Ogrzewanie płaszczyznowe – wybrane przesłanki wyboru systemu

Ze względu na sposób przekazywania ciepła do pomieszczeń przez grzejniki systemy ogrzewania dzieli się na konwekcyjne i promieniujące. W obliczeniowych warunkach pracy grzejniki konwekcyjne oddają ponad 50% całkowitej ilości ciepła przez konwekcję swobodną. Wśród grzejników konwekcyjnych wyróżniamy urządzenia: członowe, płytowe, rurowe i konwektory. Z kolei grzejniki promieniujące ponad połowę całkowitej ilości ciepła oddają przez promieniowanie. Grzejnikami promieniującymi są m.in.: płyty i taśmy promieniujące, promienniki i grzejniki płaszczyznowe [7].

W ramach ogrzewania płaszczyznowego wyróżnia się ogrzewanie podłogowe, ścienne i sufitowe (rys. 1). Szczególne przypadki ogrzewania ściennego stanowią systemy ogrzewania cokołowego, podokiennego, ryglowego i konturowego. Obecnie najczęściej wykonuje się ogrzewanie podłogowe, a najrzadziej sufitowe [9].

Komfort cieplny

Komfort cieplny zależy przede wszystkim od średniej temperatury powietrza w pomieszczeniu oraz średniej temperatury wszystkich otaczających je przegród. Najkorzystniejsze warunki występują wtedy, gdy te dwie temperatury są zbliżone.

W ogrzewnictwie podstawowym miernikiem komfortu cieplnego jest tzw. temperatura odczuwalna, czyli średnia arytmetyczna temperatury powietrza oraz temperatury promieniowania przegród [11]:

(1)

gdzie:

t_i – temp. powietrza, °C;

t_r – temp. promieniowania przegród, °C.

Pole komfortu cieplnego w zależności od temperatury powietrza w pomieszczeniu i temperatury wewnętrznej powierzchni ścian przedstawia wykres Königa (rys. 2). Przyjmuje się, że w strefie klimatycznej Polski temperatura optymalna w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, powinna wynosić od 19°C w sypialniach do 24°C w łazienkach. W pomieszczeniach z tradycyjnym ogrzewaniem konwekcyjnym w okresie zimowym powierzchnia przegród zewnętrznych ma niższą temperaturę. Żeby zniwelować chłodzący wpływ przegród zewnętrznych, temperatura powietrza powinna być wyższa od optymalnej temperatury odczuwalnej. 

Ogrzewanie płaszczyznowe umożliwia obniżenie temperatury powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu o 2–4°C w porównaniu z temperaturą uzyskiwaną za pomocą tradycyjnego ogrzewania konwekcyjnego. Względnie niska temperatura powietrza rekompensowana jest przez promieniowanie cieplne otaczających przegród.

Optymalna temperatura w pomieszczeniu powinna wynosić ok. 18–19°C, a średnia temperatura ścian ok. 24–30°C (rys. 2). Warunki takie są korzystne ze względów fizjologicznych i higienicznych – ludzie czują się lepiej w pomieszczeniach z cieplejszymi przegrodami i chłodniejszym powietrzem [1, 2, 12, 13].

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

Zgodnie z normą PN-EN 1264 [8] w ogrzewaniu podłogowym, w zależności od typu pomieszczenia, temperatura powierzchni podłogi może wynosić maksymalnie:

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.
•  

Ogrzewanie płaszczyznowe zapewnia korzystny z punktu widzenia komfortu cieplnego pionowy rozkład temperatury odczuwalnej w pomieszczeniu. Jest to jedno z najistotniejszych kryteriów oceny systemu ogrzewania.

Idealny profil rozkładu temperatury zakłada najwyższe jej wartości na poziomie nóg użytkownika pomieszczenia, a najniższe w okolicach jego głowy. Najbardziej zbliżony do tego profilu jest rozkład uzyskiwany przy zastosowaniu ogrzewania podłogowego (rys. 3).

Ogrzewanie a zdrowie

Zadaniem instalacji ogrzewczych jest dostarczenie do pomieszczenia odpowiedniej ilości ciepła. Jednak nie każde z oferowanych na rynku rozwiązań wpływa optymalnie na samopoczucie mieszkańców. Okres grzewczy to czas szczególnie uciążliwy dla alergików ze względu na kurz, który staje się wówczas bardziej „aktywny”.

