envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Rosoła 10a
02-786 Warszawa

PI www

33W artykule omówiono tematykę wyboru pomiędzy tradycyjnym grzejnikiem konwekcyjnym, a grzejnikiem podłogowym, z punktu widzenia dopasowania go do typu i cech charakterystycznych danego pomieszczenia i instalacji. Wskazano, w jakich typach pomieszczeń i w jakich typach instalacji, z punktu widzenia zastosowanego źródła ciepła, lepiej sprawdzi się dany grzejnik i dlaczego. Za główne kryterium przyjęto warunki komfortu cieplnego pomieszczenia, a przede wszystkim rozkład temperatury w pionie i poziomie oraz temperatury powierzchni grzejników.

40Podłogówka, czy grzejnik konwekcyjny – który do jakiego typu pomieszczenia i dlaczego?
Grzejniki konwekcyjne są obecnie najpowszechniej stosowanymi typami grzejników. Wykonuje się je przede wszystkim ze stali, w postaci płyt/paneli i rur, a także jako aluminiowe, bądź żeliwne odlewy.
Grzejnik podłogowy, z punktu widzenia konstrukcji i zasady pracy, należy klasyfikować niezależnie, jako grzejnik płaszczyznowy. Do tego typu grzejników zalicza się ponadto grzejniki ścienne i sufitowe.
Grzejnik podłogowy znaczną część mocy cieplnej przekazuje na drodze promieniowania. Szacuje się, że udział promieniowania może sięgać nawet 70% (typowo 50%) [2, 3]. Promieniowanie cieplne polega na bezpośrednim przekazywaniu energii cieplnej od powierzchni ogrzewającej do powierzchni ogrzewanej, bez pośrednictwa innych ciał i substancji. Z uwagi na to, a także dlatego, że grzejnik ma bardzo dużą powierzchnię promieniującą ciepło i ogrzewa, mówiąc trywialnie, ze wszystkich stron, możliwe jest – przy zachowaniu tych samych warunków komfortu cieplnego [2, 3] – obniżenie temperatury powietrza o około 2°C, w stosunku do instalacji z klasycznymi grzejnikami konwekcyjnymi, które posiadają ograniczony zasięg cieplny.
Grzejniki konwekcyjne, z zasady, najczęściej większą część ciepła przekazują na drodze konwekcji, tj. ogrzewania powietrza, które cyrkuluje w pomieszczeniu. Udział ten zależy od typu i konstrukcji grzejnika konwekcyjnego. Im mocniej rozwinięta powierzchnia zewnętrzna wymiany ciepła grzejnika, tym większy ten udział. Np. dla grzejników stalowych 3-płytowych jest on większy, niż dla grzejników stalowych 2-płytowych. Najmniejszy udział promieniowania wśród stalowych grzejników płytowych charakteryzuje grzejniki z jedną płytą. Wynika to stąd, iż poszczególne płyty ekranują się wzajemnie. Jeśli np. grzejnik posiada 3 płyty, to środkowa płyta jest obustronnie ekranowana (zasłaniana) zewnętrznymi płytami, przez co promieniowanie z niej nie może bezpośrednio wydostać się do pomieszczenia. Ożebrowanie płyt dodatkowo zwiększa udział konwekcji w procesie oddawania ciepła, a tym samym zmniejsza udział promieniowania. Wskazówki, jakie są wartości tych udziałów, można znaleźć na przykład w normie PN-EN 442 [6]. W praktyce udział konwekcji może sięgać nawet ponad 90%, w przypadku zabudowy grzejnika lub zasłonięcia go zasłonami okiennymi. Takie bowiem usytuowanie ekranuje grzejnik, uniemożliwiając swobodne promieniowanie cieplne. Z powyższych argumentów, a także z przesłanek konstrukcyjno- eksploatacyjnych, wynikają pewne wnioski co do zasadności stosowania obu typów grzejnika – konwekcyjnego i podłogowego – w konkretnym pomieszczeniu i z konkretnym źródłem ciepła:
1. W pomieszczeniach wysokich bardziej uzasadnione jest użycie systemu ogrzewania podłogowego, niż grzejników konwekcyjnych. Zastosowanie w takich pomieszczeniach grzejników konwekcyjnych powoduje, że ogrzane powietrze zbiera się pod stropem, ponad strefą przebywania ludzi, powodując odczucie dyskomfortu cieplnego, tj. zbyt niskiej temperatury w dolnej strefie pomieszczenia. W celu poprawy sytuacji zwiększa się wtedy temperaturę zasilania i moc grzejnika, powodując jednak pogorszenie aspektów higienicznych – rośnie wtedy bowiem intensywność cyrkulacji powietrza. Ponadto rosną koszty eksploatacyjne.
2. Podobna sytuacja występuje w pomieszczeniach o dużej powierzchni, w których klasyczne grzejniki powodują powstawanie lokalnych stref cieplejszego powietrza, z uwagi na skończony zasięg cieplny, ograniczany strefą rozchodzenia się ogrzanego powietrza w poziomie. W takich sytuacjach należy zastosować kilka mniejszych grzejników. Grzejnik podłogowy natomiast, przekazując znacznie mniejszą ilość ciepła na drodze konwekcji, pozwala uniknąć obu powyższych problemów. Z uwagi na to, że grzejnik zabudowany jest na określonej powierzchni podłogi, temperatura w całym jej zakresie, zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej, jest równomierna. 