Żeby nie być stratnym
Ogrzewanie podłogowe to komfort. Komfort jednolitego pola temperatury w pomieszczeniu, korzystnego jej rozkładu w pionie, ale też komfort ciepłej podłogi. Jest to jedna z pierwszych rzeczy jaką zauważa się, gdy zmieni się lokal z takiego wyposażonego w klasyczne grzejniki konwekcyjne na taki z grzejnikami podłogowymi, zwłaszcza, jeśli rozpatrujemy podłogę leżącą na gruncie, bądź nad nieogrzewaną piwnicą.

W przypadku instalacji z klasycznymi grzejnikami podłoga jest zimna z prostego powodu – przestrzeń (grunt, powietrze) pod nią jest zimna, ma temperaturę niższą, niż przestrzeń ogrzewana nad nią. A co jeszcze z tego wynika? Skoro podłoga jest zimna to znaczy, że ciepło z przestrzeni ogrzewanej „ucieka” do niej, podobnie, jak ciepło ucieka do otoczenia zewnętrznego przez ściany zewnętrzne, dach, czy okna. W przypadku ogrzewania podłogowego pod tą podłoga, a raczej w niej samej, zainstalowana jest rura, którą krąży ciepły czynnik i tę podłogę ogrzewa.

Co z tego wynika? No oczywiście to, że jest ona ciepła, ale też to, że część ciepła transportowanego przez tę rurę „ucieka” do gruntu. Czy coś jeszcze? Tak – to, że ciepło nie ucieka już z przestrzeni ogrzewanej, nad podłogą, do gruntu przez tę podłogę. Skoro ma ona wyższą temperaturę, niż ta przestrzeń, to ciepło „idzie” w górę, a nie w dół. I tu należy się na chwilę zatrzymać. Pewnie u części z czytelników zapaliła się teraz w wyobraźni lampka odkrywcy i pomysł na, jeszcze nie wiadomo co tak konkretnie, ale na pewno coś fajnego. No bo skoro nie ma tych strat, to znaczy, że możemy zaoszczędzić energię, poprawić wskaźniki istotne z punktu widzenia charakterystyki energetycznej budynku/lokalu i zakomunikować tę innowację światu! Uspokajam więc i trochę studzę zapał – nie, nie jest to jakieś wielkie odkrycie, ta sytuacja i dyskusja nad nią jest znana i już dość leciwa, zwłaszcza w kręgach projektantów instalacji ogrzewczych. Za rozwiązanie tego dylematu nie dostaniemy więc żadnej nagrody.

Ale co więc zrobić – uwzględniać te straty, czy ich nie uwzględniać? Nie uwzględniać! – powie pewnie spora grupa czytelników. Wszak powyższa analiza logicznie i wprost wskazuje, że tak należy zrobić. Dobrze, dobrze – logika logiką, a prawo prawem...Obliczanie strat ciepła przez przegrody jest częścią procedury wyznaczania tzw. projektowego obciążenia cieplnego budynku i jego poszczególnych pomieszczeń, czyli po prostu mocy, jaka jest potrzebna, do ogrzania przestrzeni do założonej wewnętrznej temperatury projektowej, przy założonej zewnętrznej temperaturze projektowej. Procedura ta jest częścią normy przedmiotowej [4] a norma ta jest powołana w akcie prawnym [8]. Problem właśnie w tym, że owa norma nie przewiduje opisanej sytuacji i nie dopuszcza możliwości nieuwzględniania strat ciepła przez podłogę, w dół, do gruntu, czy też przestrzeni nieogrzewanej. Norma nie przewiduje bowiem sytuacji w której podłoga taka ma wyższą temperaturę, niż przestrzeń ogrzewana nad nią. Jak więc rozwiązywanie tego problemy ma miejsce w praktyce, przez projektantów? Otóż część z nich zjawiska jest świadoma i świadomie strat tych nie uwzględnia, część z nich zjawiska jest świadoma i świadomie straty te uwzględnia, a część z nich jest tego zjawiska nieświadoma i nieświadomie straty te uwzględnia. Którzy się „podkładają”, a którzy są „kryci”? W najlepszej sytuacji są ci nieświadomi – wszak niewiedza jest błogosławieństwem, jak to się często mówi i w którym to powiedzeniu jest wiele prawdy. A ci pierwsi i drudzy? No cóż, w świetle prawa oba warianty są dopuszczalne, ale to też nie dlatego, że prawo je opisuje i dopuszcza, a dlatego, że polskie normy nie są obowiązkowe do stosowania i nie ma w związku z tym też obowiązku wykonywania obliczeń zgodnie z ich zapisami, nawet, jeśli dana norma jest powołana w alcie prawnym (co szczegółowo opisałem w artykule [3). Pozostaje więc zdać się na swoją wiedzę i...logikę właśnie.

