Komfort cieplny a system ogrzewania. Przegląd aktualnych badań

Badania warunków komfortu cieplnego

Wielu badaczy poddaje analizie porównawczej systemy ogrzewania konwekcyjnego i płaszczyznowego. W pracach ocenia się najczęściej zużycie energii, emisję CO2, koszty eksploatacji instalacji [1, 4, 6, 10]. Wyniki badań pokazują, że ogrzewanie płaszczyznowe charakteryzuje się wieloma zaletami w stosunku do konwekcyjnego.

Autorzy [7] przeprowadzili symulacje komputerowe CFD (Computational Fluid Dynamics) dla modelu pomieszczenia o wysokości 2,7 m i powierzchni podłogi 2,4×4,8 m. Porównano rozkład temperatury, prędkość przepływu powietrza oraz wskaźnik komfortu cieplnego PPD dla czterech sposobów ogrzewania:

• grzejnik płytowy zasilany wodą o temperaturze 55°C – MT (medium temperature),

• grzejnik płytowy zasilany wodą o temperaturze 90°C – HT (high temperature),

• ogrzewanie podłogowe zasilane wodą o temperaturze 35°C VLT (very low temperatures),

• ogrzewanie ścienne zasilane wodą o temperaturze 35°C VLT (very low temperatures).

W analizie przyjęto temperaturę obliczeniową w pomieszczeniu 22°C na wysokości 1 m nad powierzchnią podłogi w centralnym punkcie pomieszczenia.

Symulacje przeprowadzono dla dwóch systemów infiltracji powietrza do pomieszczenia:

• pomieszczenie I – powietrze dostarczane przez 48 małych otworów na obwodzie ramy okna,

• pomieszczenie II – powietrze dostarczane przez pojedynczy otwór o szerokości 0,4 m i wysokości 0,03 m umieszczony nad oknem.

Wielkości otworów infiltracyjnych pozwoliły na osiągnięcie strumienia powietrza wentylacyjnego 0,007 m³/s. W analizie uwzględniono przenikalność ściany zewnętrznej ze współczynnikiem przenikania ciepła U = 0,35 W/(m² K). Obliczenia przeprowadzono dla typowych warunków zimowych Szwecji w okresie grudzień–marzec, tzn. dla temperatury zewnętrznej powietrza równej –5°C.

W obliczeniach przyjęto metabolizm M = 1,2 met oraz opór cieplny odzieży Icl = 1 clo. Zdefiniowano obszar przebywania ludzi jako część pomieszczenia do wysokości 1,8 m i odległości od wszystkich ścian równej 0,6 m. W tab. 3 opisano położenie i wymiary powierzchni grzejnych oraz ich temperaturę.

W wyniku symulacji CFD autorzy otrzymali pole prędkości i pole temperatury w pomieszczeniu I w zależności od rodzaju ogrzewania. W przypadku ogrzewania podłogowego i ściennego strumień powietrza o prędkości powyżej 0,2 m/s dociera przy podłodze prawie do połowy strefy przebywania ludzi. W przypadku ogrzewania z grzejnikami płytowymi gorące powietrze unoszące się nad grzejnikami blokuje powietrze zimne, zanim dotrze ono do strefy przebywania ludzi.

We wszystkich rozpatrywanych przypadkach temperatura w strefie przebywania ludzi wynosi ok. 22°C, co jest optymalną temperaturą w pomieszczeniu w okresie zimowym.

Rozkład wskaźnika PPD w pomieszczeniu I w zależności od rodzaju ogrzewania przedstawia rys. 1.

Zarówno dla ogrzewania podłogowego, jak i ściennego wskaźnik PPD wynosi 5% w znacznej części strefy przebywania ludzi. Natomiast w przypadku ogrzewania grzejnikiem płytowym zarówno w systemie średnio, jak i wysokotemperaturowym wskaźnik PPD jest nieco wyższy i w większości strefy przebywania ludzi wynosi 8%.

W pomieszczeniu II rozkład prędkości powietrza różni się w zależności od zastosowanego systemu ogrzewania. W przypadku ogrzewania podłogowego obszary o dużej prędkości powietrza występują zarówno blisko ścian, jak i sufitu. Jednak w strefie przebywania ludzi nie przekracza ona 0,15 m/s.

W przypadku ogrzewania grzejnikami płytowymi największą prędkość powietrze osiąga w pobliżu ściany z oknem. Natomiast w pobliżu ściany przeciwległej do ściany z oknem powietrze jest prawie nieruchome.

W przypadku ogrzewania ściennego strumień powietrza opada na podłogę, następnie przepływa w pobliżu ścian, gdzie jego prędkość wzrasta w kontakcie z ciepłymi powierzchniami ścian wewnętrznych. Później płynie pod sufitem i opada pośrodku pomieszczenia.

Uzyskane izolinie prędkości mają przełożenie na wartości wskaźnika PPD (rys. 2).

