14 - Baranowski, Ferdyn-Grygierek - REC`12

WPŁYW WYMIANY POWIETRZA NA ZUŻYCIE CIEPŁA W BUDYNKACH
MIESZKALNYCH I UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ
Autorzy: Andrzej Baranowski, Joanna Ferdyn-Grygierek
(„Rynek Energii” – nr 4/2013)
Słowa kluczowe: wentylacja, wymiana powietrza, sezonowe zużycie ciepła
Streszczenie. Przewidywanie zapotrzebowania i zużycia energii w budynku jest ważne zarówno na etapie projektowania jak
i późniejszej eksploatacji. Ocena energochłonności budynków za pomocą certyfikatu energetycznego może być w wielu
przypadkach obarczona dużym błędem wynikającym z deklarowania nakładów ciepła na wentylację w oparciu o normy a nie
rzeczywiste wartości wymiany powietrza. W oparciu o serię pomiarów w istniejących budynkach przeanalizowano rzeczywiste wartości strumieni powietrza wentylacyjnego i porównano wynikające stąd rzeczywiste potrzebne nakłady ciepła
z projektowanymi.
1. WSTĘP
Budynki mieszkalne i użyteczności publicznej wymagają dużych nakładów ciepła na potrzeby wentylacyjne. Przy dobrej izolacyjności przegród zewnętrznych udział potrzeb wentylacyjnych może przekraczać 50% całkowitego zużycia ciepła.
Przestrzeganie wymagań projektowych czy normowych co do strumieni powietrza wentylacyjnego powinno zapewnić zarówno właściwą jakość środowiska wewnętrznego jak i dawać odczucie komfortu
użytkownikom mieszkań. Jeżeli wentylacja realizowana jest w systemie mechanicznym (wentylatory
nawiewne i wywiewne lub tylko wywiewne) utrzymanie założonych wartości strumieni powietrza jest
technicznie łatwe. W kraju większość zasobów mieszkaniowych jest wyposażona w systemy grawitacyjnej wentylacji naturalnej, której działanie i skuteczność zależą od warunków meteorologicznych.
Sterowanie i kontrolowanie działania tej wentylacji jest praktycznie bardzo ograniczone, co skutkuje
dużą zmiennością strumieni powietrza i najczęściej niespełnieniem wymogów projektowych. Mniejsze,
niż założone strumienie powietrza wentylacyjnego oznaczają mniejszą infiltrację i w konsekwencji obniżenie zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza zewnętrznego.
Ocena energochłonności budynków dokonywana za pomocą zasad sporządzania certyfikatu energetycznego może być w wielu przypadkach obarczona dużym błędem, ponieważ rzeczywiste zapotrzebowanie na energię w budynku może być znacząco różne od wyliczanego na podstawie odpowiednich
rozporządzeń. Dotyczy to w szczególności cieplnych potrzeb wentylacyjnych dla systemów wentylacji
naturalnej. Istniejące rozbieżności coraz częściej skłaniają do zastosowania w ocenie energochłonności
budynków metod pomiarowych.
W ocenie energetycznej budynku uzyskanej za pomocą świadectw energetycznych nakłady ciepła na
ogrzanie powietrza wentylacyjnego są obliczane w oparciu o normatywne strumienie powietrza usuwa-
nego z badanych pomieszczeń, zgodnie z wymogami normy PN-83/B-03430/Az3 [4]. Przepisy normy
precyzują minimalne, wymagane strumienie powietrza wentylacyjnego usuwane z mieszkań. Są to wartości 120 – 150 m3/h, w zależności od tego, czy w mieszkaniu jest oddzielny ustęp. Minimalna liczba
wymian powietrza (jeżeli brak wskazań normatywnych) powinna wynosić, zgodnie z normą PN-EN
12831 [5], w mieszkaniach 0,5 h-1, pokojach biurowych 1 h-1, a w salach lekcyjnych i konferencyjnych
2 h-1.
