Nietypowe grzejniki płaszczyznowe

Na komfort cieplny w budynkach zasadniczy wpływ ma średnia temperatura powietrza w pomieszczeniu oraz średnia temperatura przegród. Dla uzyskania komfortu termicznego najkorzystniej jest, gdy te dwie temperatury są zbliżone.

W pomieszczeniach z tradycyjnymi grzejnikami konwekcyjnymi w okresie grzewczym powierzchnia ścian zewnętrznych ma temperaturę niższą niż powietrze wewnętrzne i często trudno zapewnić użytkownikom poczucie komfortu bez zwiększania temperatury powyżej optymalnego poziomu. W tym zjawisku tkwi spory potencjał oszczędności energii w przypadku stosowania ogrzewania płaszczyznowego, bo jeśli nie będzie dużych różnic pomiędzy temperaturą przegród i powietrza, to komfort osiągniemy przy temperaturze powietrza wewnętrznego niższej o 2–4°C niż przy ogrzewaniu tradycyjnymi grzejnikami. A to przekłada się na niższe o kilka procent zużycie energii.

Kolejne atuty energetyczne ogrzewania płaszczyznowego to możliwość wykorzystania ciepła niskotemperaturowego, w tym z gazowych kotłów kondensacyjnych i odnawialnych źródeł energii, jak pompy ciepła czy kolektory słoneczne. To ostatnie ma szczególne znaczenie w kontekście wciąż rosnących wymagań w zakresie zużycia energii pierwotnej i ograniczania emisji spalin. Następnym atutem energetycznym jest fakt, że ogrzewanie płaszczyznowe wraz z buforami może akumulować spore ilości energii, np. ciepła z pomp ciepła zasilanych z własnej instalacji fotowoltaicznej lub z sieci w tańszej taryfie, a nawet energii cieplnej z kolektorów słonecznych.
Ten rodzaj instalacji oddawania ciepła daje też szerokie możliwości efektywnego wykorzystania instalacji hybrydowych, tj. zasilanych przez dwa lub trzy urządzenia grzewcze – w danej chwili pracuje tylko to, z którego energia jest najtańsza.

Chłodzenie płaszczyznowe

W okresie letnim ogrzewanie płaszczyznowe może być wykorzystywane jako system chłodzenia. W takim wypadku energoefektywności także sprzyja duża powierzchnia wymiany energii – nie trzeba stosować bardzo zimnego czynnika.

Połączenie funkcji grzewczej i chłodniczej w jednej instalacji zamontowanej w podłodze pozwala nawet całkowicie uniknąć konieczności stosowania powietrznej instalacji klimatyzacyjnej lub układów hydraulicznych do zasilania sufitów chłodzących. Jest to rozwiązanie zalecane do obiektów, w których brakuje miejsca na montaż kanałów instalacji powietrznej lub konstrukcja sufitu uniemożliwia wykorzystanie go do chłodzenia [2].

W chłodzeniu podłogowym, tak jak w ogrzewaniu, nie ma dużego pionowego gradientu temperatury, gdyż o wymianie ciepła decyduje w znacznej mierze promieniowanie, a nie konwekcja, i wymiana ma miejsce pomiędzy podłogą chłodzącą i przegrodami, a nie powietrzem w pomieszczeniu.

Podłogi chłodzące usuwają z pomieszczeń tylko zyski ciepła jawnego, a zyski wilgoci (m.in. z oddychania) trzeba usuwać poprzez układ wentylacji mechanicznej.

Zalecana różnica temperatury zasilania i powrotu czynnika obiegowego dla podłóg chłodzących wynosi ok. 5°C, a minimalna temperatura posadzki to 19–20°C.

Typowa moc chłodnicza podłóg chłodzących wynosi od 20 do 50 W/m² i jest tym większa, im większy jest udział radiacyjnych zysków ciepła.

Zyski od promieniowania słonecznego padającego bezpośrednio na podłogę chłodzącą nie są bowiem akumulowane, lecz natychmiast usuwane z pomieszczenia. W takich przypadkach moc chłodnicza chłodzenia podłogowego może sięgać nawet ponad 100 W/m2.

