Wentylacja w budynkach użyteczności publicznej

STRESZCZENIE

Niezwykle istotne jest prawidłowe zaprojektowanie ilości i jakości powietrza dostarczanego do każdego użytkownika. Pomocą w tym zakresie mogą być normy, które w ostatnich latach zostały znowelizowane zgodnie z kolejnymi zmianami wprowadzanymi do dyrektywy europejskiej. W artykule przedstawiono informacje dotyczące zapisów, które uległy aktualizacji w dwóch normach dotyczących bezpośrednio kwestii wentylacji w obiektach użyteczności publicznej.

ABSTRACT

It is extremely important to design the amount and quality of the air supplied to every user using the building. The standars may be helpful – in the recent years, their provisions have been updated according to the subsequent changes introduced to the European directive. The paper presents information pertaining to the provisions that have been changed in two standars directly regarding the matter of ventilation in public buildings: in the draft of the prEN 16798-1 Energy performance of buildings. Part 1 norm, as well as PN-EN 16798-3:2017-09 Energy performance of buildings. – Ventilation of buildings – Part 3.

Zadaniem systemów wentylacji lub wentylacji i klimatyzacji stosowanych w pomieszczeniach użyteczności publicznej jest zapewnienie warunków środowiska wewnętrznego bezpiecznych i komfortowych dla użytkowników. Należy pamiętać również, że prawidłowa wentylacja w dużej mierze wpływa na wydajność i efektywność pracy (rys. 1 i 2), a zatem kluczowym aspektem jest przyjęcie prawidłowych założeń, uwzględniających planowaną liczbę użytkowników i ich potrzeby.

Rys. 1. Parametry wpływające na wydajność pracowników [1]

Choć priorytetowym aspektem powinien być zawsze komfort użytkowników, niezbędne jest również wzięcie pod uwagę kryteriów efektywności energetycznej całego układu. Kwestie te na najwyższym, europejskim szczeblu regulowane są przez dyrektywę w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (EPBD 2002/91/EC) [2], która – pierwsza jej wersja była ogłoszona 16 grudnia 2002 r. – w roku 2010 [3] oraz 2018 r. [4] była nowelizowana: dostosowywana do skutków realizacji poprzedniej wersji, pojawiły się w niej też nowe, ambitne cele w zakresie efektywności energetycznej obiektów, szczególnie użyteczności publicznej.

Wraz z dyrektywą [2] wprowadzono również wymóg dla CEN (Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego) analizy obowiązujących dotychczas norm dotyczących instalacji wewnętrznych w budynkach, a także dostosowanie ich do prowadzenia łączonych analiz dotyczących zapotrzebowania energetycznego budynku. W wyniku tych działań wiele norm zostało zmienionych w większym lub mniejszym zakresie, zmianie uległy również numeracje poszczególnych norm. Obecne powiązania między normami przedstawione są na rys. 3.

Jednym z elementów, który również został zmieniony w wyniku realizacji wymagania EPBD, było opracowanie dwóch projektów norm, które swoim zakresem obejmują kwestie wentylacji w budynkach, a zatem:

• prEN 16798-1 [6],
• PN-EN 16798-3:2017-09 [7].

Pierwsza w tych norm istnieje obecnie w fazie projektu i jest już „głosowana”. Norma ta zastąpiła normę PN-EN 15251:2012 Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie i akustykę. Druga natomiast jest już dokumentem zatwierdzonym przez CEN oraz PKN i zastąpiła normę PN-EN 13779:2008 Wentylacja budynków niemieszkalnych – Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji. W przypadku zarówno normy [6], jak i normy [7] pozostawiono do wyboru krajom członkowskim wprowadzenie konkretnych wartości kryteriów, które mają obowiązywać w danym kraju, jednocześnie wskazując wartości domyślne, które są wskazywane przez CEN.

W artykule przedstawiono zmiany, jakie zostały wprowadzone w obu normach w zakresie wentylacji w obiektach użyteczności publicznej w stosunku do dokumentów obowiązujących poprzednio.