Kryteria zdrowotne w odniesieniu do wentylacji pomieszczeń różnią się od podanych powyżej, jednak
zwykle pokrywają się z wymaganiami komfortu [7]: w zależności od kategorii pomieszczenia system
wentylacji powinien zapewniać dostarczanie od 4 do 10 dm3/s/osobę powietrza z uwagi na zanieczyszczenia generowane przez ludzi. Strumień powierza wentylacyjnego należy zwiększyć w celu eliminacji
zanieczyszczeń wynikających z emisji budynku (bierze się pod uwagę 3 kategorie pomieszczeń i 3
możliwe poziomy zanieczyszczeń), oznacza to zwiększenie wymaganego strumienia powietrza wentylacyjnego o 0,3 – 1,4 dm3/s/m2.
W oparciu o serię pomiarów w istniejących budynkach, w artykule przeanalizowano rzeczywiste wartości strumieni powietrza wentylacyjnego i porównano wynikające stąd rzeczywiste potrzebne nakłady
ciepła z projektowanymi.
2. METODA
Badaniami objęto budynki mieszkalne, 5 i 11 kondygnacyjny, oraz użyteczności publicznej – szkołę
i muzeum. Wspólną cechą wybranych obiektów było ich wyposażenie w system grawitacyjnej wentylacji naturalnej. Obowiązujące w Polsce przepisy [4] dopuszczają ten system do stosowania nawet w 11
kondygnacyjnych budynkach mieszkalnych.
Ponieważ celem badań było ustalenie, jak teoretyczne, normatywne wymagania co do strumieni powietrza wentylacyjnego usuwanego z pomieszczeń mają się do wielkości rzeczywistych, pomiary polegały
na ocenie ilości powietrza usuwanego, poprzez pomiar w kratkach wywiewnych.
Rys. 1. Balometr stosowany do pomiaru
strumienia powietrza wentylacyjnego w kratkach
Przyrządem
dem pomiarowym był balometr (rys.
(
1), urządzenie dedykowane
kowane do pomiarów przepływów
przepł
w końcowych
cowych odcinkach instalacji wentylacyjnych
wentyl
(nawiewnikach,
ach, wywiewnikach, anemostatach
anem
itp.).
Strumień objętości mierzony
rzony jest bezpośrednio,
bezpo rednio, nie ma potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń.
obl
3. POMIARY I WYNIKI
Wszystkie pomiary wykonano na przełomie lutego
lut
i marca 2012 r. Różnica
żnica temperatury powietrza
powi
wewnątrz i na zewnątrz
trz obiektów (15 do 20 K) była wystarczająca
wystarczaj ca dla wywołania efektu wyporu
w
cieplnego, będącego główną siłą napędową
ędową infiltracji powietrza.
Budynki mieszkalne
Analizowane budynki zostały wybudowane w latach 80-tych ubiegłego wieku (Rys.
Rys. 2).
2)
Przewody grawitacyjne znajdująą się w kuchniach,, łazienkach i oddzielnych ustępach
ustę
w przypadku budynku 5-kondygnacyjnego
cyjnego (zawsze po 1 kratce). W budynkach znajdują się różne
róż typy okien: zarówno
stosunkowo nowe, dość szczelne okna PCV z uszczelkami jak i stare, kilkudziesięcioletnie
kilkudziesi
okna drewniane. W żadnym z okien nie zainstalowano nawiewników.
Dla przeprowadzenia pomiarów konieczna była zgoda lokatorów, a więc
wi nie wszystkie mieszkania
mieszk
były
dostępne dla badań.. W obu budynkach możliwe
mo liwe jednak były pomiary zarówno na kondygnacjach
ko
niskich jak i najwyższych,
szych, o potencjalnie najgorszej wentylacji.
went
Rys. 2. Analizowany budynek 5-kondygnacyjny
Mierzono strumień powietrza w kratkach wentylacyjnych,
went
przy zamkniętych
ętych oknach oraz dla wariantu
okien ustawionych w pozycji „mikrouchył”
„mikr
(tam, gdzie taka funkcja okien była dostępna).
d
W tab.1 zestawiono wyniki pomiarów strumieni powietrza wywiewanego
w
jako sumęę wartości
warto
zmierzonych we
wszystkich kratkach wywiewnych (kuchnia, łazienka, ew. ustęp).
ust
Znajomość
ść kubatury mieszkań
mieszka pozwoliła przeliczyć strumienie powietrza wywiewanego na liczbę
liczb wymian.
