Wyniki eksperymentalnych badań rozkładu temperatury grzejników płaszczyznowych o lekkiej konstrukcji bez jastrychów

Grzejnik płaszczyznowy typu B opisany w PN-EN 1264 [1] składa się z rury grzejnej umieszczonej w górnej części izolacji termicznej lub w pustce powietrznej, całość zakryta jest jastrychem w postaci mokrej bądź suchej z płyt cementowych lub gipsowych.

Pomiędzy izolacją termiczną a wężownicą umieszcza się najczęściej profile metalowe, które przyczyniają się do poprawy wymiany ciepła, co jest szczególnie ważne wtedy, gdy chcemy zastosować większe odległości między rurami grzejnymi.

W artykule zaprezentowano nietypowe grzejniki o ultracienkiej, lekkiej konstrukcji bez jakichkolwiek jastrychów w celu wykonania badań doświadczalnych dla nietypowych rozwiązań, korzystając z normy [2] odnoszącej się do systemów lekkich w układzie poziomym z profilami metalowymi. Norma ta może być stosowana również przy projektowaniu elektrycznego ogrzewania podłogowego, a pozostałe rozwiązania konstrukcyjne ogrzewania płaszczyznowego bez zastosowania płyt lub lamela przewodzącego mogą być projektowane tylko na podstawie badań eksperymentalnych.

Przygotowano trzy stanowiska badawcze, każde podzielone zostało na dwie równe części z różnymi rozstawami wężownicy.

• Po lewej stronie każdego ze stanowisk znajduje się układ izolacji termicznej z lamelem aluminiowym jako powłoka przewodząca ciepło w celu jego rozpraszania. Część tę pokrywa wodoodporna zaprawa klejowa.
• Po prawej stronie nie zastosowano rozpraszaczy ciepła, a rurki grzejne bezpośrednio włożono w rowki wyżłobione w izolacji termicznej i pokryto cementową zaprawą klejową. Całość przykryto terakotą (rys. 1 i rys. 2).

Opis stanowiska pomiarowego i metodyka badań

Stanowiska badawcze zostały wykonane w firmie Elektra Kardo Białystok.

• Schematy stanowisk i ich przekroje pionowe zaprezentowano na rys. 3.
• Jako element grzejny zastosowane zostały trzy przewody grzejne jednostronnie zasilane Elektra TuffTec 30/290, opisane w [3], każdy o mocy jednostkowej 30 W/m, średnicy 7 mm i włożony w rurki grzejne PE/RT/Al/PE/RT o średnicy zewnętrznej 16×2 mm.
• Sprawność zasilania wynosiła 100% – powrotna żyła grzejna znajduje się w konstrukcji przewodu i temperatura na wejściu i wyjściu zasilania jest taka sama.
• Wewnętrzna średnica rurki wynosi 10 mm.
• Równomierne oddawanie ciepła z przewodu grzejnego zapewniała powłoka aluminiowa znajdująca się w warstwie ścianki osłonowej rury.
• Do pomiaru temperatury na rurze grzejnej i w pomieszczeniu zastosowano termostaty elektroniczne programowalne ST‑500 o dokładności pomiaru do ±0,5°C z dwoma czujnikami – temperatury powietrza i temperatury podłogi.

Pomiary temperatury bezpośrednio na powierzchni grzejnej skanowane były za pomocą kamery termowizyjnej Flir I40 o czułości termicznej (NETD) < 0,1°C przy temperaturze 25°C, o dokładności pomiaru temperatury ±2% oraz dodatkowo przy użyciu pirometru TN1 OJ Electronics o czułości termicznej i dokładności pomiaru temperatury takich samych jak dla kamery termowizyjnej.

Pomiarów pirometrem dokonywano od razu po skanowaniu kamerą termowizyjną w czasie nie dłuższym niż 5 sekund.

Identyczne warunki wymiany ciepła uzyskano dzięki pomiarom wykonywanym w stabilnej temperaturze zewnętrznej ukazanej na termostatach, wynoszącej 20°C ±0,5.

Eksperymenty rozgrzewania były wykonywane w trzech następujących po sobie seriach, zaczynając od stanowiska z rozstawem rur grzejnych 20 cm, później 15 cm i na końcu 12,5 cm.

Pomiarów temperatury na powierzchni grzejnika dokonywano w trakcie rozgrzewania wraz z jej wzrostem na czujnikach umieszczonych przy rurkach grzejnych – przy 28, 31, 35, 40 i 45°C.

Następnie zwiększono temperaturę do 50°C i wykonano pomiary jw. w trakcie naturalnego studzenia – przy 45, 40, 35 i 28°C.

