Analiza metody obliczania strat ciepła do gruntu z wykorzystaniem normy PN-EN ISO 14683:2008

Norma europejska PN EN-ISO 14683:2008 [1] ma statut polskiej normy i jest powszechnie stosowana w obliczeniach wartości liniowych współczynników przenikania ciepła Ψ.

W tej normie współczynniki, uzyskane metodami uproszczonymi, mają wartości orientacyjne i - zgodnie z intencją autorów normy - powinny być stosowane "gdy detale budowlane nie zostały jeszcze zaprojektowane (…) wówczas można dokonać tylko przybliżonego oszacowania udziału mostków cieplnych w całkowitych stratach ciepła" [1]. Dokładność przyjętych w normie wartości współczynników Ψ oscyluje, jak podano, w przedziale od 0% do 50%.

W tytule i preambule tej normy zwraca się w szczególny sposób uwagę na - jedynie pomocniczy - charakter podanych wartości ψ. Zaleca się, by do obliczeń cieplnych przyjmować wartości dokładniejsze - z katalogów mostków (dokładność ±20%) lub z bezpośrednich obliczeń komputerowych (dokładność ±5%).

Zobacz: Charakterystykę regulacji, które będą miały wpływ na rynek materiałów izolacyjnych

Norma bezpośrednio wyjaśnia, jakiej metody obliczeń wymaga się w zależności od stadium projektowania dokumentacji i rezerwuje wartości z obliczeń komputerowych dla dokumentacji projektowych, "gdy znane są wszystkie detale".

Metody obliczania strat ciepła do gruntu

W zapisach podstawowej normy europejskiej PN-EN ISO 13370:2008 [3] podano cztery sposoby obliczania stacjonarnych strat ciepła do gruntu, mające różną dokładność. Wyróżniono:

• metodę A - pełne obliczenie komputerowe 3D, o największej dokładności, stosowane do rzeczywistych kształtów części budynku stykającej się z gruntem,
• metodę B - obliczenie komputerowe 2D przybliżonych empirycznie części podziemnych budynku,
• metodę C - przybliżone obliczenie według wzorów empirycznych normy PN-EN ISO 13370:2008 [3] stosowane dla podziemi, uzupełnione obliczeniem numerycznym 2D - z uwzględnieniem wpływu mostków cieplnych;
• metodę D - orientacyjne obliczenie według wzorów uzupełnione przyjęciem wpływu mostków cieplnych wartościami współczynników Ψ zgodnie z normą PN EN ISO 14683:2008 [1].

Dość powszechne jest również stosowanie w obliczeniach parametru EP [kWh/(m2·rok)] innej, orientacyjnej metody podanej w normie PN-EN 12831:2006 [5], która z założenia nie spełnia kryterium dokładności wymaganej w obliczeniach cieplnych i zupełnie pomija wpływ mostków cieplnych.

Dokładniejsza analiza procedur obliczania przenoszenia ciepła do gruntu wymaga omówienia szczególnych przypadków posadowienia budynku:

• podłogi na gruncie,
• podziemia ogrzewanego,
• podziemia nieogrzewanego,
• podłogi podniesionej (podwieszonej) ponad przestrzeń wentylowaną.

Wymienione przypadki różnią się zarówno warunkami brzegowymi, jak i strukturą wewnętrzną złączy, wywołującą zakłócenia w przebiegu strumieni cieplnych.

Przeczytaj o: Charakterystyce energetyczna budynku w świetle aktualnych przepisów prawnych - wybrane aspekty

Wymagania cieplne sformułowane w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], w odniesieniu do przegród stykających się z gruntem dotyczą spełnienia dwóch kryteriów:

• w zakresie współczynnika przenikania ciepła podłogi na gruncie (U ≤ U_max),
• podłoga na gruncie powinna mieć izolację cieplną obwodową z materiału izolacyjnego w postaci warstwy o oporze cieplnym co najmniej 2,0 (m²·K)/W.

W tym miejscu należy zwrócić uwagę na rozbieżności w nazewnictwie izolacji cieplnej występującej w złączu przegród stykających się z gruntem. Izolacja termiczna na ścianach fundamentowych w budynkach niepodpiwniczonych, określana w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4], jako izolacja obwodowa, w normach określona jest jako:

• izolacja krawędziowa według normy PN-EN ISO 13370:2008 [3] - obliczeniowo włączana do wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi,
• izolacja boczna według normy PN-EN 12831:2006 [5] - nieuwzględniana w wartości współczynnika przenikania ciepła podłogi.

Metoda z wykorzystaniem współczynników z normy PN-EN ISO 14683:2008

Metoda nie wymaga obliczeń komputerowych i posługuje się empirycznymi wzorami normy PN-EN ISO 13370:2008 [2], opracowanymi niezależnie dla czterech przypadków posadowienia budynku. Wyliczone straty ciepła uzupełnia się członem dodatkowym, charakteryzującym wpływ mostków cieplnych - w postaci współczynników Ψ.