Plusy i minusy

Jak każda technologia, system ogrzewania płaszczyznowego nie jest pozbawiony pewnych minusów. Główne ograniczenie to maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni przegrody, w której zainstalowany jest grzejnik płaszczyznowy. Powodami tych ograniczeń są fizjologia ludzkiego organizmu oraz wymagania dotyczące materiałów – podłogi, ściany lub sufity nie mogą być za gorące.

Ze względów fizjologicznych temperatura powierzchni grzejnych nie powinna przekraczać temperatury skóry człowieka.

Optymalne temperatury wynoszą:

• w ogrzewaniu podłogowym 24–26°C,
• w ogrzewaniu sufitowym 30–35°C (w zależności od wysokości pomieszczenia i wielkości grzejnika sufitowego),
• w ogrzewaniu ściennym 25–30°C [3].

Maksymalne temperatury powierzchni dla ogrzewania podłogowego w zależności od typu pomieszczenia określa norma PN-EN 1264:

• 29°C w strefie stałego przebywania ludzi,
• 35°C w strefie brzegowej,
• 33°C w kuchniach i łazienkach,
• 27°C w pomieszczeniach roboczych, gdzie pracuje się na stojąco.

Skoro urządzenia te nie mogą mieć wysokiej temperatury, muszą mieć dużą powierzchnię – kilkunastokrotnie większą niż tradycyjne grzejniki.

W trakcie eksploatacji największym utrudnieniem (ale bywa, że zaletą) jest duża bezwładność cieplna i tym samym ograniczone możliwości szybkiej zmiany temperatury.

Istotną cechą grzejników płaszczyznowych jest też brak możliwości późniejszych zmian ich wielkości, a tym samym zwiększania mocy.

Kolejne wymagania, jakie należy spełnić przy instalacjach płaszczyznowych, to skuteczna izolacja grzejników, tak aby energia w całości trafiała do pomieszczeń, do których powinna trafić, a nie była tracona – powinno to zostać uwzględnione już na etapie projektu budynku.

Energia cieplna to fala elektromagnetyczna, która zawsze płynie od źródła cieplejszego do chłodniejszego i tylko skuteczna izolacja pozwala jej nadać pożądany kierunek przepływu.

Grzejniki płaszczyznowe mogą być wykonane za pomocą dwóch metod: mokrej i suchej. Wybór zależy głownie od konstrukcji budynku i docelowego przeznaczenia pomieszczeń oraz czasu potrzebnego do wykonania instalacji. Metoda mokra wykorzystuje betonowe wylewki i tynki, ma dużą bezwładność i akumulacyjność ciepła, co jest szczególnie ważne np. dla pracy pomp ciepła korzystających z niższych taryf energii elektrycznej czy zasilanych z instalacji PV.

W takich niskotemperaturowych układach efektywność energetyczną można zwiększyć, stosując duży zasobnik akumulacyjny. Pozwala on na gromadzenie energii, kiedy jest najtańsza w produkcji.

Niska pojemność wodna niektórych instalacji niskotemperaturowych, np. zbudowanych z mat kapilarnych, ma też swoje plusy, jak szybkie ogrzewanie pomieszczenia. W takich instalacjach warto zadbać o to, by urządzenia zasilające nie pracowały pulsacyjnie, gdyż nie sprzyja to ich efektywności i żywotności, zwłaszcza kotłów kondensacyjnych czy powietrznych pomp ciepła. Z tego względu niektóre firmy oferujące kapilarne systemy ogrzewania płaszczyznowego zalecają do zasilania kotły pulsacyjne.

Specjalne wymagania stawia się instalacjom ogrzewania płaszczyznowego zasilanym kotłami na paliwa stałe – zalecane są przewody odporne na bardzo wysokie temperatury i dlatego stosuje się głównie przewody miedziane. W przypadku rur wielowarstwowych z tworzyw jedną z najważniejszych kwestii jest bariera antydyfuzyjna (rys. 1).

Regulacja i sterowanie

Koniecznym elementem prawidłowego działania instalacji ogrzewania płaszczyznowego jest jej odpowiednie wyregulowanie wstępne oraz zastosowanie armatury, która zadziała i zapewni prawidłowy przepływ, chroniąc przed wahaniami ciśnienia [6].

