Ogrzewanie podłogowe w teorii i praktyce

Jeszcze kilka lat temu ogrzewanie podłogowe było luksusowym wariantem ogrzewania dostępnym dla nielicznych. Szybki postęp techniki budowlanej i rosnące ze wzrostem dobrobytu wymagania wobec komfortu miejsca zamieszkania przyczyniły się do tego, że instalacje tego rodzaju stają się standardem w nowym budownictwie. Rozstrzygające znaczenie ma długa lista zalet ogrzewania podłogowego:

• wygoda i komfort,
• higiena – brak cyrkulacji powietrza, kurz nie „zapieka się” na powierzchniach o niskiej temperaturze,
• zdrowszy klimat pomieszczenia dzięki niższej temperaturze powietrza, a przez to jego wyższej względnej wilgotności,
• możliwość dowolnego kształtowania przestrzeni pomieszczeń,
• długowieczność instalacji i łatwość jej konserwacji,
• energooszczędność i przyjazność środowisku.

Jedną z najważniejszych zalet ogrzewania podłogowego jest niski zakres temperatur roboczych. W sytuacji nieustannego wzrostu cen nośników energii zastosowanie  niskotemperaturowych źródeł ciepła (kotłów kondensacyjnych czy pomp ciepła) jest jednym z podstawowych sposobów ograniczania kosztów ogrzewania. Urządzenia takie pracują najwydajniej w niskich temperaturach, a ich rola w przyszłości jeszcze wzrośnie.

Niestety, wymienione powyżej zalety nie zawsze znajdują potwierdzenie w opiniach lokatorów mieszkań ogrzewanych z użyciem takich instalacji. Wpływają na to najczęściej błędny dobór urządzeń, błędy w wykonawstwie czy wreszcie brak właściwego zrównoważenia hydraulicznego. Równoważenie hydrauliczne nawet małych instalacji to obowiązek wynikający z techniki, ekonomii czy konieczności ochrony środowiska naturalnego, czyli po prostu ze zdrowego rozsądku.

Podstawowe pojęcia

Poniżej omówiono kilka najważniejszych pojęć dotyczących ogrzewania podłogowego.

Całkowita projektowa strata ciepła

Całkowita projektowa strata ciepła to ilość energii cieplnej, jaka w ciągu godziny ucieka z cieplejszego pomieszczenia do zimniejszego otoczenia przez wszystkie przegrody ograniczające. Do tego dochodzi jeszcze ciepło potrzebne do ogrzania świeżego zimnego powietrza, które dostaje się do środka podczas wietrzenia. Przedstawiona symbolicznie na rys. 1 ilość ciepła uciekająca z pomieszczenia musi być stale uzupełniana przez znajdujące się w nim urządzenie grzewcze, aby zachować pożądaną temperaturę.

Wielkość strat ciepła danego pomieszczenia zmienia się oczywiście w zależności od zmieniającej się temperatury zewnętrznej. Automatyczna, zależna od temperatury zewnętrznej regulacja temperatury zasilania zapewnia dostarczenie do pomieszczenia ilości energii cieplnej równej wielkości traconego przez nie chwilowo ciepła. Temperatura zasilania jest taka sama we wszystkich pomieszczeniach budynku.

Bilans cieplny

Jak to przedstawiono na rys. 2, ilość ciepła, jaka ucieka z pomieszczenia do chłodniejszego otoczenia, musi być na bieżąco (do 100%) uzupełniana przez zamontowane w nim urządzenia grzewcze.

Zyski ciepła ze źródeł obcych (spoza instalacji)

Zysk ciepła obcego to ilość ciepła dodatkowo wprowadzona do pomieszczenia (spoza instalacji grzewczej). Jak to zobrazowano na rys. 3, chodzi o ciepło, które dostaje się do pomieszczenia z zewnątrz, w postaci promieniowania słonecznego, albo oddawane jest przez znajdujące się w pomieszczeniu urządzenia, kominki itd. Do podstawowych źródeł zysków ciepła obcego należą:

• promieniowanie słoneczne – np. przez duże okna od południa (duży zysk ciepła z zewnątrz),
• kominek grzewczy lub piec kaflowy (duży zysk ciepła pozyskany z wnętrza pomieszczenia),
• kuchnia, piekarnik, lodówka (zyski wewnętrzne),
• oświetlenie, telewizor, komputer, maszyny, osoby (zyski wewnętrzne).