3. Grzejniki podłogowe pracują na relatywnie niskich temperaturach czynnika grzewczego, w stosunku do grzejników konwekcyjnych. Wynika to zarówno z dużej powierzchni cieplnej, pozwalającej obniżyć jej temperaturę, w celu uzyskania założonej mocy, jak i z wymagań dotyczących maksymalnych dopuszczalnych wartości tej temperatury. Niska temperatura pracy daje możliwość efektywnego wykorzystywania alternatywnych i niskotemperaturowych źródeł energii, takich jak gazowe kotły kondensacyjne, pompy ciepła, kolektory słoneczne, czy też źródła geotermalne. Wszystkie one uzyskują wysokie sprawności przy niskich temperaturach pracy, a także charakteryzują się wyższą sprawnością energetyczną i egzergetyczną niż klasyczne rozwiązania, pozwalając zmniejszyć zużycie energii pierwotnej. Oprócz tego niższe temperatury pracy skutkują mniejszymi transportowymi stratami ciepła w przewodach, podwyższając efektywność energetyczną systemu. W systemach niskotemperaturowych również jest możliwe zastosowanie grzejników konwekcyjnych. Jednak liczyć trzeba się z tym, że wielkości takich grzejników będą duże.
4. Grzejniki podłogowe mogą nie sprawdzić się w pomieszczeniach o klasycznym, „przytulnym” wystroju, w którym duże dywany i wykładziny są istotnym elementem aranżacji. Problemem bowiem, związanym z grzejnikiem podłogowym jest jego duża wrażliwość na opór cieplny warstwy wierzchniej (wykończeniowej) podłogi. Parametry grzejnika, jak rozstaw rur, ich długość oraz temperatury pracy, są obliczane przy założeniu określonej wartości tego oporu i każda zmiana jego wartości powoduje zmianę wydajności cieplnej. W celu przywrócenia początkowej mocy cieplnej konieczna jest wówczas zmiana temperatury zasilania. Ten parametr jednak również przyjmuje wartości ograniczone w pewnym zakresie, wynikającym z pozostałych wymogów pracy elementów instalacji, na przykład kotła. Każdorazowo należy więc sprawdzić, czy zmiana rodzaju warstwy wierzchniej podłogi nie spowoduje niemożności uzyskania wymaganej mocy cieplnej grzejnika, której nie będzie można w pełni skompensować zmianą temperatury zasilania. Szczególnie wart uwagi jest przypadek, w którym dwoma alternatywnymi warstwami wierzchnimi są dywan i płytki ceramiczne. Charakteryzują się one bowiem znacząco różnymi oporami cieplnymi i zastosowanie dywanu znacznie ogranicza moc cieplną grzejnika podłogowego. W tym przypadku bardziej uniwersalnym rozwiązaniem jest grzejnik konwekcyjny.
5. Kolejnym mankamentem grzejników podłogowych jest to, że ich użycie narzuca określoną powierzchnię zabudowy podłogi, warunkującą moc cieplną. Sprawiać to może pewne problemy użytkowe, gdyż zmiana pierwotnie założonej aranżacji pomieszczenia, na przykład dodanie mebli – szaf, łóżka itp. – ogranicza powierzchnię wymiany ciepła i tym samym moc grzejnika. Sytuacja jest więc tutaj podobna jak w przypadku chęci zmiany warstwy wierzchniej grzejnika. Również w tym przypadku bardziej uniwersalnym rozwiązaniem jest grzejnik konwekcyjny.
6. Kolejnym czynnikiem, który może utrudniać stosowanie grzejników podłogowych jest ich ograniczona wydajność cieplna, warunkowana dopuszczalną temperaturą podłogi, wynikającą z aspektów zdrowotnych i odczucia komfortu cieplnego. Zbyt wysokie temperatury powierzchni, z którymi w sposób ciągły ma kontakt ludzka stopa, mogą być powodem kłopotów m.in. z krążeniem krwi. Różnica temperatur między powierzchnią podłogi a pomieszczeniem jest siłą napędową procesu wymiany ciepła, a więc zmniejszanie tej różnicy ogranicza moc cieplną. Na przykład, przy temperaturze wewnętrznej w pomieszczeniu na poziomie 20°C i zalecanej maksymalnej temperaturze grzejnika na poziomie 26°C otrzymuje się jednostkową moc cieplną równą 64 W/m2 [2, 3]. Jest to wartość dość mała i często niewystarczająca dla budynków w Polsce. Sytuacja ta się zmienia, z uwagi na coraz bardziej rygorystyczne wymagania prawne dotyczące energochłonności budynków, ale póki co również w tym przypadku bardziej uniwersalnym rozwiązaniem jest grzejnik konwekcyjny. Ograniczeniem związanym z grzejnikami podłogowymi jest również ich ograniczona nośność. Nie poleca się więc stosowania ich w halach produkcyjnych z ciężkimi maszynami lub elementami wymagającymi fundamentowania. Tutaj ponownie grzejnik konwekcyjny, jeśli wybór dokonywany jest między tymi dwoma wariantami, jest bardziej uzasadnionym rozwiązaniem.
7. Grzejnik podłogowy, zarówno, jeśli chodzi o sposób wykonana, jak i użyte materiały, musi spełnić wiele dodatkowych wymagań technicznych, niezwiązanych bezpośrednio z zasadą działania i sposobem obliczania wydajności cieplnej, a z trwałością, bezawaryjnością i bezpieczeństwem eksploatacji. Materiały użyte do wykonania warstwy wierzchniej powinny być przystosowane do pracy w podwyższonych temperaturach, nie emitować przy tym szkodliwych substancji lotnych (dotyczy to zwłaszcza materiałów tekstylnych z domieszką materiałów sztucznych, dywanów, wykładzin itp.), ani nie zmieniać w zbyt dużym zakresie swoich wymiarów geometrycznych. Materiały spełniające ten wymóg są najczęściej oznaczane w handlu symbolami zaprezentowanymi na rysunku 1. Pod tym względem również bardziej uniwersalnym rozwiązaniem jest grzejnik konwekcyjny.

