B.2. Obliczanie zapotrzebowania ciepła pomieszczeń <br>

B.2. Obliczanie zapotrzebowania ciepła pomieszczeń

Obliczenia strat ciepła pomieszczeń opierają się na założeniach normy PN EN 12831. W normie przez stratę ciepła pomieszczenia (in. całkowitą projektową stratę ciepła) rozumie się strumień ciepła, jaki w warunkach obliczeniowych ma dostarczyć do pomieszczenia urządzenie ogrzewcze.

Obliczenia niniejszą normą są przeznaczone dla budynków o kubaturze nieprzekraczającej 600 m3.

Straty ciepła pomieszczenia obejmują straty ciepła przez przenikanie i wentylację, uwzględniając dodatki do strat ciepła przez przenikanie na skutki nasłonecznienia przegród oraz wpływ niskich temperatur powierzchni przegród chłodzących.

Projektowa moc cieplna przez przenikanie to strumień ciepła przenikający przez przegrody zewnętrzne i wewnętrzne danego pomieszczenia w warunkach obliczeniowych.

Zapotrzebowanie na ciepło przez przenikanie jest to strumień ciepła równoważący straty ciepła przez przenikanie z uwzględnieniem dodatków.

Straty ciepła na wentylację, to w rozumieniu niniejszej normy strumień ciepła niezbędny do ogrzania powietrza zewnętrznego, które ze względu na spełnienie wymagań higienicznych powinno dopływać do mieszkania.

Zapotrzebowanie na ciepło do wentylacji – strumień ciepła równoważący straty ciepła na wentylację z uwzględnieniem wewnętrznych zysków ciepła pomieszczenia.

Straty ciepła przez przenikanie

Straty ciepła przez przenikanie są proporcjonalne do powierzchni przegrody, współczynnika przenikania ciepła Uo oraz różnicy temperatur pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu, a temperaturą przestrzeni przyległej do pomieszczenia.

Powierzchnia przegród budowlanych jest obliczana wg wymiarów w osiach, zarówno dla przegród pionowych, jak również poziomych.

Powierzchnie okien i drzwi, a także naświetli i świetlików podaje się wg zewnętrznych wymiarów ościeżnic.

Powierzchnie części ściany przylegającej do gruntu należy obliczać przyjmując za jej długość – odległość pomiędzy osiami ścian prostopadłych, a za jej wysokość – średnią odległość od podłogi pomieszczenia do poziomu gruntu.

Jako obliczeniową długość ściany narożnej należy przyjmować jej długość rzeczywistą zwiększoną o połowę jej zagłębienia w ziemi.

Powierzchnię podłogi przylegającej do gruntu lub zagłębionej do 1m poniżej poziomu terenu dzieli się na dwie strefy.

Strefę pierwszą stanowi pas gruntu o szerokości 1m przyległy do ścian zewnętrznych, przy czym obszary nakładania się pasów (w narożach) należy liczyć podwójnie. Strefę drugą stanowi pozostała część podłogi. Jeśli podłoga jest zagłębiona więcej niż 1m poniżej poziomu terenu, cała powierzchnia podłogi traktowana jest jako strefa druga.

Dodatki uwzględniające wpływ nasłonecznienia przegród oraz niskich temperatur przegród chłodzących w pomieszczeniu są dodawane do strat ciepła przez przenikanie.

Dodatek dla wyrównania niskich temperatur powierzchni przegród d1 jest obliczany w zależności od ilości przegród chłodzących pomieszczenie oraz od typu kondygnacji (parter, piętro).

Dodatek uwzględniający skutki nasłonecznienia d2 jest obliczany w zależności od usytuowania przegród zewnętrznych pomieszczenia w stosunku do stron świata.

Straty ciepła na wentylację

Straty ciepła na wentylację są proporcjonalne do wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego napływającego do pomieszczenia przez nieszczelności lub/oraz nawiewniki oraz różnicy temperatur powietrza nawiewanego i powietrza w pomieszczeniu.

Wewnętrzne zyski ciepła są uwzględniane w bilansie strat ciepła na wentylację. W zależności od sposobu użytkowania pomieszczenia wewnętrzne zyski ciepła są reprezentowane wartością wskaźnika wewnętrznych zysków ciepła. Dla pomieszczeń użytkowanych mniej niż 12 h w ciągu doby jego wartość wynosi 7 W/m3, dla pomieszczeń użytkowanych co najmniej 12 h w ciągu doby wynosi 9 W/m3.

