Obliczanie pojemności cieplnej budynku Cm – jak i kiedy?
Pojemność cieplna jest jednym z wielu parametrów mających bezpośredni wpływ na wielkość sezonowego zapotrzebowania na ciepło/chłód budynku QH,nd i QC,nd , określanego także jako energia użytkowa wyrażona w kWh/rok , a co za tym idzie, na wskaźniki energii użytkowej na cele ogrzewania lub chłodzenia EUco/c oraz energii końcowej EK i energii pierwotnej EP dla wszystkich analizowanych systemów instalacji .
Jeżeli budynek jest wielofunkcyjny np. dom jednorodzinny ze sklepem, to wartość wskaźnika energii całkowitej użytkowej na cele ogrzewania EUco wyraża się wzorem:
gdzie n oznacza liczbę stref ogrzewanych
W programie ArCADia-TERMO do dyspozycji są dwie metody obliczania pojemności cieplnej: szczegółowa i uproszczona
Metoda szczegółowa
Metoda szczegółowa jest bardziej dokładna i preferowana w metodologii, to jednak często (choć nie zawsze) jest dość czasochłonna, przez co może powodować dodatkową liczbę błędów, dlatego jej zastosowanie w ciągu ostatnich 3 lat czyli od 2011 roku istotnie zmalało. O ile w momencie wejścia w życie Rozporządzenia MI z dnia 6 listopada 2008 r. (w sprawie metodologii wykonywania obliczeń świadectwa energetycznego) zastosowanie metody szczegółowej było powszechne i występowało w ponad 95% świadectw energetycznych o tyle obecnie – tylko w ok. 15%, czyli tylko wtedy gdy jest to rzeczywiście konieczne. Wydaje się, że jest to słuszne podejście do obliczeń cieplnych. W praktyce metoda szczegółowa powinna mieć zawsze zastosowanie dla budynków jednokondygnacyjnych takich jak:
a) hale i magazyny przemysłowe
b) inne budynki (także biurowe), w których wszystkie lub prawie wszystkie ściany wewnętrzne są o konstrukcji lekkiej (wykonane są z płyt kartonowo-gipsowych). Wynika to z faktu, że dla tego rodzajów budynków pojemność cieplna przegród wewnętrznych jest bardzo mała i można ją pominąć w obliczeniach, dlatego w tej sytuacji zastosowanie metody szczegółowej jest bardzo szybkie i daje dokładne wyniki.
Drugim rodzajem budynków, dla których powinno się stosować metodę szczegółową obliczenia Cm są budynki, o ścianach wewnętrznych o zwiększonej grubości takich jak:
a) bunkry, schrony, przedwojenne kamienice,
b) budynki historyczne (zamki, pałace, dworki) wykorzystywane nie tylko na cele mieszkalne, ale również na usługowe np. hotel, sale konferencyjne, restauracje.
c) nowoczesne budynki, których ściany wykonane w technologii ze sprasowanej gliny (ze słomą).
Dla tego typu budynków zastosowanie metody szczegółowej jest konieczne ze względu, na nietypowo dużą wartość pojemności cieplnej, mogącą dochodzić nawet do kilkunastu procent wartości Qh,nd.
Uwaga! W obliczeniach parametru Cm pojemność cieplną okien i drzwi (także zewnętrznych) pomija się.
Metoda Uproszczona
Metoda uproszczona bazuje na obliczeniach pojemności cieplnej na podstawie ich klasy, dzieląc budynki na 5 klas : bardzo lekkie, lekkie, średnie, ciężkie i bardzo ciężkie. Wybór klasy zależy od rodzaju konstrukcji i ciężaru przegród. Metoda ta może być z powodzeniem zastosowana dla wszystkich pozostałych typów budynków (budynki mieszkalne, użyteczności publicznej, galerie, hotele, budynki szkolne, zakłady przemysłowe, itd.), zarówno nowo wybudowanych jak i już istniejących. Są to między innymi budynki:
a) budynki dwu- i wielokondygnacyjne,
b) jednokondygnacyjne o ścianach wewnętrznych średnich i ciężkich np. z cegły,
c) dla których nie można bez ingerencji w strukturę przegrody określić jej pojemności cieplnej ( współczynnik cp), choć znany może być współczynnik przenikania ciepła U.
Błąd metody uproszczonej
W praktyce średni błąd przy zastosowaniu metody uproszczonej i wyborze odpowiedniej klasy budynku wynosi ok. 2,5 % w obliczeniach sezonowego zapotrzebowania na ciepło QH,nd. Oczywiście, jeżeli jest kilka stref ciepła /chłodu, to wtedy można dla jednych stref zastosować metodę uproszoną, a dla innych szczegółową. Ponieważ użycie metody uproszczonej może (choć nie musi) spowodować nie tylko zaniżenie wartości EP, ale także zawyżenie wartości EP , co oznacza, że wyniki obu metod dają bardzo podobne wyniki.
Jednak dla oszacowania maksymalnej rzeczywistej wartości błędu najlepiej przyjąć niekorzystny przypadek, gdy obliczona wartość EPco zaniżona jest o 2,5% w stosunku do metody szczegółowej.
Do oszacowania wpływu metody uproszczonej na wartość EP najlepiej przeanalizować domek jednorodzinny (bez chłodzenia), ponieważ wtedy, dla tego typu budynku, największy wpływ (udział) na wartość wskaźnika EP mają ogrzewanie i wentylacja. Jeżeli EPmax = EP = 120 kWh/(m2 *rok) , to można założyć, że (dla metody szczegółowej Cm) wynosi EUco = 80 kWh/(m2 *rok). Pozostałe 40 kWh/(m2 *rok)., pochodzi od zapotrzebowania na ciepło do podgrzania c.w.u, od sprawności systemu c.o, c.w.u. i zużycie energii elektrycznej wykorzystywanej przez urządzenia pomocnicze.
Dla metody uproszczonej, zakładając że maksymalny błąd dla EUco wynosi 2,5% mamy:
– domu jednorodzinnego – wartość 2,0 kWh/(m2 *rok). Wynik: 80 kWh/(m2 *rok)* 0,025 = 2,0 kWh/(m2 *rok),
– budynku użyteczności publicznej z chłodzeniem – wartość 1,4 kWh/(m2 *rok). Gdzie EPmax= EP = 185 kWh/(m2 *rok) i EPco = 55 kWh/(m2 *rok), stąd 55 kWh/(m2 *rok) *0,025 =1,4 kWh/(m2 *rok)
Wnioski
1) Zawsze na początku należy rozważyć przyjęcie metody szczegółowej do obliczeń pojemności cieplnej dla każdej strefy budynku, a dopiero w drugiej kolejności metody uproszczonej.
2) Jeżeli przy metodzie uproszonej obliczona wartość EP różni się od EPmax o więcej niż 2 kWh/(m2 *rok), to wtedy można przyjąć, że błąd obliczeń nie spowoduje przekroczenia EPmax. Natomiast w przeciwnym wypadku należy rozważyć wprowadzenie przegród wszystkich wewnętrznych i zastosowanie metody szczegółowej, aby mieć pewność czy wartość EP spełnia lub nie spełnia warunek EPmax.