Radiacyjne podłogi chłodzące

Systemy hydrauliczne złożone z rurek zatopionych w warstwach posadzkowych są powszechnie stosowane do ogrzewania budynków. Zapewniają zwykle większą niż w przypadku rozwiązań opartych na grzejnikach konwekcyjnych efektywność energetyczną (związaną z wysoką sprawnością źródeł ciepła przy niskich temperaturach zasilania instalacji). Wpływają też na korzystniejsze ze względu na komfort cieplny warunki środowiska wewnętrznego i większe możliwości adaptacyjne pomieszczeń (brak widocznych elementów, jakimi są grzejniki konwekcyjne).

Ogrzewanie podłogowe należy do systemów radiacyjnych, w których ponad połowa energii cieplnej jest przekazywana do pomieszczenia poprzez promieniowanie.

Choć radiacyjne podłogi grzewcze są często stosowane do ogrzewania pomieszczeń w budownictwie różnego rodzaju, funkcja chłodzenia jest najczęściej realizowana przez odrębne instalacje.

W Polsce największą popularnością cieszą się systemy powietrzne, w tym o zmiennej ilości powietrza wentylacyjnego (VAV). Wśród systemów promieniujących konkurencją dla podłóg chłodzących są modułowe sufity chłodzące i stropy aktywowane termicznie (TABS).

Wykorzystanie układów hydraulicznych zatopionych w posadzkach może być rozwiązaniem skutecznym nie tylko w zakresie ogrzewania, ale także chłodzenia budynków. Przy ocenie stosowalności podłóg chłodzących należy uwzględnić ich specyficzne właściwości: wpływ na komfort cieplny, możliwą do uzyskania wydajność chłodniczą, wymagania wobec układów sterowania, konieczną współpracę z systemami wentylacyjnymi.

W artykule przybliżono najważniejsze zagadnienia związane z podłogami chłodzącymi. Opisano wymianę ciepła między podłogą chłodzącą a środowiskiem wewnętrznym pomieszczenia, określono także podstawowe parametry wpływające na komfort cieplny i wskazano ograniczenia stosowania tego rodzaju układów. Przeanalizowano możliwą do uzyskania wydajność chłodniczą i porównano podłogi radiacyjne z innymi rozwiązaniami techniki chłodniczej. Uwzględniono czynniki wyróżniające podłogi chłodzące na tle pozostałych systemów promiennikowych, takie jak bezpośrednia interakcja z promieniowaniem słonecznym oraz konieczność utrzymywania minimalnej temperatury posadzki.

Teoria wymiany ciepła

Znajomość procesów wymiany ciepła zachodzących w pomieszczeniach jest kluczowa niezależnie od sposobu ich chłodzenia i umożliwia optymalny wybór systemu. Podczas pracy radiacyjnej podłogi chłodzącej zachodzi złożona wymiana ciepła pomiędzy podłogą a pomieszczeniem. W praktyce inżynierskiej intensywność tej wymiany jest najczęściej podawana w odniesieniu do powierzchni podłogi, podobnie jak w przypadku ogrzewania podłogowego. Całkowity strumień ciepła usuwany z pomieszczenia przez podłogę chłodzącą można określić zależnością (1):

gdzie:

– całkowity jednostkowy strumień ciepła, W/m²;

– konwekcyjny jednostkowy strumień ciepła, W/m²;

– radiacyjny jednostkowy strumień ciepła, W/m².

Radiacyjny strumień ciepła między podłogą a pozostałymi obiektami w pomieszczeniu jest wypadkową energii wypromieniowywanej z powierzchni podłogi chłodzącej i absorbowanej przez pozostałe obiekty oraz energii wypromieniowywanej z powierzchni pozostałych obiektów i absorbowanej przez podłogę chłodzącą. Można go wyrazić zależnością (2):

gdzie:

σ – stała promieniowania Stefana–Boltzmanna, równa 5,67×10–8 W/(m²K4);

ε_p, ε_i – współczynniki emisyjności odpowiednio powierzchni podłogi i powierzchni i-tego obiektu, ‒;

T_p, T_i – temperatury odpowiednio powierzchni podłogi i powierzchni i-tego obiektu, K;

F_Ap–Ai – współczynnik konfiguracji między powierzchnią podłogi a powierzchnią i-tego obiektu, -;

N – liczba obiektów biorących udział w wymianie ciepła przez promieniowanie, ‒.