Wielkość zysków ciepła obcego można oszacować tylko w przybliżeniu. Intensywność, czas trwania i częstotliwość ich występowania są bardzo różne. Napływ ciepła przez całkowicie przeszklony, skierowany na południe szczyt domu może, np. w styczniu, w ciągu kilku godzin pokryć do 70% strat cieplnych pomieszczenia. Kominek grzewczy pokryje ponad 100% strat, a inne formy zysków ciepła – zazwyczaj poniżej 25%. Pomimo wyposażenia w termostaty pokojowe szybka reakcja powierzchni grzewczej na napływ ciepła obcego jest w przypadku instalacji ogrzewania podłogowego – w przeciwieństwie do grzejników konwencjonalnych – niemożliwa. Spowodowane jest to bezwładnością instalacji ogrzewania podłogowego.

Bezwładność ogrzewania podłogowego

Wskutek zdolności jastrychu grzewczego do magazynowania ciepła instalacja ogrzewania podłogowego wykazuje, w zależności od grubości i rodzaju posadzki, czas zwłoki (stygnięcia) lub reakcji (nagrzewania) wynoszący ok. 2 godz. Termostat pokojowy zamyka się w wyniku wzrostu temperatury pomieszczenia po pozyskaniu ciepła obcego (słońce) (rys. 4).

Pomimo to jastrych grzewczy jeszcze przez ok. 2 godziny oddaje ciepło do pomieszczenia (dopóki podłoga nie wystygnie). Na rys. 5 zobrazowano przypadek krytyczny: napływ ciepła z obcego źródła ustaje, temperatura pomieszczenia spada w wyniku wcześniejszego wychłodzenia podłogi i termostat pokojowy otwiera się. Odzyskanie przez podłogę pełnej, stuprocentowej sprawności potrwa kolejne 2 godziny. Zastosowanie systemu automatycznego sterowania temperaturą pomieszczeń ma wprawdzie sens z punktu widzenia energooszczędności, nie nadaje się jednak do regulacji temperatury w pomieszczeniach, w których temperatura szybko się zmienia. W tym przypadku działa tylko efekt samoregulacji.

Efekt samoregulacji

W materiałach jednej z licznych w Niemczech organizacji branżowych (BVF) znaleźć można następujące sformułowanie: „Efekt samoregulacji w postaci natychmiastowej reakcji ogrzewania na zmiany zachodzące w pomieszczeniu pojawia się niezależnie od automatyki sterującej”. Efekt samoregulacji, działający najlepiej w niskich temperaturach, to skomplikowany, dynamiczny proces fizyczny.

W praktycznym uproszczeniu można założyć, że ilość ciepła oddawanego przez instalację ogrzewania podłogowego regulowana jest w najprostszy fizycznie sposób, bez zastosowania technicznych metod regulacji. U podstaw tego zjawiska leżą następujące, podstawowe prawa fizyki:

• ciepło przepływa zawsze z przestrzeni ciepłych do zimnych (od ciepłej podłogi do chłodniejszego powietrza w pomieszczeniu),
• natężenie przepływu ciepła zależy od różnicy temperatur przestrzeni ciepłej i zimnej.

Poniżej przedstawiono cztery uproszczone przykłady obrazujące efekt samoregulacji. W przykładach tych temperatura zewnętrzna, temperatura pomieszczenia (ścian ograniczających), temperatura powierzchni podłogi oraz przepływ wody grzewczej pozostają niezmienione. Tylko temperatura powietrza w pomieszczeniu ulega zmianie na skutek dopływu ciepła z obcych źródeł lub nagłego napływu zimnego powietrza z zewnątrz (podczas wietrzenia).

Na rys. 6 przedstawiono przykład przeciętnych warunków pracy instalacji w okresie grzewczym, bez zysków ciepła obcego. Przy przeciętnej temperaturze zewnętrznej i temperaturze powierzchni grzejnej wynoszącej 24°C podłoga przekazuje do pomieszczenia (uzupełnia) 100% ciepła traconego przez nie do otoczenia. Temperatura pomieszczenia utrzymywana jest na poziomie 20°C.

Na rys. 7 przedstawiono następującą sytuację: warunki brzegowe takie jak poprzednio, jednak temperatura pomieszczenia wzrosła do +22°C po wystąpieniu dopływu ciepła obcego. Ilość ciepłaoddawanego przez podłogę do pomieszczenia zmniejsza się o połowę, ponieważ różnica temperatur zmniejszyła się również o połowę.