W artykule [2] podjąłem temat związany z porównaniem energochłonności budynku mieszkalnego („jednorodzinnego”) w zależności od tego, jakiego typu grzejniki zostały użyte w jego instalacji ogrzewczej. Wskazałem tam, że generalnie „podłogówka” jest bardziej energooszczędna od instalacji z grzejnikami konwekcyjnymi, bo pozwala zredukować straty ciepła pomieszczeń do otoczenia. Możliwość ta jednak wynikała w tamtym przypadku wprost i tylko z możliwości obniżenia temperatur projektowych w ogrzewanych pomieszczeniach – „podłogówka” zapewnia te same wskaźniki odczucia/komfortu cieplnego co klasyczne grzejniki konwekcyjne, przy nieco niższych temperaturach powietrza w pomieszczeniu. W praktyce mamy jednak właśnie ten dodatkowy aspekt, opisany w tym artykule.

Przykład
Jako przykład wziąłem do analizy ten sam budynek i tę samą instalację, które omówiłem we wspomnianym artykule [2]. Podobnie też jak tam i tutaj rozważania są przeprowadzone dla budynku usytuowanego w Krakowie, czyli 3 strefie klimatycznej, według formalno-prawnego podziału terenu Polski na zimowe strefy klimatyczne. Słowem – wszystko jest tak samo, tyle tylko, że teraz dwoma porównywanymi wariantami są wariant z podłogówką z uwzględnienie strat ciepła do gruntu i wariant z podłogówką bez uwzględniania strat ciepła do gruntu. Dzięki temu wyniki tamtych i tych obliczeń można bezpośrednio ze sobą porównać. Dla przypomnienia na rysunkach 1–4 i w tabeli 1 przytoczyłem podstawowe dane dotyczące analizowanego budynku i jego instalacji ogrzewczej.

Wyniki obliczeń
Wyniki obliczeń stanowią dwie grupy parametrów – obliczenia cieplne budynku i obliczenia hydrauliczne instalacji ogrzewczej. W tabeli 2 zabrałem wyniki obliczeń projektowego obciążenia cieplnego Φ_HL i sezonowego zapotrzebowanie na energię do ogrzewania Q_{H, nd}. Zestawiłem tam również procentową różnicę tych wielkości, jako wartość z wariantu bez uwzględnieniem strat ciepła do gruntu do wariantu z uwzględnieniem tych strat.

W tabeli 3 zabrałem wyniki obliczeń wybranych parametrów hydraulicznych zaprojektowanej instalacji, a także procentowe różnice tych wartości, liczone analogicznie, jak wcześniej. Te parametry to minimalne ciśnienie czynne (pompowe) Δp wymagane do prawidłowej pracy instalacji oraz projektowy strumień masowy ṁ i objętościowy V̇ czynnika.

Moc elektryczna P_el pobierana przez daną pompę obiegową zależy od parametrów punktu pracy, tj. wytwarzanej różnicy ciśnienia i strumienia objętościowego czynnika, które składają się na moc hydrauliczną (pompowania) P_hyd, która wyrażą się wzorem (1), gdzie Δp wyrażane jest w [Pa], a V̇ [m³ /s]: 

Moc elektryczna zależy ponadto od sprawności całkowitej pompy, warunkowanej wieloma czynnikami. W związku z tym całkowita moc elektryczna pobierana przez pompę jest większa od mocy hydraulicznej, potrzebnej do pompowania czynnika. Moc elektryczną, jaką pobiera typowa pompa obiegowa w instalacji ogrzewczej, można wyznaczyć zgodnie z rozporządzeniem [7] i normą [5]. Podaje się tam następującą zależność obliczeniową, przy założeniu, że maksymalna moc hydrauliczna P_{hyd, max} to moc dla najwyższego biegu dobranej pompy i maksymalnej mocy hydraulicznej, jaką dysponuje dana pompa.

