Tag: Pojemność cieplna

Obliczenia pojemności cieplnej przegród budynku wg PN EN-ISO 13790: 2006 w programie ArCADia-TERMO.

Obliczenia pojemności cieplnej przegród budynku wg PN EN-ISO 13790: 2006 w programie ArCADia-TERMO.

Tym artykule zostanie omówiona metoda obliczania wewnętrzną pojemności cieplnej C budynku lub strefy cieplnej można obliczać na podstawie normy EN ISO 13786.

Zostaną opisane przykłady obliczeń nie tylko dla przegród zewnętrznych podane w normie, ale także dla przegród wewnętrznych z uwzględnieniem stolarki okiennej drzwowej.

W typowych opracowaniach uwzględnia się tylko ściany zewnętrzne oraz te wewnętrzne, które graniczą z częścią nieogrzewaną budynku.

W niniejszym artykule zajmiemy wszystkimi przypadkami z obliczania pojemności cieplnej przegród z jakimi mogą mieć do czynienia certyfikatorzy i audytorzy.

Wyróżniamy 6 przypadków przegród:

1)      zewnętrzne: ściany, stropodachy, dachy, podłoga w gruncie

2)      zewnętrzne ściany szklane przezierne (przezroczyste) lub nieprzezierne (osłonowe, świetliki, np. szklarnie):

3)      całkowicie wewnętrzne w danej strefie: ściany, stropy, podłoga wyniesiona,

4)      wewnętrzne na granicy stref: ogrzewanych lub stref nieogrzewanych,

5)     wewnętrzne na granicy strefy ogrzewanej ze strefą nieogrzewaną,

6)      Dodatkowo, należy rozważyć przypadek 6, w którym we wszystkich typach ścian, dachów i stropów może być umieszczona stolarka stolarką okienna i drzwiową, której istnienie również należy wziąć pod uwagę.

Dla przypadku 2, czyli okien i drzwi pojemność cieplną tych przegród pomija się w obliczeniach i przyjmuje się, że wynosi ona zero.

Dla przypadku 6, przy obliczaniu pojemności cieplnej ścian, dachów i stropów odejmuje się od ich powierzchni powierzchnię okien i drzwi znajdujących się w tych przegrodach.

Kontynuując dalej, zgodnie normą EN ISO 13786 ogólny wzór do obliczania wewnętrznej pojemności cieplnej C budynku jest następujący:

7i-C

gdzie:
r – gęstość warstwy przegrody,
c – ciepło właściwe warstwy przegrody,
d- grubość warstwy przegrody,
A – powierzchnia warstwy przegrody j.

Indeksy i oraz j oznaczają numer i- tej warstwy w elemencie j

Tak więc warunkiem prawidłowych obliczeń pojemności cieplnej całego budynku jest znajomość wszystkich warstw przegród oraz ich parametrów (położenie i rodzaju), a w szczególności pojemności cieplnej każdej przegrody. W programie ArCADia-TERMO jedynym miejscem, w którym należy wpisać gęstość i pojemność cieplną warstwy przegrody jest okienko Edytor materiałów, do której dostęp jest podczas definiowania przegród i ich warstw w etapie IV Definicje przegród, rys. 1.

7j-Edytor_materialow

Rysunek 1. Edytor materiałów. Gęstość r i pojemność cieplna warstw cp .

Wprowadzenie nowej warstwy do Edytora materiałów (bazy danych) i późniejsze jej wybranie, bez podania jej gęstości lub pojemności cieplnej cp, spowoduje w konsekwencji brak wyników obliczeń wartości C dla całego budynku.

W takiej sytuacji często najlepiej jest podać wartość zero „0„, co spowoduje, co prawda, zaniżenie rzeczywistej wartości wielkości C, ale jednak nie zablokuje jej obliczenia. Jednak taką sytuację w nowych i nowoprojektowanych budynkach należy traktować jako wyjątkową i odnoszącą się tylko do przegród, których wpływ na całkowita wartość i C jest znikomy, np. ściany wewnętrzne (działowe) w piwnicy, warstwa tynku, dachówki lub blachy dachowej. (Warstwy wykończeniowych nie uwzględnia się w obliczeniach oporu cieplnego oraz pojemności cieplnej).

Jeżeli dana warstwa przegrody ma istotne udział (powyżej 5%) w całkowitej pojemności cieplnej budynku, wtedy powinno się zastosować uproszczoną metodę obliczeń, bazującą na klasie budynku i jego powierzchni ogrzewanej.

