Zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza wentylacyjnego - dr inż. Edmund Nowakowski

1. WSTĘP
Zgodnie z wymaganiami "Warunków technicznych..."[1]  "Budynek i jego instalacje ogrzewcze, wentylacyjne i klimatyzacyjne powinny być zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby ilość energii cieplnej, potrzebnej do użytkowania budynku, zgodnie z jego przeznaczeniem, można było utrzymać na racjonalnie niskim poziomie".




Wymagania powyższe zostaną spełnione, jeżeli "Wartość wskaźnika E określającego obliczeniowe zapotrzebowanie na energię końcową (ciepło) do ogrzania budynku w sezonie ogrzewczym, wyrażone ilością energii przypadającą w ciągu roku na 1m³ kubatury ogrzewanej części budynku jest mniejsza od wartości granicznej E, a także, jeżeli przegrody budowlane odpowiadają wymaganiom izolacyjności cieplnej, oraz innym wymaganiom określonym w załączniku do rozporządzenia". Wartości graniczne współczynnika E są zależne od kształtu budynku i podane w rozporządzeniu [1].

Wskaźniki sezonowego zapotrzebowania na ciepło E obliczać należy zgodnie z Polską Normą dotyczącą obliczeniowego sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego PN-B-02025 [2]. Rozpatrzmy, jakie wymagania powyższej normy dotyczą zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania powietrza wentylacyjnego. 

2. ZAPOTRZEBOWANIE NA CIEPŁO DO PODGRZANIA POWIETRZA WENTYLACYJNEGO
Straty ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego w j-tej strefie budynku, obliczać należy wzorem (25) podanym w normie [2]:

Dla całego budynku straty ciepła w m-tym miesiącu sezonu ogrzewczego stanowią sumę strat wszystkich stref budynki i wynoszą:

Wskaźnik zapotrzebowania na ciepło E jest odnoszony do zapotrzebowania w całym sezonie ogrzewczym Q i jest określany jako iloraz zapotrzebowania ciepła Q i kubatury ogrzewanej części budynku V:

Całkowite zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania uzyskuje się sumując zapotrzebowanie w kolejnych miesiącach sezonu ogrzewczego:

Kubaturę części nadziemnej budynku V oblicza się zgodnie z normą PN-ISO 9836; 1997:
- powiększając ją o kubaturę ogrzewanych pomieszczeń na poddaszu użytkowym lub w piwnicy,
- pomniejszając ją o kubaturę wydzielonych (nieogrzewanych) klatek schodowych, szybów, wind, otwartych wnęk, logii i galerii
Obecnie obowiązująca norma PN-B-02025 ;2001 [2] jest przewidziana dla budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego. Poprzednie normy PN-B-02025 dotyczyły budynków: z 1998 r. [3] - tylko budynków mieszkalnych, z 1999 r. [4] - budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej.
Dla powyższej grupy budynków, straty ciepła na ogrzanie powietrza zewnętrznego w całym budynku, określić możemy z wzoru:

Średnie miesięczne straty ciepła, można również wyrazić innym wzorem. Ponieważ: ∆T (m) = Ti - Te (m), oraz Sd (m) = ∆T (m) • Ld (m), wzór [5] zapisać możemy w postaci:

Aby na podstawie zależności (5) i (6) można było określić obliczeniowe sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania powietrza zewnętrznego, na podstawie informacji meteorologicznych podanych w normie PN-B-02025: 2001 [2]opracowano tabelę 1, w której dla 16 miast wojewódzkich określono wartości(m), Ld (m), ∆T (m), Sd (m) i Sd (s).



Tabela 1 Parametry powietrza zewnętrznego w sezonie ogrzewczym dla 16 miast wojewódzkich

Z sumy wartości miesięcznych. T (m) i Sd (m) uzyskano wartości Te (s) i Sd (s) obejmujące pełny sezon ogrzewczy.
Do wyznaczania powyższych wartości, posłużono się następującymi wzorami:

Z wyżej przeprowadzonej analizy wynika, że obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania powietrza wentylacyjnego w sezonie ogrzewczym, może być określane dwoma wzorami:

oraz:

Podane wzory mają ograniczone zastosowanie do obiektów, w których strumień powietrza wentylacyjnego jest stały w okresie całej doby. Będą to więc budynki z wentylacją grawitacyjną oraz takie, które wymagają stałych warunków wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych.
W budynkach zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej występują mieszane systemy wentylacji. Część pomieszczeń (usługi, gastronomia, sale zebrań, itp.) wymaga okresowej wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji. Dla pomieszczeń tych podany w normie [2] wzór (1) nie jest adekwatny do potrzeb, gdyż do obliczeń potrzebna jest wartość średnich miesięcznych temperatur powietrza wentylacyjnego określona dla odcinka czasowego doby, w którym wentylacja mechaniczna jest czynna.
Z rozkładu średnich miesięcznych temperatur powietrza wentylacyjnego podanego na rysunku wynika, że średnie powyższe będą różne w zależności od rozpatrywanego odcinka czasowego doby.
Z rozpatrywanego rysunku średnie miesięczne temperatury powietrza wentylacyjnego określono dla następujących odcinków czasowych:
- dla całej doby (z = 0 - 24 h),
- dla okresu z1 = (6-16) h (10 godzin
pracy urządzeń wentylacji mechanicznej o obliczeniowym strumieniu powietrza wentylacyjnego),
- dla okresu z2 =24 - z1 = (16 - 6) h, w którym działanie wentylacji mechanicznej zastępuje wentylacja grawitacyjna lub wentylacja "dyżurna" o zmniejszonym strumieniu powietrza wentylacyjnego.