Tabela 1 Wyniki pomiarów strumienia powietrza wentylacyjnego w budynkach mieszkalnych
Strumień
powietrza,
Mieszkanie
okna
szcz./nieszcz.
m3/h
Budynek 5-kond.
M1 (2 kond.)
32
M2 (2 kond.) 92
M15 (5 kond.) 105
Budynek 11-kond.
M4 (1 kond.)
15
M5 (1 kond.)
63/83
M43 (8 kond.) 16/43
M55
(10
10/21
kond.)
M64
(11
0/18
kond.)
Liczba
wymian,
h-1
0,25
0,61
0,57
0,12
0,5/0,66
0,16/0,44
0,08/0,17
0/0,14
Wyniki pomiarów są typowe dla wentylacji naturalnej budynków mieszkalnych. Wymiana powietrza
(infiltracja i usuwanie powietrza zużytego przewodami) warunkowana jest wieloma czynnikami, jednak
decydujące to wypór cieplny, zależny od różnicy temperatury powietrza na zewnątrz i wewnątrz budynku oraz długość przewodu wentylacyjnego. Warunkiem koniecznym dla wywiewu powietrza z
mieszkania jest najpierw jego napływ a więc infiltracja. Dla tego zjawiska konieczne jest zapewnienie
odpowiednich dróg przepływu przez szczeliny okien lub nawiewniki. Należy też pamiętać o przepływach powietrza między mieszkaniami i klatką schodową oraz w samej klatce schodowej, w której wytwarza się naturalny ciąg kominowy.
Powyższe uwagi muszą być uwzględnione przy analizie wyników pomiarów usuwanego powietrza tylko w kratkach wentylacyjnych. Dodatkowo trzeba wziąć pod uwagę, że wyniki pomiarów dotyczą wartości chwilowych, zależnych od np. chwilowego niekorzystnego oddziaływania wiatru lub też otwarcia
bramy wejściowej do budynku.
Wyniki pomiarów zebrane w Tab.1 są w przybliżeniu zgodne z przewidywaniami. W budynku 11 kondygnacyjnym wymiana powietrza maleje z wysokością, co jest efektem coraz mniejszej długości przewodów wywiewnych. Mieszkanie nr 4 jest tu wyjątkiem, wywiew powietrza jest bardzo słaby, zaobserwowano nawet przepływy odwrotne w kratkach w łazience, wynik jest więc skutkiem niedrożnych
przewodów wentylacyjnych. Podobne uwagi odnoszą się do mieszkania nr 1 w budynku 5 kondygnacyjnym. Przyczyna była podobna – całkowicie niedrożna kratka wentylacyjna w łazience.
W żadnym z badanych mieszkań strumień powietrza usuwanego nie osiągnął wartości wynikających
z normy PN-83/B-03430/Az3 [4]. Różnice są znaczne – w mieszkaniach nr 1 i 2 budynku 5 kondygnacyjnego wymagany, minimalny strumień powietrza usuwanego powinien wynosić 150 m3/h,
w pozostałych mieszkaniach obu budynków 120 m3/h.
Wielkości wynikające z cytowanej normy wykorzystywane są w obliczeniach zużycia energii do
ogrzewania (wg normy PN-EN 13790:2008 [6]) oraz w obliczeniach charakterystyki energetycznej budynku zgodnie z Rozporządzeniem Ministra [8]. W tym ostatnim przypadku strumień powietrza do
podgrzania jest dodatkowo zwiększany o szacowaną wielkość strumienia infiltracji powietrza
(w przypadku mieszkania o powierzchni 60 m2 jest to dodatkowo 30 m3. Rzeczywiste, zmierzone wartości strumieni stanowią od ok. 13% do 80% wielkości normowych, a więc zapotrzebowanie na ciepło
jest w większości przeszacowane, nawet o 80%.
