niezbędnych do wyznaczenia współczynników wykorzystania zysków ciepła i strat ciepła) dla metody miesięcznej charakteryzującej różne typy budynków o różnym przeznaczeniu, które są specyficzne dla polskiego budownictwa. Można je wyznaczyć, analizując wiele reprezentatywnych budynków za pomocą metody godzinowej. Nowa metoda godzinowa ma o wiele większe możliwości modelowania energetycznego budynków, ale jest bardziej wymagająca obliczeniowo i jej stosowanie wymaga implementacji za pomocą technik obliczeniowych, które należy zweryfikować testami serii 600 i 900 BESTEST opisanymi normą ASHRAE 140.

Literatura

1. PN-EN ISO 52016-1:2017-09 (wersja polska) Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia, wewnętrzne temperatury oraz jawne i utajone obciążenia cieplne. Część 1: Procedury obliczania, 2017.
2. Mandat M480, Mandat dla CEN, CENELEC i ETSI opracowania i przyjęcia norm dla metodyki obliczania zintegrowanej charakterystyki energetycznej budynków i promowania efektywności energetycznej budynków, 2007 r., zgodnie z warunkami określonymi w przekształconej wersji dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (2010/31/UE) z dnia 14 grudnia 2010 r.
3. 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).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkowa oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU 2008, poz. 1240).
5. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz.Urz. UE L 156/75).
6. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1253/2014 z dnia 7 lipca 2014 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla systemów wentylacyjnych (Dz.Urz. UE L 337/8).
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2017, poz. 2285).
8. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz.Urz. UE L 153/13).
9. Narowski Piotr, Uproszczona metoda godzinowa obliczania ilości ciepła do ogrzewania i chłodzenia budynków, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja”, 2009, 1 (466), s. 27–32.
10. Narowski Piotr, Podstawy uproszczonej metody godzinowej obliczania ilości ciepła do ogrzewania i chłodzenia budynków, „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce”, 2008, Tom III, s. 77–84.
11. PN-EN ISO 52017-1 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Jawne i utajone obciążenia cieplne oraz temperatury wewnętrzne. Część 1: Ogólne procedury obliczania, 2017.
12. EN ISO 52000-1 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Nadrzędna ocena EPB. Część 1: Ogólne ramy i procedury, 2017.
13. Norma ANSI/ASHRAE 140, Standardowa metoda oceny ewaluacji programów komputerowych do analizy energetycznej budynków, 2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!