Wstęp

Jednymi z głównych parametrów wyjściowych do obliczeń wentylacji i klimatyzacji są temperatury powietrza zewnętrznego.

Temperatury zewnętrzne w lecie i w zimie są to fundamentalne dane zawarte w każdym projekcie wentylacji i klimatyzacji i obok wartości natężenia promieniowania słonecznego służą jako parametr wyjściowy do obliczeń ilości ciepła i chłodu jaką powinna dostarczyć centrala wentylacyjna do obsługiwanego budynku..

Fala upałów w ostatnich dniach skłoniła nas do wzięcia pod lupę letnich temperatur zewnętrznych przyjmowanych do projektów i obliczeń central wentylacyjnych jako obliczeniowe w naszym kraju i sprawdzenia na ile odpowiadają one obecnej rzeczywistości.

Co to jest komfort cieplny?

Nasz organizm w każdym momencie swojego istnienia wydziela ciepło, którego ilość jest uzależniona od aktualnej aktywności fizycznej, oraz wilgoć – z każdym oddechem oddajemy ją wraz z wydychanym powietrzem oraz przez skórę. W stanie spoczynku, w temperaturze 26 ᵒC jest  to ok. 60 W ciepła oraz 100 g/h wilgoci.

Abyśmy czuli się komfortowo powietrze, które nas otacza powinno odebrać to ciepło i wilgoć.  Jest wiele propozycji jakie warunki cieplno-wilgotnościowe uznać za idealne, najczęściej przyjmowane są wartości temperatur z zakresu temperatury 18-26 ᵒC oraz wilgotności względnej w zakresie 30-70%.

Zatem projektując instalację wentylacji i klimatyzacji bytowej dążymy do zapewnienia w pomieszczeniach zamkniętych wartości z wyżej wymienionych przedziałów.

Najbardziej rozpowszechnionymi propozycjami wartości komfortu cieplnego są wartości zaproponowane w normach ASHRAE 1997 oraz DIN 1946 i DIN EN 13779. Na poniższym diagramie Moliera zaznaczone zostało pole komfortu cieplnego określone w normie DIN 1946.

Pole komfortu cieplnego wg DIN1946 wygenerowane w programie IX CHART

Wartości temperatur obliczeniowych najczęściej przyjmowane do projektów wentylacji

Sposób określenia parametrów obliczeniowych powietrza zewnętrznego dla lata, który spotykamy najczęściej w projektach wentylacji i klimatyzacji wynika najczęściej  z wycofanej w 2011 roku, ale wciąż z powodzeniem stosowanej normy PN-B 03420:1976, która definiowała w Polsce 2 strefy klimatyczne latem.

Rysunek z normy PN-76/B-03420-1 określający letnie strefy klimatu w Polsce

Strefa I: T=28 ᵒC, RH=52%

Strefa II: T=30 ᵒC, RH=45%

Strefa I wg ww normy obejmuje tylko wąski pas nadmorski, natomiast strefa II pozostałą część kraju.

Powyższe strefy, opublikowane w normie z 1976 roku, powstały na bazie danych meteorologicznych jeszcze wcześniejszych, zbieranych  w latach 50-tych, 60-tych i 70-tych ubiegłego stulecia.

Później wartości te nie były oficjalnie zmieniane i pomimo zniesienia od stycznia 2003 roku obligatoryjności stosowania Polskich Norm, oraz oficjalnego wycofania normy PN-B 03420:1976 w 2011 roku, wartości w tej normie określone są z powodzeniem stosowane do dziś.

W wielu przypadkach powyższe wartości są modyfikowane przez projektantów i spotkać można wartości zbliżone do powyższych, ale nieznacznie się różniące.

Nasza firma w naszej praktyce dobierania urządzeń dla klientów przyjmuje, o ile projekt nie określa tych parametrów – powyższe wartości podniesione o 2ᵒC, a więc T=30 ᵒC, RH=52%  dla strefy I oraz T=32 ᵒC, RH=45% dla strefy II.

W pewnych przypadkach, np. dobierając centrale wentylacyjne dla branży spożywczej na pomieszczenia technologiczne, w których muszą być utrzymywane bardzo niskie temperatury rzędu kilku-kilkunastu stopni zależnie od przeznaczenia pomieszczeń, przyjmujemy jeszcze wyższe wartości powietrza zewnętrznego, np. T=32 ᵒC, RH=50%, a nawet T= 35 ᵒC, RH=50%.

W większości przypadków, szczególnie w wentylacji bytowej,  instalacje grzewcze i chłodnicze nie są projektowane na absolutne ekstrema, a są zawsze kompromisem pomiędzy komfortem cieplnym a kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi.

