Wprowadzenie

Zimowa temperatura obliczeniowa to umownie przyjęta wartość temperatury zewnętrznej, używana do obliczeń projektowych systemów ogrzewania i wentylacji. Innymi słowy, jest to temperatura powietrza na zewnątrz budynku, jaką przyjmuje się jako punkt odniesienia podczas wymiarowania instalacji grzewczych i obliczeń nagrzewnic w centralach wentylacyjnych. Dzięki temu projektowane systemy są w stanie utrzymać wymagane warunki wewnętrzne nawet w najchłodniejsze dni zimy. W praktyce oznacza to, że instalacje wentylacyjne muszą być zaprojektowane tak, aby przy tej właśnie temperaturze zewnętrznej zapewnić dostarczenie odpowiedniej ilości ciepła do ogrzania napływającego powietrza zewnętrznego oraz utrzymania zadanej temperatury w pomieszczeniach.

Wybór właściwej temperatury obliczeniowej jest kluczowy, ponieważ decyduje o wymaganej mocy cieplnej urządzeń. Zbyt niska wartość prowadzi do przewymiarowania systemu – urządzenia grzewcze i nagrzewnice mają większą moc niż faktycznie potrzebna, co podnosi koszty inwestycji i może obniżać sprawność w typowych warunkach eksploatacji. Z kolei przyjęcie temperatury zbyt wysokiej (zbyt łagodnej) grozi niedowymiarowaniem, czyli ryzykiem, że podczas skrajnych mrozów system nie zapewni wymaganej temperatury w budynku. Zimowe temperatury obliczeniowe stanowią więc fundament obliczeń projektowych zapotrzebowania na ciepło – wpływają na dobór mocy kotłów, pomp ciepła, grzejników, jak również na wielkość i typ nagrzewnic w centralach wentylacyjnych.

5 stref klimatycznych w Polsce dla zimy wg PN-EN 12831

Na podstawie badań wykonanych w latach 60-tych i 70-tych ubiegłego stulecia wyodrębniono w Polsce 5 stref klimatycznych dla okresu zimy. Strefy pierwotnie określono w dawniej w normie PN-82/B-02403, a podtrzymano w aktualnie stosowanej normie PN-EN 12831:2006.

Zgodnie tymi normami obszar Polski podzielono na pięć stref, z których każda ma przypisaną projektową temperaturę zewnętrzną w okresie zimy. Zakres wartości wynosi od –16°C do –24°C. Granice stref przebiegają w przybliżeniu zgodnie ze zróżnicowaniem geograficznym – m.in. obszar nadmorski należy do najcieplejszej strefy I, zaś regiony górskie południa kraju oraz północno-wschodnia Suwalszczyzna należą do najzimniejszej strefy V.

Poniżej przedstawiamy mapę podziału Polski na strefy zimowe według PN-EN 12831:

Mapa 1: Strefy klimatyczne Polski dla zimy wg normy PN-EN 12831:2006: strefa I –16°C, II –18°C, III –20°C, IV –22°C, V –24°C)

Oznacza to, że np. dla Trójmiasta (strefa I) przyjmuje się –16°C, dla Warszawy i centralnej Polski (strefa III) –20°C, dla Białegostoku czy południowej Małopolski (strefa IV) –22°C, zaś dla Suwałk czy wysokich partii Podhala (strefa V) –24°C jako obliczeniową temperaturę zewnętrzną zimą.

Aktualizacja danych klimatycznych – dane z lat 1991-2020

W ostatnich latach w branży HVAC zauważamy, że oficjalne temperatury obliczeniowe oparte na danych klimatycznych pochodzących jeszcze z lat 60.–70. XX nie przystają do obecnej rzeczywistości. Statystycznie w ostatnich 40-50 latach obserwujemy ocieplenie klimatu, w związku z tym wartości określone w wyżej opisanej normie stały się zbyt konserwatywne i realnie zaniżają temperatury obliczeniowe w stosunku do rzeczywiście występujących temperatur minimalnych.

Analiza wieloletnich pomiarów wykazała, że rzeczywiste minimalne temperatury zimą w wielu regionach są o kilka stopni wyższe niż wskazania normy. Np. w rejonie Tarnowa i Nowego Sącza odnotowane najniższe temperatury były aż o około 9°C wyższe od normowej wartości obliczeniowej dla tej strefy. Podobnie w Zakopanem długoletnie minima (1971–2000) okazały się łagodniejsze o ponad 7°C względem normy. Różnice te oznaczają, że systemy zaprojektowane według obecnych norm mają spory zapas mocy, który w praktyce rzadko jest wykorzystywany.

Potwierdza to doświadczenie eksploatacyjne – przy braku aktualizacji norm w praktyce zamawia się moc cieplną większą od tej, której obiekty realnie nie potrzebują, przez co większość urządzeń grzewczych i wentylacyjnych nigdy nie pracuje z pełnym obciążeniem.