W sprzeczności z powyższymi procedurami stoi metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego,
gdzie straty ciepła na wentylację uwzględnia się dla minimalnej, higienicznej wymiany powietrza, wynoszącej dla mieszkań 0,5 h-1. Można zauważyć, że zmierzone wartości strumieni powietrza wentylacyjnego są bliższe tym wymogom.
Pomiary potwierdziły, że zbyt mała wymiana powietrza może wynikać z niewłaściwej eksploatacji
mieszkań: zbyt dużej szczelności okien (nie stosowanie mikrouchyłu) i braku dbałości o drożność kratek wywiewnych. Porównując wyniki w tab.1 widać, że uchylenie okien zwiększa liczbę wymian nawet
2-krotnie (chociaż i tak jest to znacznie mniej, niż wymagana wymiana higieniczna).
Budynek szkolny
Szkoła to budynek wybudowany w latach siedemdziesiątych zeszłego stulecia (Rys. 3). Wszystkie okna
zostały wymienione na nowe drewniane lub PCV z uszczelkami. Okna nie są wyposażone w nawiewniki. Pomieszczenia o wyższych wymogach wentylacyjnych (np. sale lekcyjne) wyposażone są w większą
ilość (4-6) kanałów wentylacyjnych. Kratki wentylacyjne w części pomieszczeń są zasłonięte (we
wszystkich salach lekcyjnych na piętrze oraz w pomieszczeniach zaplecza sali gimnastycznej) – pojawiał się wsteczny ciąg powietrza. Pokazuje to, że w sezonie kierunek przepływu powietrza nie zawsze
jest właściwy zwłaszcza na piętrze, gdzie długość komina grawitacyjnego jest mała.
Rys. 3. Analizowana szkoła
Pomiar z wykorzystaniem balometru wykonano w wybranych pomieszczeniach. Z uwagi na prowadzone lekcje nie było możliwości wykonania pomiarów we wszystkich pomieszczeniach szkoły. Mierzono
strumień powietrza przy zamkniętych oknach oraz dla wariantu okien ustawionych w pozycji „mikrouchył”. Wyniki zestawiono w tab. 2.
Tabela 2 Wyniki pomiarów strumienia powietrza wentylacyjnego w budynku szkolnym
Pomieszczenie
Toaleta 1
Toaleta 2
Komunikacja
Świetlica
Szatnia
Sala lekcyjna nr 2
Sala lekcyjna nr 3
Komunikacja
Toaleta 1
Toaleta 1
Pokój nauczycielski
Strumień
powietrza,
szcz./nieszcz. m3/h
75/86
49/56
20/28
127/126
20/25
92/109
88/116
68/56
40/44
82/98
45/60
Liczba
wymian,
h-1
1,69/1,94
1,01/1,16
–
0,77/0,77
0,75/0,79
0,57/0,68
0,54/0,72
–
0,90/1,00
1,69/2,02
0,82/1,09
W przypadku sal lekcyjnych, wymagania co do wentylacji reguluje norma PN-EN12831 [5]: wymiana
powietrza powinna być nie gorsza, niż 2 h-1. Należy jednak wziąć pod uwagę, że higieniczny strumień
powietrza wentylacyjnego powinien wynosić 20 m3/h osobę, co przy założeniu 25 uczniów obecnych
w klasie daje strumień 500 m3/h. Sprzeczność tych wymogów jest oczywista, szczególnie jeżeli porównać je z wynikami pomiarów. Niepewność wyników wynika również z faktu cyklicznego wietrzenia
klas podczas przerw lekcyjnych, co znacząco poprawia jakość powietrza w pomieszczeniach, zwiększając jednak zapotrzebowanie na ciepło.
Muzeum
Muzeum to budynek wzniesiony w XIV w., który wyposażony jest w stare nieszczelne drewniane okna.
Rys. 4. Analizowane muzeum
W budynku istnieje 9 przewodów wentylacyjnych, obsługujących wywiewniki na każdej z kondygnacji
użytkowych. Rozmieszczenie przewodów wynika z historii średniowiecznego budynku. Wielokrotne
przebudowy i rozbudowy spowodowały, że nie wszystkie pomieszczenia są wentylowane.