Intensywność wymiany ciepła przez promieniowanie można także przedstawić z wykorzystaniem radiacyjnego współczynnika wnikania ciepła hr za pomocą równania (3):

gdzie:

h_r – radiacyjny współczynnik wnikania ciepła, W/(m²·K).

Konwekcyjny strumień ciepła między podłogą chłodzącą a powietrzem w pomieszczeniu to energia cieplna przekazywana od powietrza do podłogi. Jego gęstość można wyrazić z wykorzystaniem konwekcyjnego współczynnika wnikania ciepła hk zależnością (4):

gdzie:

h_k – konwekcyjny współczynnik wnikania ciepła, W/(m²·K);

T_pow – temperatura powietrza w pomieszczeniu, °C.

Właściwości eksploatacyjne

Najważniejszym parametrem eksploatacyjnym opisującym podłogi chłodzące jest ich moc chłodnicza. Może być ona określana z wykorzystaniem danych dostarczanych przez producentów systemów chłodzenia płaszczyznowego w ich dokumentacjach technicznych (np. [10]). Deklarowana przez producentów możliwa do osiągnięcia moc chłodnicza wynosi dla typowych układów około 20–50 W/m² [6], w zależności od:

• temperatury przegród i powietrza w pomieszczeniu,
• minimalnej temperatury powierzchni posadzki i oporu cieplnego warstw podłogi,
• średniej temperatury wody w rurach,
• rozstawu rur,
• strumienia przepływu wody chłodzącej.

Deklarowana przez producentów systemów wydajność chłodnicza podłóg chłodzących może się znacznie różnić od osiąganej w warunkach eksploatacyjnych ze względu na:

• utrzymywanie minimalnej temperatury posadzki w celu zapewnienia komfortu cieplnego użytkownikom i zabezpieczenia przed wykraplaniem pary wodnej,
• promieniowanie słoneczne padające bezpośrednio na podłogę chłodzącą,
• wymuszony przepływ powietrza przy powierzchni podłogi (konwekcja spowodowana np. intensywną wentylacją mieszającą).

Wydajność chłodnicza podłogi zależy także od rodzaju zysków ciepła występujących w pomieszczeniu. Podłogi mają znacznie większe wydajności chłodnicze w przypadku występowania radiacyjnych zysków ciepła niż przy zyskach konwekcyjnych. Przykładowe wyniki eksperymentalnych pomiarów wydajności podłóg chłodzących ze względu na rodzaj zysków ciepła pokazano w tabeli 1 [2] (temperatura wody zasilającej 16°C, strumień przepływu czynnika w rurach 20 l/h/m²).

Komfort cieplny

Głównymi czynnikami wpływającymi na komfort cieplny użytkowników pomieszczeń i zależnymi bezpośrednio od zastosowanego rozwiązania z zakresu techniki chłodniczej są temperatura, wilgotność i prędkość przepływu powietrza oraz temperatura promieniowania przegród.

Istotny wpływ na komfort mają nie tylko średnie ich wartości w całej chłodzonej przestrzeni, ale także wartości lokalne. Czynniki takie, jak asymetria temperatury promieniowania, duży pionowy gradient temperatury powietrza, zbyt niska temperatura powierzchni posadzki i zbyt wysoka prędkość przepływu powietrza, nawet występując lokalnie, mogą powodować odczuwanie dyskomfortu cieplnego.

Temperatura posadzki

Koniecznym do kontrolowania parametrem komfortu w instalacjach podłóg chłodzących (w odróżnieniu od innych systemów chłodniczych) jest temperatura posadzki. Należy ją utrzymywać w akceptowalnym zakresie w zależności od przeznaczenia budynku. Funkcja pomieszczenia (np. pokój mieszkalny, pomieszczenie biurowe, korytarz, hol) wpływa najczęściej nie tylko na konstrukcję posadzki i jej wykończenie.

Z rodzajem pomieszczenia jest także utożsamiana przewidywana izolacyjność termiczna odzieży (w tym obuwia) użytkowników oraz czas ich przebywania w obrębie pomieszczenia (i bezpośredniego kontaktu z posadzką). Należy się spodziewać znacznie dłuższego czasu przebywania w pomieszczeniu biurowym niż w korytarzu lub holu. W budynku mieszkalnym należy przewidywać mniejszą izolacyjność cieplną obuwia niż w pomieszczeniu biurowym.

Wpływ temperatury posadzki na odczucie komfortu cieplnego jest zróżnicowany w zależności od czasu kontaktu i izolacyjności odzieży. Przykładowe relacje pomiędzy temperaturą powierzchni posadzki, czasem przebywania użytkownika w pomieszczeniu, izolacyjnością cieplną obuwia a komfortem cieplnym dla pracy biurowej pokazano na rys. 1 i rys. 2 [5, 7].

