WSTĘPNA ANALIZA WYMIAROWANIA TERMICZNEGO WIELKOKUBATUROWYCH OBIEKTÓW SAKRALNYCH

Transkrypt

1 WSTĘPNA ANALIZA WYMIAROWANIA TERMICZNEGO WIELKOKUBATUROWYCH OBIEKTÓW SAKRALNYCH WOLSKI Leszek 1 KAMIŃSKI Arkadiusz 2 1,2 Zakładu Instalacji Budowlanych i Fizyki Budowli, Politechnika Warszawska SUMMARY In the paper was introduced the preliminary analysis of thermal dimensioning of sacral buildings for example real object. STRESZCZENIE W referacie przedstawiono wstępną analizę wymiarowania termicznego obiektów sakralnych na przykładzie obiektu rzeczywistego, znajdującego się w mieście Płocku. 1. WPROWADZENIE Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dziennik Ustaw nr 75 z dnia 12 kwietnia 2002 r.), według paragrafu 3, obiekty kultu religijnego zalicza do budynków użyteczności publicznej [21]. Dlatego to ten przepis narzuca szczegółowe wymagania odnoszące się do wyposażenia technicznego tego rodzaju budynków [3]. Ze względu na brak przepisów prawnych określających warunki mikroklimatu dla obiektów sakralnych, odpowiednie postanowienia można zinterpretować jedynie drogą analogii lub podobieństwa [4]. Bywa to z reguły sprzeczne z obowiązującymi kanonami i indywidualnym charakterem obiektów sakralnych. Z tego względu złudne jest porównywanie kościołów z obiektami uznawanymi powszechnie za obiekty użyteczności publicznej. Właściwie ukształtowanie warunków cieplno-wilgotnościowych w obiektach sakralnych przy obecnie stosowanych materiałach budowlanych, w naszym klimacie wymaga stosowania urządzeń ogrzewczych oraz wentylacyjnych. Na rodzaj, moc i sposób pracy tych urządzeń ma wpływ liczba uczestników nabożeństw, częstości i czas ich trwania, także możliwości ekonomiczne parafii oraz dostępność źródeł energii, a przede wszystkim charakterystyka budynku. Obecnie zauważalny jest fakt, że gospodarze takich obiektów nie dysponują środkami, które można przeznaczyć na cele ogrzewcze w okresie zimowym. Dzięki ustaleniu wpływu metod wymiarowania termicznego na możliwość uzyskania prawidłowego mikroklimatu można uzyskać komfort cieplny osób, energooszczędność i trwałość budynków sakralnych oraz ochronę cennych zabytków kultury narodowej znajdujących się w nich. Ze względów doboru sposobu ogrzewania obiekty sakralne można sklasyfikować następująco [5, 6]: 379

2 niskie istniejące obiekty sakralne, średnie istniejące obiekty sakralne, wysokie istniejące obiekty sakralne, projektowane niskie obiekty sakralne, projektowane średnie obiekty sakralne, projektowane wysokie obiekty sakralne, projektowane z założenia oszczędnościowe obiekty sakralne, projektowane lub modernizowane obiekty sakralne o walorach muzealnych, bądź historycznych, projektowane lub modernizowane obiekty sakralne bez walorów muzealnych, bądź historycznych. Dla wyżej wymienionego podziału konieczne jest indywidualne podejście, odmienny typ założeń dla instalacji ogrzewczych, wentylacyjnych lub klimatyzacyjnych. Analizując literaturę przedmiotu można jednoznacznie zaobserwować, iż dla przeważającej części wyżej wymienionych kategorii obiektów brak jest danych i wytycznych pozwalających na poprawne projektowanie systemów ogrzewania kościołów. Te, które istnieją są niepełne [5]. W chwili obecnej w Polsce nie ma jednoznacznie określonych założeń do projektowania mikroklimatu obiektów wielkokubaturowych. Nie istnieje także jednoznaczna metoda wymiarowania termicznego takich obiektów. Określenie rzeczywistego zapotrzebowania na strumień cieplny jest bardzo trudne, uzależnione od warunków wewnętrznych (obsada ludzka, zachowanie odpowiedniej jakości stanu przegród) oraz od warunków pogodowych panujących na zewnątrz [7]. W literaturze polskiej brak jest badań przeprowadzonych na rzeczywistych obiektach wielkokubaturowych mówiących o obliczaniu strumienia cieplnego do ogrzania takich obiektów. 2. ZAKRES PROWADZONYCH BADAŃ W Zakładzie linstalacji Budowlanych i Fizyki Budowli prowadzone są od roku 1996 badania w obiektach wielkokubaturowych przewidzianych dla ludzi takich jak: kościoły, teatry, kina, sale sportowe i widowiskowe. Badania i obliczenia dotyczą wybranych parametrów mikroklimatu. W niniejszym referacie przedstawione zostaną między innymi badania temperatury i wilgotności wewnętrznej na przykładzie obiektu sakralnego znajdującego się na terenie miasta Płocka. Wartości tych parametrów posłużą do ustalenia zapotrzebowania na ciepło obiektu w warunkach rzeczywistych. 3. CHARAKTERYSTYKA BADANEGO OBIEKTU Budynek sakralny P.W. Matki Boskiej Fatimskiej usytuowany jest na osiedlu Międzytorze" w Płocku. Budynek składa się z Domu Parafialnego i Kaplicy. Obiekt jest Kaplicą tymczasową. Projekt techniczny badanego Kościoła powstał w 1992 roku. 380