Wymagania co do wentylacji pomieszczeń muzealnych mogą być różne, w zależności od ich przeznaczenia. Oprócz sal wystawowych spotykamy w muzeach pokoje biurowe, magazyny oraz inne pomieszczenia pomocnicze. Pożądane strumienie powietrza będą więc zależeć od przeznaczenia pomieszczenia, ale będą również różne w salach wystawowych, w zależności od typu eksponatów [1].
Biorąc pod uwagę wymogi higieniczne oraz to że jest to budynek użyteczności publicznej system wentylacji powinien zapewnić minimum 20 m3/h/osobę, czyli w sali gdzie odbywają się lekcje muzealne ok
400-500 m3/h.
Wyniki pomiarów przedstawione w tab. 3 nie są zachęcające. Liczba wymian powietrza jest przybliżona, ponieważ precyzyjna ocena powierzchni sal wystawowych była dość trudna, z uwagi na strukturę
wewnętrzną zamku. Z tego powodu nie podano liczby wymian dla korytarzy, a dla sal wystawowych na
2 piętrze usytuowanych w układzie amfiladowym obliczono sumaryczną liczbę wymian. Za wyjątkiem
biura, są to wielkości zdecydowanie za małe, niewystarczające do usunięcia nadmiaru wilgoci. Na 1
piętrze w sali wystawowej odbywają się tzw. lekcje muzealne, na których obecnych jest zwykle kilkanaście osób. Konieczne jest wtedy zapewnienie strumienia powietrza wentylacyjnego na poziomie 200300 m3/h. Istniejący system wentylacji takiego strumienia powietrza nie może dostarczyć.
Tabela 3 Wyniki pomiarów strumienia powietrza wentylacyjnego w budynku muzealnym
Lokalizacja
Strumień
powietrza,
m3/h
17
13
27
0
32
Parter, korytarz
1 p. korytarz
1 p. biuro nr 10
1 p. biuro nr 11
1 p. sala wystawowa
2 p. sala wystawowa
11
1
2 p. sala wystawowa
13
2
2 p. sala wystawowa
18
3
Liczba
wymian,
h-1
–
–
1
–
0,2
0,23
4. PODSUMOWANIE
Przytoczone wyniki pomiarów wentylacji oraz ich analiza w kontekście obliczeń zapotrzebowania na
ciepło w obliczeniach świadectw energetycznych pokazują, że zakładane nakłady ciepła na potrzeby
wentylacyjne są znacznie zawyżone. Ponieważ nie ma możliwości wskazania jaką część nakładów
cieplnych pochłaniają potrzeby wentylacyjne, można opierać się tylko na danych szacunkowych, będących rezultatem pomiarów i ocen zarówno w sektorze mieszkalnym jak i budynków użyteczności publicznej.
Wiarygodne dane dotyczące zużycia energii w krajach OECD znaleźć można w publikacjach International Energy Agency [2]. W 1998 r. całkowite zużycie energii pierwotnej wynosiło ok. 145x1018 J
z czego sektor mieszkalnictwa i budynków użyteczności publicznej zużywał 56x1018 J. Ocena udziału
wpływu wymiany powietrza na całkowite zużycie energii w tym sektorze została przedstawiona w publikacji Air Infiltration and Ventilation Centre [3] w oparciu o dane pochodzące z 13 wysoko rozwiniętych krajów uprzemysłowionych. Według tych danych udział nakładów ciepła na podgrzanie powietrza
wentylacyjnego osiągało 53%.
Przytoczone dane pozwalają oszacować, że zwiększenie o połowę strumienia powietrza wentylacyjnego
zwiększy całkowite zapotrzebowanie na ciepło o ok. 20%. W badanych przypadkach zmierzone strumienie powietrza wentylacyjnego są wielokrotnie mniejsze od wymaganych, tak więc w sytuacji oceny
energetycznej dokonywanej w oparciu o rozporządzenie [8] deklarowane będą wartości znacznie większe, sugerujące odpowiednie zużycie ciepła nie mające pokrycia w rzeczywistości.