Pomiary w trakcie studzenia dotyczyły wszystkich trzech rozgrzanych stanowisk badawczych.

Ze względu na bardzo małą bezwładność cieplną badanych grzejników, przy zastosowaniu jako czynnika grzejnego elektrycznych przewodów grzejnych umieszczonych w rurkach zamiast gorącej wody, rozgrzanie od temperatury 28 do 45°C następowało w ciągu 40 minut. Z tego względu zrezygnowano z opracowywania charakterystyki bezwładności cieplnej i pomiarów czasu. Byłyby one nieadekwatne (krótsze) do rzeczywistego wzrostu temperatury przy rozgrzewaniu powierzchni podłogi, gdy do podgrzania wody w wężownicy używa się kotła grzejnego. W takich warunkach czas ten w temperaturze 28–45°C, przy rozstawie rur grzejnych 10 cm, bez lamela aluminiowego podczas nagrzewu wynosi ok. 2 godz. 20 minut, a czas studzenia z 45 do 28°C wynosi ok. 4 godz. 30 minut wg [4].

Nie ma to znaczenia przy pomiarach zgodnie z [2], w których nie mierzy się różnicy temperatury pomiędzy zasilaniem a powrotem przepływu w rurze ogrzewania podłogowego, ale ważny jest pomiar temperatury i strumienie ciepła w konstrukcji grzejnika, w tym na jego powierzchni.

W eksperymencie spełniono podstawowe warunki przygotowania stanowisk testowych zgodnie z [2] pkt 7.

Ze względu na brak mierników strumienia ciepła wykonano dodatkowe obliczenia teoretyczne gęstości strumienia ciepła emitowanego z badanej powierzchni, stosując wzór zalecany w powyższej normie: q_i = K_H · ΔΘ_H [W/m²].

Jako miarodajne przyjęto badania temperatury na powierzchni grzejników podczas naturalnego studzenia, trwającego ok. 3 godz. 40 minut, co stanowi wynik zbliżony do naturalnych warunków sprawdzonych w [4] przy wykorzystaniu gorącej wody w wężownicy.

Czytaj też: Niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe >>>

Wyniki pomiarów

Model obliczeniowy przedstawiony w normie [2] stosuje się tylko do struktury podłogi z warstwami przewodzącymi ciepło w postaci np. lamela aluminiowego. Wymagania te zawiera dział 5.4.3.1 powyższej normy.

W przypadku innych rozwiązań konstrukcyjnych powinno się wykonać eksperymenty badawcze (zgodnie z działem 7 normy).

Warstwy przewodzące ciepło odgrywają ważną rolę w obliczeniach.

Wymiana ciepła w strukturze lekkiej ogrzewanej podłogi bez jastrychów zależy od wielu czynników składowych. Złożona interakcja konwekcji, promieniowania i przewodzenia ciepła pomiędzy rurą a otaczającymi go materiałami utrudnia opis i obliczenia wydajności cieplnej tego zjawiska zgodnie z [5].

W celu analizy całego systemu porównano obliczenia teoretyczne wg poniższych wzorów (1 i 2) z danymi wynikającymi z badań eksperymentalnych.

Maksymalną gęstość strumienia ciepła dla stanowisk grzejnych z lamelem określa zależność:

(1)

gdzie:

= 81,04 W/m² dla rozstawu rur 12,5 cm,

= 75,34 W/m² dla rozstawu rur 15 cm,

= 62,48 W/m² dla rozstawu rur 20 cm,

q_i^-max – maksymalna gęstość strumienia ciepła,

– maksymalna dopuszczalna temperatura powierzchni podłogi,

Θ_i – temperatura pomieszczenia.

Maksymalną dopuszczalną średnią temperaturę medium w rurze grzejnej dla stanowisk z lamelem określa się zależnością:

(2)

gdzie:

,(12,5) = 49,5°C,

,(15) = 50,6°C,

,(20) = 51,05°C,

Q_i – temperatura pomieszczenia,

Q_i^max = maksymalna gęstość strumienia ciepła,

R_i – oporność termiczna warstwy przewodzącej ciepło do ogrzewanego pomieszczenia,

η – współczynnik efektywności systemu ogrzewania podłogowego,

RHC – całkowita oporność cieplna między źródłem ciepła a warstwą przewodzącą.

Znając średnią temperaturę powierzchni terakoty ϑF i temperaturę powietrza ϑi, obliczono gęstość strumienia ciepła q emitowanego przez badany grzejnik płaszczyznowy:

• grzejnik bez lamela:

q = 8,92 (ϑ_F - ϑⁱ)^1,1 (3)

• grzejnik z lamelem:

q = 8,92 k_CL (ϑ_F - ϑ_i)^1,1 (4)

gdzie:

q – gęstość strumienia ciepła badanego grzejnika,

k_CL – współczynnik przewodności cieplnej warstwy rozpraszającej (lameli),

ϑ_F – średnia temperatura powierzchni terakoty,

ϑ_i – temperatura powietrza.

