Pojedyncze mroźne dni a temperatura obliczeniowa zimą.

W obliczu kolejnych mroźnych dni, gdy temperatura zbliża się lub spada poniżej wartości obliczeniowych, szczególnie zasadne staje się pytanie o aktualność stosowanych standardów projektowych. Czy w świetle tych epizodów można nadal mówić o globalnym ociepleniu? A może należy ponownie przemyśleć przyjmowane temperatury obliczeniowe dla instalacji HVAC?

Standardowe podejście inżynierskie bazuje na analizie statystycznej długoterminowych danych klimatycznych, a nie na jednorazowych anomaliach pogodowych. Innymi słowy, systemy HVAC są projektowane tak, aby radziły sobie z typowymi zimami. Sporadyczne ekstremalne mrozy mogą powodować krótkotrwałe odchylenia od pełnego komfortu. Jest to akceptowalne i przewidziane w metodyce projektowania. Zamiast ulegać emocjom „zimy stulecia”, warto spokojnie przeanalizować normy i dane statystyczne stojące za wyborem temperatury projektowej.

Temperatura projektowa a norma PN-EN 12831

Temperatura projektowa zimowa (zwana też zimową temperaturą obliczeniową dla wentylacji) to umownie przyjęta minimalna temperatura zewnętrzna, którą wykorzystuje się do wymiarowania systemów grzewczych i nagrzewnic wentylacyjnych. W Polsce wartości te zostały historycznie zdefiniowane dla pięciu stref klimatycznych – od -16°C (strefa I, najłagodniejsza) do -24°C (strefa V, najbardziej surowa). Podział ten, wywodzący się jeszcze z lat 60 XX wieku, utrzymano w obowiązującej normie PN-EN 12831:2006 dotyczącej obliczania obciążenia cieplnego budynków. Przykładowo dla Warszawy (strefa III) przyjmuje się temperaturę projektową na poziomie -20°C. Oznacza to, że wszystkie urządzenia grzewcze (kotły, pompy ciepła, grzejniki) oraz nagrzewnice w centralach wentylacyjnych dobiera się tak, by przy mrozie -20°C były w stanie zapewnić wymagane ogrzanie budynku i nawiewanego powietrza. Ten parametr jest ujęty w przepisach budowlanych. W rezultacie zobowiązuje projektantów do jego stosowania przy projektowaniu systemów HVAC.

Warto podkreślić, że już na etapie tworzenia norm założono pewien zapas bezpieczeństwa. Dobór temperatury -20°C (dla Warszawy) nie oznacza, że nigdy nie bywa zimniej – oznacza natomiast, że taka temperatura reprezentuje typowe najgorsze warunki. W takich warunkach system musi bezwzględnie utrzymać komfort. Gdy zdarzy się niższa temperatura, uznaje się to za sytuację wyjątkową, występującą bardzo rzadko. Wówczas system może poradzić sobie warunkowo (np. poprzez nieco obniżoną temperaturę wewnątrz na te kilka godzin, dodatkowe źródła ciepła awaryjnie, itp.). Norma PN-EN 12831 odwołuje się do danych klimatycznych wieloletnich. Z tego względu jest to podejście statystyczne, o czym szerzej poniżej.

Statystyczne podejście – częstości 1%, 2%, 5%

Projektowe temperatury zewnętrzne wyznacza się właśnie na podstawie statystyki pogodowej: analizuje się wieloletnie pomiary temperatur i wybiera wartości odpowiadające określonym częstościom występowania najniższych temperatur. Typowe często stosowane poziomy to 1%, 2% lub 5%. Te poziomy oznaczają odsetek czasu (w skali roku), w którym temperatura zewnętrzna będzie niższa niż przyjęta temperatura projektowa. Im mniejszy procent (np. 1%), tym rzadsze i bardziej ekstremalne warunki pokrywa dana wartość projektowa i tym rzadziej wystąpią odstępstwa od niej. Dla zobrazowania, jeśli przyjmiemy częstość 1%, to w ujęciu statystycznym około 1% godzin w roku może być chłodniej niż temperatura projektowa. Przez pozostałe 99% czasu temperatura będzie wyższa (łagodniejsza) od niej. Przy roku liczącym 8760 godzin, 1% odpowiada około 87–88 godzinom. Rzeczywiście, metodologia opisana w normach (m.in. PN-EN ISO 15927) wskazuje, że temperatura dobrana dla 1% najzimniejszych godzin oznacza około 88 godzin w roku. Wówczas rzeczywista temperatura może przekraczać (w sensie chłodu – być niższa od) temperatury projektowej. Analogicznie, gdybyśmy wybrali kryterium 2% lub 5%, liczba godzin poza zakresem projektowym wzrosłaby odpowiednio do około 175 godzin i 438 godzin w roku.