W ofercie producentów systemów są m.in. rozdzielacze z gotowymi układami mieszającymi, wyposażone w zamontowane przed pompą mieszającą zawory termostatyczne z czujnikami mierzącymi temperaturę zasilania. Każdy obieg może być wtedy regulowany oddzielnie i dostosowywać się do indywidualnych potrzeb różnych stref w budynku.
To rozwiązanie zapewnia wysoki komfort ogrzewania, jednak przeznaczone jest raczej do większych budynków, w których może występować duża różnorodność potrzeb użytkowników.

Armatura regulująca podłączana jest do sterownika, który zbiera sygnały z urządzeń pomiarowych i generuje sygnały wyjściowe do urządzeń wykonawczych, np. pomp czy siłowników zaworów. Ekonomiczne oszczędności pozwala osiągnąć opcja programatora, dzięki której wprowadza on zadaną temperaturę w pomieszczeniach w zależności od pory dnia czy tygodnia.

Rozwiązania oferowane na rynku

Inwestor kieruje się przy wyborze systemu grzewczego kosztem inwestycyjnym oraz eksploatacyjnym, ale także niezawodnością pracy instalacji i coraz częściej komfortem użytkowania i obsługi, sprawnością zastosowanych urządzeń oraz standardem rozwiązań technicznych.

Na rynku oferowanych jest wiele kompletnych systemów instalacyjnych opracowanych specjalnie dla ogrzewania płaszczyznowego: podłogowego, ściennego i sufitowego.

Poniżej przedstawiono wybrane przykłady, wskazujące na mnogość technologii systemów ogrzewania ściennego i sufitowego.

W opisach systemów pominięto elementy odpowiadające za regulację i sterowanie – praktycznie co roku wprowadzane są zmiany doskonalące ich funkcje.

Systemy instalacyjne do ścian i sufitów

Jednym z przykładów systemu do ogrzewania sufitowego i ściennego jest WW-10 firmy Wavin. Wykonywany jest w technologii mokrej z przewodów grzewczych z polibutylenu z barierą antydyfuzyjną, o średnicy 10 mm, które są montowane w profilu montażowym o wysokości 12 mm.

• W skład systemu instalacyjnego wchodzą też wielowarstwowe rury PE‑X/Al/PE i złączki typu push/press, rozdzielacze oraz automatyka przewodowa i bezprzewodowa.
• Tynk o grubości 20–25 mm można nakładać bezpośrednio na przewody.
• Montaż systemu wykonuje się po zakończeniu wszystkich innych prac instalacyjnych, w tym elektrycznych i wodnych.
• Profile montażowe oraz wsporniki mocuje się do ściany za pomocą wkrętów.
• Jeśli ściana jest czysta i sucha, do mocowania można zastosować klej montażowy. Następnie montuje się rurę w profilach (fot. 1).

System KAN-therm WALL w metodzie suchej do ogrzewania ściennego (fot. 2) pozwala na dowolną aranżację pomieszczeń, zapewnia wysoką estetykę i efektywną współpracę z niskotemperaturowymi i odnawialnymi źródłami ciepła.

• W skład systemu wchodzą rury: PB i PE-RT ø 8×1 mm oraz płyty gipsowo-włóknowe o grubości 15 mm z ze zróżnicowanym wypełnieniem (100%, 75%, bez rury), o długościach 2000, 1000 i 525 mm oraz szerokościach 310, 625 i 1250 mm.
• Płyty montuje się do specjalnej konstrukcji nośnej z metalu lub drewna, a gdy powierzchnia jest gładka, można je do niej przykleić.
• Maksymalna długość pętli w układzie szeregowym wynosi 40 m, dla dłuższych obwodów zaleca się połączenia w układzie Tichelmanna i wówczas moc jednego obiegu to maks. 1200 W.
• Płyty łączy się specjalnymi złączkami Press/Click (można też klamrami lub krętami na krawędziach), a spoiny szpachluje. Zasady i elementy regulacji hydraulicznej są takie same jak w przypadku ogrzewania podłogowego KAN-therm.