Kurz jest zbiorem cząsteczek ciał stałych o różnych kształtach i rozmiarach, które mogą być zawieszone w powietrzu w postaci aerozolu lub osadzać się na różnych powierzchniach w postaci pyłu wysedymentowanego. Kurz występujący w powietrzu pomieszczeń mieszkalnych (tzw. kurz domowy) składa się z:

• cząstek pochodzenia pozaustrojowego (komórki bakterii, zarodniki i strzępki grzybów, wirusy, toksyny drobnoustrojowe),
• cząstek ciała i wydalin owadów i roztoczy,
• cząstek pochodzących od ludzi i zwierząt (np. naskórek, sierść, włosy),
• roślin (pyłki, fragmenty roślin), resztek pokarmowych,
• fragmentów tkanin.
•  

Zawieszony w powietrzu tzw. kurz aerogenny może powodować choroby układu oddechowego, skóry i spojówek o podłożu alergicznym (np. astmę oskrzelową, alergiczny nieżyt nosa, alergiczne zapalenie płuc i oskrzeli, alergiczne zapalenie spojówek) [4, 15].

„Aktywność” kurzu jest różna w zależności od sposobu ogrzewania pomieszczenia. Jak wspomniano wcześniej, przy tradycyjnym ogrzewaniu grzejnikowym większość ciepła grzejnik oddaje przez konwekcję swobodną. Wiąże się to z ciągłym ruchem powietrza, które po nagrzaniu unosi się, stopniowo stygnie i opada, po czym ponownie się ogrzewa, opada itd.

Krążące powietrze unosi cząsteczki kurzu, które rozprzestrzeniają się po całym pomieszczeniu. Im wyższa temperatura grzejników, tym proces konwekcji przebiega intensywniej.

Alternatywą dla ogrzewania konwekcyjnego jest ogrzewanie płaszczyznowe, które większość ciepła przekazuje przez promieniowanie. Dzięki temu nie powstaje ruch powietrza taki jak przy tradycyjnym ogrzewaniu grzejnikowym i rozprzestrzenianie się kurzu jest ograniczone.

Nie tylko kurz unoszący się w powietrzu może niekorzystnie wpływać na samopoczucie i zdrowie ludzi. Kiedy temperatura powierzchni grzejnika przekracza 55°C, znajdujący się na niej kurz ulega tzw. suchej destylacji, podczas której może się wydzielać np. amoniak czy inne substancje.

Cząsteczki kurzu, które są przeważnie pochodzenia organicznego, w miarę ogrzewania stają się suche i lotne, a przez to jeszcze bardziej obciążające. Z tego względu ogrzewanie niskotemperaturowe powoduje mniejsze reakcje alergiczne niż tradycyjne systemy wysokotemperaturowe [6, 14].

Ekologia i energia odnawialna

Do najważniejszych kryteriów, którymi kieruje się inwestor przy wyborze systemu grzewczego, należą [5]: niskie zużycie energii, niski koszt eksploatacji instalacji, ciągłość i niezawodność dostaw ciepła, komfort użytkowania i obsługi instalacji, sprawność zastosowanych urządzeń oraz standard rozwiązań technicznych.

W ostatnich latach istotne stało się też kryterium uwzględniające zużycie energii pierwotnej i emisję zanieczyszczeń do środowiska. Ogrzewanie płaszczyznowe to system niskotemperaturowy. Oznacza to, że optymalna temperatura czynnika grzewczego wynosi 40–45°C (nie powinna przekraczać 55°C).

Ciepło dla systemów niskotemperaturowych może być wytwarzane przez ekologiczne i energooszczędne źródła energii, np. kotły kondensacyjne, oraz urządzenia wykorzystujące energię odnawialną, jak np. pompy ciepła i kolektory słoneczne.

Pompy ciepła dobrze współpracują z ogrzewaniem płaszczyznowym. Dolnym źródłem ciepła może być dla nich grunt, powietrze zewnętrzne czy wody gruntowe, a górne źródło stanowi instalacja grzewcza. Energetyczna efektywność pompy ciepła zależy od różnicy temperatury źródeł ciepła.

Niska temperatura zasilania i powrotu zwiększa sprawność energetyczną pompy. Zatem najkorzystniejszym obszarem zastosowania pomp ciepła jest właśnie ogrzewanie niskotemperaturowe.