Algorytm obliczeń podany w normie EN ISO 13786 wymaga obliczenia pojemności cieplnej przegród w kierunku od strony wewnętrznej do zewnętrznej. Algorytm ten określa warstwy przegrody dla 3 wykluczających sie wariantów, z których każdy da wynik, określający najmniejszą głębokość analizowanych warstw :

1)      wszystkie warstwy przegrody do pierwszej włącznie warstwy izolacji,
(w tym wariancie przegroda musi zawierać przynajmniej jedną warstwę izolacji termicznej),

2)      wszystkie warstwy przegrody, gdy maksymalna całkowita grubość przegrody wynosi 10 cm bez względu na istnieje lub położenie warstwy izolacji,
(w tym wariancie przegroda może, ale nie musi zawierać przynajmniej jedną warstwę izolacji termicznej),

3)      w połowie grubości przegrody,
(w tym wariancie przegroda musi mieć całkowitą grubość powyżej 10 cm i nie może zawierać żadnej warstwy izolacji termicznej).

Jako przykład do dalszych obliczeń weźmy przypadki o numerach 1,3,4,5 i 6. Dla ścian szklanych wartość (przypadek 2) C = 0.

Do analizy wzięto 6 typów ścian:

a) jednowarstwowa z cegły ceramicznej pełnej o grubości 25 cm bez izolacji termicznej,

b) jednowarstwowa drewniana o grubości 10 cm bez izolacji termicznej,

c) dwuwarstwowa drewniana o całkowitej grubości 8 cm z izolacją od strony wewnętrznej o grubości 5 cm,

d) dwuwarstwowa z cegły ceramicznej pełnej o całkowitej grubości 30 cm z izolacją od strony wewnętrznej o grubości 5 cm,

e) dwuwarstwowa z cegły ceramicznej pełnej o całkowitej grubości 45 cm z izolacją od strony zewnętrznej o grubości 15 cm,

f) trójwarstwowa z cegły ceramicznej pełnej o całkowitej grubości 55 cm z izolacją termiczną w środku przegrody o grubości 15 cm,

Głębokość Szew przegrody zewnętrznej obliczana jest ze wzoru, obejmującego 2 przypadki:

7k-S_zew

(1) – gdy przegroda nie zawiera żadnej warstwy izolacji termicznej

(2) – gdy przegroda zawiera warstwę izolacji termicznej

gdzie:
d – grubość całej przegrody
n – numer warstwy izolacji w przegrodzie liczony od wewnątrz pomieszczenia

Oto przykłady obliczeń obliczeniowej grubości przegrody dla wybranych typów ścian zewnętrznych:

a) jednowarstwowa z cegły ceramicznej pełnej o grubości 25 cm bez izolacji termicznej:
Min (10 cm; 25/2=12,5 cm) = 10 cm

b) jednowarstwowa drewniana o grubości 10 cm bez izolacji termicznej:
Min (10 cm; 10/2 = 5 cm) = 5 cm

c) dwuwarstwowa drewniana o całkowitej grubości 8 cm z izolacją od strony wewnętrznej o grubości 5 cm:
Min (10 cm; 8/2 = 4 cm, 5 cm) = 4 cm

d) dwuwarstwowa z cegły ceramicznej pełnej o całkowitej grubości 30 cm z izolacją od strony wewnętrznej o grubości 5 cm:
Min (10 cm; 30/2 = 15 cm, 5 cm) = 5 cm

e)dwuwarstwowa z cegły ceramicznej pełnej o całkowitej grubości 45 cm z izolacją od strony zewnętrznej o grubości 15 cm:
Min (10 cm; 45/2 = 22,5 cm, 45 cm) = 10 cm

f) trójwarstwowa (symetryczna) z cegły ceramicznej pełnej o całkowitej grubości 55 cm z izolacją termiczną w środku przegrody o grubości 15 cm:
Min (10 cm; 55/2 = 27,5 cm, 20 + 15 cm = 35) = 10 cm

Dla przypadków 3, 4, czyli dla ścian i stropów całkowicie wewnętrzne w danej strefie lub znajdujących się na granicy dwóch stref ogrzewanych lub dwóch stref nieogrzewanych wyniki obliczeń obejmują wszystkie warstwy w przegrody niezależnie od całkowitej grubości danej przegrody łącznie z warstwą izolacji termicznej. Wynika to z faktu że ciepło wewnętrzne wszystkich warstw przegrody oddawane jest tylko do wnętrza budynku lub strefy, a nie jest tracone na rzecz środowiska zewnętrznego, z którym przegroda nie ma żadnego bezpośredniego kontaktu

W programie ArCADia- TERMO dla przypadku 3 należy wybrać w kolumnie Strefa/temp. z listy pozycję: W tej samej strefie lub W tym samym pomieszczeniu. Wtedy do obliczeń uwzględniana jest pojemność wszystkich warstw przegrody.

Natomiast dla przypadku 4 uwzględniana jest tylko 1/2 obliczonej pojemności cieplnej przegrody. Warto zauważyć, że w tym przypadku przyjęcie algorytmu z normy spowodowałoby podwojenie wartości C dla danej przegrody, co byłoby oczywistym błędem (albo podwójne uwzględnienie pojemności cieplnej izolacji w przegrodzie co również byłoby błędem).

Głębokość Swew przegrody wewnętrznej obliczana jest ze wzoru , obejmującego 2 przypadki:

7L-S_wew

(3) – gdy cała przegroda znajduje się wewnątrz strefy cieplnej/chłodu,

(4) – gdy przegroda znajduje się na granicy (pomiędzy) dwóch stref.