Badania (np. [5]) pokazują, że odczucie dyskomfortu spowodowane niską temperaturą posadzki jest subiektywne i zależy od wielu czynników, w tym fizjologicznych (płeć, wiek użytkownika, stopień aktywności fizycznej, stan termodynamiczny organizmu). Określenie minimalnej temperatury powierzchni posadzki powinno więc być poprzedzone analizą przeznaczenia pomieszczenia.

Temperatura posadzki utrzymywana na poziomie ok. 20°C umożliwia zapewnienie komfortowych warunków użytkownikom noszącym obuwie.

Pionowy gradient temperatury

W związku ze znacznie większym udziałem promieniowania niż konwekcji w całkowitym strumieniu ciepła przekazywanym między podłogą chłodzącą a pomieszczeniem, wymiana ciepła zasadniczo zachodzi bezpośrednio między podłogą chłodzącą a pozostałymi przegrodami i obiektami w pomieszczeniu. Powietrze nie bierze udziału w radiacyjnej wymianie ciepła, dlatego zastosowanie podłóg chłodzących wpływa na występowanie mniejszego niż w przypadku systemów powietrznych pionowego gradientu temperatury. Ponadto ograniczenie strumienia powietrza nawiewanego do ilości wynikającej z wymogów higienicznych lub z konieczności usuwania zysków wilgoci powoduje mniejszą prędkość przepływu powietrza w pomieszczeniu (zmniejszone ryzyko przeciągów).

Kondensacja pary wodnej

Podobnie jak pozostałe systemy promiennikowe podłogi chłodzące usuwają z pomieszczenia wyłącznie zyski ciepła jawnego. Użytkownicy budynków generują pewne ilości pary wodnej. Zyski wilgoci muszą zostać usunięte za pomocą odrębnego systemu. W obiektach z podłogami chłodzącymi układy wentylacji mechanicznej są najczęściej odpowiedzialne nie tylko za dostarczenie wymaganej ilości świeżego powietrza (wentylacja), ale także za usuwanie zysków wilgoci z pomieszczeń (osuszanie).

Ze względów higienicznych zaleca się utrzymywanie latem wilgotności względnej w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi na poziomie 40–60% [8].

Przy temperaturze powietrza wewnętrznego latem w zakresie 23–26°C temperatura punktu rosy może się mieścić w granicach 9–18°C (patrz rys. 3).

Oznacza to, że minimalna temperatura posadzki ze względu na niebezpieczeństwo wykraplania pary wodnej na jej powierzchni nie powinna być niższa niż 18°C, gdy temperatura powietrza wynosi 26°C, a wilgotność względna 60%. Osuszanie powietrza jest więc niezbędne do prawidłowego funkcjonowania podłóg chłodzących i wpływa na wzrost możliwej do uzyskania wydajności chłodniczej.

Właściwe dla podłóg chłodzących jest także zabezpieczenie przed kondensacją pary wodnej w wyniku nagłego wzrostu zawartości wilgoci w powietrzu. Sytuacja taka może być spowodowana np. otwarciem okien przy dużej wilgotności powietrza zewnętrznego. Zabezpieczenie jest realizowane przez automatykę regulującą temperaturę czynnika zasilającego obiegi chłodnicze w funkcji temperatury punktu rosy lub w skrajnych przypadkach powodującą zatrzymanie obiegu czynnika chłodniczego (np. po otwarciu okien w burzową pogodę).

Promieniowanie słoneczne

Ważnym aspektem stosowania radiacyjnych podłóg chłodzących jest możliwość skutecznej neutralizacji zysków ciepła od nasłonecznienia i oświetlenia. Energia pochodząca od promieniowania słonecznego jest przekazywana do pomieszczenia poprzez fale elektromagnetyczne w paśmie widzialnym (długość fali 0,38–0,78 μm) i ultrafiolecie (długość fali 0,1–0,38 μm [4]), które należą do fal krótkich.

W związku z trendami panującymi we współczesnym budownictwie, takimi jak coraz bardziej rygorystyczne wymogi dotyczące izolacyjności termicznej przegród budowlanych i stosowanie dużych powierzchni przeszklonych w celu wykorzystania naturalnego oświetlenia i minimalizacji zużycia energii na cele grzewcze, zyski ciepła od słońca mają znaczny udział w bilansie energetycznym budynków.