W przypadku pomp, dla których źródłem ciepła jest grunt, współczynnik wydajności cieplnej przyjmuje następujące wartości [9, 12]:

• ogrzewanie podłogowe (temperatura zasilania 50°C) COPR = 3,5–5,5,
• ogrzewanie konwekcyjne (temperatura zasilania 60°C) COPR = 2,5–3,5.
•  

Zastosowanie ogrzewania płaszczyznowego wiąże się także z oszczędnościami energii. Z uwagi na zwiększony udział promieniowania w tego typu ogrzewaniu możliwe jest obniżenie temperatury powietrza wewnętrznego przy zachowaniu warunków komfortu cieplnego. Niższa temperatura powietrza sprawia, że zmniejszeniu ulegają straty ciepła związane z jego przenikaniem przez przegrody pomieszczenia oraz z wentylacją.

Wszystko to sprawia, że możliwe jest osiągnięcie nawet do 30% oszczędności energii w stosunku do tradycyjnych rozwiązań z użyciem ogrzewania konwekcyjnego i tradycyjnych urządzeń grzewczych. Zostało to potwierdzone w pracach teoretycznych i eksperymentalnych, m.in. [3, 10].

Podsumowanie

Ogrzewanie płaszczyznowe charakteryzuje się wieloma zaletami w stosunku do tradycyjnego – konwekcyjnego. Jego zastosowanie umożliwia uzyskanie komfortu cieplnego przy niższych temperaturach powietrza w pomieszczeniu, co istotnie wpływa na zmniejszenie kosztów ogrzewania. Stosowanie ogrzewania płaszczyznowego jest również korzystne ze względów higienicznych: z uwagi na czystość powierzchni ogrzewalnych i nieznaczny ruch powietrza, a co za tym idzie, migrację kurzu.

Niska temperatura czynnika grzejnego umożliwia zastosowanie ekologicznych i odnawialnych źródeł ciepła, a tym samym uzyskanie wyższej sprawności energetycznej. W okresie letnim ogrzewanie płaszczyznowe może być wykorzystywane jako system chłodzenia.

Ogrzewanie płaszczyznowe nie jest jednak pozbawione pewnych wad. Podstawowym ograniczeniem jest nieprzekraczanie dopuszczalnej temperatury przegrody, w której zainstalowany jest grzejnik płaszczyznowy. Wynika to z fizjologii ludzkiego organizmu oraz z wymagań dotyczących materiałów, z których zbudowany jest grzejnik płaszczyznowy.

Efektem niskiej temperatury powierzchni grzejnej jest stosunkowo mały strumień ciepła, ok. 70–80 W/m². Dlatego ogrzewanie przez promieniowanie może być stosowane w budynkach o dobrej izolacyjności cieplnej i w pomieszczeniach mających małe zapotrzebowanie na ciepło. Warto też pamiętać o dużej bezwładności cieplnej, a co za tym idzie, ograniczonej możliwości szybkiej regulacji temperatury.

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

Artykuł powstał w ramach realizacji pracy nr S/WBiIŚ/4/2014

Literatura

1. Bertram P., Ogrzewnictwo i chłodzenie płaszczyznowe, „Magazyn Instalatora” nr 6–7/2013.
2. Danielak M., Niskotemperaturowe systemy grzewcze, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2011.
3. Hasan A., Kurnitski J., Jokiranta K., A combined low temperature water heating system consisting of radiators and floor heating, „Energy and Building” No. 41, 2009.
4. Kaiser K., Wolski A., Klimatyzacja i wentylacja w szpitalach. Teoria i praktyka eksploatacji, IPPU MASTA, 2007.
5. Nowak B., Bartnicki G., Kryteria wyboru nośnika ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2007.
6. Nowak B., Bartnicki G., Unowocześnione technologie starożytnego Rzymu, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2005.
7. Pieńkowski K., Krawczyk D., Tumel W., Ogrzewnictwo, Tom I, Politechnika Białostocka, 1999.
8. PN-EN 1264 Wbudowane płaszczyznowe wodne systemy ogrzewania i chłodzenia.
9. Rabjasz R., Dzierzgowski M., Ogrzewanie podłogowe – poradnik, COIB, Warszawa 1995.
10. Rahimi M., Sabernaeemi A., Experimental study of radiation and free convection in an enclosure with a radiant ceiling heating system, „Energy and Building” No. 42, 2010.
11. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.-R., Ogrzewanie i klimatyzacja – poradnik, EWFE, Gdańsk 1994.
12. Rubik M., Nowoczesne rozwiązania w technice ogrzewania, „Instalacje” nr 4/2000.
13. Strzeszewski M., Niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2005.
14. Strzeszewski M., Nowoczesne systemy ogrzewania budynków, materiały konferencyjne Forum Termomodernizacja 2005 „Audytor energetyczny – zawód z przyszłością”, Warszawa 2005.
15. www.klimatyzacja.org.pl.
16. www.feris.com.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!