Rys. 2. Elementy składające się na środowisko wewnętrzne w obiektach [1]

PREN 16798-1 ENERGY PERFORMANCE OF BUILDINGS. PART 1

W projekcie normy [6] zachowano główny podział informacji na dwie grupy: parametry wyjściowe do projektowania systemów wentylacji, ogrzewania, chłodzenia i oświetlenia, jak również parametry środowiska wewnętrznego, jakie należy uwzględniać w obliczeniach energetycznych. Zachowano również kategoryzację jakości środowiska wewnętrznego, a zatem kategoria I to „wysokie” warunki środowiska, ma zastosowanie dla osób o specjalnych potrzebach (np. dzieci, osoby starsze, niepełnosprawne), kategoria II to „średnie” warunki, które powinny być stosowane we wszystkich nowo powstających obiektach, kategoria III dopuszczana jest w obiektach istniejących, natomiast kategoria IV dopuszczalna tylko okresowo jako niespełniająca kryteriów komfortu użytkowników.

Główną zmianą pojawiającą się w normie [6] w stosunku do wersji poprzedniej jest zwiększenie nacisku na umiejscowienie użytkowników obiektów, ich preferencji i przyzwyczajeń odnośnie do wykorzystania przestrzeni wewnętrznej jako punktu wyjściowego do projektowania warunków środowiska wewnętrznego. Jest to szczególnie istotne, gdyż jedynie dokładne zaplanowanie sposobu użytkowania pomieszczeń umożliwia uzyskanie oszczędności energii przy zapewnieniu komfortowych warunków dla użytkowników. W przypadku jakości powietrza wewnętrznego wprowadzono termin odczuwalnej IAQ (perceived indoor air quality) jakości powietrza w pomieszczeniu, a także dopuszczenie możliwości adaptacji użytkowników do warunków w pomieszczeniach mieszkalnych. Umożliwiono również stosowanie rozwiązań kształtujących najbliższe otoczenie użytkownika. Wprowadzono wartości dopuszczalne także dla kategorii IV obiektów, które dotychczas wskazywane były wyłącznie jako obiekty niespełniające wymagań kategorii I-III, natomiast w normie [6] podano wymagania dla pomieszczeń w tego rodzaju budynkach. Wprowadzono schematy użytkowania pomieszczeń do analiz energetycznych.

W projekcie normy [6] pojawia się nowa definicja „strefa oddychania człowieka”, która znacząco rozszerza możliwości stosowanych metod rozdziału powietrza w pomieszczeniach. Wskazano, że odpowiednia jakość powietrza powinna być utrzymana właśnie w punkcie, w którym użytkownik przyjmuje powietrze z otoczenia. Dla osoby stojącej można przyjmować, że jego głowa znajduje się średnio na wysokości 1,7 m nad podłogą, dla osoby siedzącej – 1,1m, a dla dziecka – 0,2 m. Zmiana zapisu w stosunku do obowiązującego w normie poprzedniej wprowadziła możliwość stosowania rozwiązań wentylacji, w których powietrze dostarczane jest w najbliższe otoczenie człowieka, np. wentylacja indywidualna [8]. Przenosząc nacisk z „wentylacji pomieszczenia” na „wentylację strefy oddychania człowieka”, wprowadzono w metodzie obliczania strumienia powietrza uwzględnienie odczuwalnej jakości powietrza. W konsekwencji skupiono się na wskazaniu konkretnych wartości, które należy zastosować w obliczeniach strumienia objętości powietrza, uwzględniając metodę opartą na:

1) odczuwalnej jakości powietrza lub

2) dopuszczalnych wartościach zanieczyszczeń w pomieszczeniu, lub

3) konkretnych wartościach strumienia powietrza wynikających z: obecności użytkowników i elementów budynku; wartości przyjmowanych w odniesieniu do 1 m2 podłogi; wartości przyjmowanych w odniesieniu do jednego użytkownika; krotności wymian powietrza; rodzaju pomieszczeń i budynku.

W przypadku metody 1) całkowity strumień powietrza wentylacyjnego w strefie oddychania człowieka jest sumą iloczynów: projektowanej liczby osób w pomieszczeniu i higienicznej ilości powietrza przypadającej dla każdego uczestnika oraz powierzchni podłogi i ilości powietrza wynikającej z emisji zanieczyszczeń w budynkach.

