3. Wytyczne do projektu

3.1. Bilans cieplny

Bilansem cieplnym budynków określa się połączenie różnych procesów zysków oraz strat ciepła. Do takich procesów należą m.in.: promieniowanie, przewodzenie, przejmowanie oraz przenikanie ciepła. Procesy te nie dotyczą jedynie zjawisk odnoszących się do zewnętrznych czynników wpływających na budynek, lecz także wewnętrznych. Dotyczy to również wszelkiego rodzaju urządzeń znajdujących się w domu, ilości osób przebywających w nim, konstrukcji itp. Niezależna masa tych przedmiotów może w różnych chwilach akumulować bądź oddawać zgromadzoną wcześniej cieplną energię, która ma istotny wpływ na warunki panujące w pomieszczeniach. A zatem w ogólnym bilansie cieplnym wszystkich pomieszczeń uwzględnia się:

• zyski ciepła od docierającego do pomieszczenia promieniowania słonecznego i wewnętrzne od ludzi i wyposażenia

• straty ciepła związane z jego przenikaniem przez obudowę i wentylacją pomieszczeń

W domach posiadających nieszczelną obudowę, która powoduje nadmierną infiltrację, ogromne straty ciepła wynikają z nadmiaru wymiany powietrza w pomieszczeniach. W dużej większości budynków mieszkalnych posiadających naturalną wentylacją jej intensywność w bardzo dużym stopniu jest kształtowana przez mieszkańców, którzy przyczyniają się do jej znacznego ograniczenia w okresie najniższych temperatur w celu ograniczenia napływu chłodnego powietrza i oszczędzania ciepła.

Rys. 3.1. procentowy podział strat ciepła dla domu jednorodzinnego

Udziały składników w bilansie cieplnym budynku jest stale uzależniony od następujących czynników:

• jego lokalizacji i usytuowania względem kierunków geograficznych i sąsiedniej zabudowy,

• wielkości i kształtu bryły budynku,

• ilości i rozmieszczenia okien i innych elementów przezroczystych w przegrodach zewnętrznych,

• izolacyjności cieplnej obudowy,

• przepuszczalności promieniowania słonecznego części przezroczystych obudowy,

• intensywności i sposobu wentylacji pomieszczeń,

• częstości i sposobu eksploatacji pomieszczeń.

W typowym jednorodzinnym budynku mieszkalnym o średniej powierzchni użytkowej wynoszącej 150 m² oraz wartości sezonowego wskaźnika zapotrzebowania na ilość ciepła około 100 kWh/m² a, przy przyjęciu najwyższych wartości dopuszczanych, zgodnie z ogólnie panującymi przepisami, współczynników przenikania ciepła w odniesieniu do stropów, ścian, oraz okien, udziały przytoczonych składników bilansu cieplnego kształtują się na bardzo zbliżonym poziomie. Okazuje się, iż największe straty ciepła powstają w wyniku jego bezpośredniego przenikania przez stropy i ściany.

Wybrane normy, w których określa się bilans cieplny:

• PN-EN ISO 13790:2006: Cieplne właściwości użytkowe budynków - Obliczanie zużycia energii do ogrzewania

• PN-EN 12831:2006: Instalacje ogrzewcze w budynkach - Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego

• PN-B-02025:2001: Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego

• PN-EN 832:2001: Właściwości cieplne budynków - Obliczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania - Budynki mieszkalne

Wybrane normy dotyczące zagadnienia komfortu cieplnego:

• PN-EN ISO 7730:2006 (U): Ergonomia środowiska termicznego - Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego

• PN-85/N-08013 Ergonomia - Środowiska termiczne umiarkowane - Określenie wskaźników PMV, PPD i wymagań dotyczących komfortu termicznego

