Projektowanie akumulacyjnych pieców mieszkaniowych zgodnie z normą PN-EN 15544

Krótka historia powstania normy PN-EN 15544

Pomysłodawcami i inicjatorami prac nad opracowaniem normy PN-EN 15544 były austriackie organizacje zduńskie. Pierwsze kroki zmierzające do stworzenia normy podjęto w połowie 2000 roku. Proces opracowywania dokumentu trwał kilka lat i obejmował szeroko zakrojone badania emisji różnych, popularnych w Austrii, modeli tradycyjnych palenisk oraz pieców zduńskich. Badania prowadzono na stanowiskach testowych, uzupełniając je o analizę istniejących praktyk, konsultacje z ekspertami oraz uwzględnienie specyficznych wymagań technicznych i środowiskowych. Prace zakończono w sierpniu 2009 roku, kiedy to norma PN-EN 15544 została oficjalnie opublikowana.

W lipcu 2023 roku, po 14 latach, dokonano aktualizacji dokumentu. W nowej wersji wprowadzono drobne korekty i uzupełnienia definicji, a także poszerzono zakres możliwości projektowych. Nowa norma pozwala na wybór docelowej efektywności grzewczej urządzenia w przedziale od 78 do 90%. Ponadto dopuszczono opcjonalne stosowanie nie tylko tradycyjnych, rzemieślniczych palenisk zduńskich, lecz także tzw. palenisk fabrycznych oraz wkładów kominkowych, które spełniają wymogi przynajmniej jednego z następujących badań typu:

• zgodnie z EN 15250 (lub EN 16510-2-51),
• zgodnie z EN 13229 (lub EN 16510-2-2),
• lub zgodnie z odpowiednimi normami krajowymi, np. austriacką ÖNORM B 8303.

Charakterystyka i zastosowanie dokumentu

Zawartość normy PN-EN 15544 nie jest obszerna. Dokument liczy zaledwie 24 strony i zawiera 34 wzory matematyczno-fizyczne oraz 3 tabele. Z pierwszych akapitów tego dokumentu dowiadujemy się, że norma PN-EN 15544 nie funkcjonuje samodzielnie. Jest ona dodatkiem lub rozszerzeniem do normy PN-EN 13384-1, zatytułowanej „Kominy – Metody obliczeń cieplnych i przepływowych – Część 1: Kominy z podłączonym jednym urządzeniem grzewczym”. Ten drugi dokument jest znacznie bardziej rozbudowany – jego treść główna liczy 85 stron i zawiera 180 wzorów, a kolejne 20 stron zajmują 4 załączniki z tabelami, rysunkami i dodatkowymi wzorami.

Aby móc skutecznie korzystać z normy PN-EN 15544, konieczne jest opanowanie zarówno treści, jak i formuł zawartych w obu tych dokumentach. W praktyce oznacza to, że przydatne są umiejętności obsługi arkusza kalkulacyjnego, które pozwalają na szybkie i precyzyjne wykonanie obliczeń. Równie ważna jest znajomość jednego z języków, w których te dokumenty są dostępne (np. angielskiego, niemieckiego lub francuskiego).

Obie normy mają charakter obliczeniowy, co oznacza, że do uzyskania wyników wystarczy podstawić odpowiednie wymiary i parametry urządzenia do zawartych w nich wzorów. Parametry te dotyczą m.in. pieca, paleniska, akumulacji, komina, króćca oraz kanału doprowadzającego powietrze do paleniska. Dzięki temu nie ma konieczności przeprowadzania dodatkowych badań z użyciem specjalistycznej aparatury pomiarowej – same obliczenia wystarczają, aby potwierdzić zgodność z normami.

W praktyce, po zakończeniu prac nad arkuszem kalkulacyjnym, warto kilkukrotnie sprawdzić poprawność obliczeń w rzeczywistych warunkach, np. przez pomiary temperatury w różnych punktach układu. Tego rodzaju weryfikacja pozwala upewnić się, że na etapie tworzenia arkusza, przepisywania danych lub przekształcania wzorów nie zostały popełnione błędy. Praktyczne testy zwiększają pewność co do poprawności arkusza kalkulacyjnego oraz obliczeń wykonywanych na jego podstawie.