34Maksymalna temperatura podłogi grzewczej
Powyżej wskazano, że jednym z ograniczeń grzejnika podłogowego jest dopuszczalna temperatura jego powierzchni. Jest to zagadnienie warte kilku słów komentarza, gdyż tego typu grzejnik jest w zasadzie jedynym, z którym bezpośredni kontakt ma ludzkie ciało.
Maksymalna wydajność cieplna grzejnika podłogowego zależy, przy danej temperaturze w pomieszczeniu, od temperatury podłogi grzewczej. Maksymalna dopuszczalna wartość tej temperatury zależy z kolei od przeznaczenia danego pomieszczenia, długości przebywania w nim ludzi oraz rodzaju noszonego obuwia [2, 3]. Jej wartości dla osób noszących lekkie obuwie domowe podaje m.in. raport CEN CR 1752:1998 [8], a za nim także norma PN-EN 1264 [5]. Zgodnie z tym raportem przyjmuje się następujące maksymalne wartości temperatury podłogi:
- dla pomieszczeń przeznaczonych na stały pobyt ludzi bez okryć zewnętrznych, niewykonujących w sposób ciągły pracy fizycznej, takich jak pokoje mieszkalne, przedpokoje, kuchnie, salony, biura itp. – 26°C. Dopuszcza się jednak zwiększenie tej wartości do 29°C, wskazując przy tym, że jest to powodem pogorszenia warunków komfortu cieplnego. Jednocześnie w cytowanym raporcie argumentuje się, że najbardziej optymalna wartość temperatury podłogi to około 23÷24°C, gdyż dla tej wartości występuje najniższa wartość parametru PPD (6%), mówiącego o tym, jak duży jest odsetek osób niezadowolonych z danych warunków cieplnych. Podobne wartości były w archiwalnej Polskiej 35Normie PN-85/N-08013 [4], będącej tłumaczeniem ówczesnej normy (teraz także normy polskiej) ISO 7730 [7].
- dla pomieszczeń o podwyższonej temperaturze, przeznaczonych do przebierania się, rozbierania i do pobytu ludzi bez odzieży, takich jak łazienki, rozbieralnie, umywalnie, natryskownie, hale pływalń, gabinety lekarskie z rozbieraniem pacjentów, sale operacyjne itp. – 33°C;
dla strefy brzegowej (pasy przyścienne lub przyokienne, szerokości do 1 m), o krótkim czasie przebywania ludzi – 35°C.
- dla miejsc pracy w pozycji stojącej, chociaż nie jest to ujęte w przedmiotowej normie, przyjmuje się maksymalną temperaturę podłogi na poziomie 27°C.
Ogólnie zaleca się, aby nadwyżka projektowej średniej temperatury powierzchni podłogi w stosunku do projektowej temperatury danej przestrzeni była nie większa niż 9°C.
W przypadku gołej stopy pod uwagę należy brać nie tylko temperaturę podłogi, ale także rodzaj materiału, z którego jest wykonana. Decyduje on bowiem w równej mierze, co temperatura, o odczuciu komfortu/dyskomfortu cieplnego. Znanym zjawiskiem jest to, że substancje i materiały „ciężkie”, o dużej gęstości i przewodności cieplnej, dają w kontakcie ze skórą odczucie niższej temperatury niż materiały „lekkie”, mimo tej samej temperatury danego przedmiotu. Nie jest to tylko subiektywne odczucie. Temperatury te, chociaż w stanie ustalonym są takie same, to w chwili kontaktu z ciałem o innej temperaturze zmieniają się. Na styku bowiem dwóch ciał ustala się wynikowa temperatura, o której decydują następujące ich parametry: przewodność cieplna, gęstość oraz ciepło właściwe. Parametr wiążący te trzy wielkości, warunkujący zdolność chłodzenia (bądź nagrzewania, zależnie od wzajemnej relacji temperatury obu stykających się ciał) danego materiału, jest nazywany współczynnikiem przyswajania ciepła i wyraża się wzorem:
37Temperaturę wynikowa na styku dwóch ciał w momencie ich kontaktu można wyrazić wzorem (indeksami 1 i 2 oznaczono parametry pierwszego i drugiego ciała) [2, 3]:
3839Im większa więc wartość współczynnika przyswajania ciepła danego materiału podłogi, tym większa jego zdolność do pochłaniana ciepła i chłodzenia stopy, a tym samym tym bliższa jego temperaturze jest wartość temperatury wynikowej w momencie styku ze stopą. Wszelkiego rodzaju materiały ceramiczne, betony itp. mają znacznie wyższe wartości gęstości, współczynnika przewodzenia ciepła i ciepła właściwego, niż np. drewno, dywany i inne tkaniny. Dlatego odczucie dyskomfortu cieplnego przy kontakcie stopy z zimnym dywanem jest mniejsze niż przy kontakcie z gołą podłogą o tej samej temperaturze.
Na podstawie zależności (2), znając dopuszczalny zakres zmienności temperatury wynikowej i temperaturę stopy (około 31÷32°C), można określić dopuszczalną zmienność temperatury danego materiału, użytego jako warstwa wierzchnia podłogi grzewczej. Na rysunku 2. zaprezentowano zakresy temperatury różnych materiałów warstwy wykończeniowej niepowodującej dyskomfortu cieplnego przy zetknięciu z bosą stopą. W tabeli 1. zestawiono wartości tego współczynnika dla najczęściej stosowanych materiałów w grzejnikach podłogowych. Przyjmuje się, że jeśli wartość współczynnika przyswajania ciepła jest na poziomie b ≤ 350, to podłoga jest odczuwana jako ciepła [2, 3].