Uwzględniając zalecenia normy PN – B – 03430 program może obliczyć bilans powietrza wentylacyjnego, czyli obliczyć strumienie i temperatury powietrza wentylacyjnego. Więcej na ten temat można znaleźć w akapicie „Obliczanie bilansu powietrza wentylacyjnego” niniejszego rozdziału.

Obliczenia zapotrzebowania ciepła budynku i pomieszczeń (całkowitych strat ciepła) opierają się na założeniach normy EN 12831. Całkowite straty ciepła mogą być obliczane w oparciu o metodę szczegółową lub uproszczoną (opcja do wyboru).

Zasady obliczeń są następujące:

- temperatura powietrza w pomieszczeniu jest równa wartości zadeklarowanej,

- straty ciepła są obliczane w warunkach ustalonych, przyjmowane są stałe własności np. temperatury lub parametrów cieplnych budynku,

Metody obliczeń zawarte w tej normie odnoszą się głównie do budynków, w których:

- pomieszczenia są ogrzewane do określonego stanu stałej temperatury,

- temperatura powietrza oraz temperatura operacyjna mają jednakową wartość. Przez temperaturę operatywną rozumie się średnią arytmetyczną z wartości wewnętrznej temperatury powietrza oraz średniej temperatury promieniowania.

Aby obliczyć straty ciepła w pomieszczeniach ogrzewanych, powinny być brane pod uwagę następujące składniki:

- straty ciepła przez przenikanie, które są stratami ciepła do środowiska zewnętrznego jako rezultat przewodzenia ciepła przez zewnętrzne powierzchnie budynku, jak również przewodzenie ciepła pomiędzy ogrzewanymi obszarami, spowodowane faktem, że sąsiadujące pomieszczenie ogrzewane może mieć inną temperaturę,

- wentylacyjne straty ciepła, wynikające zarówno ze strat ciepła na podgrzanie powietrza zewnętrznego na drodze wentylacji i infiltracji, jak również z wentylacyjnych strat ciepła do innych ogrzewanych i nieogrzewanych pomieszczeń w budynku.

W obliczeniach strat ciepła w oparciu o normę stosuje się szczegółowe metody obliczeniowe. Nalezą do nich obliczenia temperatury powietrza w pomieszczeniach nieogrzewanych, które wynikają z bilansu ciepła oraz powietrza wentylacyjnego w budynku.

Norma również w uproszczony sposób umożliwia rozwiązanie problemu uwzględniania w obliczaniach strat ciepła do nieogrzewanych przestrzeni oraz przestrzeni ogrzewanych należących do innego mieszkania lub budynku. W zależności od wybranego typu sąsiadującego pomieszczenia, straty ciepła są korygowane o pewien współczynnik podany w załączniku do normy.

METODA SZCZEGÓŁOWA OBLICZEŃ STRAT CIEPŁA BUDYNKU – EN 12831

Całkowita normatywna projektowa moc cieplna przez przenikanie pomieszczenia – metoda szczegółowa

Straty ciepła przez przenikanie są obliczane jako iloczyn sumy współczynników strat ciepła przez przenikanie oraz różnicy temperatur pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu a temperaturą powietrza zewnętrznego.

Suma współczynników strat ciepła obejmuje:

- współczynnik strat ciepła przez przenikanie pomiędzy ogrzewanym pomieszczeniem a otoczeniem zewnętrznym

- współczynnik strat ciepła przez przenikanie z pomieszczenia ogrzewanego do otoczenia zewnętrznego poprzez pomieszczenia nieogrzewane,

- stacjonarny współczynnik strat ciepła przez przenikanie z pomieszczenia ogrzewanego do gruntu,

- współczynnik strat ciepła przez przenikanie z ogrzewanego pomieszczenia do innego ogrzewanego pomieszczenia o wyraźnie niższej temperaturze

Współczynnik strat ciepła HT,ie jest iloczynem powierzchni przegrody oraz współczynnika przenikania ciepła przegrody. Jego wartość jest korygowana czynnikami ek i el uwzględniającymi warunki pogodowe. Wartości tych czynników są podawane w załącznikach krajowych. W obliczeniach współczynnika strat ciepła „U” przegrody jest uwzględniany dodatek normowy DUO oraz dodatek uwzględniający obecność mostków cieplnych w przegrodzie.