W przypadku zobrazowanym na rys. 8 warunki brzegowe również są takie same, ale temperatura powietrza w pomieszczeniu wzrosła do +24°C z powodu skrajnie wysokich zysków ciepła obcego. Oddawanie ciepła przez podłogę spada do zera, nie ma przepływu ciepła.

Na rys. 9 przedstawiono inny przypadek: warunki brzegowe takie jak poprzednio, jednak temperatura powietrza w pomieszczeniu, po intensywnym wietrzeniu, spadła do poziomu +16°C.

Zaprezentowane przykłady w sposób znacznie uproszczony przedstawiają skomplikowany, dynamiczny proces fizyczny składający się na efekt samoregulacji.

Regulacja wydajności instalacji

Ze względu na ich zaawansowanie w kierunku optymalizacji zużycia energii na cele grzewcze celowo przywoływane są tutaj przepisy niemieckie – wymagania techniczne wg EnEV (zarządzenie dotyczące oszczędności energii, § 12 „Regulacja w instalacjach c.o.”). Zarządzenie to nie dotyczy tylko instalacji ogrzewania podłogowego. Zgodnie z nim instalacja powinna być wyposażona w co najmniej dwie działające jednocześnie formy regulacji:

• § 12.1 – Regulacja temperatury zasilania instalacji grzewczej w zależności od temperatury zewnętrznej. „Centralne urządzenia regulacyjne powinny, zgodnie z § 12 ustęp 1 EnEV, zapewnić utrzymanie w rurach instalacji grzewczej tylko takiej ilości ciepła, która może zostać zużyta w krótkim (najbliższym) okresie czasu. Wymaganie to służy ograniczeniu strat ciepła związanych z jego rozprowadzaniem i wytworzeniem”.
• § 12.2 – Pomieszczeniowa regulacja natężenia przepływu czynnika grzewczego (wydajności urządzenia grzejnego) w zależności od zadanej temperatury pomieszczenia. „Zgodnie z § 12 ustęp 2 EnEV pomieszczeniowe urządzenia regulacyjne powinny ograniczyć straty ciepła spowodowane niezamierzonym przegrzewaniem pomieszczeń poprzez uwzględnienie w regulacji różnych wartości zysków ciepła obcego w poszczególnych pomieszczeniach (np. od nasłonecznienia lub pobytu osób)”.

Regulacja instalacji – zasada działania i wykorzystanie w praktyce

Po wprowadzeniu wszystkich indywidualnych danych i parametrów danego budynku automatyka sterująca instalacji nastawia odpowiednią temperaturę zasilania stosownie do aktualnie panującej temperatury zewnętrznej. W prawidłowo zaprojektowanej i zrównoważonej hydraulicznie instalacji grzewczej – w przypadku braku zysków ciepła obcego – wystarczyłaby jedynie taka forma regulacji.

Rzeczywista regulacja wydajności urządzeń grzewczych w danym pomieszczeniu byłaby wówczas wynikiem działania efektu samoregulacji. Pomieszczeniowa regulacja temperatury umożliwia oszczędzanie energii dzięki regulowaniu natężenia strumienia przepływu czynnika grzewczego.

Wielokrotnie udowodniono, że poprawne zrówno ważenie hydrauliczne (sprawdzone przez wy-jednokonanie pomiarów) prowadzi do dalszych, bardzo istotnych oszczędności energii. Sytuacja przedstawiona na rys. 10: brak zysków ciepła obcego, zawór otwarty. Do pomieszczenia dopływa tylko ciepło z podłogi, które jako strata cieplna odpływa następnie na zewnątrz przez przegrody ograniczające.

Na rys. 11 zobrazowano następujący przypadek: wskutek napływu ciepła obcego (np. od promieniowania słonecznego) zawór zamyka się. Podłoga i ściany pomieszczenia wychładzają się w ciągu ok. 2 godzin. W bilansie cieplnym pomieszczenia powstaje deficyt będący skutkiem odcięcia przez termostat dopływu ciepła do podłogi. Szczególnie przy wystąpieniu krótkich, intensywnych napływów ciepła z obcych źródeł powstają zakłócenia, którym nie zapobiegnie nawet dynamiczny efekt samoregulacji. Ich następstwem są wahania temperatury ścian i podłogi w pomieszczeniu.