36Literatura:
[1] Muniak D.: Grzejniki aluminiowe – fakty i mity. Cz. 4. Grzejnik aluminiowy a „podłogówka” – co lepsze i dlaczego? Polski Instalator, 8/2018 (272). str.: 16-18.
[2] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne. WNT/PWN. Warszawa 2016.
[3] Muniak D.: Radiators in hydronic heating installations. Structure, selection and thermal characteristics. Springer. Cham. Switzerland 2017.
[4] Polska Norma PN-85/N-08013P: Ergonomia. Środowiska termiczne umiarkowane. Określenie wskaźników PMV, PPD i wymagań dotyczących komfortu termicznego.
[5] Polska Norma PN-EN 1264-2+A1:2013: Wbudowane płaszczyznowe wodne systemy ogrzewania i chłodzenia.
[6] Polska Norma PN-EN 442:2015: Grzejniki i konwektory.
[7] Polska Norma 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.
[8] Raport CEN CR 1752:1998: Ventilation for Buildings – Design Criteria for Indor Environment. European Committee for Standardization. 1998.

Spis symboli
b – współczynnik przyswajania ciepła, J/(m2·s0,5·K),
t – temperatura, °C,
λ – współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m·K),
ρ – gęstość, kg/m3,
c – ciepło właściwe, J/(kg·K).

 

Autor: Damian Muniak - Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechnika Krakowska


 

pi