Urządzenia zgodne z normą PN-EN 15544

Norma PN-EN 15544 jest dedykowana akumulacyjnym, rzemieślniczym (ręcznie budowanym) piecom zduńskim, wykończonym kaflami, cegłami lub tynkiem, które spełniają następujące warunki:

• Materiały wewnętrzne: piece są zbudowane z szamotu o gęstości pozornej od 1750 do 2300 kg/m³, porowatości od 17 do 33% objętościowo oraz przewodności cieplnej w zakresie od 0,90 do 1,35 W/mK (dla temperatur od 20 do 400°C).
• Rodzaj paliwa: piece opalane są wyłącznie szczapami drewna o wilgotności od 12 do 20%, średnicy od 5 do 10 cm, których długość wynosi od 25 do 50 cm i jest dostosowana do wymiarów paleniska.
• Maksymalny załadunek paliwa: w przypadku rzemieślniczych palenisk zduńskich ilość maksymalnego załadunku drewna mieści się w przedziale od 10 do 40 kg. Dla gotowych palenisk fabrycznych (tzw. palenisk zduńskich lub wkładów kominkowych) wartość ta wynosi od 5 do 40 kg, jednak pod warunkiem, że paleniska te przeszły badania typu.
• Czas spalania i magazynowania ciepła: piece spalają jeden załadunek drewna na jeden okres magazynowania i oddawania ciepła, który trwa od 8 do 24 godzin.
• Konstrukcja masy akumulacyjnej: masa akumulacyjna jest wykonana w konstrukcji jednowarstwowej lub dwuwarstwowej, z przerwą powietrzną o grubości co najmniej 2,5 cm między warstwami.
• Wloty powietrza: wloty powietrza do paleniska muszą być zaprojektowane w sposób uniemożliwiający przypadkowe ich ograniczenie lub zatkanie paliwem. Mogą być zlokalizowane w ścianach paleniska, w obrębie ramy drzwiczek lub na samych drzwiczkach.
• Prędkości przepływów:
  • prędkość przepływu powietrza do spalania: od 2 do 4 m/s,
  • prędkość przepływu spalin przez masę akumulacyjną, króciec i komin: od 1,2 do 6 m/s.
• Kształt kanałów spalinowych: w przypadku prostokątnych odcinków kanałów spalinowych stosunek długości boków (szerokości w świetle) musi mieścić się w przedziale od 1 do 4.

Gotowe paleniska i wkłady kominkowe

Jeżeli w piecu wykorzystane jest gotowe palenisko, które pomyślnie przeszło badanie typu, musi ono spełniać następujące warunki:

• stosunek powietrza do paliwa wynosi od 1,95 do 3,95 zgodnie z badaniem typu,
• maksymalny załadunek paliwa mieści się w przedziale od 5 do 40 kg,
• palenisko może być wykonane z innych odpowiednich materiałów lub szamotu.

Norma pozwala również na stosowanie gotowych palenisk i wkładów kominkowych przeznaczonych do spalania pelletów w partiach pod warunkiem, że:

• stosunek powietrza do paliwa mieści się w przedziale od 1,95 do 3,95,
• czas spalania wynosi od 58 do 98 minut.

Wyłączenia z normy PN-EN 15544

Norma PN-EN 15544 nie ma zastosowania do:

• rzemieślniczych pieców zduńskich połączonych z wodnymi wymiennikami ciepła do centralnego ogrzewania lub innymi elementami pochłaniającymi ciepło, takimi jak otwarte zbiorniki na wodę,
• palenisk z przeszkleniem większym niż 1/5 powierzchni komory spalania,
• pieców akumulacyjnych produkowanych masowo (o powolnym uwalnianiu ciepła) lub częściowo prefabrykowanych, opisanych w normie EN 15250 (lub EN 16510-2-51).

Dlaczego warto projektować piece zgodnie z normą PN-EN 15544?