Współczynnik strat ciepła HT,iue jest iloczynem powierzchni przegrody rozdzielającej pomieszczenie ogrzewane od nieogrzewanego oraz współczynnika przenikania ciepła U przegrody. We wzorze występuje temperaturowy czynnik redukcyjny uwzględniający różnicę temperatur pomiędzy temp. nieogrzewanego pomieszczenia a temperaturą zewnętrzną. Temperatura w pomieszczeniu nieogrzewanym jest obliczana na podstawie bilansu ciepła oraz bilansu powietrza wentylacyjnego. Zamiast wprowadzać pomieszczenie nieogrzewane, można zadeklarować typ pomieszczenia nieogrzewanego po drugiej stronie przegrody wewnętrznej. Wówczas straty ciepła zostaną obliczone z uwzględnieniem współczynnika korekcyjnego, zależnego od wybranego typu pomieszczenia.

Współczynnik strat ciepła HT,ig z pomieszczenia ogrzewanego do gruntu można obliczyć w oparciu o wytyczne szczegółowe zawarte w normie EN ISO 13370 lub o wytyczne uproszczone zawarte w normie 12831. We wspomnianych normach są omówione następujące rodzaje przegród kontaktujące się z gruntem:

- płyta podłogi na gruncie: niezagłebiona, zagłębiona poniżej poziomu gruntu,

- ściana przy gruncie,

- podniesiona konstrukcja podłogi,

- podłogi na gruncie z izolacja krawędziową

- nieogrzewane podziemie.

Różnica pomiędzy metodą uproszczoną a szczegółową polega na tym, że ta ostatnia opiera się na dokładnych i złożonych wzorach obliczeniowych, natomiast w przypadku metody uproszczonej wzory są uproszczone do iloczynu powierzchni przegrody kontaktującej się z gruntem, ekwiwalentnego współczynnika przenikania ciepła Uequiv,k oraz czynników redukcyjnych. Czynniki redukcyjne uwzględniają roczne wahania temperatury zewnętrznej, różnicę temperatur pomiędzy normatywną temperaturą zewnętrzną a średnioroczną temp. zewnętrzną oraz wpływ wód gruntowych, gdy odległość podłogi na gruncie od lustra wody jest mniejsza niż 3m. Wartość Uequiv,k jest funkcją współczynnika „U” przegrody, wymiaru charakterystycznego przegrody B’ oraz zagłębienia poniżej poziomu gruntu.

Wymiar charakterystyczny podłogi B’ jest ilorazem powierzchni podłogi na gruncie oraz połowy wartości obwodu podłogi na gruncie w rozpatrywanym budynku. Do obliczeń obwodu podłogi na gruncie uwzględniamy ten fragment obwodu podłogi, który kontaktuje się ze środowiskiem zewnętrznym.

Obliczenia Ag i P dotyczą budynku, w którym mogą znajdować się nieogrzewane pomieszczenia na gruncie. Wymiary pomieszczeń nieogrzewanych tez są brane do obliczeń pod warunkiem, że zawierają się w głównej bryle budynku, natomiast wymiary nieogrzewanego, dobudowanego garażu nie są brane do obliczeń.

Po obliczeniu wymiaru charakterystycznego dla budynku, jego wartość może być przyjmowana przez pomieszczenia. Tutaj występują trzy przypadki:

- w pomieszczeniach bez ścian zewnętrznych oddzielających rozpatrywane pomieszczenie od środowiska zewnętrznego przyjmuje się wartość B’ obliczoną dla budynku.

- w pomieszczeniach z dobrze izolowanymi cieplnie podłogami (U< 0,5 W/m2K) przyjmuje się wartość B’ obliczoną dla budynku,

- dla wszystkich pozostałych przypadków pomieszczeń wartość B’ jest obliczana przez program indywidualnie na podstawie obwodu podłogi na gruncie, oraz pola powierzchni podłogi na gruncie rozpatrywanego pomieszczenia.

Współczynnik strat ciepła HT,ij jest iloczynem powierzchni przegrody rozdzielającej pomieszczenia ogrzewane do różnej wartości temperatury wewnętrznej oraz współczynnika przenikania ciepła „U” przegrody. We wzorze występuje temperaturowy czynnik redukcyjny uwzględniający różnicę temperatur pomiędzy sąsiadującym pomieszczeniem a środowiskiem zewnętrznym. W obliczeniach pomija się wpływ mostków cieplnych.