3 a) b) Rys. l Widok Kościoła P.W..Matki Boskiej Fatimskiej: a) z zewnątrz, b) od wewnątrz Ściany zewnętrzne konstrukcyjne wykonane zostały w technologii warstwowej z bloczków gazobetonowych z izolacją termiczną z wkładki styropianowej. Pokrycie dachu stanowi blacha fałdowa o wysokiej fałdzie usytuowana na płatwiach stalowych. Sufit wykonany z blachy o niskiej fałdzie mocowanej do rusztu drewnianego. Ocieplenie stropodachu stanowią maty z wełny mineralnej. Współczynnik przenikania ciepła U ściany 0,61 [W/rn 2 K], współczynnik przenikania ciepła U stropodachu 0,27 [W/m 2 K], współczynnik przenikania ciepła U podłogi 0,78 i l,54 [W/m 2 K]. Kubatura kaplicy wynosi około 1343 m 3, powierzchnia podłogi całkowita 312 m 2, wysokość w kalenicy 6 m. W kościele znajduje się ogrzewanie wodne pompowe w układzie dwururowym z rozdziałem górnym. Jako elementy grzejne zaprojektowano w części kościelnej grzejniki żeliwne członowe typu TA-1. W Kaplicy przewidziano wentylację grawitacyjną, brak jest kratek wywiewnych. Dla potrzeb wentylacji zaprojektowano także uchylne fragmenty okien. Praktyczne nie są one wykorzystywane, a wymaganą krotność wymian zapewnia infiltracja poprzez istniejące nieszczelności w stolarce okiennej oraz przewietrzanie. 4. OBLICZENIA Obiekt sakralny stanowi trudny do ogrzania obiekt budowlany. Zapewnienie odpowiednich parametrów mikroklimatu zależy od efektywności systemu ogrzewczego, wentylacji i własności cieplno-wilgotnościowych przegród. Dlatego też ważną sprawą jest prawidłowe obliczenie zapotrzebowania na strumień cieplny, potrzebny do ogrzania 381

4 obiektu sakralnego. Z dostępnych w literaturze istniejących metod obliczania zapotrzebowania na strumień ciepła, prawie żadna nie uwzględnia kościołów. Ze względu na odmienne podejście do sposobu obliczania w zależności od metody i bardzo dużą liczba wyników, która przekracza możliwość przedstawienia wszystkich na stronach tej pracy do celu porównania i analiz różnic pomiędzy metodami postanowiono przedstawić je na jednym z obiektów sakralnych poddanych badaniom. Jest to Kościół Matki Boskiej Fatimskiej (opis obiektu w pkt. 3 niniejszego referatu) nazwany w referacie przykładowym obiektem badawczym. Do obliczeń podstawowych zostały przyjęte następujące wartości temperatury: temperatura wewnętrzna według normy PN-82/ C, temperatura zewnętrzna według normy PN-82/ C (III strefa klimatyczna). Przy opracowaniu tabel wykorzystano znane metody obliczania zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń, które to ciepło równoważy straty przez przenikanie oraz straty związane z ogrzaniem powietrza wentylacyjnego dla założonej jednej wymiany powietrza na godzinę w warunkach obliczeniowych. Tabela 1. Zapotrzebowanie na strumień ciepła według różnych metod wymiarowania termicznego dla przykładowego obiektu poddanego badaniom. Zapotrzebowanie na strumień ciepła [W] Metody obliczeniowe Qc QP Qw Ml M M M M M M M M M Oznaczenia zastosowane w tabeli: Ml - strumień ciepła obliczony na podstawie przybliżonej metody obliczania zapotrzebowania na ciepło według Kowalczyka [2], 382