W praktyce systemy grzewcze zwykle projektuje się właśnie w oparciu o 1% najniższych temperatur. Taki dobór to kompromis: zapewnia pełny komfort przez 99% czasu, a jednocześnie nie prowadzi do przewymiarowania urządzeń dla zupełnie skrajnych warunków, które występują statystycznie bardzo, bardzo rzadko. Gdyby chcieć zaprojektować instalację na absolutnie najniższą zanotowaną temperaturę (np. -30°C czy -40°C zależnie od regionu), oznaczałoby to projektowanie na warunki występujące raz na wiele dekad. W takiej sytuacji system byłby znacząco nadmiarowy przez praktycznie cały okres eksploatacji. Dlatego normy posługują się statystyką. Projektujemy na warunki, które są wymagające, ale nie rekordowo ekstremalne, mając na uwadze opłacalność i rozsądne bezpieczeństwo.

Przyjrzyjmy się zatem tym statystykom…

Analiza temperatur minimalnych z lat 2006-2026

W oparciu o dane temperaturowe ze stacji meteorologicznej Warszawa-Okęcie umieszczonej na stronie Meteostatu przeanalizowaliśmy temperatury minimalne. Sprawdziliśmy, jakie wystąpiły w ostatnich 20 latach w miesiącach zimowych: grudniu, styczniu, lutym i marcu.

Gdy przyjrzymy się wykresowi zobaczymy na pierwszy rzut oka, że dominują kolory: różowy (przedział temperatur od 0 do +5°C), brązowy (od -5 do 0°C) oraz fioletowy (od -10 do -5°C).

Na poniższym zestawieniu pokazującym ilość dni w każdym z przedziałów, występujących łącznie przez ostatnie 20 lat zobaczymy również, że statystycznie w ostatnich 20 latach tylko w niecałe 3% dni temperatura minimalna była niższa niż -15 stopni. Jednak możemy zauważyć również, że aż w 1/3 okresu (7 lat, w latach 2008, 2015, 2019, 2020, 2022, 2023 i 2025) ani razu nie wystąpiła temperatura niższa niż -15 stopni.

Analiza temperatur średnich z lat 2006-2026

Jeszcze bardziej interesująco wyglądają temperatury średnie w określonych przedziałach i ilość dni z takimi temperaturami w okresie ostatnich 20 lat.

Oznacza to bowiem, że w okresie 2006-2026 nie statystycznie tylko przez 0,75% dni temperatura spadła poniżej -15 stopni.

Ocieplenie klimatu działa w przeciwną stronę

Jak widać na przykładzie powyższej analizy aktualne dane klimatyczne wskazują, że zimy w Polsce są coraz łagodniejsze. Dotyczy to całego kraju, w wielu miastach realne zimowe minima są o 5–9°C wyższe niż zakładają stare normy. Zimą w Zakopanem notuje się dziś średnio o 7°C cieplejsze noce niż zakłada dawna strefa projektowa. Badania (np. projekt SKP2000) pokazują, że temperatury obliczeniowe dla wielu lokalizacji można by dziś podnieść nawet o kilka stopni.

Oznacza to, że systemy HVAC są obecnie często przewymiarowane, a ich rezerwy mocy pozostają niewykorzystane. Zbyt „ostre” projektowanie generuje wyższe koszty inwestycyjne i pogarsza sprawność układów grzewczych. Należy jednak wciąż monitorować częstotliwość występowania odchyłek od wieloletniej

Podsumowanie

Przeanalizowane w powyższym artykule dane statystycznie jednoznacznie wskazują, że mamy do czynienia z tendencją wzrostową temperatur. W praktyce w ostatnich 20 latach, gdyby brać pod uwagę statystyczne podejście, że tylko przez 0,12% czasu temperatura była niższa od obliczeniowej.

Na podstawie tych danych moglibyśmy podnieść temperaturę obliczeniową dla Warszawy o co najmniej 5 stopni, z -20 do -15°C. Zmniejszyłoby to koszty inwestycyjne i wpłynęło na zwiększenie sprawności urządzeń, którą standardowo przyjmuje się najwyższą w zakresie najczęściej występujących wartości temperatur.

Zasadne jest zatem pytanie o dalsze stosowanie konserwatywnego podejścia i przyjmowanie temperatur obliczeniowych w Polsce z zakresu -24 do -16 °C ,opartych na normie PN-EN 12831.

Z drugiej strony nie należy również ulegać mitom sugerującym zmianę temperatur projektowych po każdej rekordowo łagodnej zimie, jakich w ostatnich latach było wiele. Metodyka oparta na danych klimatycznych z dekad, ujęta w normach, nadal obowiązuje i sprawdza się w praktyce.

Jednak obserwowany wieloletni trend klimatyczny wskazuje na ocieplenie, a nie oziębienie klimatu – zatem w przyszłości temperatury projektowe mogą zostać złagodzone, a nie zaostrzone. Najrozsądniej jednak jest trzymać się ustalonych norm i statystyk oraz aktualizować wytyczne tylko wtedy, gdy rzeczywiście długoterminowe statystyki wykażą trwałą zmianę klimatu, a nie reagować na podstawie pojedynczych odstępstw od średniej.

Dzięki temu zapewnimy zarówno bezpieczeństwo podczas mrozów, jak i optymalną efektywność energetyczną systemów HVAC na co dzień