W obiektach biurowych, w których znaczne powierzchnie elewacji są przeszklone, największa część promieniowania słonecznego dociera bezpośrednio do powierzchni posadzki.

W przypadku zastosowania podłóg chłodzących energia cieplna od promieniowania słonecznego padającego na podłogę nie jest akumulowana w masie termicznej budynku, jak w przypadku innych rozwiązań techniki chłodniczej, ale natychmiast usuwana z pomieszczenia. Właściwość ta powoduje, że w przypadku bezpośredniego promieniowania słonecznego moc chłodnicza systemów podłogowych znacznie wzrasta, osiągając wartości kilkukrotnie większe od standardowych (i prezentowanych w dokumentacjach technicznych producentów systemów podłóg chłodzących) – nawet ponad 100 W/m² [2].

Natężenie promieniowania słonecznego padającego na posadzkę (patrz rys. 4) należy uwzględnić nie tylko przy określaniu mocy chłodniczej systemu, ale także przy podziale powierzchni podłogi na obiegi chłodnicze.

Analiza dla przykładowego biura

Analizę wpływu omówionych w artykule czynników na właściwości eksploatacyjne podłogi chłodzącej przeprowadzono dla przykładowego pomieszczenia biurowego (rys. 5).

W obliczeniach przyjęto następujące założenia:

• konwekcyjny strumień ciepła  obliczony wg wzoru (4),
• współczynnik konwekcyjnego wnikania ciepła hk odpowiedni dla warunków konwekcji naturalnej (brak wymuszonego ruchu powietrza nad podłogą chłodzącą), przyjęto hk = 1,5 W/(m2·K) [6],
• radiacyjny strumień ciepła obliczony wg wzoru (2),
• współczynniki konfiguracji między podłogą (P) a ścianami (A, B, C, D) i sufitem (S) obliczone wg [4]: FP-S = 0,62; FP-A = FP-B = 0,13; FP-C = FP-D = 0,06,
• całkowity strumień ciepła obliczony wg wzoru (1),
• całkowity współczynnik wnikania ciepła hc jako suma hr + hk,
• jednakowa emisyjność powierzchni wewnętrznych pomieszczenia ε = 0,9,
• temperatura powietrza w pomieszczeniu równa temperaturze przegród niechłodzonych (ściany, sufit) i określana dalej jako temperatura pomieszczenia ti,
• temperatura posadzki tp wynosząca 18, 20 i 22°C,
• średnia temperatura promieniowania tmR1 jako średnia ważona temperatury powierzchni przegród w pomieszczeniu,
• todcz jako średnia z temperatury pomieszczenia ti i promieniowania tmR1.

Wyniki zestawiono w tabeli 2.

Analiza potwierdza podstawowe właściwości podłóg:

• promieniowanie ma znaczny udział w całkowitej wymianie ciepła podłogi z pozostałymi powierzchniami (h_r/h_c ≈ 0,78),
• zwiększenie różnicy pomiędzy temperaturą posadzki a temperaturą w pomieszczeniu powoduje wzrost wydajności chłodniczej podłogi chłodzącej (patrz rys. 6),
• podłoga chłodząca wpływa na średnią temperaturę promieniowania i temperaturę odczuwalną w pomieszczeniu. W analizowanym pomieszczeniu, gdy temperatura posadzki spadnie o 4°C, a temperatury pozostałych przegród nie ulegną zmianie, średnia temperatura promieniowania zmaleje o 1,3°C, a temperatura odczuwalna o 0,7°C (patrz rys. 7),
• zbliżoną moc chłodniczą podłogi można uzyskać dla różnych temperatur posadzki i pomieszczenia. W analizowanym przypadku moc chłodnicza podłogi przy temperaturze posadzki 18°C i temperaturze pomieszczenia 24°C wynosi 40,1 W/m² i jest zbliżona do mocy chłodniczej przy temperaturze posadzki i pomieszczenia odpowiednio 20 i 26°C (40,8 W/m²) oraz 22 i 28°C (41,4 W/m², patrz rys. 6).

Podsumowanie

Radiacyjne podłogi chłodzące to jedno z rozwiązań chłodzenia pomieszczeń. Mogą być szczególnie skuteczne, gdy duża część zysków ciepła pochodzi od promieniowania słonecznego – w przypadku pomieszczeń o dużym stopniu przeszklenia, takich jak biura, terminale lotnisk, atria czy hole wejściowe. Poza dużą wydajnością chłodniczą przy kontakcie z bezpośrednim promieniowaniem słonecznym umożliwiają także zapewnienie komfortowych warunków użytkownikom pomieszczeń.