Podobny błąd w ocenie jakości energetycznej budynku można popełnić, jeżeli wykonywana jest charakterystyka energetyczna z pomiarów. Zbyt mała wentylacja obiektu będzie sugerowała energooszczędność budynku.
W badanych budynkach mieszkalnych zmierzona, a więc prawdopodobnie zbliżona do rzeczywistej,
wymiana powietrza jest od ok. 1,5 do nawet 12 razy (średnio 5 razy) mniejsza od normatywnej,
uwzględnianej w świadectwach charakterystyki energetycznej. Jeżeli założyć dobrą izolacyjność przegród zewnętrznych i w związku z tym przyjąć, że nakłady ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego są porównywalne ze stratami ciepła przez przegrody czyli osiągają ok. 50% całkowitego zużycia
ciepła, to wówczas oszacowanie koniecznych, całkowitych nakładów ciepła może być zawyżone nawet
o 40%. Pomiarowe sprawdzenie sezonowego zużycia ciepła przez budynek (np. w oparciu
o zainstalowane w węzłach cieplnych rejestratory) wykaże w tych przypadkach znaczne oszczędności,
co może błędnie sugerować energooszczędność budynku.
Coraz częściej stosowane metody pomiarowe oceny energetycznej budynków powinny uwzględniać
możliwie precyzyjną diagnostykę działania wentylacji i wprowadzania odpowiednich korekt do oceny
końcowej.
Należy podkreślić, że niedopuszczalne jest oszczędzanie zużycia ciepła w budynkach kosztem obniżenia standardów wentylacji, chociaż niektóre zapisy normatywne co do niezbędnych ilości powietrza
mogą być dyskusyjne.
LITERATURA
[1] ASHRAE Handbook—HVAC Applications 2007. Ch.21: Museums, Galleries, Archives, and Libraries,
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta.
[2] IEA, Energy Balances for OECD Countries 1997-98, Organization for Economic Cooperation and Development/International Energy Agency 2000.
[3] Orme, M., Energy Impact of Ventilation: Estimates for the Service and Residential Sectors, AIVC Technical
Note 49, Air Infiltration and Ventilation Centre 1998.
[4] PN-83/B-03430/Az3 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
[5] PN EN 12831: 2006. Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
[6] PN-EN 13790:2008. Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby
ogrzewania i chłodzenia.
[7] PN-EN 15251:2012 Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne,
oświetlenie i akustykę.
[8] 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
techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej
(Dz. U. Nr 201, poz. 1240).
Praca została wykonana w ramach zadania badawczego nr 4 „Rozwój diagnostyki cieplnej budynków”
w ramach Strategicznego Projektu Badawczego finansowanego przez NCBiR „Zintegrowany system
zmniejszania eksploatacyjnej energochłonności budynków” oraz prac statutowych finansowanych przez
MNiSzW BK-364/RIE-1/2011.
IMPACT
OF
AIR
EXCHANGE
ON
IN DWELLING HOUSES AND PUBLIC BUILDINGS
THE
HEAT
CONSUMPTION
Key words: ventilation, air change rate, seasonal heat consumption
Summary. Prediction of the energy consumption and heat demand in a building is important both at the design stage as well
as during the further period of building exploitation. Assessment of energy consumption by the energy certificate can be
overestimated due to the declaration of ventilating air flows on the base of standards, usually much greater than the real air
exchange. It corresponds to the greater heat load for the ventilation purposes. Based on the series of measurements in the
existing buildings the real values of the ventilating air flows were analyzed and resulting heat load were compared with designed value.
Joanna Ferdyn-Grygierek, dr inż. jest adiunktem w Katedrze Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania
Politechniki Śląskiej, ul. Konarskiego 20, 44-100 Gliwice. E-mail: [email protected].
Andrzej Baranowski, dr hab. inż. jest profesorem nzw. w Katedrze Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki
Odpylania Politechniki Śląskiej, ul. Konarskiego 20, 44-100 Gliwice. E-mail: [email protected].