Tabela 2 Średnie miesięczne temperatury powietrza zewnętrznego Te (m) określone z rozkładu temperatur podanego na rysunku
Uwagi:
1) Obowiązujący w Polsce wzór do obliczania średniej dobowej
temperatury powietrza zewnętrznego obejmuje temperatury
mierzone w godzinach 700, 1300 i 2100.
2) Podane na rysunku rozkłady temperatury: N - normalny, gdy
na początku i końcu doby, temperatura powietrza jest równa
lub zbliżona do siebie. W - gdy następuje wzrost temperatury
powietrza w drugiej połowie doby. S - gdy następuje spadek
temperatury powietrza w drugiej połowie doby.

Obliczone na podstawie rysunku średnie miesięczne temperatury zestawiono w tabeli 2. Obliczenia powyższe przeprowadzono dla trzech rozkładów dobowych temperatur powietrza wentylacyjnego:
- rozkładu normalnego (N), przy stabilnych warunkach pogodowych, gdy temperatura powietrza na początku i końcu dnia, jest taka sama lub do siebie zbliżona; rozkładu temperatur powietrza (W), gdy temperatura w drugiej połowie doby wzrasta (ocieplenie);
- rozkład temperatury powietrza (S), gdy temperatura w drugiej połowie doby spada (ochłodzenie).
Z wartości średnich temperatur podanych w tabeli 2 wynika, że zmieniają się one zarówno w określonych odcinkach czasu, jak i w zależności od tego, czy mamy pogodę stabilną, czy ulega ona zmianie. Są to wartości różniące się od średnich miesięcznych (dobowych) zalecanych przez normę [2]. Problem ten wymaga zatem oddzielnego omówienia.

  Oznaczenia:
c    -     ciepło właściwe powietrza w [kJ/ (kg K],
C₁ - współczynnik oznaczający stosunek średniej miesięcznej temperatur powietrza zewnętrznego dla zakresu czasowego z1, odniesiony do średniej mie¬sięcznej temperatury powietrza zewnętrznego dla doby, podanej w normie PN-B-02025,
C₂ - współczynnik oznaczający stosunek średniej miesięcznej temperatury powietrza zewnętrznego dla zakresu czasowego z2 odniesiony do średniej miesięcznej temperatury powietrza zewnętrznego dla doby, podanej w normie PN-B-02025,
Ld (m) -  liczba dni ogrzewania w miesiącu m-tym, 
Ld (s) = ∑Ld (m) - liczba dni ogrzewania w sezonie ogrzewczym, 
Sd (m) = [Ti - Te (m)] • Ld (m) - liczba stopniodni w miesiącu m-tym, 
Sd (s) = ∑Sd (m) - liczba stopniodni w sezonie ogrzewczym, Ti - obliczeniowa temperatura powietrza wewnętrznego w [°C], 
Tij -     obliczeniowa temperatura powietrza wewnętrznego w j-tej strefie budynku w [°C], Te (m) - średnia temperatura powietrza zewnętrznego w miesiącu m-tym w [°C], 
Te (s) - średnia temperatura powietrza zewnętrznego w sezonie ogrzewczym w [°C],
∆T = Ti - Te (m) różnica temperatur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego w [K],
V - kubatura ogrzewanej części budynku w [m³],
V_c - strumień powietrza wentylacyjnego dla całego budynku w [m³/h],
V₁ - strumień powietrza wentylacyjnego dla części budynku o stałej, całodobowej wentylacji pomieszczeń w [m3],
V₂ - strumień powietrza wentylacyjnego dla wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji, działającej w czasie z₁ w [m³/h],
V3 - strumień powietrza wentylacyjnego dla wentylacji "dyżurnej" działającej w czasie z2 w [m³/h],
z - czas jednej doby (24 h), dla której określone są średnie temperatury powietrza zewnętrznego Te(m), podane w normie PN-B-02025,
z₁ - liczba godzin w czasie doby w których działa wentylacja mechaniczna lub klimatyzacja o obliczeniowym strumieniu powietrza wentylacyjnego,
z₂ = 24 - z₁ liczba godzin w czasie doby, w których działa wentylacja o zmniejszonym strumieniu powietrza wentylacyjnego,
p    -     gęstość powietrza w [kg/m3],
Qv (m) - straty ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego w j-tej strefie budynku w [kW],
Qa (m) = ∑ Qv m - straty ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego w budynku w miesiącu m-tym w [kW],
Qs = Qa m - zapotrzebowanie na ciepło do podgrzanie powietrza wentylacyjnego w sezonie ogrzewczym w [kW].

dr  inż. Edmund Nowakowski
Politechnika Wrocławska
Nr 4/2006