W Polsce obecnie nie istnieje obowiązek projektowania akumulacyjnych urządzeń grzewczych zgodnie z normą PN-EN 15544. Zgodnie z art. 5 ust. 3 ustawy z 12 września 2002 roku o normalizacji, stosowanie Polskich Norm (PN) jest dobrowolne, chyba że przepisy prawne odwołują się bezpośrednio do konkretnej normy, czyniąc jej stosowanie obligatoryjnym. W przypadku normy PN-EN 15544 brak jest nadrzędnych przepisów prawnych, które wymagałyby od projektantów przestrzegania jej wytycznych.

Dlaczego zatem mielibyśmy podejmować dodatkowy wysiłek, gromadzić dane, wykonywać obliczenia, sporządzać raporty i projektować piece zgodnie z tą normą? Otóż korzyści płynące z jej stosowania są istotne i mają bezpośredni wpływ na efektywność energetyczną, co przekłada się na oszczędność opału, czasu i pieniędzy w trakcie użytkowania.

PN-EN 15544 w kontekście przepisów antysmogowych i ekoprojektu

Często pojawiające się pytanie brzmi: czy zduński piec akumulacyjny spełniający wymagania normy PN-EN 15544 automatycznie spełnia również wymagania ekoprojektu oraz uchwał antysmogowych? Krótka odpowiedź brzmi: czasami tak, czasami nie – wszystko zależy od rodzaju paleniska. Przyjrzyjmy się zatem bliżej paleniskom.

Rodzaje palenisk uwzględniane w normie PN-EN 15544

Norma PN-EN 15544 dopuszcza dwa rodzaje palenisk: ręcznie budowane, rzemieślnicze paleniska zduńskie oraz paleniska fabryczne, wkłady kominkowe.

1. Ręcznie budowane, rzemieślnicze paleniska zduńskie

Takie urządzenie grzewcze będzie tylko częściowo spełniać wymagania ekoprojektu i uchwał antysmogowych. Aby mogło ono spełnić wszystkie wymagania, należy dodatkowo wykonać pomiary emisji pyłów oraz tlenków azotu.

Norma PN-EN 15544 z automatu przypisuje takim urządzeniom sprawność energetyczną na poziomie od 78 do 90% (wartość ta może być obliczona lub ustalona z góry) oraz określa następujące wartości graniczne emisji:

• tlenek węgla (CO): 1500 mg/m³ (1000 mg/MJ),
• dwutlenek azotu (NO₂): 225 mg/m³ (150 mg/MJ),
• organiczne związki węgla (OGC): 120 mg/m³ (80 mg/MJ),
• pyły (PM): 90 mg/m³ (60 mg/MJ).

Wyniki te, choć przyzwoite, nie do końca spełniają wymagania ekoprojektu, szczególnie w zakresie emisji pyłów i tlenków azotu. Dlatego warto wykonać dodatkowe testy emisji przy użyciu odpowiedniej aparatury pomiarowej (np. pyłomierza Testo 380 wraz z analizatorem Testo 330). Wówczas może się okazać, że ręcznie wykonane palenisko spełnia wszystkie wymagania ekoprojektu. Należy potwierdzić to raportem z przeprowadzonych pomiarów.

Dla przypomnienia zamieszczam poniżej zestawienie wymagań ekoprojektu w porównaniu z gwarancjami normy PN-EN 15544:

1. Paleniska fabryczne lub wkłady kominkowe

Aktualizacja normy PN-EN 15544 z lipca 2023 roku daje możliwość stosowania w zduńskich piecach akumulacyjnych tzw. fabrycznych palenisk zduńskich lub gotowych wkładów kominkowych. Urządzenia te zostały wcześniej przebadane pod kątem zgodności z wymaganymi przepisami dotyczącymi wartości emisji przez akredytowaną lub notyfikowaną jednostkę badawczą i spełniły wymogi co najmniej jednego z następujących badań typu:

• zgodnie z PN-EN 15250 – Akumulacyjne ogrzewacze pomieszczeń na paliwa stałe – Wymagania i metody badań (lub EN 16510-2-5, w trakcie opracowywania),
• zgodnie z PN-EN 13229 (zastąpiona przez PN-EN 16510-1 – Mieszkaniowe urządzenia spalające paliwo stałe – Część 1: Wymagania ogólne i metody badań),
• zgodnie z EN 16510-2-2 – Mieszkaniowe urządzenia spalające paliwo stałe — Część 2-2: Urządzenia zabudowane, w tym z otwartym ogniem.

