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 m 3 /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 dm 3 /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 dm 3 /s/m 2. 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 pomiarowym był balometr (rys. 1), urządzenie dedykowane do pomiarów przepływów w końcowych odcinkach instalacji wentylacyjnych (nawiewnikach, ach, wywiewnikach, anemostatach itp.). Strumień objętości mierzony jest bezpośrednio, nie ma potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń. 3. POMIARY I WYNIKI Wszystkie pomiary wykonano na przełomie lutego i marca 2012 r. Różnica temperatury powietrza weca dla wywołania efektu wyporu cieplne- wnątrz i na zewnątrz obiektów (15 do 20 K) była wystarczająca go, będącego główną siłą napędową infiltracji powietrza. Budynki mieszkalne Analizowane budynki zostały wybudowane w latach 80-tych ubiegłego wieku (Rys. 2). Przewody grawitacyjne znajdują ą się w kuchniach, łazienkach i oddzielnych ustępach w przypadku buróżne typy okien: zarówno dynku 5-kondygnacyjnego (zawsze po 1 kratce). W budynkach znajdują się stosunkowo nowe, dość szczelne okna PCV z uszczelkami jak i stare, kilkudziesięcioletnie okna drew- niane. W żadnym z okien nie zainstalowano nawiewników. Dla przeprowadzenia pomiarów konieczna była zgoda lokatorów, a więc nie wszystkie mieszkania były dostępne dla badań. W obu budynkach możliwe jednak były pomiary zarówno na kondygnacjach ni- skich jak i najwyższych, o potencjalnie najgorszej wentylacji. Rys. 2. Analizowany budynek 5-kondygnacyjny Mierzono strumień powietrza w kratkach wentylacyjnych, przy zamkniętych oknach oraz dla wariantu okien ustawionych w pozycji mikrouchył (tam, gdzie taka funkcja okien była dostępna). W tab.1 ze- stawiono wyniki pomiarów strumieni powietrza wywiewanego jako sumę ę wartości zmierzonych we wszystkich kratkach wywiewnych (kuchnia, łazienka, ew. ustęp). Znajomość kubatury mieszkań po- zwoliła przeliczyć strumienie powietrza wywiewanego na liczbę wymian.
Tabela 1 Wyniki pomiarów strumienia powietrza wentylacyjnego w budynkach mieszkalnych Mieszkanie Strumień powietrza, okna szcz./nieszcz. m 3 /h Liczba wymian, h -1 Budynek 5-kond. M1 (2 kond.) 32 0,25 M2 (2 kond.) 92 0,61 M15 (5 kond.) 105 0,57 Budynek 11-kond. M4 (1 kond.) 15 0,12 M5 (1 kond.) 63/83 0,5/0,66 M43 (8 kond.) 16/43 0,16/0,44 M55 (10 kond.) 10/21 0,08/0,17 M64 (11 kond.) 0/18 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 m 3 /h, w pozostałych mieszkaniach obu budynków 120 m 3 /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 m 2 jest to dodatkowo 30 m 3. 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 Strumień powietrza, szcz./nieszcz. m 3 /h Liczba wymian, h -1 Toaleta 1 75/86 1,69/1,94 Toaleta 2 49/56 1,01/1,16 Komunikacja 20/28 Świetlica 127/126 0,77/0,77 Szatnia 20/25 0,75/0,79 Sala lekcyjna nr 2 92/109 0,57/0,68 Sala lekcyjna nr 3 88/116 0,54/0,72 Komunikacja 68/56 Toaleta 1 40/44 0,90/1,00 Toaleta 1 82/98 1,69/2,02 Pokój nauczycielski 45/60 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 m 3 /h osobę, co przy założeniu 25 uczniów obecnych w klasie daje strumień 500 m 3 /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 m 3 /h/osobę, czyli w sali gdzie odbywają się lekcje muzealne ok 400-500 m 3 /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 200-300 m 3 /h. Istniejący system wentylacji takiego strumienia powietrza nie może dostarczyć. Tabela 3 Wyniki pomiarów strumienia powietrza wentylacyjnego w budynku muzealnym Strumień Liczba Lokalizacja powietrza, m 3 /h wymian, h -1 Parter, korytarz 17 1 p. korytarz 13 1 p. biuro nr 10 27 1 1 p. biuro nr 11 0 1 p. sala wystawowa 32 0,2 2 p. sala wystawowa 1 11 2 p. sala wystawowa 2 13 0,23 2 p. sala wystawowa 3 18 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. 145x10 18 J z czego sektor mieszkalnictwa i budynków użyteczności publicznej zużywał 56x10 18 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 THE HEAT CONSUMPTION IN DWELLING HOUSES AND PUBLIC BUILDINGS 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: joanna.ferdyn-grygierek@polsl.pl. 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: andrzej.baranowski@polsl.pl.