Czytaj też: Rozdzielacze ogrzewania płaszczyznowego >>>

W przypadku grzejnika płytowego HT najlepsze warunki panują w strefie przebywania ludzi w pobliżu ściany z oknem (PPD 5%). W przypadku ogrzewania podłogowego najbardziej stały rozkład PPD uzyskujemy w strefie przebywania ludzi.

Podsumowując swoje badania, autorzy stwierdzili, że:

1. W przypadku ogrzewania podłogowego i ściennego prędkość powietrza przy podłodze przekroczyła 0,15 m/s, co może być przyczyną dyskomfortu lokalnego.

2. Wszystkie cztery rozpatrywane systemy ogrzewania zapewniają komfortowe warunki termiczne w znacznej części strefy przebywania ludzi.

3. W przypadku ogrzewania podłogowego zastosowanie strefy brzegowej wpłynęłoby pozytywnie na warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniu.

Autorzy [3] przeprowadzili pomiary temperatury powietrza w pomieszczeniu testowym w celu określenia pionowego rozkładu temperatury powietrza dla dwóch systemów ogrzewania:

• grzejnik konwekcyjny,

• grzejnik podłogowy.

Pomieszczenie testowe zlokalizowano na I piętrze budynku wewnątrz dużej zamkniętej hali. Jako zewnętrzną przegrodę przyjęto ścianę z oknem. Po jej drugiej stronie utrzymywano zadaną temperaturę 0, –6, –10 i –18°C.

Straty ciepła występowały jedynie przez ścianę zewnętrzną. Powietrze wentylacyjne dostarczano do pomieszczenia przez kratkę wentylacyjną umieszczoną na ścianie wewnętrznej przeciwległej do zewnętrznej. Temperaturę mierzono w odległości 0,55 i 2,1 m od okna na różnych wysokościach.

W wyniku przeprowadzonych pomiarów uzyskano pionowe profile temperatury przedstawione na rys. 3 i rys. 4.

Badania wykazały, że pionowy profil temperatury uzyskany w przypadku zastosowania grzejnika podłogowego jest bardziej zbliżony do idealnego, który charakteryzuje się zwiększoną temperaturą na poziomie stóp oraz zmniejszoną na wysokości głowy.

Różnica temperatury pomiędzy poziomem głowy siedzącego człowieka (1,1 m) a jego kostkami (0,1 m) w odległości 2,1 m od przegrody zewnętrznej w badanym pomieszczeniu wynosi:

• od 0,18 do 0,79 K przy ogrzewaniu grzejnikiem konwekcyjnym,

• od –0,08 do –0,14 K przy ogrzewaniu podłogowym (znak „–” wynika z tego, że temperatura na wysokości kostek była wyższa od temperatury na poziomie głowy).

Taka zmienność temperatury powietrza nie powoduje lokalnego dyskomfortu.

Autorzy [5] w swojej pracy opisali badania numeryczne ruchu powietrza i rozkładu temperatury dla pomieszczenia mieszkalnego położonego w Turcji dla temperatury zewnętrznej –3°C. Symulację zagadnienia przeprowadzono w programie ANSYS FLUENT 12.1.

Geometrię pomieszczenia wraz z lokalizacją instalacji grzewczych pokazano na rys. 5.

Uwzględniono przenikanie ciepła przez ścianę zewnętrzną (ściana po lewej stronie) o współczynniku U = 0,34 W/(m² K). Obliczenia wykonano dla dwóch wariantów ogrzewania: podłogowego i ściennego.

W wyniku przeprowadzonej symulacji numerycznej uzyskano pole prędkości w pomieszczeniu (rys. 6).

Struktura ruchu powietrza jest zupełnie odmienna w zależności od zastosowanego systemu ogrzewania. Ogrzewanie podłogowe wywołuje intensywny ruch powietrza, który obejmuje całe pomieszczenie z wyjątkiem naroży, podczas gdy ogrzewanie ścienne wywołuje jedynie stosunkowo słaby ruch powietrza przy przegrodach. W tym wypadku powietrze jest praktycznie nieruchome w strefie przebywania ludzi.

Czytaj też: Ogrzewanie płaszczyznowe – wybrane przesłanki wyboru systemu >>>

Zgodnie z wytycznymi zawartymi w normie PN-EN ISO 7730 [9] graniczna prędkość przepływu powietrza w pomieszczeniu powinna wynosić 0,15 m/s. Większa prędkość może wpływać na dyskomfort lokalny.

Jak widać na rys. 6, w przypadku pomieszczenia z ogrzewaniem podłogowym prędkość powietrza sięga 0,19 m/s i przekracza graniczną prędkość przepływu powietrza w pomieszczeniu, co może powodować dyskomfort lokalny. Przy zastosowaniu ogrzewania ściennego maksymalna prędkość to ok. 0,12 m/s.

Pole temperatury w pomieszczeniu przedstawia rys. 7.

W przypadku zastosowania ogrzewania podłogowego w pomieszczeniu występuje praktycznie jednorodne pole temperatury z wyjątkiem obszaru w pobliżu podłogi i ściany zewnętrznej.