Policzona z użyciem wzoru (1), minimalna wymagana moc P_hyd potrzebna do pompowania czynnika i co za tym idzie także wymagana moc elektryczna P_el do napędu pompy, jest mocą wymaganą w warunkach projektowych, wynikających z projektowych, tj. minimalnych temperatur zewnętrznych (w danej strefie klimatycznej). Jest to więc moc maksymalna w trakcie sezonu ogrzewczego. Zwykle występuje ona tylko przez kilka dni, a nierzadko nie występuje wcale w danym sezonie ogrzewczym, gdyż jest pochodną warunków projektowych, które z zasady charakteryzują się małym prawdopodobieństwem wystąpienia. W pozostałym okresie moc ta jest mniejsza i zmienia się wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej. W związku z tym, aby wyznaczyć energię, jaka będzie zużywana do pompowania czynnika, konieczna jest znajomość wartości średniej mocy elektrycznej pobieranej przez pompę, tj. znajomość całosezonowego harmonogramu jej pracy, zwanego także profilem obciążenia. Moc tę można wyznaczyć jako średnią ważoną P_{L, avg} po czasie pracy pompy na danym obciążeniu, zgodnie z rozporządzeniem [7] i normą [6], ze wzoru (3):

Wzór ten mówi, że pompa pracuje na 100% wydajności przez 6% czasu pracy, na 75% wydajności przez 15% czasu pracy, na 50% wydajności przez 35% czasu pracy, a na 25% wydajności przez 44% czasu pracy. W tabeli 4 zestawiono wyniki obliczeń mocy hydraulicznej P_hyd, mocy elektrycznej P_el i średniej ważonej mocy elektrycznej P_{L, avg} pobieranej przez pompę, oraz stosunek procentowy tych wartości, liczony analogicznie, jak poprzednio.

W oparciu o znajomość mocy P_{L, avg} i czas t_pomp pracy pompy w sezonie ogrzewczym można wyznaczyć wartość zużytej energii elektrycznej E_pomp. Zakładając, że pompa pracuje przez całą dobę i wtedy, gdy wymagane jest zapotrzebowanie na energię do ogrzania budynku, czas ten będzie równy liczbie dni (dób) L_d , jaka została założona do obliczeń sezonowego zapotrzebowania na energię cieplną budynku. Wówczas energię tę można wyznaczyć ze wzoru (3):

Dla lokalizacji krakowskiej założona liczba dni sezonu ogrzewczego to 222. Wyniki obliczeń, wraz ze stosunkiem procentowym tych wartości, zestawiono w tabeli 5.

W tabeli 6 zbiorczo zestawiłem obliczone wcześniej Q_{H, nd} i E_pomp, zsumowaną z tych dwóch wielkości, całkowitą ilość zużywanej energii, a także ich stosunek procentowy.

Wnioski
Jak zasygnalizowałem na początku artykułu i co jest dość logicznym założeniem, nawet niewymagającym dowodu obliczeniowego, nieuwzględnienie strat ciepła od przestrzeni ogrzewanych przez podłogę do gruntu, czy do środowiska zewnętrznego, skutkuje niższą wartością projektowego obciążenia cieplnego budynku, niższą wartością sezonowego zapotrzebowania na energię cieplną do jego ogrzewania, a także niższą sumaryczną wartością całkowitego zapotrzebowania na energię – cieplną do ogrzewania budynku i elektryczną do napędu pompy obiegowej, w porównaniu z sytuacją uwzględnienia tych strat.

Zatem np. gdy podłoga z grzejnikiem znajduje się na gruncie, bądź jest stropem zewnętrznym (np. podłoga nad przejazdem), to nie występują przez tę podłogę straty ciepła z przestrzeni ogrzewanej do otoczenia. Jednak zastosowanie grzejnika podłogowego może się wiązać ze zwiększonymi stratami ciepła od samego grzejnika do środowiska zewnętrznego (w dół), dlatego też normy przedmiotowe wskazują potrzebę zastosowania odpowiedniej izolacji cieplnej podłogi, w warstwach pod wężownicą. Odpowiednia izolacja powinna być stosowana także w przypadku instalacji z klasycznymi grzejnikami konwekcyjnymi, gdyż w obecnie panujących standardach instalacyjnych przewody doprowadzające czynnik do grzejników też są prowadzone w podłodze, aczkolwiek są zwykle dodatkowo izolowane otulinami izolacyjnymi.