Wybór fabrycznego paleniska zduńskiego lub gotowego wkładu kominkowego oznacza, że urządzenie automatycznie spełnia wymagania ekoprojektu oraz lokalnych uchwał antysmogowych. Wraz z paleniskiem lub kominkiem otrzymujemy pełną dokumentację od producenta, w tym wyniki przeprowadzonych badań potwierdzające zgodność z jedną z wyżej wymienionych norm.

Proces projektowania pieca akumulacyjnego zgodnie z normą PN-EN 15544

Projektowanie pieca akumulacyjnego zgodnie z normą PN-EN 15544 to proces indywidualny, dostosowany do specyficznych warunków konkretnej lokalizacji. Każdy projekt uwzględnia unikalne cechy budynku, takie jak wysokość nad poziomem morza, straty ciepła, konstrukcja i wymiary komina oraz (opcjonalnie) przewód doprowadzający powietrze z zewnątrz budynku do paleniska. Pod uwagę bierze się również układ pomieszczeń oraz preferencje gospodarza, dotyczące wyglądu, formy, zdolności akumulacyjnej i ciężaru pieca.

Projektując piec akumulacyjny zgodnie z normą PN-EN 15544, łączy się pięć kluczowych elementów, które wzajemnie na siebie oddziałują i muszą zostać starannie dopasowane:

1. System doprowadzenia powietrza

Powietrze do paleniska pieca akumulacyjnego może być doprowadzane na dwa sposoby: bezpośrednio z pomieszczenia, w którym znajduje się piec, lub z zewnątrz budynku – za pomocą specjalnego kanału. 

2. Palenisko

Palenisko może być:

• tradycyjne, rzemieślnicze – projektowane zgodnie z wymogami normy PN-EN 15544, co pozwala dostosować jego parametry do specyficznych warunków.
• fabryczne lub gotowy wkład kominkowy – takie urządzenia posiadają niezależną dokumentację potwierdzającą zgodność z wymaganiami prawnymi dotyczącymi emisji.

3. Masa akumulacyjna

Masa akumulacyjna odgrywa kluczową rolę w procesie przechwytywania, magazynowania i stopniowego oddawania ciepła do pomieszczeń. 

4. Króciec

Króciec, łączący masę akumulacyjną z kominem, odgrywa szczególnie ważną rolę w przypadkach, gdy palenisko i masa akumulacyjna są znacznie oddalone od komina. 

5. Komin

Komin pełni funkcję naturalnego grawitacyjnego generatora podciśnienia. W większości przypadków komin jest już zbudowany, zanim rozpocznie się projektowanie pieca. Nawet jeśli jego parametry nie są optymalne, norma PN-EN 15544 pozwala tak dostosować pozostałe elementy systemu – przewód powietrzny, palenisko, masę akumulacyjną i króciec – aby zapewnić prawidłowe funkcjonowanie całego układu.

Etapy projektowania

Etap 1: Zebranie informacji o budynku, kominie i kanale doprowadzającym powietrze do paleniska.

Oto lista informacji i materiałów, które są nam potrzebne do rozpoczęcia prac projektowych:

• dane dotyczące strat ciepła,
• plany i rysunki budynku,
• zdjęcia budynku i pomieszczeń.
• komin,
• kanał doprowadzający powietrze z zewnątrz.