Największa różnica temperatury występuje na wysokości ludzkiej kostki. Natomiast w przypadku zastosowania ogrzewania ściennego widoczna jest wyraźnie stratyfikacja pola temperatury.

Najniższa temperatura panuje blisko podłogi, najwyższa zaś blisko sufitu, przy czym gradient temperatury w pionie jest mniejszy niż 0,6 K, co nie powinno powodować dyskomfortu u osób przebywających w pomieszczeniu.

Autorzy [12] dokonali oceny komfortu cieplnego w pomieszczeniu biurowym w zależności od systemu ogrzewania (grzejnik podłogowy, konwekcyjny grzejnik płytowy) w oparciu o wskaźniki komfortu PMV i PPD otrzymane za pomocą programu Thermal Comfort. Wskaźniki te określono w różnych miejscach pomieszczenia (odległość od okna), dla różnych wartości metabolizmu i izolacyjności cieplnej odzieży:

• M = 3,4 met; I_cl = 0,67 clo,

• M = 1 met; I_cl =0,90 clo,

• M = 1,1 met; I_cl = 0,29 clo.

W obliczeniach przyjęto temperaturę powietrza w pomieszczeniu 22°C, wilgotność względną powietrza 55%, temperaturę podłogi: 20°C – grzejnik konwekcyjny, 29°C – ogrzewanie podłogowe. Otrzymane przez autorów wyniki przedstawiono w postaci wykresów (rys. 8, rys. 9 i rys. 10).

Z przeprowadzonych badań wynika, że:

1. Wskaźnik PMV przy zadanych warunkach ma wartość bliską 0, niezależnie od systemu ogrzewania, tylko dla pary wartości M = 1 met – Icl = 0,9 clo. Dla dwóch pozostałych par parametrów „metabolizm – izolacyjność cieplna odzieży” odsetek niezadowolonych z warunków cieplnych był wyższy niż 35%.

2. Wskaźnik PMV przy M = 1 met – Icl = 0,9 clo jest niższy o 47–94% w przypadku zastosowania w pomieszczeniu ogrzewania podłogowego w porównaniu z pomieszczeniem ogrzewanym grzejnikiem płytowym. Zatem pierwszy system ogrzewania zapewnia lepsze warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniu.

Podsumowanie

Badania wykazują, że rozkład temperatury, a także prędkość przepływu powietrza w badanym pomieszczeniu (parametry komfortu cieplnego) różnią się w zależności od zastosowanego systemu ogrzewania. Lepszą jakość komfortu termicznego zapewnia system płaszczyznowy. Zastosowanie ogrzewania podłogowego gwarantuje uzyskanie pionowego

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

Literatura

1. Bojić M. i in., Energy, cost, and CO2 emission comparison between radiant wall panel systems and radiator systems, „Energy and Buildings” Vol. 54, 2012, p. 496–502.

2. Fanger P.O., Thermal Comfort, Krieger Publ. House, Malambar 1982.

3. Hasan A. i in., A combined low temperature water heating system consisting of radiators and floor heating, „Energy and Buildings” Vol. 41, 2009, p. 470–479.

4. Imanari I. i in., Thermal comfort and energy consumption of the radiant ceiling panel system. Comparison with the conventional all-air system, „Energy and Buildings” Vol. 30, 1999, p. 167–175.

5. Karabay H. i in., A numerical investigation of fluid flow and heat transfer inside a room for floor heating and wall heating system, „Energy and Buildings” Vol. 27, 2013, p. 471–478.

6. Miriel J. i in., Radiant ceiling panel heating-cooling system: experimental and simulated study of the performances, thermal comfort and energy consumptions, „Applied Thermal Engineering”, Vol. 22, 2002, p. 1861–1873.

7. Myhren J.A., Holmberg S., Flow patterns and thermal comfort in a room with panel, floor and wall heating, „Energy and Buildings” Vol. 40, 2008, p. 524–536.

8. PN-EN ISO 15831:2006 Odzież. Właściwości fizjologiczne. Pomiar izolacyjności cieplnej z zastosowaniem manekina termicznego.

9. PN-EN ISO 7730:2006 Ergonomia środowiska termicznego, Analiza, wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczenia wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego.

10. Rahimi M., Sabernaeemi A., Experimental study of radiation and free convection in an enclosure with a radiant ceiling heating system, „Energy and Buildings” Vol. 42, 2010, p. 2077–2082.

11. Sabiniak H., Szyda A., Niskotemperaturowe systemy ogrzewania płaszczyznowego. Przegląd aktualnej wiedzy, „Instal” nr 10/2014, s. 36–40.

12. Sarbu I., Sebarchievici C., A study of the performances of low-temperature heating system, „Energy Efficiency” Vol. 8, 2014, p. 609–627.

13. Żukowski M., Ogrzewania podłogowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2009.

Czytaj też: Nowoczesne sterowanie ogrzewaniem podłogowym >>>