5 M2 - strumień ciepła obliczony na podstawie zapotrzebowanie ciepła dla Kościołów według Krischera i Kasta [7], M3 - strumień ciepła obliczony na podstawie przybliżonego obliczania zapotrzebowania ciepła na podstawie metody niemieckiej [7], M4 - strumień ciepła obliczony na podstawie efektywnej oceny zapotrzebowania na moc cieplną dla istniejących zasobów budowlanych według Koczyk [1], M5 - strumień ciepła obliczony na podstawie Niemieckiej Normy DIN 4701 [18], M6 - strumień ciepła obliczony na podstawie Polskiej Normy PN 3406 [12], M7 - strumień ciepła obliczony na podstawie Polskiej Normy PN 3405 [l 1], M8 - strumień ciepła obliczony na podstawie Międzynarodowej Normy ISO 9164 [19], M9 - strumień ciepła obliczony na podstawie Angielskiej Normy BS EN 832 [20], M10 - strumień ciepła obliczony na podstawie metoda orientacyjnej opartej na charakterystyce cieplnej [7], Q - całkowity strumień ciepła potrzebny do ogrzania budynku [W], Qp - strumień ciepła tracony na drodze przenikania [W], Qw - strumień ciepła straty związany z ogrzaniem powietrza wentylacyjnego [W], 5. GRAFICZNA INTERPRETACJA WYNIKÓW Zapotrzebowanie na strumień ciepła [W] M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 Metody obliczeniowe Rys. 2. Zapotrzebowanie na strumień ciepła w warunkach obliczeniowych według różnych metod wymiarowania termicznego. 383

6 Straty ciepła [W] w entylacja przenikanie M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 Metody obliczeniow e Rys. 3. Podział strat ciepła w warunkach obliczeniowych według różnych metod wymiarowania termicznego. Jak wynika z rys. 2 wartości obliczeniowe strat ciepła związane z podgrzewaniem powietrza wentylacyjnego są porównywalne; wyjątek stanowi efektywnametoda oceny zapotrzebowania na ciepło dla istniejących zasobów budowlanych według Koczyk, gdzie ilość ciepła związana ze stratami na wentylację jest duża, oraz Niemiecka Norma DIN 4701 i Polska Norma PN-B-03406, gdzie zastosowano współczynniki korygujące ilość ciepła traconą na drodze wentylacji. 6. OMÓWIENIE WYNIKÓW Na podstawie obliczeń stwierdzono duży rozrzut wyników zależnie od wybranej metody obliczeń. Wynosi on między skrajnymi wartościami około 300%. Metody przybliżone niejednoznacznie określają straty ciepła. Straty te określane są z pewnym nadmiarem lub niedomiarem w stosunku do metod normowych ze względu na stosowane w nich uproszczenia. Wartość rzeczywista strat ciepła w przyjętym do prezentacji budynku jest trudna do określenia. W przypadku obliczeń zapotrzebowania ciepła w warunkach obliczeniowych wartości chwilowe strumienie potrzebnego ciepła są duże. Graficzną interpretacją wyliczonych wartości zapotrzebowania na strumień ciepła są rys. 2 i rys PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zapewnienie odpowiednich warunków mikroklimatu kościołów nie jest możliwe bez ich właściwej ochrony cieplnej. Obecnie problem właściwej ochrony cieplnej oraz 384