Wartości tych orientacyjnych współczynników podane są w normie PN-EN ISO 14683:2008 [1] i obejmują tylko 8 przypadków podłogi na gruncie oraz 8 przypadków podłogi podwieszonej (poz.4) lub ułożonej na stropie nad nieogrzewanym podziemiem.

Czytaj też: Optymalna izolacja termiczna ogrzewania podłogowego

Przyjęcie współczynników Ψ [W/(m·K)] w odniesieniu do przypadku podłogi na gruncie nie jest możliwe z uwagi na brak w normie szacunku dodatkowych strat ciepła przez podziemia ogrzewane.

Zamieszczone współczynniki zilustrowano w normie rysunkami złączy w miejscu połączenia podłogi ze ścianą zewnętrzną. Wszystkie złącza pozbawione są izolacji krawędziowej w nieocieplonych ścianach fundamentowych bądź podziemnych, co nakazują wymagania obowiązujące w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4].

Zgodnie z normą: "w Tablicy A.2 podano wartości orientacyjne obliczone dla parametrów reprezentujących sytuacje najgorszego przypadku. Wartości te można stosować przy braku lepiej określonych danych dotyczących mostków cieplnych. Zaleca się rozszerzenie lub zmianę Tablicy A.2, jeśli jest to odpowiednie, na podstawie danych krajowych, w celu uwzględnienia szczegółów konstrukcyjnych zwyczajowo stosowanych".

Dlatego zasadne stało się prowadzenie szczegółowych obliczeń numerycznych złączy przegród zewnętrznych (m.in. złączy przegród stykających się z gruntem) prezentowanych w pracy "Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno-wilgotnościowe" [6].

Przeanalizowano sposoby obliczania strat ciepła w podziemnej części budynku za pomocą zasadniczej metody przybliżonej (C) i skonfrontowano wyniki obliczeń z wersją tej metody przyjmującej współczynniki z normy PN-EN ISO 14683:2008 [1] - (D). Rezultaty wykonanych obliczeń oraz symulacji porównano z wzorcami uzyskanymi w wyniku pełnych obliczeń komputerowych 3D (metoda A).

Obliczenia i porównania przeprowadzono w odniesieniu do podłóg na gruncie i podłóg podwieszonych.

Materiały do badań i procedury obliczeń cieplnych

Literatura przedmiotu nie dostarcza wyników badań strat ciepła do gruntu z budynków o różnie ukształtowanej bryle, w której ściany zewnętrzne występują w kontakcie z gruntem.

Do analizy podłóg na gruncie wybrano budynek o wymiarach zewnętrznych w poziomie: 8,56×13,08 m, uwzględniających ściany zewnętrzne trójwarstwowe gr. 0,54 m, złożone z licówki gr. 12 cm, styropianu gr. 15 cm i od wnętrza - cegły kratówki gr. 25 cm.

Podłoga w parterze budynku znajduje się 30 cm nad terenem.

Jakie są: Nowe wymagania w zakresie izolacyjności przegród budowlanych w systemach ETICS - kierunki zmian

Izolacja krawędziowa gr. 11 cm ze styropianu okrywa ścianę fundamentową zagłębioną 1,0 m w gruncie i łączy się z izolacją cieplną parteru w sposób ciągły.

Podłoga na gruncie o typowej budowie jest zaizolowana na całej powierzchni płytą styropianową gr. 10 cm (RYS. 1-2, RYS. 3-4).

Podłoga podwieszona nad przyziemiem została przyjęta w budynku o identycznym (jak wyżej) rzucie i budowie ścian zewnętrznych. Podłoga przyziemia jest obniżona o 1,0 m poniżej powierzchni terenu i posiada termoizolację ze styropianu gr. 15 cm.

Podłoga podwieszona nad nieogrzewanym przyziemiem jest zaizolowana styropianem gr. 5 cm (RYS. 5-6).

Oba rozważane przypadki podłóg zbadano w pracy "Ocena metod obliczania wymiany ciepła przez podłogi na gruncie" [7]. Obliczono w szczególności za pomocą symulacji (obliczenia pełne 3D - metoda A) parametry cieplne, zarówno podłogi na gruncie, jak podłogi podwieszonej.

W następnej kolejności dla porównania wykonano obliczenia metodą przybliżoną C, uzupełnioną o symulację 2D złączy z mostkami.

Przeczytaj: Wzrost efektywności energetycznej instalacji przemysłowych dzięki lepszej izolacyjności

W artykule "Ocena metod obliczania wymiany ciepła przez podłogi na gruncie"[7] przeprowadzono uzupełniające obliczenie parametrów podłogi na gruncie metodą D z udziałem dyskutowanej w niniejszej publikacji wartości współczynnika orientacyjnego z normy PN-EN ISO 14683:2008 [1].

Przeprowadzono także analogiczne obliczenie w odniesieniu do podłogi podwieszonej i uzupełniono poszukiwane parametry metodą D. W tej metodzie stosuje się równanie:

Hg = A·U + P·Ψg

gdzie:

iloczyn A·U oznacza przybliżone straty ciepła przez podłogę, operujące uśrednioną wartością współczynnika przenikania ciepła U (bez wpływu mostków cieplnych), obliczoną równaniami rozdziału 9 normy PN-EN ISO 13370:2008 [3] dla podłogi podwieszonej (podniesionej);

iloczyn P·Ψ_g oznacza straty ciepła wywołane obecnością wszystkich płaskich mostków w granicach złącza na jego krawędzi P, obliczone (Ψ_g) z uwzględnieniem danych PN-EN ISO 14683:2008 [1].