Rys. 3. Zależności między normami wspierającymi wdrażanie EPBD [5]

W tym przypadku również obowiązuje klasyfikacja pomieszczeń ze względu na jakość powietrza. W przypadku I kategorii pomieszczeń strumień powietrza wynikający z obecności każdego użytkownika nie powinien być niższy niż 10 l/s (co odpowiada 15% przewidywanego odsetka osób niezadowolonych), dla kategorii II – min. 7 l/s (20% odsetek niezadowolonych), kategorii III – 4 l/s (30% osób niezadowolonych), natomiast dla IV kategorii uściślono, że jest to min. 2,5 l/s (w normie poprzedniej było wskazane jedynie „mniej niż 4 l/s”, co mogło prowadzić do dostarczania minimalnych ilości powietrza świeżego). W kwestii zalecanych wartości strumienia nawiewanego powietrza wynikającego z emisji zanieczyszczeń w pomieszczeniach w projekcie normy [6] wskazano wartości, jakie powinny obowiązywać również dla pomieszczeń w kategorii IV, w odróżnieniu od zapisów normy poprzedniej, w której dla tej kategorii pozostawiono zupełną dowolność. Przykładowe wartości dla kategorii II strumienia powietrza w odniesieniu do 1 m² podłogi wynoszą: dla bardzo niskoemisyjnych budynków 0,35 l/s, dla niskoemisyjnych budynków – 0,7 l/s, dla budynków niespeł- niających kryterium niskiej emisyjności zanieczyszczeń – 1,4 l/s.

Należy odnotować, że w projekcie normy [6] kilkakrotnie podkreślono, że ze względów zdrowotnych minimalny strumień powietrza świeżego nie powinien być niższy niż 4 l/s, zauważano także, że istnieje naturalna adaptacja użytkowników do warunków powietrza w pomieszczeniach, przez co wraz z czasem przebywania w danym pomieszczeniu zapachy w nim występujące nie są tak wyraźne jak po rozpoczęciu użytkowania. W odniesieniu do pomieszczeń niemieszkalnych przedstawiono zlecane wartości świeżego powietrza przy założeniu, że użytkownicy pomieszczeń nie są zaadaptowani do danych warunków.

Przy obliczeniu wymaganego strumienia powietrza za pomocą metody 2) korzysta się z bilansu masowego zanieczyszczeń generowanych w pomieszczeniu i ich dopuszczalnego powozu, a także efektywności wentylacji. W odróżnieniu od normy poprzedniej w projekcie normy [6] zapisano, że zanieczyszczenie, jakie powinno być analizowane, nie jest wyłącznie stężeniem dwutlenku węgla.

W stosunku do wersji wcześniejszej zmianie uległy również wartości dopuszczalne CO₂ w pomieszczeniach powyżej wartości CO₂ występującej w powietrzu zewnętrznym. Dla przykładu w poprzedniej wersji dla kategorii I pomieszczeń dopuszczalny poziom CO₂ wynosił 350 p.p.m., w projekcie normy [6] jest to 550 p.p.m. Dla kategorii II wartość obecnie będzie wynosić 800 p.p.m. (wcześniej wartość ta była wskazywana dla kategorii III), natomiast dla kategorii III i IV 1350 p.p.m. (poprzednio było to 800 p.p.m. dla kategorii III i błędny zapis „mniej niż 800 p.p.m.” dla kategorii IV).

W przypadku metody 3) w normie podano wyłącznie wartości jednostkowe strumienia powietrza wynikające z obecności użytkownika oraz ze względu na powierzchnię podłogi. Dla kategorii II całkowity projektowany strumień powietrza wynosi 14 l/s dla jednej osoby i 1,4 l/s przypadające na 1 m² podłogi. Wskazano, że w przypadku wyłączenia wentylacji mechanicznej minimalny strumień powietrza dostarczanego do pomieszczeń przed rozpoczęciem ich użytkowania powinien być równy 0,5 krotności wymian, a w przypadku ograniczenia użytkowania pomieszczeń należy zapewnić minimalny strumień powietrza na poziomie 0,15 l/s w odniesieniu do 1 m² powierzchni podłogi.

Tab. 1. Rodzaje układów wentylacji, klimatyzacji obiektu i pomieszczeń ze względu na zastosowane funkcje [7]

PN-EN 16798-3:2017-09 CHARAKTERYSTYKA ENERGETYCZNA BUDYNKÓW – WENTYLACJA BUDYNKÓW – CZĘŚĆ 3

Nowa norma [7] nie różni się znacząco od wersji poprzedniej, jednakże pojawiły się w niej aspekty porządkujące cały układ i zależności między normami. Pierwszym elementem jest uzupełnienie wyraźnego podziału różnych systemów wentylacji, a zatem:

• Systemy wentylacji jednokierunkowej (UVU) – system wentylacji, w którym przepływ powietrza jest wspomagany działaniem wentylatora pracującego tylko w jednym kierunku (nawiew lub wywiew), natomiast bilans ciśnienia jest uzyskiwany za pomocą urządzeń zamontowanych w obudowie budynku.
• Systemy wentylacji dwukierunkowej (BVU) – system wentylacji z przepływem powietrza wspomaganym działaniem wentylatora pracującego w obu kierunkach (nawiew lub wywiew).
• System wentylacji naturalnej – wentylacja budynku bazuje na wykorzystaniu naturalnych sił wyporu termicznego.
• Systemy wentylacji hybrydowej – wentylacja budynku bazująca na wentylacji naturalnej i mechanicznej w tej samej części budynku, z zastrzeżeniem umożliwienia sterowania wyborem trybu wentylacji w zależności od warunków istniejących w danej chwili (wentylacja naturalna, wentylacja mechaniczna lub kombinacja obu tych układów). Dodatkowo wprowadzono tab. 1 klasyfikującą systemy wentylacji i klimatyzacji na podstawie procesów, jakie są realizowane w danym układzie. Wprowadzono również jednoznaczną definicję funkcji chłodzenia jako realizowanej przez dowolny element w urządzeniu lub pomieszczeniu obniżający entalpię powietrza nawiewanego lub w pomieszczeniu (na przykład wężownica chłodząca z wodą lodową, wodą chłodzącą, wodą gruntową lub solanką).

Uaktualnieniu uległa również klasyfikacja mocy właściwej wentylatorów przez dodanie kategorii równej 0 dla urządzeń o mocy poniżej 300 W/(m3/s). Wprowadzono również wzór definiujący jednoznacznie ten parametr:

P_SFP = P/q_v = Δp_tot/η_tot = Δp_stat/η_stat

gdzie: P_SFP – moc właściwa wentylatora [Ws/m³]; P – pobór mocy elektrycznej wentylatora [W]; q_v – nominalny strumień objętościowy powietrza [m³/s]; Δp_tot – całkowity spręż wentylatora [Pa]; η_tot – sprawność całkowita określana dla całkowitego sprężu [%]; Δp_stat – różnica ciśnienia statycznego [Pa]; η_stat – sprawność całkowita określana dla różnicy ciśnienia statycznego [%].

Zmianie uległa również część poświęcona kwestiom odzysku ciepła, w której wprowadzono informacje na temat odzysku ciepła jawnego zgodne z PN-EN 308:2001.

Tab. 2. Minimalna efektywność filtracji określana na podstawie jakości powietrza zewnętrznego cząstek [7]

^a łączna średnia efektywność wentylacji dla pojedynczej lub wieloetapowej filtracji zgodnie z informacjami podanymi w grupie norm PN-EN ISO 16890 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej

Tab. 3. Zalecane minimalne klasy filtracji dla każdej sekcji filtracji [7]

E_t – całkowita skuteczność filtracji E_sn+1 – skuteczności filtracji danego filtra. Nowością jest również wprowadzenie zapisów dotyczących nieszczelności i wynikających z nich dodatkowych przepływów powietrza. Rozróżniono źródła nieszczelności, tj. przepływy powietrza w sekcji odzysku ciepła (HRS), obudowy i dystrybucji powietrza. Do opisu wycieków w sekcji odzysku ciepła wprowadzono następujące definicje:

• współczynnik przepływu powietrza wywiewanego (EATR, %), określany jako stosunek natężenia strumienia powietrza nawiewanego opuszczającego HRS, jednakże pochodzącego z wewnętrznej recyrkulacji powietrza w HRS wywołanej nieszczelnościami (q_m,SUP,HR) do natężenia strumienia powietrza nawiewanego do HRS (q_m,SUPnet,HR)

• współczynnik korekcji powietrza zewnętrznego (OACF), opisujący stosunek strumienia powietrza zewnętrznego napływającego do urządzenia do natężenia strumienia opuszczającego urządzenie i napływającego do pomieszczeń:

Jeżeli OACF wynosi powyżej 1 – powietrze jest przenoszone z powietrza zewnętrznego do usuwanego, natomiast jeżeli poniżej 1 – powietrze jest przenoszone z powietrza usuwanego do nawiewanego. EATR i OACF są obliczane przez producenta odzysku ciepła dla nominalnego stanu projektowego centrali wentylacyjnej. Współczynnik OACF jest wykorzystywany w klasyfikacji urządzeń do odzysku ciepła zgodnie z tab. 4. Dalsza specyfikacja EATR planowana jest do wprowadzenia w normie PN-EN 308:2001.

