Czy ścienne grzejniki płaszczyznowe mogą być porównywalne pod względem wydajności cieplnej w stosunku do innych typów ogrzewania płaszczyznowego, w tym podłogowego?

Tak jak zapowiedziałem w artykule pt. „Ciepła ściana” („Magazyn Instalatora” 2/2017 – przyp. red.), dziś zajmę się tematyką wydajności cieplnej ściennych, „suchych” grzejników płaszczyznowych.

Ogrzewanie ścienne – charakterystyka wydajności

Ruch powietrza jest niezbędnym walorem utrzymania zdrowego klimatu w pomieszczeniu, jako że powoduje on przemieszczanie się zanieczyszczeń oraz wilgotności, jednak z drugiej strony jest najbardziej nieodpowiednim środkiem do przemieszczania ciepła ze względu na niskie zdolności grzewcze. Kanały wentylacyjne transportujące ogrzane powietrze muszą mieć większe rozmiary niż stosowane w systemach wodnych i w związku z tym potrzebują więcej miejsca i konieczności stosowania systemów zabudowy co wiąże się też z wyższymi kosztami inwestycyjnymi.

Dodatkowo musimy się liczyć ze znacznymi kosztami utrzymania, czyszczenia, obsługi wentylatora itp. (Rhee K-N., Kim K. W., 2015). Poza tym ochrona środowiska i efekt globalnego ocieplenia ma wpływ na bezpieczne życie ludzi, a więc temat efektywnego wykorzystania energii staje się bardzo istotny. Okazuje się, że około 40% zużycia energii z całkowitego zapotrzebowania na świecie dotyczy budynków (Koca A. i in., 2014). Głównym tego powodem jest zwiększające się zużycie energii zarówno do celów grzewczych, wentylacyjnych, jak i chłodniczych.

Wszelkie badania zmierzające do zmniejszenia zużycia energii poprzez wprowadzanie nowych technologii i rozwiązań materiałowych są bardzo cenne i potrzebne. Jeśli więc lekki grzejnik płaszczyznowy zbadany na Politechnice Białostockiej w układzie poziomym, podłogowym posiada tak ważne zalety warto wykorzystać je w układzie pionowym – na ścianie. Zdarza się w praktyce, że zabudowa podłogi lub też wybrana posadzka nie pozwalają na montaż systemu ogrzewania podłogowego na takiej powierzchni aby zapewnić komfort cieplny pomieszczeń. W takiej sytuacji pozostają do wykorzystania ściany lub sufity.

Badania nad zastosowaniem ogrzewania płaszczyznowego przeprowadziło wielu naukowców. Można wymienić tutaj eksperymenty dla lekkich układów grzewczych opisanych w (Koca A. i in., 2014; Rhee K-N.,Kim K. W., 2015). Zamontowane w tych badaniach systemy grzejne różnych układach zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i rzeczywistych potwierdzają zalety już wymienione w artykule. Dodatkowo wskazuje się, że duże powierzchnie grzejne dobrze jest też wykorzystać do układów chłodzenia szczególnie, że tego typu grzejniki przekazują ciepło i chód w większym zakresie poprzez efektywne promieniowanie.

Badania opisane w (Koca A. i in., 2014) przeprowadzono w specjalnej komorze badawczej, gdzie zbudowano pomieszczenie do badań wewnątrz tej komory przedstawionej na rysunku i umieszczono tam lekki system grzejny, płaszczyznowy.

Komora badawcza dla ogrzewania płaszczyznowego

Wydajność cieplna grzejników jest charakteryzowana przez współczynnik przenikania ciepła. Mamy współczynnik przenikania ciepła przez promieniowanie Up i konwekcję Uk. Sumaryczny współczynnik przenikania ciepła Uc [W/m2 K] podawany w normie wynosi:

  • 10,8 dla ogrzewania podłogowego i chłodzenia sufitowego,
  • 8 dla ogrzewania i chłodzenia ściennego,
  • 6,5 dla chłodzenia podłogowego i ogrzewania sufitowego.

Z tego Up kształtuje się na poziomie 5,5 [W/(m2 * K)], a Uk jest zmienny w granicach od 0,3-6,5 [W/(m2 * K)] i zależny od miejsca zamontowania systemu grzejnego lub chłodzonego.

W przybliżeniu potwierdza to (Kim K., i Olesen B. 2015), że przy zdolności chłodzenia sufitowego na poziomie do 100 W/m2 jego zdolność grzewcza mieści się w granicach 40-50 W/m2, natomiast przy pojemności ogrzewania podłogowego do 100 W/m2 zdolności chłodzenia wynoszą tylko 40 W/m2. Wyniki te potwierdzają też inni naukowcy (Causone F. i in., 2009) i (Todorovic B., 2004). Te badania i normy sugerują, że współczynniki przenikania ciepła płaszczyznowego ogrzewania ściennego są niższe od podłogowego i wyższe niż sufitowe. Tabela 1 przedstawia te wyniki.