Iloczyn A·U z przykładu obliczenia metodą przybliżoną C uzupełnioną o symulację 2D złączy z mostkami [6] wynosi odpowiednio:

A·U = 89,76·0,333 = 29,890 W/K

W celu określenia strat ciepła wynikających z występowania mostków cieplnych przyjęto wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła ψ_g według normy PN-EN ISO 14683:2008 [1].

W normie oszacowano zaledwie dwa przypadki złącza ściany trójwarstwowej z ocieploną podłogą podwieszoną GF10 i GF14. W obu przypadkach brak izolacji krawędziowej podziemia czyni to przybliżenie mało precyzyjnym. Przyjęto wartość Ψ_i = 0,85 W/(m·K) wobec wykonywania obliczeń (A∙U) dla wymiarowania wewnętrznego.

Całkowita wartość współczynnika przenoszenia ciepła przez grunt w stanie ustalonym wynosi:

H_g = A·U + P·Ψ_g = 29,890 + 38,98·0,85 = 63,022 W/K

Natomiast średni współczynnik przenikania ciepła podłogi na gruncie z uwzględnieniem mostków występujących w złączu ściana - podłoga podwieszona, odniesiony do powierzchni brutto podłogi, wynosi:

U_śr. = H_g/A = 63,022/111,96 = 0,563 W/(m²·K)

W TAB. 1 i TAB. 2 podano wyniki wszystkich obliczeń i symulacji.

Dokładność rozważanych metod

Przeprowadzane symulacje i analizy pozwalają na porównanie dokładności zastosowanych metod obliczeniowych. Wartości dwóch parametrów decydujących o jakości cieplnej rozwiązania - współczynnika przenoszenia ciepła przez grunt H_g [W/K] oraz średniego współczynnika przenikania ciepła podłogi na gruncie U_śr [W/(m²·K)] zestawiono w TAB. 1 i TAB. 2. Średni współczynnik przenikania ciepła uzyskano przez odniesienie wyliczonej wartości strumienia do powierzchni budynku po obrysie zewnętrznym.

Poznaj: Aktualne wymagania stawiane wyrobom do izolacji cieplnych związane z oceną obecności i uwalniania niebezpiecznych substancji

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można stwierdzić, że uzyskane wartości strat ciepła przegród stykających się z gruntem (w postaci parametrów H_g [W/K] i U_śr [W/(m²·K)]) - określane różnymi metodami - różnią się znacząco.

Należy szczególnie zwrócić uwagę, że wprowadzenie do obliczeń wartości orientacyjnych liniowych współczynników przenikania ciepła Ψ [W/(m·K)] z normy PN-EN ISO 14683:2008 [1] powoduje, że wartości całkowitych strat ciepła są niemiarodajne (orientacyjne).

Wnioski

Przygotowane w oparciu o algorytmy metody dokładnej trójwymiarowej symulacji komputerowej oraz - uznanej za najbardziej zaawansowaną – metody przybliżonej według normy PN-EN ISO 13370:2008 [2], z poprawką na działanie mostków cieplnych według normy PN-EN ISO 10211:2008 [8] rzucają światło na skalę dokładności proponowanych w normach przybliżeń.

Zarówno w wymaganych przez Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [4] obliczeniach cieplnych, jak i w ustaleniach dotyczących świadectw charakterystyki energetycznej budynków [4] metoda przybliżona jest uznawana za poprawną, mimo jej stosunkowo niewielkiej dokładności w odniesieniu do niektórych przypadków posadowień budynków.

Wnioski są jednoznaczne, wynikające bezpośrednio z charakteru i związanej z nim dokładności oszacowań współczynnika Ψ podanej w normie PN-EN ISO 14683:2008 [1].

Zdaniem autorów, norma ta nie powinna być stosowana w praktyce inżynierskiej do projektowania budynków ani szacowania ich charakterystyki energetycznej, daje bowiem wyniki daleko wykraczające poza dopuszczalne ramy dokładności obliczeniowej.

Literatura

1. PN-EN ISO 14683:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne".
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 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 charakterystyki energetycznej (DzU z 2014 r. poz. 888).
3. PN-EN ISO 13370:2008, "Cieplne właściwości użytkowe budynków. Przenoszenie ciepła przez grunt. Metody obliczania".
4. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2013 r. poz. 926).
5. PN-EN 12831:2006, "Instalacje grzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego".
6. A. Dylla, "Fizyka cieplna budowli w praktyce. Obliczenia cieplno­‑wilgotnościowe", PWN, Warszawa 2015.
7. A. Dylla, P. Rożek, "Ocena metod obliczania wymiany ciepła przez podłogi na gruncie", "Materiały Budowlane", nr 5/2015.
8. PN-EN ISO 10211:2008, "Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!