Projektowa moc cieplna na wentylację – obliczenia dla budynku oraz dla pomieszczenia

W każdym pomieszczeniu ogrzewanym w mieszkaniu jest obliczana projektowa moc cieplna na wentylację. Straty ciepła na wentylację są proporcjonalne do iloczynu współczynnika strat ciepła na wentylację HV oraz różnicy temperatur pomiędzy temperaturą w pomieszczeniu qint a temperaturą powietrza zewnętrznego qe.

Współczynnik strat ciepła na wentylację HV jest proporcjonalny do iloczynu objętości strumienia powietrza wentylacyjnego V przepływającego przez ogrzewaną przestrzeń oraz jego gęstości i ciepła właściwego. W obliczeniach jest zakładana stała wartość własności fizycznych powietrza.

Rozróżniane są następujące strumienie powietrza wentylacyjnego:

- minimalny strumień powietrza „Vmin”, wymagany z uwagi na potrzeby higieniczne, określony krotnością wymian powietrza w pomieszczeniu „nmin”

- infiltracyjny strumień powietrza wentylacyjnego „Vinf” wynikający ze szczelności bryły budynku oraz obecności okien/drzwi zewnętrznych w pomieszczeniu,

- wentylacyjne strumienie powietrza napływające do pomieszczenia w wyniku działania wywiewnej lub/oraz nawiewnej instalacji wentylacyjnej. Należy do nich strumień powietrza wywiewanego mechanicznie z pomieszczenia „Vwyw”, strumień powietrza nawiewanego mechanicznie „Vnaw” oraz strumień powietrza napływający do pomieszczenia z zewnątrz oraz/lub z innych pomieszczeń w budynku „Vmech,inf,”. Jest to strumień powietrza napływający w wyniku działania wywiewnej instalacji mechanicznej. Występuje wtedy, gdy zadeklarowany strumień wywiewany „Vwyw” jest większy od strumienia nawiewanego „Vnaw”. Wówczas, w celu zachowania bilansu powietrza, do pomieszczenia napływa powietrze zewnętrzne poprzez nieszczelności w konstrukcji budynku oraz/lub z innych pomieszczeń.

Wartość strat ciepła na wentylację w pomieszczeniu zależą od zadeklarowania w pomieszczeniu wentylacji mechanicznej (zobacz dodatek opisujący bilans powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniu.)

Jeżeli jest zadeklarowany system nawiewnej wentylacji mechanicznej to nawiewane powietrze może mieć parametry odmienne od powietrza zewnętrznego, np. wówczas, gdy:

- jest zastosowany system odzysku ciepła,

- powietrze zewnętrzne jest wstępnie ogrzewane w centralce,

W rezultacie nawiewane powietrze może mieć temperaturę „qnaw” niższą lub wyższą od temperatury w pomieszczeniu.

Dodatkowa projektowa moc cieplna FRH wynikająca z czasowego obniżenia temperatury w pomieszczeniach.

Dodatkowa projektowa moc cieplna FRH jaka wynika z czasowego obniżenia temperatury w pomieszczeniu wynika ze zdolności do akumulowania ciepła przez elementy budowlane pomieszczenia. Podczas obniżenia temperatury w pomieszczeniu energia cieplna zawarta w masie budowlanej jest oddawana do powietrza w pomieszczeniu. Po jakimś czasie następuje obniżenie temperatury powietrza oraz przegród. Aby ponownie ogrzać pomieszczenie do wymaganej temperatury jest potrzebne dodatkowe ciepło, aby podwyższyć wewnętrzną temperaturę powietrza oraz wychłodzone przegrody do stanu sprzed obniżenia temperatury.

Im zdolność do akumulacji ciepła przez przegrody jest większa tym obniżenie temperatury jest mniejsze i jest potrzebna mniejsza ilość ciepła do doprowadzenia temperatury w pomieszczeniu do stanu wyjściowego.