7 odpowiedniego kształtowania mikroklimatu kościołów można rozwiązać m.in. w oparciu o obowiązującą ustawę Prawo Budowlane", popartą odpowiednimi rozporządzeniami oraz Polskimi Normami. Jednak w przepisach nie odróżnia się jednoznacznie obiektu sakralnego, jako specyficznej budowli pod względem termicznym. Z tego powodu, tak jak pisano o tym wcześniej, wszystkie postanowienia można zinterpretować jedynie drogą analogii. Strumień ciepła dostarczany do pomieszczenia wyliczony na podstawie obliczeń zapotrzebowania na ciepło powinien zastąpić straty spowodowane przenikaniem przez przegrody oraz ogrzać infiltrujące zimne powietrze dostające się z zewnątrz przez nieszczelności. Właśnie na jego podstawie dobierane są urządzenia grzewcze, wentylacyjne 1 niekiedy klimatyzacyjne. Z uwagi na brak polskich przepisów i norm regulujących wytyczne do obliczania zapotrzebowania ciepła dla pomieszczeń o kubaturze powyżej 600 m 3 można spotkać się z różnorodnością rozwiązań tego problemu. Z tego powodu występują różne wyniki obliczeń, wykonywanych dla jednego obiektu przez indywidualne specyficzne podejście do danej metody wymiarowania termicznego. Błędne lub nie przemyślane do końca postanowienia odnośnie do konkretnego wyboru systemu ogrzewania i wentylacji mogą zniweczyć zakładane efekty ochrony cieplnej, co w konsekwencji może prowadzić do marnotrawstwa drogiej energii, a także do zniszczenia cennych zabytków narodowej kultury. 8. LITERATURA 1. Koczyk H.: Ogrzewnictwo Podstawy projektowania cieplnego i termo modernizacji budynków. Poznań Kowalczyk M.: Ogrzewanie obiektów wielkokubaturowych gazowymi promiennikami podczerwieni. Zakład Nowych Technik Cieplnych Solaren s.c., Gdańsk, Laskowski L.: Wprowadzenie do zagadnień ogrzewania i wentylacji kościołów [w]:ciepłownictwo, Ogrzewanie, Wentylacja. Miesięcznik, nr l, Laskowski L.: Mikroklimat kościołów i ochrona cieplna wnętrz sakralnych, Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu: Budownictwo miast i wsi. Wydawnictwa Politechniki Białostockiej, Białystok, Wolski L.: Analiza założeń ogrzewania pomieszczeń sakralnych. Konferencja Naukowo- Techniczna z cyklu: Budownictwo miast i wsi, Wydawnictwa Politechniki Białostockiej, Białystok, Wolski L.: Założenia do bilansu energetycznego obiektów sakralnych Materiały z IX Międzynarodowej Konferencji Air Conditioning & District Heating w Szklarskiej Porębie, Wydawnictwo ECO-TECH, Wrocław, Wolski L., Kamiński A., Kowalkowska A.: Analiza zapotrzebowania ciepław budynkach wielkokubaturowych w świetle istniejących metod wymiarowania i wyników badań, XIV Konferencja Ciepłowników Perspektywy rozwoju ciepłownictwa", Solina, PN-91/B-02020: Ochrona cieplna budynków 9. PN-82/B-02402: Temperatury ogrzewanych pomieszczeń w budynkach 10. PN-82/B-02403: Temperatury obliczeniowe zewnętrzne 385

8 11. PN-76/B-03405: Obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło pomieszczeń o kubaturze powyżej 600 m PN-76/B-03406: Obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło pomieszczeń o kubaturze do 600 m PN-76/B-03420: Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego 14. PN-78/B-03421: Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi 15. PN-83/B-03430/Az3:2000: Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej - Wymagania (Zmiana Az3) 16. PN-EN ISO 6946: Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła 17. PN-EN ISO 13370: Wymiana ciepła przez grunt 18. DIN4701: Regelnfur Berechnung des Warmebedarfs von Gebauden 19. ISO 9164: Calculation ofspace heating requirements for residental buildings BS EN 832: Calculation ofenergy usefor heating 21. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.(dz.u. Nr 75, póz. 690) Prof. dr hab. inż. Leszek Wolski Profesor Zwyczajny Kierownik Zakładu Instalacji Budowlanych i Fizyki Budowli Politechniki Warszawskiej. Tematyka zainteresowań: mikroklimat i fizyka budowli. zinstbud@pw.plock.pl Dr inż. Arkadiusz Kamiński Adiunkt w Zakładzie Instalacji Budowlanych i Fizyki Budowli Politechniki Warszawskiej. Tematyka zainteresowań: wymiana ciepła w obiektach sakralnych, mikroklimat obiektów sakralnych. arek.kaminski@pw.plock.pl 386