Zależności obliczonych ze wzorów gęstości strumienia ciepła q od temperatury zasilania ϑν dla grzejników z lamelem na podstawie pomiarów średniej temperatury powierzchni grzejników kamerą termowizyjną przedstawiono na rys. 4.

Rys. 5 obrazuje zależność bez lamela. Trzy linie przerywane dolne na rys. 4 pokazują graniczne wartości strumienia ciepła strefy środkowej, a górne strefy brzegowej. Przekroczenie tych wartości jest niepożądane ze względu na komfort użytkowania przez człowieka. Średni kwadratowy bezwzględny błąd gęstości strumienia ciepła q wyniósł 6 W/m².

Na rys. 6, rys. 7, rys. 8 i rys. 9 przedstawiono rozkład temperatury na powierzchni grzejników z lamelem i bez lamela, zależnie od temperatury zasilania 28, 35, 40, 45°C i rozstawu wężownicy.

Prostokąt zaznaczony na środku wykresów (linią przerywaną) oznacza obszar neutralny dotyczący rozstawu wężownicy 12,5 cm ze względu na inną szerokość pierwszego stanowiska grzewczego, wynoszącą 100 cm – po 50 cm dla układu z lamelem i bez niego.

Stanowiska o rozstawie wężownicy 15 i 20 cm miały szerokość 120 cm – po 60 cm dla układu z lamelem i bez niego.

Średnia różnica temperatury na powierzchni grzejnika pomiędzy wężownicą i nad nią wyniosła odpowiednio:

• przy ϑ_ν = 28°C dla rozstawu wężownicy 12,5 oraz 15 i 20 cm: z lamelem 0,2; 0,3 i 1,0°C, a bez lamela 1,0; 0,5 i 2,1°C,
• przy ϑ_ν = 35°C dla rozstawu wężownicy 12,5; 15 i 20 cm: z lamelem 0,4; 0,9 i 6,0°C, a bez lamela 2,4; 2,5 i 7,0°C,
• przy ϑ_ν = 40°C dla rozstawu wężownicy 12,5; 15 i 20 cm: z lamelem 1,0; 2,9 i 11,7°C, a bez lamela 5,2; 5,0 i 11,5°C,
• przy ϑ_ν = 45°C dla rozstawu wężownicy 12,5; 15 i 20 cm: z lamelem 2,7; 5,0 i 15,5°C, a bez lamela 7,0; 8,0 i 14,5°C.

Podsumowanie

W artykule zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych nietypowego grzejnika płaszczyznowego bez jastrychu.

Wykonano trzy stanowiska badawcze z różnymi rozstawami wężownic i podziałem każdego z nich na równe części – z aluminiowym profilem przewodzącym i bez tego profilu.

Przekrój poprzeczny od dołu składał się z warstwy izolacji termicznej EPS grubości 3 cm z rozstawem rur 12,5 cm dla stanowiska pierwszego o powierzchni 100×100 cm, a pozostałe dwa stanowiska posiadały izolację termiczną XPS grubości 4 cm z rozstawem rur 15 i 20 cm, każde o powierzchni 120×125 cm.

W izolacji termicznej wyżłobiono rowki, w których bezpośrednio umieszczono wężownice.

W drugim układzie badawczym wężownice zamocowano nad lamelem aluminiowym wklejonym w płytę izolacyjną. Całość pokryto klejami elastycznymi grubości 2–3 mm i terakotą o grubości 9 mm.

Takie rozwiązanie charakteryzuje się małym ciężarem i wysokością podłogi, jest proste i szybkie w wykonaniu, a jednocześnie niedrogie. Pozwala na wykorzystanie tego rodzaju grzejników przy konstrukcjach o słabych nośnościach i małych wysokościach podłogi oraz tam, gdzie priorytetem jest czas wykonania i czystość robót. Można je realizować bez skomplikowanych narzędzi i maszyn, na zasadzie „zrób to sam”, powierzając hydraulikowi jedynie podłączenie całości do instalacji zasilającej system.

Jak wykazały wyniki eksperymentu, grzejnik ma niewielką bezwładność. Jest on wydajny przy niskiej temperaturze zasilania, co powoduje mniejsze zużycie energii w stosunku do tradycyjnego ogrzewania z jastrychami, wyższy komfort użytkowania wg [5] i efektywne wykorzystanie w systemach odnawialnych źródeł energii.