Jednak zbyt wysoka temperatura latem, np. w zakładach mięsnych, mleczarskich, czy innych zakładach przetwórstwa spożywczego może powodować ogromne straty, dlatego w tych sektorach te ekstrema także muszą zostać uwzględnione.

Sposoby obliczania parametrów powietrza  zewnętrznego wg norm

Obecnie istnieje wiele metod określania temperatur obliczeniowych latem. Ich cechą wspólną jest określenie zbioru danych meteorologicznych na bazie którego dokonuje się obliczeń. Najbardziej rozpowszechnione są:

PN-EN ISO 15927-2

Cieplno-Wilgotnościowe właściwości użytkowe budynków – Obliczanie i prezentacja danych klimatycznych – Część 2: Dane godzinowe do obliczania mocy chłodniczej (ISO 15927-2:2009)

Powyższa norma została opracowana przez CEN (skrót od fr. Comité européen de normalisation) – Europejski Komitet Normalizacyjny i przyjęta 17 stycznia 2009 roku w 3 wersjach językowych: angielskim, francuskim i niemieckim.

Została ona następnie przetłumaczona przez Polski Komitet Normalizacyjny i posiada taki sam status, jak wersje oficjalne, gdyż członkowie CEN, do których Polska obok większości krajów europejskich także należy, są zobowiązani do nadania Normie Europejskiej statusu Normy Krajowej bez jakichkolwiek zmian.

ASHRAE Handbook Fundamentals

Powyższa publikacja została wydana i jest regularnie aktualizowana przez ASHRAE (skrót od eng. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)– Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji, w którym zrzeszonych jest kilkadziesiąt tysięcy inżynierów w całego świata.

Obie powyższe organizacje zaproponowały podobny, różniący się tylko szczegółami sposób analizy danych meteorologicznych.

Norma PN-EN ISO 15927-2 definiuje, że aby określić temperaturę obliczeniową zewnętrzna dla lata należy uwzględnić źródło danych z co najmniej 10 lat zawierające co najmniej: godzinowe temperatury termometru suchego, oraz całkowite promieniowanie słoneczne (lub godziny słoneczne).

Dane takie jak: temperatura punktu rosy, dobowa zmiana temperatury, prędkość wiatru mogą, ale nie muszą być uwzględnione wg powyższej normy.

Dodatkowo norma definiuje, że należy określić częstość występowania temperatur ekstremalnych stosując kryteria statystyczne, tzn. określić ilość godzin skrajnych i temperatury do nich przypisane dla częstości występowania w 5%, 2% i 1% danych.

Wg ASHRAE z kolei należy poddać analizie źródło danych z co najmniej 12 lat, zawierające: temperatury godzinowe termometru suchego oraz współwystępujące z nimi temperatury termometru wilgotnego stosując kryteria statystyczne określające częstość występowania temperatur dla 2%, 1% i 0,4% w przypadku wielolecia, oraz 10%, 5%, 2% i 0,4% dla poszczególnych miesięcy w wieloleciu.

Przykładowo jeśli poddajemy analizie ciąg danych godzinowych z 10 lat to całkowita liczba pomiarów godzinowych wynosi 87 600 godzin, natomiast w przypadku 1% częstości występowania, 876 pomiarów w ciągu 10 lat wskażą temperaturę wyższą niż projektowa. 876 pomiarów na 10 lat odpowiada 87,6 godzin na rok. Dla temperatury obliczeniowej i częstości 2% i 5% liczba przekroczeń będzie odpowiednio większa.

Źródła danych do obliczeń można pobrać tutaj, a opis do nich jest dostępny tutaj.

Ze względu na ogromną ilość danych opracowany został program autorski METEOSTAT w którym po wybraniu lokalizacji można pobrać kilkanaście parametrów powietrza dla każdej godziny z dowolnego okresu czasu.

Zrzut ekranu  wykresu temperatury termometru suchego i wilgotnego wygenerowanego na stronie www.meteostat.net/en / dla Warszawy.

Obliczeniowa temperatura zewnętrzna dla lata – ile wynosi obecnie?

Dane do tego rozdziału zostały zaczerpnięte z opracowania naukowego dr. Piotra Narowskiego, który  opublikował w miesięczniku Instal nr 12/2000, str. 21-30 niezwykle wartościowy artykuł pt. „Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego i strefy klimatyczne Polski do obliczania mocy w systemach chłodzenia, wentylacji i klimatyzacji budynków”.

Otwarty dostęp do niniejszego artykułu można uzyskać pod tym linkiem.

