FPE

Obliczanie zapotrzebowania na ciepło wg normy PN-EN ISO 13790


1. Aktualna metoda obliczeń

W listopadzie 2009 r. opublikowana została polska wersja normy PN-EN ISO 13790 [1]. Tym samym zakończył się okres korzystanie z normy PN-B-02025 jako podstawy obliczania zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynków w audytach energetycznych budynków .
Norma ta była podstawą metody wprowadzonej dla sporządzania świadectw energetycznych [6], jednak w szczegółach różni się od tej metody oraz wprowadza inne definicje, oznaczenia, symbole i jednostki (MJ-Megadżule zamiast kWh, Ms - Megasekundy zamiast h).

  • Norma 13790 [1] różni się znacznie od normy 02025 , a zwłaszcza:
  • dotyczy wszystkich budynków, a nie tylko mieszkalnych i zbiorowego zamieszkania,
  • dotyczy obliczeń energii dla ogrzewania i chłodzenia, a nie tylko ogrzewania,
  • zawiera nie jedną, ale trzy metody obliczeń: metodę sezonowa, metodę miesięczną i prostą metodę godzinową ,
  • wprowadza możliwość obliczeń wielostrefowych,
  • zawiera metody obliczeń w różnych nietypowych przypadkach jak np. ogrzewanie i chłodzenie z przerwami, budynki z nietypowymi przegrodami zewnętrznymi (np. ściany wentylowane, izolacja przezroczysta, ruchome urządzenia zacieniające),
  • podaje nowe terminy, definicje i symbole.

Obliczenie zapotrzebowania energii przeprowadza się (podobnie jak w normie 02025) w formie bilansu obejmującego straty i zyski ciepła w obszarze budynku, przy czym określenie „strata ciepła” jest zastąpione określeniem „przenoszenie ciepła przez przenikanie i wentylację”.

Norma określa, że są dwa typy metod obliczania:

  • Metody quasi-stacjonarne, w których bilans cieplny dotyczy długiego okresu (sezon lub miesiąc), a uwzględnienie efektów dynamicznych dokonywane jest przez wprowadzenie empirycznie określonego czynnika wykorzystania zysków lub strat,
  • Metody dynamiczne, w których bilans cieplny dotyczy krótkich kroków czasowych (godzin) i uwzględnia ciepło akumulowane w masie budynku i uwalniane z masy budynku.

W normie 13790 zawarte są:
  1. Metoda miesięczna (quasi-stacjonarna),
  2. Metoda sezonowa (quasi-stacjonarna),
  3. Prosta metoda godzinowa (dynamiczna),
    oraz
  4. Procedury obliczania dla szczegółowych dynamicznych metod symulacyjnych.
Na poziomie krajowym może być podjęta decyzja, która z metod jest obowiązkowa do stosowania w zależności od celu obliczeń jak i typu budynku.
  1. W obliczeniach dotyczących audytów zapewne najczęściej wykorzystywana będzie metoda miesięczna.
  2. W metodach miesięcznej i sezonowej obliczenia obejmują kolejno:
  3. Przenoszenie ciepła przez przenikanie
  4. Przenoszenie ciepła przez wentylację
  5. Zyski ciepła od nasłonecznienia
  6. Wewnętrzne zyski ciepła
  7. Zapotrzebowanie na energię (z uwzględnieniem czynnika wykorzystania zysków )
  8. Zużycie energii ( z uwzględnieniem sprawności systemu ogrzewania)

Wykonywanie obliczeń zgodnych z normą jest pracochłonne, w związku z czym na ogół wymaga zastosowania programów komputerowych. Jedynie obliczenia wg metody sezonowej mogą być wykonywane przy wykorzystaniu kalkulatora lub prostego arkusza Excel.
Należy podkreślić, że metoda sezonowa nie jest metodą uproszczoną, tzn. nie zawiera żadnych zastępczych danych (jak to ma miejsce w metodzie uproszczonej w normie 02025 czy w metodzie uproszczonej w rozporządzeniu w sprawie świadectw energetycznych). Różni się od metody miesięcznej jedynie tym, że sporządza się bilans energetyczny dla całego sezonu, a nie bilanse dla poszczególnych miesięcy, co w pewnym stopniu zmniejsza dokładność uzyskiwanych wyników.