Tabela. Współczynniki przenikania ciepła płaszczyznowego ogrzewania ściennego są niższe od podłogowego i wyższe niż sufitowe

Inni naukowcy, w tym (Acikogoz O., 2015), czy (Cholewa T. i in., 2013), zajmują trochę inne stanowisko. Prowadzone przez nich badania teoretyczne i eksperymentalne potwierdzają wartość średniego współczynnika przez promieniowanie na poziomie ok. 5,5 [W/(m2 * K)] i procentowy udział w promieniowaniu na poziomie ok. 65%, natomiast całkowity współczynnik promieniowania wyniósł u nich znacznie więcej, niż pokazuje to norma i inne badania, a mianowicie w granicach 10,2- 10,8 [W/(m2 * K)].

Ci naukowcy rozbieżności w wynikach badań argumentują tym, że własne kalkulacje i prace badawcze oparli o wyniki ciepła emitowanego bezpośrednio z grzejników płaszczyznowych, a nie tak jak inni poprzez ciepło pochodzące z ich zasilania. Jest to o tyle istotne, że zaniżone lub zawyżone rezultaty wydajności cieplnej mają wpływ na projektowanie systemów grzejnych i chłodniczych, a to ma przełożenie na oszczędności inwestycyjne i komfort użytkowania.

  Uśrednione współczynniki przenikania ciepła dla ogrzewania płaszczyznowego ściennego z podanej w artykule literatury

Tabela 2. Uśrednione współczynniki przenikania ciepła dla ogrzewania płaszczyznowego ściennego z podanej w artykule literatury.

Jak można zauważyć, według nich wartość całkowita współczynnika przenikania przy ogrzewaniu ściennym, płaszczyznowym wynosi ok. 10,5 [W/(m2 * K)], czyli jest w przybliżeniu takie same jak dla ogrzewania podłogowego, co podważa zapisy normowe i dowodzi zbliżonej efektywności termicznej zarówno montowanego grzejnika powierzchniowego na podłodze, jak i na ścianie. Odnosząc te założenia do chłodzenia, tak samo będzie ono miało wyższą efektywność chłodniczą niż ta podana w normach.

Ciekawe też są wyniki badań naukowców dotyczące stosowania izolacji termicznej w budynkach i jej wpływu na zastosowany rodzaj systemu grzejnego. Okazuje się, że w budynkach ze słabymi parametrami izolacyjnymi efektywniejsze jest stosowanie grzejników konwekcyjnych zamiast płaszczyznowych (powierzchniowych). Powodem tego są straty przy ogrzewaniu, które – jak zbadano – są mniejsze dla systemu ogrzewania konwektorami, gdy brak jest izolacji termicznej lub jest ona nieznaczna.

Jeśli wiec decydujemy się na wykonanie na większej powierzchni ogrzewania powierzchniowego na podłodze czy ścianie, to warto zainwestować w montaż dobrej jakości izolacji termicznej na poziomie co najmniej domu energooszczędnego lub pasywnego, aby korzystać z komfortu grzejników płaszczyznowych, a jednocześnie cieszyć się niskimi rachunkami za zużycie energii cieplnej.

Podsumowanie

Rynek sprzedaży ściennych systemów ogrzewania płaszczyznowego jest wyposażony w wiele rozwiązań tego typu. Większość z nich jest opisanych w tym artykule. Producenci, nie mając gotowych norm do projektowania tego rodzaju lekkich grzejników ściennych, bazują na doświadczeniach własnych, badaniach naukowych lub wykorzystując częściowo istniejące normy z dostosowaniem ich do własnych produktów.

Artykuł dowodzi potrzeby badania tego rodzaju grzejników ściennych ze względu na rozbieżności wyników przy prowadzonych eksperymentach przez naukowców. Są one potrzebne ze względu na tendencję wzrostową stosowania ogrzewania płaszczyznowego, szczególnie na podłogach, a artykuł pokazuje, że również powierzchniowe ogrzewanie ścienne może posiadać podobne, a nawet lepsze wartości wydajności cieplnej.

Poza tym ogrzewania/chłodzenia płaszczyznowe są idealnymi modelami, aby stosować je w OZE (odnawialne źródła energii) jako te, który przynoszą wysoką efektywność termiczną ze względu na wykorzystywanie niskich temperatur pozyskiwanej energii cieplnej z różnych naturalnych źródeł, jak woda, grunt, słońce czy też możliwości jej odzyskiwania w przemyśle lub przy codziennym użytkowaniu w domach mieszkalnych.