Rozłożenie rur grzewczych w mniejszych odstępach zapobiega w istotnym stopniu wystąpieniu deficytu w bilansie cieplnym, powoduje jednak zwiększone oddawanie ciepła przez podłogę do pomieszczenia. Następstwem sztucznego zwiększenia mocy grzewczej podłogi (przeprojektowania) jest częstsze włączanie i wyłączanie się zaworu termostatycznego. Bardziej użyteczny jest w takim wypadku taki zawór regulacyjny, który zamykając się, dławi przepływ o wartość natężenia odpowiadającą maksymalnej ilości ciepła pozyskanego z obcych źródeł (zawór o charakterystyce ciągłej).

Użycie zaworu o charakterystyce ciągłej zmniejsza wahania wydajności jastrychu grzewczego (ilości oddawanego przez niego ciepła). Temperatura ścian pomieszczenia i podłogi staje się stabilniejsza. Czujnik temperatury podłogi współpracujący z termostatem pokojowym, jak również niewymagający zasilania elektrycznego regulator podtynkowy z by-passem pomogą zminimalizować te problemy. Na rys. 12 przedstawiono zawór z by-passem w pozycji otwartej. Czynnik grzewczy dopływający do rur ogrzewania podłogowego jest podzielony na dwa strumienie – przez zawór i by-pass. Procentowy udział czynnika płynącego do instalacji przez by-pass może być nastawiony w zakresie 0–100%, zależnie od oczekiwanych w danym pomieszczeniu zysków ciepła obcego. W tym przykładzie można spodziewać się maksymalnie 50-proc. udziału ciepła obcego.

W sytuacji zobrazowanej na rys. 13 przy takich samych warunkach brzegowych występuje jednak zysk ciepła od nasłonecznienia. Termostat pokojowy zamyka się, redukując tym samym ilość ciepła dopływającego do powierzchni podłogi (oszczędność energii). Jednak pozostała ilość wody krążąca przez by-pass wystarczy, aby nie dopuścić do całkowitego wychłodzenia się podłogi. To rozwiązanie podwyższa komfort użytkowania instalacji. Kiedy słońce przestaje dogrzewać pomieszczenie, okres ponownego nagrzania się podłogi trwa krócej.

Instalacja ogrzewania podłogowego – wskazówki dla projektanta i wykonawcy

Najważniejszym warunkiem komfortowej i energooszczędnej eksploatacji instalacji ogrzewania podłogowego jest poprawne zaprojektowanie i przeliczenie instalacji, łącznie z wartościami nastaw wstępnych do zrównoważenia hydraulicznego.

Konstrukcja podłogi a ochrona przed hałasem

Coraz częściej pod jastrych grzewczy układa się warstwę termoizolacyjną spełniającą jednokonaniecześnie warunek dźwiękochłonności (przy takiej samej wysokości konstrukcji gwarantującą podwyższoną ochronę przed hałasem). Dąży się do osiągnięcia dźwiękochłonności rzędu 30–32 dB, np. dzięki zastosowaniu specjalnej wełny mineralnej. Jednak zbyt często spotyka się przypadki wykonania warstwy izolacyjnej z tanich płyt styropianowych, kupionych w markecie budowlanym.

Wykonawca opisuje je inwestorowi jako „płyty systemu Tacker”, choć konstrukcja wykonana z ich użyciem jest daleka od spełnienia jakichkolwiek wymagań norm. Najwyższa warstwa izolacji tuż pod jastrychem przejmuje z reguły funkcję pochłaniacza drgań akustycznych. Setki dybli kotwiących rurę wbijane są przez folię w izolację dźwiękochłonną.

W warunkach budowy nie da się uniknąć powstawania w ich sąsiedztwie mikroszczelin,  przez które jastrych wsiąka w głąb izolacji dźwiękochłonnej. Jej izolacyjność akustyczna ulega przy tym – wbrew zaleceniom producenta – niekorzystnemu dla końcowego efektu ograniczeniu. W konstrukcji mogą bowiem powstać tzw. mostki akustyczne. Zaleca się w takim przypadku, jeszcze przed wylaniem jastrychu, wykonanie ekspertyzy sprawdzającej jakość wykonania warstwy izolacyjnej i zamocowania rur.

