Wpływ pojemności cieplnej budynku na funkcjonowanie ogrzewania podłogowego

Przeczytaj także: Nietypowe grzejniki płaszczyznowe

Osoby, które określając swoje odczucia, wybierają wartości –3, –2, +2, +3 w skali PMV, są uważane za niezadowolone z komfortu cieplnego w pomieszczeniu, natomiast wskazujące –1, 0, +1 za zadowolone [1].

Nośnikiem energii cieplnej w systemie ogrzewania podłogowego może być energia elektryczna, gorąca woda lub ogrzane powietrze. W przypadku zastosowania wody jako nośnika ciepła możemy wykorzystywać energię ze źródeł niekonwencjonalnych z racji relatywnie niskich temperatur zasilania wymaganych przez taki system (45–55°C).

Rozwiązanie to ma również wady, najistotniejsze są:

• większa bezwładność (trudniejsza regulacja),
• wyższe koszty inwestycyjne
• i brak możliwości późniejszych zmian powierzchni grzejnych.

Istotnym aspektem w tego typu ogrzewaniu jest akumulacyjność podłogi (kolejność i grubość warstw, rodzaj wykończenia podłogi). Płyta grzewcza jest połączeniem elementu konstrukcyjnego z wyposażeniem instalacyjnym. Każda płyta jest zaprojektowana indywidualnie – dopasowana do zapotrzebowania na moc grzewczą pomieszczenia [2].

Opis procedury badawczej

Metodą badawczą przyjętą w artykule są badania numeryczne z wykorzystaniem programu ESP-r [3]. Obliczenia prowadzone były z godzinowym krokiem czasowym na bazie rzeczywistych danych klimatycznych (Katowice, uśrednione dla okresu 1971–2000). Baza klimatyczna [4] została zaimplementowana do programu ESP-r.

Założenia analiz

W celu określenia komfortu cieplnego posłużono się wskaźnikiem PMV, przyjmując poniższe wielkości opisujące rodzaj ubioru i sposób zachowania się człowieka [1, 3]:

• aktywność fizyczna: 1,1 met (praca przy komputerze);
• oporność cieplna odzieży – zima: clo = 0,7 (bielizna, skarpetki, sweter, zwykłe spodnie);
• prędkość przepływu powietrza: w_air = 0,1 m/s.

Projektową temperaturę powietrza w pomieszczeniu w zimie przyjęto jako ti = 20°C. Układ pomiarowo-rozliczeniowy umożliwiający rejestrację zużycia energii elektrycznej przyjęto w podziale na dwie strefy czasowe (dzień i noc) zgodnie z [5].

Analizy obejmowały określenie wpływu przerw w ogrzewaniu budynku zgodnie z dostępnością energii tylko w taryfie nocnej (2200–600, 1300–1500) przy danej grubości płyty grzewczej na komfort cieplny (wskaźnik PMV), temperatury powietrza w pomieszczeniu, obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania dla budynku przy zastosowaniu do ogrzewania energii elektrycznej.

Zobacz więcej: Pomysł na łazienkę - poradnik

Przedmiot analiz  i charakterystyka wariantów

Przedmiotem analiz jest budynek jednorodzinny parterowy z poddaszem nieużytkowym (nieogrzewanym), niepodpiwniczony, wykonany w technologii drewnianej szkieletowej lekkiej. Obiekt ten zlokalizowany jest w okolicach Gliwic. Wyposażono go w dwuspadowy dach o kącie nachylenia 40°, pokryty blachą cynkowo-tytanową.

Budynek składa się z pokoju dziennego połączonego z kuchnią, trzech sypialni, dwóch łazienek, gabinetu, kotłowni, przedsionka (część ogrzewana) oraz garażu i pomieszczenia gospodarczego (część nieogrzewana). Na rys. 1 przedstawiono rzut oraz elewację południowo-zachodnią rozpatrywanego obiektu. Powierzchnia całkowita wynosi 165,15 m², natomiast powierzchnia użytkowa ogrzewana 136,03 m². Współczynniki przenikania ciepła U przegród wynoszą odpowiednio:

• podłoga na gruncie 0,36;
• ściana zewnętrzna 0,20;
• dach 0,25;
• strop nad parterem 0,18 W/(m²·K).

Na rys. 2 przedstawiono model obiektu wykonany w programie ESP-r.

W celu określenia wpływu pojemności cieplnej budynku na temperaturę powietrza w wybranej strefie o regulowanej temperaturze przeprowadzono badania porównawcze, rozpatrując dwa warianty konstrukcji przegród nieprzezroczystych. W wariancie wyjściowym przyjęto konstrukcję drewnianą szkieletową (lekką), natomiast w drugim konstrukcję ciężką [cegła ceramiczna pełna λ = 0,77 W/(m·K), zaizolowana styropianem λ = 0,36 W/(m·K)].