2. Zasady obliczeń wg normy

Norma 13790 w niektórych fragmentach odwołuje się do innych norm. W szczególności norma ustala że;

  • obliczenia dotyczące współczynników przenoszenia ciepła (w tym współczynników btr) należy wykonywać wg PN-EN ISO 13789 [2],
  • zasady obliczenia strumienia powietrza wentylacyjnego należy przyjąć wg normy krajowej, którą jest obecnie norma PN-B-03430 [4].

Z kolei odwołanie do normy PN-EN ISO 13789 oznacza, że:

  • obliczenia dotyczące przenikania ciepła do gruntu należy wykonywać wg PN-EN ISO 13370 [3],
  • dla elementów budynku należy przyjmować wymiary zewnętrzne, a nie osiowe jak to miało miejsce w obliczeniach wg normy 02025.

Ponadto norma 13790 w wielu punktach przewiduje wykorzystanie danych krajowych, jednak podaje wartości do wykorzystania w przypadku braku danych krajowych.

Danymi krajowymi do wykorzystania w obliczeniach wg normy są przede wszystkim dane klimatyczne (temperatury zewnętrzne i promieniowanie słoneczne w poszczególnych stacjach klimatycznych) dostępne na stronie Ministerstwa Infrastruktury.
W związku z opublikowaniem normy 13790 nie zostały ustalone żadne dane krajowe. Jako dane ustalone do stosowania w kraju można przyjąć dane zawarte w rozporządzeniu w sprawie świadectw energetycznych [6]. Są to:

  • Zakres miesięcy uwzględnianych w bilansie energetycznym ogrzewania (styczeń – maj i wrzesień –grudzień),
  • Dane do określania sprawności systemu ogrzewania,
  • Dane dotyczące strumienia średnich wewnętrznych zysków ciepła,
  • Dane dotyczące średniej mocy i rocznego czasu pracy urządzeń pomocniczych (pomp, napędów itp.),
  • Wartość współczynnika redukcyjnego btr dla przenikania przez grunt (norma 13789 dopuszcza określenie tego współczynnika wg zasad krajowych).

Te dane zostały przygotowane do obliczeń zapotrzebowania energii i uwzględniają warunki krajowe, a więc stanowią lepszą podstawę obliczeń niż uśrednione warunki europejskie podane w normie.

3. Sezon grzewczy

W dotychczas stosowanej normie 02025 podane były dla każdej stacji meteorologicznej i obszaru z nią związanego – liczby dni ogrzewania w poszczególnych miesiącach. Było to więc określenie czasu trwania sezonu grzewczego dla danego obszaru, obowiązującego w obliczeniach zapotrzebowania ciepła dla wszystkich budynków na tym obszarze , niezależnie od ich rodzaju i cech energetycznych.
Było to związane z dawniej istniejącą sytuacją techniczną (uruchomiony system ogrzewania pozostawał włączony do końca sezonu grzewczego), jak i przepisami administracyjnymi dotyczącymi warunkami określającymi początek i koniec sezonu ogrzewania.
Obecnie tak określone pojęcie prawnie ustalonego czasu trwania sezonu grzewczego nie istnieje. Rzeczywisty sezon grzewczy obejmuje te dni, w których ogrzewanie jest potrzebne, a to jest uzależnione od cech energetycznych budynku, a wiec sezon ten może być dla każdego budynku inny.
Norma 13790 operuje pojęciem „ustalona długość sezonu grzewczego”, które dotyczy okresu przyjętego do obliczeń bilansu cieplnego w metodzie miesięcznej lub sezonowej. A wiec na poziomie krajowym powinien być określony okres dla którego wykonuje się obliczenie bilansu cieplnego. Do tego okresu mogą być zaliczone poszczególne miesiące (lub ich części) lub nawet cały rok. W warunkach Polski można uznać, że ustalona długość sezonu grzewczego została podana w rozporządzeniu o świadectwach energetycznych [6] i obejmuje w całości miesiące od stycznia do maja i od września do grudnia.
Należy podkreślić, że w metodzie przyjętej w normie ustalenie długości sezonu grzewczego przekraczającej nawet znacznie rzeczywisty okres ogrzewania, nie wpływa (lub wpływa w minimalnym stopniu) na wynik obliczenia zapotrzebowania ciepła.
W normie występuje także pojęcie rzeczywistego sezonu grzewczego, który dotyczy wyłącznie czasu pracy urządzeń pomocniczych np. pomp i napędów. Rzeczywista długość sezonu grzewczego może być wyznaczony metodą podaną w normie. Ponieważ wartość zużycia energii przez urządzenia pomocnicze ma bardzo niewielki udział w całkowitym zużyciu energii, dlatego można podane w normie obliczenie zastąpić liczbą godzin pracy tych urządzeń określoną na poziomie krajowym w inny sposób. Takie wartości podano w tabeli zamieszczonej w załączniku do rozporządzenia w sprawie świadectw energetycznych [6].