Etap 2: Obliczenie optymalnej temperatury spalin na wlocie do komina

Etap 3: Ustalenie optymalnej temperatury spalin na wyjściu z masy akumulacyjnej

Etap 4: Ustalenie nominalnej mocy cieplnej projektowanego urządzenia

Etap 5: Określenie wymiarów paleniska

• Wymiary podstawy paleniska:
  • minimalna szerokość podstawy paleniska (przekrój poziomy na wysokości dolnej krawędzi otworu drzwiowego) powinna wynosić 23 cm,
  • w przypadku podstaw prostokątnych stosunek głębokości do szerokości może mieścić się w zakresie od 1:1 do 2:1.
• Dolna krawędź otworów paleniska:
  • dolna krawędź najniżej położonego otworu (np. drzwiowego lub wlotu powietrza) musi znajdować się co najmniej 5 cm powyżej dna komory spalania.
• Lokalizacja i wymiary wlotów powietrza:
  • wloty powietrza do paleniska muszą być zlokalizowane w sposób chroniący je przed przypadkowym ograniczeniem przepływu lub całkowitym zatkaniem. Preferowane miejsca to obramowanie drzwiczek paleniska lub pionowy ruszt na powierzchni drzwiczek,
  • suma pól powierzchni wlotów powietrza powinna zapewniać prędkość przepływu powietrza w zakresie od 2 do 4 m/s.
• Powierzchnia podstawy i objętość paliwa:
  • powierzchnia podstawy paleniska musi mieścić się w zakresie wyznaczonym przez wymóg, aby wysokość paliwa przy maksymalnym załadunku nie przekraczała 33 cm.
• Powierzchnia przeszklenia:
  • powierzchnia przeszklenia paleniska nie może przekraczać 1/5 powierzchni całkowitej komory paleniskowej.
• Obliczanie powierzchni paleniska:
  • przy obliczaniu całkowitej powierzchni paleniska wszystkie jego elementy – ściany, sufit, podstawa, a także powierzchnie otworu drzwiczek, wlotów powietrza i wylotów spalin – należy traktować jednakowo, ignorując obecność otworów.

Etap 6: Ustalenie pojemności akumulacyjnej

Norma PN-EN 15544 wymaga określenia czasu, w którym masa akumulacyjna będzie emitowała zmagazynowane ciepło do przestrzeni mieszkalnej. Zakres wynosi od 8 do 24 godzin, co oznacza, że norma jest przeznaczona wyłącznie dla pieców o średniej i dużej zdolności akumulacyjnej. Wybór konkretnej wartości z tego przedziału determinuje docelową pojemność grzewczą masy akumulacyjnej oraz jej właściwości cieplne.

Etap 7: Pozostałe parametry masy akumulacyjnej

Znając temperaturę spalin na wyjściu z paleniska (w przypadku palenisk zduńskich norma określa ją na poziomie 550℃, a w przypadku palenisk fabrycznych poddanych badaniom typu, odczytuje się ją z dokumentacji dostarczonej przez producenta) oraz docelową temperaturę spalin na wejściu do króćca (obliczoną wcześniej w arkuszu kalkulacyjnym), można przystąpić do dalszych obliczeń związanych z masą akumulacyjną.

Efektywność, długość kanału i rodzaj konstrukcji ścian

Norma PN-EN 15544 definiuje sposób kalkulacji minimalnej i obliczeniowej długości kanału spalinowego w masie akumulacyjnej, uwzględniając zmienną efektywność pieca (w zakresie 78–90%) oraz rodzaj konstrukcji ścian masy akumulacyjnej.

Do wyboru są dwa rodzaje konstrukcji:

1. jednowarstwowa,
2. dwuwarstwowa z przerwą powietrzną.

Wybór konstrukcji zależy od preferencji dotyczących szybkości nagrzewania i charakterystyki oddawania ciepła.

Optymalna powierzchnia chłonna masy akumulacyjnej

Obliczenie minimalnej długości kanału spalinowego jest ostatnim krokiem przed określeniem optymalnej powierzchni chłonnej masy akumulacyjnej. Chociaż norma PN-EN 15544 nie wymaga wyznaczenia tego parametru, etap ten jest kluczowy z punktu widzenia projektowania i wizualizacji przestrzennej.

Etap 8: Sprawdzenie warunków końcowych

Sprawdzenie warunków końcowych jest kluczowym etapem projektowania pieców akumulacyjnych zgodnie z normą PN-EN 15544. Jego celem jest upewnienie się, że zaprojektowany piec spełnia wszystkie wymagania dotyczące bezpieczeństwa, efektywności cieplnej, emisji spalin oraz komfortu cieplnego użytkowników. Analizie podlegają: temperatura spalin, efektywność akumulacji ciepła oraz stabilność pracy komina.