Jeżeli chodzi o rozkład temperatur w pomieszczeniach domu, to w pokoju dziennym temperatura powinna wynosić średnio od 20 do 21°C. W typ pokoju spędza się zazwyczaj największą ilość czasu, a zatem mieszkańcy powinni mieć zapewniony standardowy komfort cieplny. W pokoju przeznaczonym dla użytku dzieci, temperatura powinna utrzymywać się również na poziomie 20 - 21°C. Gdyż nie jest ani za wysoka ani za niska, i tym samym dzieci nie odczuwają znużenia i zmęczenia. W sypialni wystarczy gdy temperatura waha się między 16 a 18°C. Obniżona temperatura powoduje lepsze warunki do snu , ponieważ nie będzie za duszno. Jeżeli chodzi natomiast łazienkę, to powinna być ona dobrze ogrzewana - temperatura powinna utrzymywać się na średnim poziomie 22 - 24°C. W tym pomieszczeniu istnieje również zwiększone ryzyko przeziębienia się (z reguły jest dość wilgotno), więc temperatura powinna być stosunkowo wyższa. Kuchnia jest pomieszczeniem które samo powoduje wytwarzanie ciepła, chodzi tu oczywiście o dodatkowe ciepło wytwarzane podczas gotowania. A zatem wystarczy gdy temperatura będzie utrzymywać się na poziomie 18°C, a dodatkowa energia cieplna zostanie sama doprowadzona. Pomieszczenia typowo gospodarcze (spiżarnie, pralnie) - powinny posiadać tylko 12-15^oC. Natomiast w pomieszczenie dla samochodu, rowerów (garażu) czy składziku ogrodowym - temperatura powinna wynosić maksymalnie 4 - 8^oC. Zawsze w razie potrzeby można dogrzać pomieszczenie stosując np. elektryczny piecyk.

We współczesnym budownictwie mieszkalnym przegrody na zazwyczaj charakteryzują się lepszymi, niż wymagane, wartościami współczynnika ciepła, a zwłaszcza okna. Wartości składników całego bilansu cieplnego w domu o wartości wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło wynoszą ok. 100 kWh/m². W domach wielorodzinnych zwykle większy jest procentowy udział strat ciepła na całą wentylację pomieszczeń.

Zupełnie podobnie jest w przypadku budynku jednorodzinnego, charakteryzującego się sezonowym zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania o ok. 25% niższym poziomie, niż określony w panujących aktualnych budowlanych przepisach, które zostały osiągnięte przez zastosowanie trochę grubszej izolacji warstwy cieplnej a także energooszczędnych okien, przy powiększonych lecz zaakceptowanych przez przeciętnie zamożnych inwestorów kosztach. Dalsze konieczne obniżenie wskaźnika sezonowego zapotrzebowania budynku na ciepło do ogrzewania wszystkich pomieszczeń wymaga ograniczenia wentylacyjnych strat ciepła. W tym celu stosuje się wstępne podgrzanie dostarczanego powietrza w zastosowanym wymienniku gruntowym a także odzysk większej ilości ciepła z usuwanego powietrza w rekuperatorze.

Odpowiednie temperatury w konkretnych pomieszczeniach przyczyniają się do oszczędzania oszczędzają energii oraz kosztów. Dzięki utrzymaniu właściwego oraz optymalnego poziomu temperatury w wszystkich pomieszczeniach domu pozwala także zaoszczędzić cieplną energię. Zmniejszenie zużycia energii cieplnej - redukcja temperatury o 1°C powoduje oszczędności ciepła nawet do 6%, a co za tym idzie obniżenie temperatury w kilku pokojach.

Przy ustalaniu optymalnych temperatur dla konkretnych pomieszczeń, należy przede wszystkim kierować się zasadą, że panująca różnica temperatur pomiędzy sąsiadującymi ze sobą pomieszczeniami nie powinna wynosić więcej niż 8^oC. Dzięki temu istnieje możliwość zastosowania stosunkowo cienkich ścianki działowej, bez jakiejkolwiek dodatkowej termoizolacji. Ta zasada jest stosowana znacznej większości gotowych projektów, gdzie rozkład projektowanych pomieszczeń jest taki, aby stworzyć tzw. strefę buforową, czyli np. garaż sąsiaduje z gospodarczymi pomieszczeniami (spiżarnia, pralnia), te sąsiadują z kuchnią, a kolejne z pokojami.