4. Zapotrzebowanie i zużycie energii

Norma obejmuje obliczanie zapotrzebowania energii i zużycia energii. Te dwa pojęcia norma definiuje następująco:
Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania jest to ciepło, które należy dostarczyć do przestrzeni ogrzewanej, aby utrzymać zamierzony poziom temperatury. Odpowiada to pojęciu „energia użytkowa” stosowanemu w świadectwach energetycznych.
Zużycie energii jest to energia dostarczona do budynku, a więc jest to zapotrzebowanie energii z uwzględnieniem sprawności systemu grzewczego. Odpowiada to pojęciu „energia końcowa” stosowanemu w świadectwach energetycznych.
Różnicę pomiędzy zużyciem i zapotrzebowaniem energii określa się w normie jako strata systemu grzewczego, czyli energia, która nie przyczynia się do użytecznej wydajności systemu.

5. Czynnik wykorzystania zysków ciepła

Norma 13790 , podobnie jak wcześniejsza norma 02025 przyjmuje zasadę, że w bilansie cieplnym budynku uwzględnia się zyski ciepła (od promieniowania słonecznego i wewnętrzne - od ludzi i urządzeń) nie w pełnej ich wartości, ale w wartości wyliczonej pomnożonej przez bezwymiarowy czynnik wykorzystania zysków η H,gn

Ten czynnik uwzględnia fakt, że tylko część zysków ciepła jest wykorzystywana do obniżenia zapotrzebowania na ciepło, a reszta prowadzi do niepożądanego wzrostu temperatury wewnętrznej. Ma to miejsce wtedy, gdy zyski ciepła są większe niż „ucieczka” ciepła przez przenoszenie.

Ta zasada była przyjmowana już w normie 02025, w której współczynnik wykorzystania zysków ciepła był zależny od stosunku zysków do strat ciepła.
Obliczana wg normy 13790 wartość czynnika wykorzystania zysków uwzględnia dodatkowo bezwładność cieplną budynku, czyli fakt , że elementy budynku w pewnych okresach akumulują ciepło, a w innych to ciepło oddają. Ta bezwładność cieplna jest charakteryzowana przez stałą czasową τ.

Im większa możliwość akumulacji ciepła czyli pojemność cieplna, tym wyższa wartość stałej czasowej i tym większa część zysków ciepła może być wykorzystana, czyli tym większy jest czynnik ηH,gn . Ponadto wartość tego czynnika jest zależna od stosunku wartości zysków do wartości przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację γH.


6. Obliczenia w ramach audytu energetycznego

Wykorzystując przepisy normy 13790 do obliczeń w ramach audytu energetycznego trzeba zwrócić uwagę , że przepisy zawarte w rozporządzeniach są nadrzędne w stosunku do przepisów norm. W przypadku audytów oznacza to, że:
  1. Ocena efektywności poszczególnych ulepszeń powinna być dokonywana wg wzorów podanych w rozporządzeniu [5], z wykorzystaniem metody stopniodni i wyliczeniem liczby stopniodni wg danych klimatycznych podanych w rozporządzeniu,
  2. Wpływ ograniczenia ogrzewania w okresie tygodnia lub w okresie doby należy uwzględnić wg zasad podanych w rozporządzeniu (współczynniki wt i wd), a nie wg metodyki podanej w normie.
  3. W obliczeniach przenoszenia ciepła przez wentylację należy przyjmować podane w rozporządzeniu współczynniki korekcyjne cr i cw , które uwzględniają rodzaj wentylacji, jakość okien i stopień wyeksponowania budynku na działanie wiatru, jako czynników wpływających na zużycie energii.


Maciej Robakiewicz


Bibliografia

[1] PN-EN ISO 13790 : 2008 Energetyczne właściwości użytkowe budynków – Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
[2]: PN-EN ISO 13 789 : 2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania.
[3] PN-EN ISO 13370 : 2007 Cieplne właściwości użytkowe budynków – Przenoszenie ciepła przez grunt .Metody obliczania.
[4] PN-83/B-03430/AZ3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
[5] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 17.03.2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego.(Dz.U. nr 43, poz.347).
[6] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6.11.2008 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).

   






  
© 2008 - 2009 FPE, ostatnia aktualizacja 08.09.2014