Maksymalna temperatura na zasilaniu w strefie środkowej przy zastosowaniu lamela dla odległości wężownic 12,5 i 15 cm wynosi tylko 29°C, a dla 20 cm tylko 32°C, co jest bardzo korzystne ekonomicznie przy stosowaniu pomp ciepła lub innych urządzeń wykorzystujących OZE, których efektywność rośnie wraz ze spadkiem temperatury zasilania.

Bez zastosowania lamela te maksymalne temperatury wynoszą odpowiednio tylko 30 i 33,5°C.

W strefie brzegowej maksymalne temperatury zasilania są już wyższe i dla układu z lamelem przy odległości wężownic 12,5 i 15 cm wynoszą 35°C, a dla 20 cm – 45°C, ale już bez lamela odpowiednio 37,5°C (12,5 cm) i 41°C (15 cm).

Dla wszystkich podanych rozstawów rur grzejnych i przy zastosowaniu rozpraszaczy ciepła możemy stosować ten rodzaj ogrzewania na ścianach przy założeniu nieprzekraczania maksymalnej dopuszczalnej temperatury ze wzoru (2).

O komforcie użytkowania decydują różnice pomiędzy temperaturą powierzchni grzejnika nad rurkami grzejnymi i pomiędzy nimi.

W tego rodzaju nietypowym grzejniku jest to ważne ze względu na jego niewielką grubość.

Mając na uwadze średnią różnicę pomiędzy temperaturą nad i pomiędzy wężownicą 0,2–0,9°C, przy temperaturze zasilania 28–35°C i rozstawie rurek 12,5–15 cm można uznać stosowanie tego rodzaju ultracienkiego grzejnika z lamelem za komfortowe.

Grzejnik bez lamela będzie komfortowy przy średniej różnicy temperatury 1,0–3,5°C dla powyższych założeń przy rozstawie wężownicy 12,5 cm. Jedynie gdy nie projektujemy stref brzegowych, można stosować jako komfortowy układ bez lamela z rozstawem rurek 15 cm (w temperaturze 30°C jako maksymalnej w tej strefie mamy różnicę temperatury na powierzchni od 0,5 do 1,2°C).

Zastosowanie odległości 20 cm pomiędzy rurkami jest możliwe tylko wtedy, gdy stosujemy rozpraszacze ciepła (średnie różnice temperatury wyniosą 1,0–3,8°C).

Rozstaw wężownicy 20 cm eliminuje zastosowanie tego typu grzejnika bez lamela ze względu na uzyskiwane w nim temperatury wpływające negatywnie na fizjologię człowieka.

Dobór ultracienkiego grzejnika płaszczyznowego przy uwzględnieniu komfortu użytkowania pokazuje tab. 1.

Ze względu na obliczeniową maksymalną dopuszczalną średnią temperaturę medium w rurce grzejnej wynoszącą ok. 50°C dla modelu z lamelem nie jest celowe wykonywanie badań przy temperaturach zasilania wyższych niż 45°C.

Zaprezentowane badania w przyszłości można rozszerzyć o eksperymenty przy zastosowaniu innych posadzek niż terakota/gres, np. drewnopodobnych paneli podłogowych z atestem do stosowania w systemach ogrzewania płaszczyznowego.

Literatura

1. PN-EN 1264-2+A1:2013-05 Wbudowane płaszczyznowe wodne systemy ogrzewania i chłodzenia. Część 2: Ogrzewanie podłogowe. Obliczeniowa i badawcza metoda określania mocy cieplnej.
2. NT VVS127 (2001) Floor heating systems: Design and type testing of waterborne heatsystems for lightweight structures, NT VVS127, Nordtest.
3. Vademecum firmy Elektra. Elektryczne systemy grzejne – rozwiązania dla każdego, Ożarów Mazowiecki, 11/2016.
4. Żukowski M., Karpiesiuk P., Wyniki badań grzejnika płaszczyznowego o bardzo małej wysokości, „Instal” nr 10/2015, s. 38–41.
5. Weitzmann P., Svendsen S., Method for calculating thermal properties of lightweight floor heating panels based on an experimental setup, „International Journal of Low Energy and Sustainable Buildings” Vol. 3, 2005, p. 1–15.
6. Karpiesiuk J., Chyży T., Analiza porównawcza wydajności cieplnej ściennych grzejników płaszczyznowych o lekkiej, suchej konstrukcji, mat. konf. „Aktualne problemy badawcze materiałów, technologii i organizacji budownictwa w ujęciu transgranicznym”, Politechnika Białostocka, 2016.

Czytaj też: Wpływ pojemności cieplnej budynku na funkcjonowanie ogrzewania podłogowego >>>