  Należy mieć na względzie, iż jeżeli różnica temperatur w pomieszczeniach sąsiadujących znacznie przekracza 10^oC, to ściana działowa powinna charakteryzować się identyczną izolacyjnością cieplną, jak zewnętrzna ściana. Przykład - nie ogrzewany garaż sąsiaduje z kuchnią. Całe ciepło wówczas jest tracone i ucieka przez cienką, niedocieploną ścianę. Wówczas straty w zużyciu ciepła są bardzo duże..

Równanie bilansu cieplnego dla budynku jednorodzinnego można określić w formie równania różniczkowego o następującej postaci:

(3.1.1)

gdzie:

Q_SM() - straty przez przegrody budowlane masywne,

Q_SL() - straty przez przegrody budowlane lekkie,

Q_W() - zyski i straty spowodowane wentylacją,

Q_ZS () - zyski od słońca,

Q_ZW() - zyski wewnętrzne,

Q_CO() - ciepło wytworzone przez pompę ciepła,

T - stała czasowa zmiany strumienia ciepła przez przegrody masywne,

W przytoczony równaniu, zostały przyjęte inercyjne zmiany strumienia ciepła jedynie przez przegrody masywne. Natomiast pozostałe składniki równania zostały przyjęte jako bezinercyjne. Blokowy schemat bilansu cieplnego wyrażonego równaniem (3.1.1), został przedstawiony na rys.3.2.

Rys.3.2. Schemat blokowy bilansu cieplnego wyrażonego równaniem (3.1.1)

Takie podejście jest związane bezpośrednio z przyjętego kroku analizy problemu oraz rozwiązania równania różniczkowego, równego 1 godz. Ze względna na tak ogromny krok obliczeniowy inercyjność: przegród lekkich, powietrza w danym budynku a także wydzielanych zysków, może zostać pominięta.

Wszystkie bieżące składniki przedstawionego bilansu cieplnego zostały obliczone ze wzorów:

, W (3.1.2)

,W (3.1.3)

,W (3.1.4)

,W (3.1.5)

,W (3.1.6)

gdzie:

U_k - współczynnik przenikania dla k-tej przegrody, W/(m²K)

F_k - powierzchnia k-tej przegrody, m²

T_WEW() - temperatura wewnętrzna ogrzewanych pomieszczeń, ^oC

T_ZEW() - temperatura zewnętrzna, ^oC

U_GR - współczynnik przenikania dla gruntu, W/(m²K)

F_GR - powierzchnia podłogi na gruncie, m²

T_GR() - temperatura gruntu stała dla całego okresu obliczeniowego, ^oC

V - kubatura budynku, m³

n - krotność wymian, l/h

ρ - gęstość powierzchni, kg/ m³

c_p - ciepło właściwe powietrza, kJ/kgK

q_k() - strumień promieniowania słonecznego padający na k-tą powierzchnię pionową z uwzględnieniem stron świata, W/m²

 - współczynnik przepuszczalności szyby,

Q_ZS - zyski ciepła wydzielone przez k-te źródło(k-ty element wektora zysków ciepła), W

_l - godzina doby,

Równanie różniczkowe bilansu cieplnego (X.X) zostało rozwiązane przy pomocy metody różnicowej Rungego-Kutty czwartego rzędu z przyjętym krokiem czasowym równym 1 godzinie, a zatem stary ciepła na samej drodze przenikania obliczane są osobno dla wybranych komponentów zewnętrznych całej obudowy zewnętrznej ogrzewanych pomieszczeń, a kolejno sumuje według następującego wzoru:

(3.1.7)

w którym:

W przedstawionych wzorach zostały przyjęte następujące umowne oznaczenia:

Q_sz - ciepło przenikające przez ściany zewnętrzne o powierzchni A_sz (po odjęciu pola powierzchni okien od pola powierzchni całej elewacji) i współczynniku przenikania ciepła U_sz;

Q_w - ciepło przenikające przez okna zewnętrzne o powierzchni A_w i współczynniku przenikania ciepła U_w;

Q_sd - ciepło przenikające przez stropodach o powierzchni A_sd i współczynniku przenikania ciepła U_sd nad otwartym przejazdem;

Q_sb - ciepło przenikające przez strop o powierzchni A_sb i współczynniku przenikania ciepła U_sb;

Q_sn - ciepło przenikające przez ściany o powierzchni A_sn i współczynniku przenikania ciepła U_sn; między ogrzewanymi i nieogrzewanymi pomieszczeniami;