Wnioski
Metodologia podana w normie ma zastosowanie tylko do przegród zewnętrznych w części ogrzewanej budynku.

  1. Obliczenie pojemności cieplnej przegród wewnętrznych zawsze powinno uwzględniać pojemność cieplną wszystkich warstw przegrody, niezależnie od całkowitej grubości całej przegrody i niezależnie od istnienia (bądź nieistnienia) warstwy izolacji termicznej.
  2. Brak informacji dotyczących pojemności cieplnej warstw przegrody może wykluczyć w programie ArCADia-TERMO zastosowanie Szczegółowej metody obliczania pojemności cieplnej. Wtedy należy wybrać metodę Uproszczoną.

Audyt – nowe obliczenia w programie ArCADia-TERMO

Audyt – nowe obliczenia w programie ArCADia-TERMO

 

Wejście w życie z dniem 1 stycznia 2014 roku nowych warunków technicznych WT 0214 oraz rozporządzenia z dnia 3 czerwca 2014 roku w sprawie nowej metodologii obliczania wskaźnika energii pierwotnej EP wymusiło zmiany wykonywania audytów.

Na szczęście audytor ma prawo korzystać z tych norm i rozporządzeń, które uznaje za najbardziej prawidłowe dla danego rodzaju obliczeń.

Aby wykonać audyt w programie ArCADia-TEMO zaleca się zastosowanie ustawień (menu Ustawienia ->Opcje-> Wybór obliczeń (rys. 1.).

Na szczególną uwagę zasługuje wybór (do obliczeń zapotrzebowania na ciepło budynku) normy PN-EN 13790:2009 zamiast rozp. MiiR 2014, z powodu konieczności wzięcia pod uwagę obliczeń wentylacji z projektu instalacji wentylacji, a nie wg tabel podanych w rozporządzeniu MIiR 2014.

g12_5_rys.1
Rysunek 1. Zalecane ustawienia obliczeń audytu w programie ArCADia-TEMO

    • Powierzchnia Af
      Powierzchnia Af – jest to powierzchnia o regulowanej temperaturze. Obliczana powinna być wg rozp. z dnia 3.06.2014 r., czyli do wysokości 1,40 m pomieszczenia – pomijana, od 1,40 do 2,20 – tylko połowa, a powyżej 2,20 – 100% powierzchni.
    • Wentylacja
      Praktyka pokazała, że obliczenia strumienia powietrza wentylacyjnego NIE wykonuje się wg metody podanej w rozp. z dnia 3.06.2014 r. Należy korzystać z metody podanej w normie PN-EN 13790:2009 lub z krotności wymian powietrza, czyli tak jak dotychczas. Wynika to z faktu, że metoda opierająca się na powierzchni o regulowanej temperaturze często nie daje rzeczywistych wartości strumienia powietrza wentylacyjnego, potrzebnych do obliczeń modernizacyjnych.
    • Zyski wewnętrzne
      Dla budynków mieszkalnych i opieki zdrowotnej obliczenia zysków wewnętrznych powinno się wykonuje się wg rozp. z 3.06.2014 r. Natomiast, dla pozostałych budynków lepsza wydaje się metoda szczegółowa, oparta o dane z projektu budowlanego lub na podstawie całościowej inwentaryzacji . Jedynie w sytuacji, gdy brak jest miarodajnych danych, wtedy należy posłużyć się wzorami podanymi w tabeli 26 rozp. z 3.06.2014 r. Oczywiście, dla budynków produkcyjnych (przemysłowych) odpowiednia jest tylko metoda Szczegółowa.
    • Zyski od nasłonecznienia
      Tutaj metoda godzinowa wg rozp. z 3.06.2014 r. – jako najbardziej dokładna – wydaje się mieć, jako jedyna zastosowanie praktyczne.
    • Pojemność cieplna
      Dla typowych przegród wewnętrznych zdecydowanie dominuje uproszczona oparta o normę PN-EN 13370, bazująca tylko na dwóch parametrach takich jak ciężar budynku i jego powierzchnie ogrzewaną. Jedynie w sytuacji, gdy przegrody wewnętrzne są bardzo szerokie (grube) lub wykonane z płyt kartonowo-gipsowych, wtedy powinna być zastosowana metoda szczegółowa opisana w rozp. z dnia. 6.11.2008 r.
    •  Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową
      Obliczenia zapotrzebowania na ciepło i moc wykonuje się wg rozp. z 3.06.2014 r.

 

Rysunek 2. Obliczenia zapotrzebowania na ciepło i moc w programie ArCADia-TERMO
Na koniec warto przypomnieć, że MIiR planuje zmianę metodologii zastosowanej w obliczeniach audytów. Wydaje się, że przyszedł czas na bardziej radykalne obliczenia – obejmujące chłodzenie i oświetlenie.

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:

EUco  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.