Rozwiązania oferowane na rynku

System do modernizowanych budynków

System suchej zabudowy Roth TBS przeznaczony jest do ogrzewania podłogowego w budynkach modernizowanych i nowobudowanych.

• Wysokość zabudowy ­całego systemu jako ogrzewania podłogowego – wraz z izolacją, instalacją i płytą Fermacell stanowiącą końcowy element konstrukcyjny grzejnika – to tylko 59 mm, a ciężar ok. 40 kg/m².
• Elementy systemu TBS mogą być wykorzystywane również do budowy ogrzewania ściennego. Jego łączna grubość wynosi wówczas 46 mm (w tym płyta o grubości 12 mm).
• Zalety tego systemu to szybki montaż kompletnej podłogi, nieznaczny ciężar i mniejsza wysokość warstwy grzewczej, co ma duże znaczenie w modernizowanych budynkach, zwłaszcza w starym budownictwie, w którym TBS można stosować na istniejących posadzkach (również na stropach drewnianych).
• Moc tego systemu przy zasilaniu 40/35°C dla temperatury pomieszczenia 20°C wynosi ok. 55 W/m².

• Rura grzewcza montowana jest w warstwie izolacji termicznej z płyt systemowych TBS ze specjalnie przygotowanymi rowkami, dostosowanymi do meandrowych układów wężownic (fot. 3).

• Rury układane są w lamelach wykonanych z aluminium, co zwiększa efektywność przekazywania ciepła.
• Rury są stosunkowo elastyczne i układa się je bez narzędzi – trzeba je tylko włożyć w rowki.
  Następnie pokrywane są warstwą folii PE grubości 0,2 mm, pełniącej funkcję izolacji przeciwwilgociowej, a później układa się na nich płyty jastrychowe.
• Do tego systemu oferowane są gipsowo-włóknowe płyty jastrychowe Fermacell grubości 25 mm.
  Składają się one z dwóch połączonych płyt o grubości 12,5 mm każda.
  Płyty osadzone są jedna na drugiej i przesunięte w stosunku do siebie o 50 mm, co powoduje powstanie zakładki.
  Te pokrywane są klejem, a w celu osiągnięcia odpowiedniego nacisku na zakładce elementy łączy się dodatkowo wkrętami.
  Łączenia wygładza się masą do spoin.

Innowacyjny grzejnik podtynkowy

3Thermo to innowacyjny produkt polskiej firmy do zabudowy suchej i mokrej, który nie wprowadza wody pod warstwę tynku lub posadzki, jak w ogrzewaniu płaszczyznowym zbudowanym z przewodów lub mat kapilarnych.

• Ciepło rozprowadza do masy ściany aluminiowy radiator w formie siatki, która jest wykonana na wzór używanej od lat w budownictwie siatki Rabitza (rys. 2).
• Woda grzewcza płynie tylko u dołu grzejnika w jednym przewodzie kauczukowym (EPDM). Przewody te mogą pracować w zakresie temperatur od –35 do 145°C, co pozwala stosować ten grzejnik podtynkowy zarówno w układach nisko-, jak i wysokotemperaturowych, a także mieszanych – we współpracy ze zwykłymi grzejnikami.
• Jest to rozwiązanie, które daje duże możliwości stosowania instalacji niskotemperaturowych także w budynkach modernizowanych.
• Grzejnik jest bardzo lekki – pusty waży 1,38 kg, a po napełnieniu wodą 1,411 kg.
• Pojemność wodna urządzenia o rozmiarze 600 na 1700 mm wynosi tylko 0,031 dm³.
• Pokrywa się go standardową warstwą tynku o grubości 1–2 cm lub dowolną płytą systemów kartonowo-gipsowych. Można go też montować na ścianach wewnętrznych.
• Dopuszczalne maksymalne ciśnienie wynosi 10 barów, a robocze do 6 barów.
• Przewód z tworzywa nie wykazuje rozszerzalności liniowej, tłumi hałas i szum hydrauliczny, nie traci ciepła podczas transportu, nie rozwarstwia się, nie ulega wypłukiwaniu i nie koroduje. Nie wymaga stosowania kolanek – jest elastyczny jak wąż i nie da się złamać lub zgnieść, a odkształcony wraca do swego pierwotnego kształtu. Można go montować nawet w temperaturze otoczenia –10°C.
• Podstawa grzejnika – kolektor wodny – zakończona jest obustronnie złączem nyplowym DN 12/9 mm.