W przypadku przecieków w obudowie centrali klimatyzacyjnej należy się odnieść do normy PN-EN 1886:2008 Wentylacja budynków – Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne – Właściwości mechaniczne określające metody badań oraz wymagania dotyczące badań i klasyfikacji dla urządzeń wentylacyjnych. W przypadku wycieków układów z dystrybucji powietrza należy zastosować procedury przedstawione w normie PN-EN 12599:2013-04 Wentylacja budynków – Procedury badań i metody pomiarowe stosowane podczas odbioru instalacji wentylacji i klimatyzacji. Klasyfikacja powinna się odbywać zgodnie z tab. 5.

Tab. 4. Klasyfikacja urządzeń wg współczynnika korekcyjnego dla powietrza zewnętrznego ze względu na wewnętrzne nieszczelności [7]

Tab. 5. Klasyfikacja układu pod kątem szczelności dla powietrza [7]

W odniesieniu do oceny energetycznej układów główna zmiana obejmuje metodę obliczenia efektywności wentylacji przy obliczaniu strumienia objętości powietrza wentylacyjnego na bazie zapisów przedstawionych w [6]:

gdzie: q_V,bz – strumień powietrza dostarczany do strefy oddychania człowieka; q_V,ODA – strumień powietrza zewnętrznego εV – efektywność wentylacji;

gdzie: E_v C_e – stężenie zanieczyszczeń w powietrzu usuwanym; C_s – stężenie zanieczyszczeń w powietrzu nawiewanym.

Kolejną modyfikacją wprowadzoną w normie [7] jest konieczność obliczania krotności wentylacji wymaganej do osuszenia lub nawilżenia powietrza, jeżeli tego rodzaju proces ma być realizowany przez układ wentylacji. Zmianie uległy również roczna efektywność odzysku ciepła oraz roczny współczynnik wydajności, opisywane obecnie przez następujące równania:

gdzie: ε_SUP – roczna efektywność energetyczna odzysku ciepła; Q_H;V;in;req – roczne zapotrzebowanie na energię niezbędną do ogrzewania powietrza wentylacyjnego, z uwzględnieniem energii niezbędnej do rozmrażania [kWh]; Q_H;V;tot – roczne zapotrzebowanie na energię niezbędną do ogrzewania powietrza realizowanego bez odzysku ciepła [kWh]; ε_AHυ – współczynnik wydajności; Q_hr – ilość ciepła przekazywana rocznie za pomocą odzysku ciepła; E_{V;hr;gen;in;el} – energia elektryczna określana rocznie niezbędna na działanie sekcji odzyskiwania ciepła (wentylatory i urządzenia pomocnicze) [kWh].

W kwestiach energetycznych dodano również równanie określające wykorzystanie energii pierwotnej na cele wentylacji:

Podsumowanie

W artykule przedstawiono zmiany, jakie zostały wprowadzone ostatnimi normami w zakresie wentylacji obiektów użyteczności publicznej. Zmiany te w pierwszej chwili mogą się wydawać nieznaczne, jednak patrząc całościowo, zauważa się, że podążają za rozwojem techniki i nakierowują projektantów na wykorzystanie nowoczesnych metod zarówno w konstrukcji samych budynków i ich wpływu na środowisko wewnętrzne w pomieszczeniach, jak również na zastosowanie metod tworzenia komfortowego środowiska w najbliższym otoczeniu użytkownika. Niestety w nowych normach nadal nie uwzględniono metod oceny charakterystyki energetycznej budynków za pomocą analiz wykonywanych miesięcznie lub, co byłoby jeszcze lepsze, godzinowo.

dr hab. inż. Anna Bogdan, prof. PW

Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska

Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych

Bibliografia

1. P. Wargorcki, O. Seppanen, J. Andersson, A. Boerstra, D. Clements-Croome, K. Fitzner, S.O. Hanssen, Indoor climate and productivity in offices, REHVA Guidebook.
2. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
4. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej.
5. J. Hogeling, Overview of EPB standards currently out for formal vote at CEN and ISO level, REHVA Journal, December 2016.
6. prEN 16798-1 Energy performance of buildings. Part 1: Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics.
7. PN-EN 16798-3:2017-09 Charakterystyka energetyczna budynków – Wentylacja budynków – Część 3: Wentylacja budynków niemieszkalnych – Wymagania dotyczące właściwości systemów wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń (Moduł M5-1, M5-4).
8. A. Bogdan, Zapewnienie komfortu użytkownikom w pomieszczeniach biurowych przy zastosowaniu rozwiązań wentylacji indywidualnej, materiały seminaryjne Forum Wentylacja 2008.