Minimalna temperatura ścianki komina

Jednym z najważniejszych warunków końcowych jest utrzymanie temperatury ścianki komina na jego szczycie na poziomie nie niższym niż 45°C. Zbyt niska temperatura może prowadzić do kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach, co sprzyja powstawaniu agresywnych kwasów niszczących konstrukcję komina. Aby tego uniknąć, należy odpowiednio dostosować długość kanałów spalinowych oraz masę akumulacyjną, tak aby spaliny były efektywnie wychładzane, jednocześnie utrzymując minimalną wymaganą temperaturę.

Efektywność cieplna i równowaga energetyczna

Norma PN-EN 15544 wymaga, aby efektywność cieplna pieca mieściła się w zakresie 78–90%. Sprawdzenie warunków końcowych obejmuje obliczenie bilansu energetycznego urządzenia, uwzględniającego straty ciepła podczas spalania i akumulacji. W przypadku nieosiągnięcia wymaganych wartości, konieczne jest wprowadzenie korekt w projekcie, na przykład przez zwiększenie masy akumulacyjnej lub modyfikację geometrii kanałów lub komór w akumulacji.

Kontrola przepływu spalin

Prawidłowy przepływ spalin przez kanały akumulacyjne i komin jest niezbędny dla stabilnej pracy pieca. Sprawdzenie obejmuje obliczenie prędkości przepływu spalin oraz ciśnienia w kominie, co pozwala upewnić się, że urządzenie działa w optymalnych warunkach. W przypadku zbyt niskiego ciągu kominowego lub nadmiernego oporu spalin konieczna jest optymalizacja konstrukcji pieca, np. przez dostosowanie długości i profili kanałów lub komór akumulacyjnych.

Etap 9: Wykonanie projektu i przygotowanie dokumentacji

Po wykonaniu obliczeń i sprawdzeniu warunków końcowych określane są wszystkie kluczowe wymiary oraz ramy przestrzenne, w których można się poruszać podczas tworzenia lub modyfikowania projektu pieca dla konkretnej lokalizacji. Na tym etapie wykonywane są wizualizacje zewnętrzne, które łączą wizję i życzenia gospodarza z technicznymi możliwościami realizacyjnymi. Po zaakceptowaniu formy wizualnej pieca, rozpoczyna się opracowywanie szczegółowego projektu technicznego.

Projekt techniczny jest tworzony etapami – warstwa po warstwie – zgodnie z wymiarami określonymi we wcześniejszych obliczeniach. Uwzględnia się wszystkie wybrane materiały (np. cegły, kafle, izolacje, metale) oraz detale konstrukcyjne, które mogą wpływać na wygląd, funkcjonalność i trwałość pieca.

Po zakończeniu fazy projektowania przygotowywana jest kompletna dokumentacja projektowa, która zazwyczaj obejmuje:

• opis pieca i paleniska,
• serię rysunków technicznych z kluczowymi wymiarami,
• raport z obliczeń,
• raport z badań efektywności spalania dla komory paleniskowej (jeśli takie badania zostały przeprowadzone),
• oświadczenie o zgodności z obowiązującą normą lub normami,
• instrukcję użytkowania pieca.

Przestrzeganie normy stanowi krok w kierunku zrównoważonego, nowoczesnego zduństwa, spełniającego wymagania współczesnych przepisów dotyczących emisji oraz oczekiwań świadomych użytkowników.

Norma PN-EN 15544, choć wymagająca w realizacji, otwiera przed projektantami i zdunami nowe możliwości doskonalenia swoich projektów. Piec zbudowany zgodnie z jej wytycznymi to inwestycja w komfort cieplny, oszczędność energii oraz trwałość, która wpisuje się w wielowiekową tradycję zduńską, jednocześnie odpowiadając na potrzeby nowoczesnych gospodarstw domowych.

Artur Milicki

Artykuł w pełnej wersji przeczytacie na pieceartura.pl

Bibliografia:

1. Rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1185 z 24 kwietnia 2015 roku – pdf do pobrania: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/?uri=CELEX%3A32015R1185
2. Norma PN-EN 15544 – link do sklepu PKN: https://sklep.pkn.pl/pn-en-15544-2023-07e.html
3. Przegląd uchwał antysmogowych – artykuł na stronie CzysteOgrzewanie.pl: https://czysteogrzewanie.pl/podstawy/uchwaly-antysmogowe/