Grubość izolacji dobrano tak, aby współczynnik przenikania ciepła był identyczny jak dla konstrukcji lekkiej. Dodatkowo modyfikacji ulegała grubość płyty grzewczej (d = 100, 150, 200, 250, 300 i 350 mm) dla każdego rodzaju konstrukcji (12 wariantów).

Wyniki badań i ich analiza

Symulacje prowadzone były dla całego budynku i okresu grzewczego, natomiast w artykule zaprezentowano wyniki dotyczące pokoju dziennego połączonego z kuchnią, które tworzą jedną przestrzeń o największej powierzchni przegród przeszklonych (13,23 m2) i największej powierzchni ogrzewanej (47,77 m²), dla okresu 9–15 stycznia z typowymi temperaturami zimowymi ustalonymi jako średnie wieloletnie.

W tabeli 1 zestawiono wyniki analiz w zakresie wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu (t_i), temperatury podłogi (t_f) oraz wskaźnika PMV. W celu zilustrowania dobowych wahań temperatur oraz wartości wskaźnika PMV wyniki zaprezentowano dla skrajnych wartości grubości płyty (d = 100 i 350 mm) w ujęciu dla konstrukcji ciężkiej (rys. 3a, rys. 4a i rys. 5a) oraz lekkiej (rys. 3b, rys. 4b i rys. 5b).

Charakter zmian temperatury we wszystkich przypadkach jest podobny. Istotne różnice dotyczą wartości średniej temperatury w analizowanym pomieszczeniu w określonym przedziale czasu.

• Temperatura ekstremalna jest efektem chwilowego nasłonecznienia elewacji i znacznej bezwładności omawianego systemu grzewczego.
• Średnia temperatura powietrza w pomieszczeniu wynosi 20,4°C dla konstrukcji ciężkiej, a dla lekkiej 20,8°C.
• Temperatura powierzchni podłogi w żadnym przypadku nie przekroczyła wartości dopuszczalnej dla tego rodzaju pomieszczeń (29°C) [2].
• Różnica między maksymalną a minimalną temperaturą powierzchni podłogi dla konstrukcji ciężkiej budynku przy grubości płyty d = 100 mm wynosi 4,7°C, natomiast dla grubości d = 350 mm jest równa 3,4°C.
• W przypadku obiektu o konstrukcji lekkiej różnice te wynoszą odpowiednio dla d = 100 mm 6,8°C, natomiast dla d = 350 mm 4,2°C.

Rozpatrując wpływ rodzaju konstrukcji obiektu na wahania temperatury płyty grzewczej, obserwujemy mniejszą amplitudę dla konstrukcji ciężkiej w porównaniu z konstrukcją lekką. Wartość średnia wskaźnika PMV wynosi –0,12 dla konstrukcji ciężkiej, a dla lekkiej –0,06. Niezależnie od rodzaju konstrukcji obiektu wraz ze wzrostem grubości płyty grzewczej obserwować możemy mniejszą różnicę między maksymalną a minimalną wartością wskaźnika PMV, co świadczy o większej stabilności komfortu cieplnego w pomieszczeniu.

Dowiedz się więcej: Łazienka bez barier i dla pokoleń

Podsumowanie

Pomimo zbliżonych wartości średnich analizowanych parametrów budynek o konstrukcji ciężkiej charakteryzuje się większą stabilnością temperatury powietrza w pomieszczeniu. Uzyskanie podobnego efektu w przypadku konstrukcji lekkiej byłoby prawdopodobnie możliwe przy zastosowaniu systemu grzewczego o niewielkiej bezwładności, co pozwoliłoby na szybkie reagowanie na zmiany warunków zewnętrznych. Zatem ogrzewanie podłogowe o dużej bezwładności lepiej współpracuje z konstrukcją ciężką. Ma to odzwierciedlenie w komforcie cieplnym, dla którego wskaźnik PMV w przypadku konstrukcji lekkiej ma korzystniejszą wartość średnią, ale zdecydowanie bardziej niekorzystne wartości chwilowe.

Problematyka współpracy budynku jako struktury budowlanej z wyposażeniem technicznym wydaje się być niedoceniana, a ma znaczący wpływ na zużycie energii oraz komfort cieplny. Jest to szczególnie ważne w przypadku obiektów niskoenergetycznych, w których każda kilowatogodzina zużyta nieracjonalnie drastycznie pogarsza charakterystykę energetyczną. Istotne zatem wydaje się rozszerzenie poruszonej tematyki w odniesieniu do pozostałych systemów grzewczych oraz algorytmów ich sterowania.

Literatura

1. PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów miejscowego komfortu termicznego.
2. Recknagel H. i in., Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo, Omni Scala, Wrocław 2008.
3. www.esru.strath.ac.uk/programs (5.10.2016).
4. bigladdersoftware.com/epx/docs/8-0/input-output-reference (5.10.2016).5. www.vatenfall.pl (8.10.2016).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!