SKP2000 – temperatury obliczeniowe wyliczone w oparciu o najnowsze dane meteo

Branża HVAC podejmuje działania w kierunku aktualizacji temperatur obliczeniowych. W 2023 roku zaprezentowano wyniki projektu badawczego SKP2000 (Strefy Klimatyczne Polski 2000), oparte na danych meteorologicznych z lat 1991–2020. Zaproponowano nową mapę stref klimatycznych dla Polski, wskazującą wyższe temperatury projektowe na zimę niemal dla całego kraju. Przykładowo dla Siedlec sugerowana temperatura wzrosła z –22°C do ok. –17°C, dla Zakopanego z –24°C do –16,6°C, a dla Suwałk z –24°C do –18,8°C. Uśredniając, nowe wartości są około 22–27% wyższe (mniej surowe) od dotychczasowych, co przekłada się na możliwość obniżenia projektowanej mocy systemów grzewczych nawet o ~13%. Poniżej przedstawiamy mapę opracowaną na podstawie nowszych danych klimatycznych – widać na niej, że obszary najzimniejsze kurczą się, a znaczna część kraju znajduje się w strefach o łagodniejszej zimie niż wynika to ze starej normy. Jednym z założeń badań nad projektem SKP2000 jest także przewidywanie okresowej aktualizacji parametrów obliczeniowych, aby nie dopuścić do powtórki z obecnej sytuacji, w której parametry obliczeniowe nie były aktualizowane ponad pół wieku.

Mapa 2: Mapa stref klimatycznych Polski dla potrzeb ogrzewnictwa opracowana na podstawie danych meteorologicznych z lat 1991-2020 – na podstawie Prezentacji dr Piotra Narowskiego (s.42): „Nowe dane do obliczeń energetycznych budynków”

Należy podkreślić, że powyższa “druga” klasyfikacja nie ma jeszcze mocy normatywnej – jest to propozycja środowisk branżowych, aby zaktualizować rozporządzenia i normy techniczne. Obecnie projektanci wciąż oficjalnie bazują na podziale pięciostrefowym z lat 80., często z konieczności posługując się nieaktualnymi normami, jednak wielu świadomych inżynierów uwzględnia już w projektach bardziej aktualne dane klimatyczne, aby uniknąć przewymiarowania instalacji.

Znaczenie stref temperaturowych dla obliczeń i doboru systemów wentylacyjnych i grzewczych

Przynależność lokalizacji do danej strefy klimatycznej bezpośrednio wpływa na wyniki obliczeń zapotrzebowania cieplnego budynku oraz dobór komponentów systemu wentylacyjnego i grzewczego. Dla budynku położonego w strefie V (np. Suwałki, Zakopane) straty ciepła przez przenikanie i wentylację będą większe niż dla analogicznego obiektu w strefie I (np. Gdańsk) – różnica rzędu 8°C w temperaturze obliczeniowej oznacza znacząco większą moc wymaganą od systemu ogrzewania i wentylacji. Projektant, znając strefę, dobiera więc odpowiednio moc kotła lub pompy ciepła oraz powierzchnię grzejników. W przypadku central wentylacyjnych kluczowy jest dobór nagrzewnicy powietrza: uwzględniając odzysk ciepła, musi ona być w stanie podgrzać powietrze od temperatury zewnętrznej obliczeniowej z zakresu od –16°C do –24°C, do wymaganej temperatury nawiewu (najczęściej z zakresu od +18°C do +22°C). W strefie klimatu o niższej temperaturze konieczne jest więc zastosowanie nagrzewnicy o większej mocy. Im niższa temperatura obliczeniowa, tym bardziej wydajna musi być nagrzewnica w centrali wentylacyjnej oraz cała instalacja grzewcza.

Podsumowanie

Znajomość minimalnych temperatur zimowych dla każdego regionu Polski jest niezbędna do prawidłowego wymiarowania systemów HVAC. Pozwala uniknąć zarówno niedoboru mocy cieplnej, jak i nadmiernego przewymiarowania. Dobrze dobrana instalacja będzie pracować efektywnie – utrzymując komfort termiczny w pomieszczeniu przy możliwie niskich kosztach. Jak wykazują analizy, stosowanie zbyt niskich temperatur projektowych prowadzi do zawyżenia mocy urządzeń nawet o ~20%, co oznacza niepotrzebnie wyższe koszty inwestycji i eksploatacji.

Dlatego branża kładzie nacisk na aktualizację danych klimatycznych – tak, by projektowanie systemów wentylacji i ogrzewania w Polsce nadążało za rzeczywistymi warunkami klimatycznymi, zapewniając bezpieczeństwo w niskich temperaturach przy jednoczesnej optymalizacji kosztów i utrzymania wysokiej efektywności energetycznej.