Dr Narowski poddał analizie dane meterologiczne z lat 1971-2000 i zaprezentował w wyżej wymienionym artykule bardzo wiele niezwykle interesujących analiz i wyodrębnił na podstawie analizowanych danych 3 strefy klimatyczne dla okresu letniego:

               Średnie parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego dla stref klimatycznych Polski okresu letniego dla danych źródłowych 1971-2000

Średnie temperatury obliczeniowe powietrza zewnętrznego dla poszczególnych miesięcy dla stref klimatycznych Polski dla okresu letniego dla danych źródłowych 1971-2000

Dane do powyższych tabel zawierają wartości średnie dla wszystkich wyznaczonych parametrów stacji meteorologicznych znajdujących się w danej strefie.

Wyspy ciepła i kliny nawietrzające

Stacje meteorologiczne są położone zazwyczaj w miejscach nie do końca reprezentatywnych dla miast. Np. stacje meteorologiczne uznawane za położone w Warszawie, w rzeczywistości są położone na peryferiach: jedna w okolicach lotniska Okęcie, druga w okolicach lotniska Modlin.

W ostatnich latach powstało określenie „wyspy ciepła”, które definiuje pewne obszary miast, o niskim stopniu zadrzewienia, wysokim stopniu zabudowy i niewielkiej ilości wód powierzchniowych, w których temperatury znacznie odstają od wartości średnich wyznaczanych przez stacje meteorologiczne.

Na portalu NSIS dostępnym pod adresem można wygenerować   wizualizację miejskich wysp ciepła dla 5 polskich miast. Na niżej wygenerowanych dla Warszawy mapach ciepła widać, że temperatura w dzień jest wyższa o 2-3 stopnie niż w okolicach miasta, w nocy różnica ta sięga 5 stopni.

Jeśli zatem projektowalibyśmy budynek położony na takiej wyspie to należy uwzględnić specyficzny mikroklimat, który będzie tam panował w pewnych okresach roku, gdyż zapewnienie komfortu cieplnego latem w takim budynku będzie wymagało indywidualnego podejścia projektanta.

Miejskie wyspy ciepła – screen wygenerowany na stronie NSIS

Na powyższej platformie można wygenerować również prognozy klimatyczne na lata 2031-2060.

Zatem projektując temperatury zewnętrzne, szczególnie dla lata należy uwzględnić także to zjawisko, gdyż budynek położony w ścisłej zabudowie w centrum miasta będzie miał inne warunki termiczne niż identyczny budynek położony na przedmieściach.

Innym czynnikiem wpływającym na wzrost temperatur latem w centrach miast w stosunku do terenów otaczających są tzw. kliny nawietrzające.

Są to obszary w centrach miast pierwotnie projektowane jako wolne od zabudowy pasy zieleni pozwalające na swobodny przepływ powietrza. Niestety na przykładzie Warszawy można zaobserwować ciągłą redukcję tych obszarów i ich stopniową zabudowę, co także wpływa na zwiększenie różnicy temperatur miedzy obiektami położonymi w centrach miast i na jego obrzeżach.

Zabudowa klinów nawietrzających w Warszawie w latach 1992-2018 na podstawie artykułu Warszawa z kosmosu

Podsumowanie

Projektując budynki i zakładając konkretną temperaturę obliczeniową należy wziąć pod uwagę wiele czynników.

Z jednej strony trzeba wziąć po uwagę komfort cieplny użytkowników, a z drugiej koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, a także sprawność urządzeń. Przyjęcie jako temperatury obliczeniowej temperatur ekstremalnych, które występują niezmiernie rzadko oznaczałoby przewymiarowanie instalacji dla większej części roku i większe koszty inwestycyjne, możliwą niższą sprawność przy pracy na zaniżonych parametrach przez większą część roku i wyższe koszty eksploatacyjne.

Należy również uwzględnić zmiany klimatu i specyficzne warunki termiczne panujące na obszarach nie reprezentatywnych dla stacji meteorologicznych. Projektując budynek należy uwzględnić jego eksploatację przez całą spodziewaną długość życia, a więc przewidywać i uwzględniać czynniki, które wpływają na podniesienie temperatur obliczeniowych dla lata..

Oparcie projektu na danych meteorologicznych  sprzed 60-70 lat, jak w przypadku normy PN-B 03420:1976 za kolejne 20-30 lat może oznaczać, że zupełnie nie będzie on przystawał do realiów rzeczywistości jaka zaistnieje w przyszłości, dlatego ważne jest wzięcie pod  uwagę bardzo wielu kryteriów.

Zdajemy sobie sprawę, że nie jest to zadanie łatwe, ale mamy nadzieję, że informacje zawarte w niniejszym artykule skłonią Cię do refleksji drogi czytelniku, szczególnie jeśli uczestniczysz w procesie projektowym i pomogą Ci przyjąć temperaturę obliczeniową dla potrzeb chłodzenia i klimatyzacji w sposób, który uwzględni wszystkie opisane wyżej zjawiska.