Wartości otrzymane w przeprowadzonej analizie mogą być pewnym ogólnym wskaźnikiem, miarodajnym zwłaszcza dla budynków wolnostojących, maksymalnie trzykondygnacyjnych. Wynika to stąd, że jeśli mają być w analizie pominięte straty ciepła od przestrzeni ogrzewanych do gruntu (w dół), to dotyczyć to może tylko tych przestrzeni, w których podłogi leżą na gruncie, bądź są stropami zewnętrznymi. Dotyczy to zwykle tylko jednej całej kondygnacji, np. gdy:

• Budynek nie ma podpiwniczenia i cała podłoga na parterze leży na gruncie;
• Cały budynek jest podpiwniczony i cała podłoga w piwnicy leży na gruncie (wówczas parter nie leży na gruncie); lub dwóch kondygnacji, gdy:
• Budynek jest częściowo podpiwniczony. Wówczas podłoga w piwnicy w całości leży na gruncie, a podłoga parteru częściowo leży na gruncie, a w części, w której jest podpiwniczona, leży nad przestrzenią piwnicy.

Wszystkie kondygnacje powyżej tych kondygnacji nie posiadają podłóg leżących na gruncie, a w przypadku budynków wolnostojących („jednorodzinnych”) nie posiadają też podłóg, które mogą być stropami zewnętrznymi. Zatem im więcej kondygnacji posiada budynek, tym mniejszy jest udział strat ciepła do gruntu w całościowych stratach ciepła i tym mniejsze są różnice końcowych wyników obliczeń przy ich nieuwzględnieniu.

Szczegółowe obliczenia i wyniki obliczeń dla wszystkich pięciu stref klimatycznych znaleźć można w artykule [1]. Przypadkowo okazało się tutaj, że dla rozpatrywanej w tym artykule III strefy klimatycznej różnica w całkowitym zużyciu energii pomiędzy dwoma porównywanymi wariantami jest najmniejsza ze wszystkich analizowanych stref klimatycznych. I obiektywnie rzecz biorąc owe trochę ponad 3% to nie jest za dużo. Ale już np. 8% to sporo, a taka właśnie sytuacja ma miejsce dla V strefy klimatycznej. Jeśli, natomiast, wyniki odniesiemy do wyników uzyskiwanych dla instalacji ogrzewczej wyposażonej w grzejniki konwekcyjne, to całkowite zużycie energii różni się już nawet prawie 28% dla V strefy klimatycznej, a dla III strefy klimatycznej jest to ponad 21%. Jest więc o co walczyć.

Materiały źródłowe:
[1] Muniak D.: Energochłonność budynku jednorodzinnego wyposażonego w podłogową instalacją ogrzewczą przy uwzględnieniu i nieuwzględnieniu strat ciepła do gruntu. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 55/11/2024, str.: 7–13
[2] Muniak D.: Podłogówka, czy zwykły grzejnik – co jest tańsze w eksploatacji i dlaczego?, Polski Instalator, 10/2025 (330), str.: 4-9. Wersja on-line: https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/instalacje-grzewcze/3467pod%C5%82og%C3%B3wka,-czy-zwyk%C5%82y-grzejnik%E2%80%93-co-jest-ta%C5%84sze-w-eksploatacji-i-dlaczego
[3] Muniak D.: Polskie Normy – (nie) obowiązkowość stosowania, Polski Instalator, 9/2021 (297), str.: 38–41. Wersja on-line: https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/prawo-i-finanse/3253-polskie-normy-%E2%80%93-nie-obowi%C4%85zkowo%C5%9B%C4%87-stosowania
[4] Polska Norma PN-EN 12831:2006: Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego
[5] Polska Norma PN-EN 16297–1:2013–04 – Pompy – Pompy wirowe – Pompy obiegowe bezdławnicowe – Część 1: Wymagania ogólne oraz procedury badań i obliczeń wskaźnika energochłonności (EEI)
[6] Polska Norma PN-EN 16297–2:2013–04 – Pompy – Pompy wirowe – Pompy obiegowe bezdławnicowe – Część 2: Obliczanie wskaźnika energochłonności (EEI) dla wolnostojących pomp obiegowych
[7] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 622/2012 z dnia 11 lipca 2012 r. zmieniające rozporządzenie (WE) nr 641/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami]
[8] Obwieszczenie Ministra Rozwoju i Technologii z dnia 15 kwietnia 2022 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2022 poz. 1225)