Q_sp - ciepło przenikające przez strop o powierzchni A_sp i współczynniku przenikania ciepła U_sp nad nie ogrzewaną piwnicą;

Q_sg - ciepło przenikające z ogrzewanej piwnicy do gruntu przez ściany o powierzchni A_sg i współczynniku przenikania ciepła U_sg stykające się z gruntem;

Q_pg1 - ciepło przenikające z parteru lub ogrzewanej piwnicy do gruntu przez podłogę w pierwszej fazie o powierzchni A_pg1 i współczynniku przenikania ciepła U_pg1;

Q_pg2 - ciepło przenikające z parteru lub ogrzewanej piwnicy do gruntu przez podłogę w drugiej fazie o powierzchni A_pg2 i współczynniku przenikania ciepła U_pg2;

Pole powierzchni okien zostaje obliczone na podstawie wymiarów zewnętrznych ościeżnic, czyli w świetle otworów w ścianach budynku, natomiast pola powierzchni innych elementów obudowy pomieszczeń - w typowych osiach symetrii przegród do nich przylegających. Natomiast pola powierzchni obu stref podłogi na gruncie jest określane kolejno:

• strefa pierwsza - obejmuje pas podłogi o szerokości 1 m przylegający do ścian zewnętrznych,

• strefa druga - stanowi pozostałą część podłogi

W niektórych przypadkach, jeżeli zagłębienie podłogi w piwnicy przekracza 1 m poniżej poziomu terenu, to wówczas całą powierzchnię traktuje się jako strefę drugą. Natomiast wartość współczynnika przenikania ciepła należy obliczyć zgodnie z postanowieniami normy PN-EN ISO 6946.

Straty ciepła na podgrzanie samego powietrza wentylacyjnego do wymaganej obliczeniowej temperatury w pomieszczeniach wynoszą:

(3.1.8)

przy założeniu, że

gdzie:

  strumień objętości powietrza wentylacyjnego dla budynku, ()wartość tego strumienia przyjmuje się na podstawie projektu budynku bądź normy PN-B-03430:1983/Az3:2000),

Zyski ciepła od nasłonecznienia (promieniowania słonecznego), oblicza się ze wzoru:

(3.1.9)

gdzie:

A_wj - pole powierzchni okien w ścianie o j-tej orientacji względem stron świata, m²;

_j - średni współczynnik przepuszczania promieniowania słonecznego przez szyby okien o j-tej orientacji względem stron świata;

S_j - energia pochodząca od całkowitego promieniowania słonecznego, podającego w całym porównawczym sezonie ogrzewczym na 1 m² pola powierzchni okien j-tej orientacji względem stron świata,
:

0,6 - średni udział pola powierzchni szyb w polu łącznej powierzchni okien,

Tab.3.1. Obliczeniowe wartości całkowitego promieniowania słonecznego

Orientacja płaszczyzny pionowej		S,
S	południe	350
SW	południowy zachód	310
W	zachód	220
NW	północny zachód	160
N	północ	145
NE	północny wschód	165
E	wschód	235
SE	południowy wschód	320

Wartości obliczeniowe energii całkowitego nasłonecznienia, które mogą wystąpi we wzorze (3.1.3) , zestawione zostały w tab.3.1, natomiast w tab.3.2 zostały podane obliczeniowe wartości współczynnika przenikania ciepła przez w okna, a także przepuszczania promieniowania słonecznego przez różne zestawy szyb.

Tab.3.2. Obliczeniowe wartości całkowitego promieniowania słonecznego

Rodzaj oszklenia	Uw,	j
Pojedyncza w ramach drewnianych lub PCW	5,1	0,82
Podwójna w ramach drewnianych lub PCW	2,6	0,70
Potrójna lub szyba zespolona jedno komorowa z jedną powłoką nisko emisyjną	2,0	0,64
Potrójna lub szyba zespolona jedno komorowa z jedną powłoką nisko emisyjną i przestrzenią między szybami wypełnioną argonem	1,8	0,64
Szyba zespolona dwukomorowa z jedną powłoką niskoemisyjną	1,5	0,55

---