Norma podaje algorytm obliczeniowy dodatkowych strat ciepła FRH dla pomieszczeń, w których stosuje się czasowe obniżenie temperatury. Pomieszczenia z czasowym obniżeniem temperatury wymagają podania następujących danych :

- skuteczna pojemność cieplna budowlanych elementów stanowiących pomieszczenie,

- czas obniżenia temperatury,

- spadek temperatury w pomieszczeniu w trakcie obniżenia. Wartość może być obliczana lub zadana. Jeżeli Użytkownik ma możliwość uzyskania określonej temperatury w pomieszczeniu w trakcie obniżenia dzięki właściwościom regulacyjnym systemu ogrzewania. Jeżeli obniżenie temperatury występuje po odcięciu dopływu ciepła (np. zamknięcie zaworu grzejnikowego) to wartość tą należy zadeklarować jako obliczaną przez program.

Czasowe obniżenie temperatury w budynkach mieszkalnych to najczęściej nocne obniżenie około 8h. Takie budynki nie powinny być lekkiej konstrukcji.

W budynkach niemieszkalnych może występować 48 h weekendowe obniżenie temperatury lub 8 h w ciągu dnia.

Na podstawie wprowadzonych danych jest wyznaczany korekcyjny współczynnik fRH zależny od parametrów wentylacji w trakcie nagrzewania pomieszczenia, skutecznej masy pomieszczenia, spadku temperatury w pomieszczeniu oraz czasu ponownego nagrzewania.

Projektowa moc cieplna FRH jest proporcjonalna do powierzchni podłogi ogrzewanego pomieszczenia „Ai” oraz korekcyjnego współczynnika fRH.

Zapotrzebowanie ciepła pomieszczenia

Zapotrzebowanie ciepła pomieszczenia ogrzewanego jest sumą strat przez przenikanie FT,i, na wentylację FV,i oraz dodatkowej straty ciepła FRH,i z uwagi na czasowe obniżenie temperatury.

Zapotrzebowanie ciepła budynku

Całkowite zapotrzebowanie ciepła budynku oblicza się sumując straty ciepła przez przenikanie FT,i, na wentylację FV,i oraz dodatkowe straty ciepła FRH,i dla wszystkich pomieszczeń ogrzewanych w budynku.

Wymiary stosowane do obliczeń

Powierzchnia wszystkich zewnętrznych przegród budowlanych jest obliczana wg wymiarów zewnętrznych. Powierzchnia przegród wewnętrznych jest obliczana wg wymiarów w osiach.

METODA UPROSZCZONA OBLICZEŃ STRAT CIEPŁA BUDYNKU – EN 12831

Zakres stosowania metody uproszczonej podawany jest w załącznikach krajowych do normy. Metodę uproszczoną można stosować dla budynków mieszkalnych, w których krotność wymiany powietrza wyznaczana na podstawie różnicy ciśnienia 50 Pa między wnętrzem budynku, a zewnętrznym otoczeniem nie przekracza n50 £ 3 1/h oraz, w których występują nie więcej niż 3 mieszkania.

Obliczenia strat ciepła zgodnie z normą są następujące:

1. Całkowita projektowa moc cieplna przestrzeni ogrzewanej jest sumą strat przez przenikania oraz na wentylację. Wartość ta jest korygowana o czynnik temperaturowy w pomieszczeniach ogrzewanych do temperatury wyraźnie wyższej od pomieszczeń sąsiadujących np. w łazience. Wymagana różnica temperatur wynosi Dt ³ 4K.

2. Straty ciepła przez przenikanie dla pomieszczenia są proporcjonalne do powierzchni przegrody, współczynnika przenikania ciepła U, różnicy temperatur pomiędzy wnętrzem pomieszczenia a środowiskiem zewnętrznym. Iloczyn taki jest korygowany temperaturowym czynnikiem fk zależnym od wybranego typu sąsiadującego pomieszczenia, przez które następuje przepływ ciepła do środowiska zewnętrznego. Do wyboru jest nieznane pomieszczenie ogrzewane z innego budynku/mieszkania, pomieszczenie nieogrzewane oraz ogrzewane do znanej temperatury.

3. Wentylacyjne straty ciepła wynikają z zadeklarowanych strumieni powietrza wymaganego względami higienicznymi.

4. Jeżeli w pomieszczeniach ogrzewanych jest czasowe obniżenie temperatury, wówczas dodatkowe straty ciepła FRH są obliczane jako iloczyn powierzchni podłogi oraz czynnika korekcyjnego zależnego od parametrów wentylacji w trakcie nagrzewania pomieszczenia, skutecznej masy pomieszczenia, spadku temperatury w pomieszczeniu oraz czasu ponownego nagrzewania. Dane do czasowego obniżenia temperatury są podawane tylko jako dane dla całego budynku.