Centralny rozdzielacz mieszkaniowy

Niektóre problemy pojawiające się w przypadku zastosowania centralnego rozdzielacza mieszkaniowego da się rozwiązać tylko przez rozmieszczenie w instalacji dwóch lub więcej rozdzielaczy (podobnie jak w przypadku instalacji grzejnikowej).

Umiejscowienie rozdzielacza

W korytarzach mieszkania mało jest ścian, na których można łatwo umieścić szafkę rozdzielacza o długości od 60 do 100 cm. Jeżeli już znajdziemy ściankę odpowiedniej długości, to musimy jeszcze sprawdzić jej grubość i przewidzieć końcowy efekt „wizualny”. Jeżeli w szafce rozdzielacza znajdą się przewody elektryczne, to za jej tylną ścianką nie może znajdować się łazienka. Zaleca się również unikanie montażu rozdzielaczy na ścianach sypialni, ponieważ elektryczne napędy zaworów w szafkach rozdzielacza mogą zakłócać ciszę nocną.

Rozłożenie rur dolotowych

Przebieg i sposób ułożenia rur dolotowych (odcinków rur pętli łączących pętle grzejne z rozdzielaczem) w korytarzu wewnętrznym wymaga zczególnie starannego przemyślenia. Jeżeli potraktujemy taki korytarz jako wydzielone pomieszczenie, to powinien on posiadać własną pętlę grzejną z możliwością regulacji i odcięcia. Jednak korytarz taki często nie potrzebuje ciepła, ponieważ otoczony jest przez pomieszczenia cieplejsze.

Brak odpowiedniej ilości miejsca wymusza często konieczność układania przewodów dolotowych w bardzo małych rozstawach (5 cm odstępu między rurami). Niskie straty ciepła korytarza i związany z tym niski jego odbiór z ogrzewania podłogowego powodują dość szybkie wyrównywanie się temperatur pomieszczenia i podłogi. W strefie rozdzielacza powstaje przestrzeń o temperaturze znacznie wyższej od 20°C.

Ekstremalnie wysoką temperaturę powierzchni podłogi w strefie rozdzielacza należy zasygnalizować wykonawcy pokrycia podłogi (zwłaszcza parkietu) i uzyskać pisemną akceptację tego faktu wraz z udzieleniem zlecenia („przyjmuję do wiadomości, że...”). Unikniemy w ten sposób odmowy uznania reklamacji uzasadnianej powołaniem się na przegrzaną podłogę. Izolując przewody dolotowe w strefie rozdzielacza, można ograniczyć problem wysokich temperatur, ale wykonawca jastrychu będzie miał prawdopodobnie kłopot z uzyskaniem minimalnego, zgodnego z normą tzw. przekrycia rur (grubości jastrychu nad najwyższym punktem rury z izolacją).

W korytarzach o niekorzystnej geometrii pewne obszary podłogi – te, których nie pokrywają ciepłe przewody dolotowe – będą pozostawały zimne. Nie tylko inwestor nie wyrazi zgody na „ciepłozimną” podłogę, ale także wykonawca jastrychu zgłosi związane z tym zastrzeżenia. W takiej sytuacji mogą bowiem wystąpić naprężenia termiczne zagrażające konstrukcji płyty podłogowej.

Albo docieplimy zimne obszary podłogi, zakładając jeszcze jedną pętlę grzejną, albo wychłodzimy jej ciepły fragment, układając odpowiednio zaizolowane rury dolotowe bezpośrednio na wylewce betonowej, pod izolacją termiczno-akustyczną. Rury dolotowe należy wyprowadzić spod płyt systemowych bezpośrednio przed rozdzielaczem. Przy odpowiedniej staranności wykonania nie powinno dojść do uszkodzenia izolacji.

Komunikacja termostatów pokojowych z rozdzielaczem

Termostat pokojowy komunikuje się z elementami sterującymi umieszczonymi w szafce rozdzielacza elektrycznie (wykorzystując okablowanie) lub drogą radiową. W zależności od wybranego systemu w rozmowie instalatora z inwestorem powinny zostać poruszone kwestie: pól elektromagnetycznych, kabli ekranujących, fal radiowych („smogu radiowego”), konserwacji instalacji elektrycznej, żywotności napędów nastawczych, zużycia prądu i inne związane z zasilaniem i sterowaniem ogrzewania podłogowego.

Literatura

1. Gabanyi P., Fussbodenheizung: innovation praktisch umgesetzt – eine Anlage ohne Kompromise, „Heizungsjournal” nr 4–5/2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!