Grzejniki należy łączyć szeregowo w układach pionowych i poziomych (w podłodze). W układ może być wpięty klasyczny naścienny grzejnik płytowy, można też zbudować układ grzejników naściennych z podłogowymi.

• Moc dla temperatury zasilenia 55°C wynosi od 190 do 220 W/m², a dla 35°C od 65 do 80 W/m².
• Montaż jednego grzejnika trwa 3 minuty.

Rozwiązania oferowane na rynku

Systemy panelowe i kasetowe

Na rynek wprowadzane są też systemy niskotemperaturowych promienników do łatwego montażu w suficie lub w ścianie.

Przykładem są panele zbudowane ze sprasowanego polistyrenu o gęstości 30 kg/m³ i grubości 40 mm (rys. 3). Są tak wyprofilowane, żeby zmieściły się w nich przewody.

Panele i rury pokryto warstwą specjalnego tynku gipsowego wzmocnionego włóknem. Dostępne są w różnych rozmiarach – od 600×600 mm do 2200×600 mm.

Oferowane są też panele o grubości 12,5 mm, na bazie płyt gipsowo-kartonowych z izolacją z polistyrenu. Na takiej płycie mocowane są cztery obwody hydrauliczne wykonane z przewodów PB ø 6 mm z barierą antydyfuzyjną.

Przewody są mocowane za pomocą dyfuzora z aluminium.

Kolejnym przykładem są kasetony grzewcze z izolacją termiczną z polistyrenu lub wełny mineralnej. Składają się z metalowego plafonu o porowatej powierzchni i gładkim brzegu. Na plafonie również znajdują się przewody z PB ø 6 mm z barierą antydyfuzyjną mocowane za pomocą aluminiowego dyfuzora.

Maty kapilarne

Wykorzystywane są do budowy wodnego ogrzewania oraz chłodzenia podłogowego, ściennego i sufitowego.

Przykładem może być system mat kapilarnych BEKA wykonany z polipropylenu, który można montować w dowolnym miejscu – w podłodze, na suficie lub ścianach (fot. 4).

• Maty po zamocowaniu pokrywa się wylewką cementową lub gładzią gipsową o grubości 1 cm. Ich waga po napełnieniu wodą jest niewielka, gdyż pojemność przewodów kapilarnych wynosi ok. 0,3 l/m².
• System taki nie ma jednak właściwości akumulacyjnych i najczęściej wymaga zastosowania zbiornika akumulacyjnego, aby efektywnie współpracować z niektórymi źródłami ciepła, z drugiej strony czas nagrzewania jest krótki – ok. 15 minut.
• Woda zasilająca ma temperaturę 25–30°C, a do chłodzenia 16–18°C.
• Uszkodzenia kapilary, np. poprzez wbicie gwoździa, są niegroźne – uszkodzony obwód o szerokości 2–3 cm można zaślepić.

Literatura

1. Biernacka B., Komfort cieplny a system ogrzewania Przegląd aktualnych badań, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2016.
2. Pawlak F., Radiacyjne podłogi chłodzące, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2015.
3. Biernacka B., Ogrzewanie płaszczyznowe – wybrane przesłanki wyboru systemu, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2014.
4. Mróz K., Ogrzewanie podłogowe w teorii i praktyce. Instalacja ogrzewania podłogowego – wskazówki dla projektanta i wykonawcy, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2010.
5. Strzeszewski M., Ogrzewanie podłogowe a jakość powietrza wewnętrznego, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2011.
6. Rybka K., Nowoczesne sterowanie ogrzewaniem podłogowym, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2014.
7. Materiały techniczne firm: 3Thermo, BEKA, KAN, Perfexim, RDZ K!limax, Roth, Wavin.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!