Typowa moc chłodnicza podłogi mieści się w przedziale 20–50 W/m² i jest tym większa, im większy jest udział radiacyjnych zysków ciepła. Różnica temperatury zasilania i powrotu czynnika obiegowego dla podłóg chłodzących wynosi zwykle ok. 5°C, a minimalna temperatura posadzki ok. 19–20°C.

Wykorzystanie podłóg do chłodzenia pozwala ponadto ograniczyć liczbę instalacji technicznego wyposażenia budynków. Poprzez połączenie funkcji grzewczej i chłodniczej w jednej instalacji rurowej zatopionej w warstwie jastrychu możliwe jest zmniejszenie (a niekiedy nawet całkowite usunięcie) powietrznej instalacji klimatyzacyjnej lub dodatkowych układów hydraulicznych zasilania sufitów chłodzących.

Takie rozwiązanie może być optymalne w obiektach, w których brakuje przestrzeni instalacyjnej niezbędnej do montażu kanałów instalacji powietrznej. Sprawdzi się także w sytuacjach, gdy konstrukcja sufitu uniemożliwia wykorzystanie go do chłodzenia (np. gdy w pomieszczeniach znajduje się sufit rastrowy lub elementy architektoniczne oraz oświetleniowe uniemożliwiające montaż paneli sufitów podwieszanych).

W pomieszczeniach takich jak hole lub atria wymagany strumień nawiewanego powietrza chłodzącego jest zwykle znacznie większy od strumienia powietrza wentylacyjnego. Częściowe lub całkowite zastąpienie powietrznego systemu chłodzącego układem radiacyjnym pozwala więc zazwyczaj zmniejszyć strumień powietrza nawiewanego do pomieszczenia, a zatem także ograniczyć liczbę kanałów wentylacyjnych oraz elementów nawiewnych i wywiewnych. Może to być znaczące nie tylko ze względów ekonomicznych (koszt materiałów i montażu), ale także estetycznych (mniejsza liczba widocznych nawiewników i wywiewników).

Jeśli chłodzenie pomieszczeń poprzez obiegi wodne zatopione w posadzkach jest odpowiednio zaprojektowane, nie wymaga cyklicznej obsługi właściwej np. dla systemów powietrznych (czyszczenie filtrów, odgrzybianie).

Wykorzystanie zjawiska promieniowania pozwala ograniczyć hałas (który w przypadku systemów powietrznych jest spowodowany pracą wentylatora), a także zmniejszyć prędkość przepływu powietrza w samym pomieszczeniu, co wpływa na polepszenie komfortu cieplnego w stosunku do systemów powietrznych.

Chłodzenie podłogowe, podobnie jak inne systemy płaszczyznowe, usuwa z pomieszczenia zyski ciepła jawnego. Zyski ciepła utajonego powstałe w wyniku wydzielania przez ludzi pary wodnej muszą zostać odprowadzone za pomocą odrębnego systemu osuszającego powietrze. Funkcję tę przejmuje najczęściej wentylacja mechaniczna.

Ponadto zastosowanie podłóg chłodzących wiąże się z zastosowaniem odpowiedniego sterowania zabezpieczającego przed wykraplaniem pary wodnej na powierzchni podłogi oraz przekroczeniem minimalnej temperatury posadzki.

Literatura

1. Gaziński B. et. al., Technika klimatyzacyjna dla praktyków, Systherm Serwis, Poznań 2005.
2. Górka A., Odyjas A., Simulations of floor cooling system capacity, „Applied Thermal Engineering” No. 51, 2013.
3. Hendiger J., Ziętek P., Chludzińska M., Wentylacja i klimatyzacja. Materiały pomocnicze do projektowania, Venture Industries, Warszawa 2011.
4. Kostowski E., Promieniowanie cieplne, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2009.
5. Nevins R.G., Feyerherm A.M., Effect of floor surface temperature on comfort. Part IV: Cold Floors, „ASHRAE Transactions” No. 73 (2), 1967.
6. Olesen B.W., Possibilities and Limitations of Radiant Floor Cooling, „ASHRAE Transactions” No. 103 (1), 1997.
7. Olesen B.W., Thermal comfort requirements for floors occupied by people with bare feet, „ASHRAE Transactions” No. 83 (2), 1977.
8. PN-78/B-03421 Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego pobytu ludzi.
9. Ogrzewanie i chłodzenie płaszczyznowe – materiał firmy REHAU, 2011.
10. Systemy ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego. Polska 03/2015 – materiał firmy PURMO.