Dodatkową zaletą tego typu grzejników jest możliwość ich wykorzystania jako wydajnych wielkopowierzchniowych elementów chłodzących zamiast stosowania tradycyjnych klimatyzatorów pochłaniających znaczne zasoby energii, co też wpływa na wysokie koszty eksploatacji. Warty uwagi staję się montaż izolacji termicznej, szczególnie w domach, gdzie montujemy system ogrzewania/chłodzenia powierzchniowego na podłogach, ścianach czy sufitach.

Koszty inwestycyjne będą wyższe, lecz zwrócą się szybko przy wydajnym ogrzewaniu płaszczyznowym. Należy stwierdzić, że konieczne są dalsze badania, szczególnie nad wciąż mało popularnymi i niedocenianymi lekkimi systemami ogrzewania płaszczyznowego zarówno na ścianach, jak i podłogach oraz sufitach, aby ukazane rozbieżności wyników dotychczasowych badań usystematyzować normowo, rozszerzając o nowe technologie i nowe układy warstw.

Jednocześnie należy ukazać widoczne zalety nie tylko dobrej wydajności cieplnej, lecz też opłacalności ekonomicznej i oszczędności energii, co daje przełożenie pozytywnego wpływu na ekologię ze względu na zaostrzające się w Unii Europejskiej standardy dotyczące parametrów izolacji termicznej i bezpieczeństwo energetyczne.

Jednym z wielu tematów badawczych może stać się na przykład system lekkiego ogrzewania ściennego i podłogowego (Karpiesiuk J., 2016) przy zastosowaniu posadzek z naturalnych lub sztucznych okładzin kamiennych i przy bezpośrednim ich ułożeniu na izolacjach termicznych z metalowymi dyfuzorami ciepła w postaci lameli, z uwzględnieniem szczególnych aspektów ekonomicznych i wytrzymałości mechanicznej.

Jacek Karpiesiuk

Literatura:

Strzeszewski M., „Wodne ogrzewanie podłogowe. Materiały do wykładów i ćwiczeń”, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska, 2006.

Karpiesiuk J., „Ultracienki grzejnik. Ciepło z posadzki bez jastrychów (2)”, „Magazyn Instalatora” 02/2016, s. 20-21.

Ogrzewanie podłogowe Fonterra, „Powierzchniowe systemy ogrzewania i chłodzenia”, 12/2008.

Katalog Eco Thermo Floor, „Panele na bazie płyty porowatej z włókna drzewnego”, 2001.

Karpiesiuk P. i Żukowski M. „Badania pola temperatury przy ogrzewaniu płaszczyznowym”, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Katedra Ciepłownictwa, praca dyplomowa inżynierska, 2015.

Dongliang Z., Ning C., Zijie W., „Experimental and numerical analysis of lightweight radiant floor heating system”, „Energy and Buildings”, No. 61, 2013, pp. 260-266.

Rhee K-N. i Kim K. W., „A 50 year review of basic and applied research in radiant heating and cooling systems for the built environment”, „Building and Environment”, September 2015, pages 166-190.

A. Koca, Z.Gemici, Y.Topacoglu, G.Cetin, R.C.Acet, B. B.Kanbur, „Experimental Investigation of heat transfer coefficients between hydronic radiant heated wall and room, „Original Research Article Energy and Buildings”, Volume 82, October 2014, pp. 211-221.

Kim K. W. i Olesen B., „Radiant heating and cooling systems: part 1”, ASHRAE J, No. 57, 2015, pp. 28-37.

Causone F., Corgnati S.P., Filippi M., Olesen W.B., „Experimental evaluation of heat transfer coefficients between radiant ceiling and room”, „Energy and Buildings”, No. 41, 2009, pp. 622-628.

Todorovic B. „Design of Installations for Central Heating Masinski Fakultet Beograd”, Beograd, 2004 December (in Serbian).

Acikogoz Ozgen, „A novel evaluation regarding the influence of surface emissivity on radiative and total heat transfer coefficients in radiant heating systems by means of theoretical and numerical methods”, „Energy and Buildings”, Volume 102, 1 September 2015, pp. 105-116.

Cholewa T., Rosinski M., Spik Z., Dudzinska M. R., Siuta-Olcha A., „On the heat transfer coefficients between heated/cooled radiant floor and room”, „Energy Build.”, No. 66, 2013, pp. 599-606.

Fot. główne z arch. Uponor.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij