Aktywne termicznie systemy płaszczyznowe

INSTALACJE GRZEWCZE
Aktywne termicznie systemy płaszczyznowe
Maciej Danielak
Wraz ze wzrostem popularności niskotemperaturowych źródeł ciepła coraz częściej w budynkach stosowane są wodne systemy płaszczyznowe, wykorzystujące powierzchnię podłóg, sufitów, ewentualnie ścian jako elementu aktywnego termicznie. Sprawdzają się one
nie tylko w funkcji grzewczej, ale i chłodzącej, niejednokrotnie zapewniając wyższy komfort
termiczny niż przy tradycyjnych grzejnikach czy urządzeniach klimatyzacyjnych.
I
stotnym źródłem informacji o systemach płaszczyznowych jest norma PN-EN 1264 „Wbudowane, płaszczyznowe, wodne systemy ogrzewania i chłodzenia” cz. 1, 2, 3, 4 i 5. Można w niej
znaleźć klasyfikację płaszczyznowych systemów
ogrzewania (i chłodzenia), jak również odnoszące się do nich wymagania, np. dotyczące
dylatacji.
Zgodnie z tą normą, zależnie od miejsca rozprowadzenia elementów grzewczych i ich rodzaju,
mamy do wyboru systemy:
⚫⚫ z przewodami ułożonymi w jastrychu (typ A i C);
⚫⚫z przewodami prowadzonymi pod jastrychem
lub podłogą drewnianą (typ B);
⚫⚫z elementami panelowymi (typ D).
prowadzonych w elementach budowlanych –
odbiera akumulowane w nich ciepło z pomieszczenia. Do chłodzenia wykorzystywane są
następujące elementy budowlane:
⚫⚫stropy, podłoga lub ściany betonowe – jako elementy systemu aktywnego termicznie budynku (ang. TABS – rys. 2, 3). W rozwiązaniach tych
masa budynku jest włączana do systemu chłodzącego, stabilizując temperaturę wewnątrz
na wymaganym poziomie. Przewody rurowe
muszą być rozprowadzone już w trakcie wykonywania elementów konstrukcyjnych budynku;
⚫⚫sufit chłodzący i panele chłodzące.
Podczas planowania rozmieszczenia przewodów
w pomieszczeniach z przeszkleniami zewnętrz-
Niewątpliwym atutem płaszczyznowych systemów chłodzących/grzewczych
jest zoptymalizowanie rozkładu temperatury w pomieszczeniu. Dzięki temu
można podwyższyć/obniżyć jej wartość w stosunku do tradycyjnych rozwiązań o 2-3 K, przy zachowaniu porównywalnego komfortu cieplnego.
Chłodzenie z naturalnych źródeł
nymi należy zadbać o kompensację temperatury przy uwzględnieniu ciepłych/zimnych
powierzchni szklanych. Kompensację można
uzyskać przez umieszczenie pasów powierzchni aktywnych temperaturowo pod lub przed
W systemach chłodzenia płaszczyznowego
wykorzystuje się jako czynnik roboczy wodę,
która – krążąc w przewodach rurowych rozokres grzewczy
okres grzewczy
tryb chłodzenia
okres przejściowy
okres przejściowy
Tem. operacyjna
< 26 °C
Tem. operacyjna
> 20 °C
Tem. podłogi
< 29 °C
Styczeń
Luty
Marzec Kwiecień
Tem. podłogi
< 29 °C
Tem. podłogi
≥ 19 °C
Maj
Czerwiec
Lipiec
Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień
1. Schemat przebiegu czasowego płaszczyznowego systemu grzania/chłodzenia
38 Tem. operacyjna
> 20 °C
2, 3. Przewody grzewcze/chłodzące w systemach aktywnego termicznie budynku muszą być układane już w trakcie
wykonywania jego elementów konstrukcyjnych
oknem (rys. 4). Warto jednak pamiętać, że lokalizacja powierzchni aktywnych w sposób przedstawiony na rys. 4 B jest niekorzystna z uwagi
na straty ciepła przez promieniowanie przenikające przez szybę.
Chłód może być dostarczany do układu przy
wykorzystaniu kolektorów gruntowych lub sond
i czerpany z gruntu bądź wody gruntowej gromadzonej w studni. Ponieważ w tego typu rozwiązaniach na pracę pompy cyrkulacyjnej zuży-
Polski Instalator 5/2015
INSTALACJE GRZEWCZE
A
B
4. Zasady lokalizacji systemu ogrzewania/chłodzenia
płaszczyznowego przy powierzchniach szklanych
wana jest jedynie niewielka ilość energii, są one
bardzo energooszczędne i tanie w eksploatacji.
Systemy te mogą być stosowane zarówno jako
samodzielne układy, jak i w połączeniu z systemem wentylacyjnym.
Aktywne systemy chłodzenia
sufitowego
Systemy chłodzenia sufitowego generalnie
dzieli się na konwekcyjne oraz promiennikowe
(radiacyjne). Oferowane są również rozwiązania,
które zapewniają płynne przechodzenie z sufitowego systemu promiennikowego do konwekcyjnego.
Do wszystkich konstrukcji stropów i sposobów
wykonania sufitu można dobrać odpowiedni
system. Czasem elementy chłodzące, takie jak
5. Schemat sufitu konwekcyjnego
www.polskiinstalator.com.pl
przewody i maty,
umieszcza się bezpośrednio w tynku sufitowym, kiedy indziej
– pod płytami gipsowo-kartonowymi
sufitu podwieszanego. Mogą mieć one
też postać podwieszanych metalowych
paneli sufitowych.
Elementy te wykonuje się z różnych materiałów: stali, miedzi,
6. Schemat sufitu radiacyjnego
aluminium lub tworzyw sztucznych.
W suficie chłodzącym można bez problemu zintegrować nawiewniki, oświetlenie etc.
Chłodzące sufity konwekcyjne
W tego typu rozwiązaniach przekazywanie ciepła/chłodu odbywa się przy wykorzystaniu ruchu
powietrza. W suficie podwieszanym są wykonane
odpowiednie otwory, które zwiększają cyrkulację
powietrza, czyli moc chłodniczą (rys. 5). Ze względu na sposób wymiany energii sufity konwekcyjne stosuje się jedynie w funkcji chłodzenia.
!
Projektując sufit konwekcyjny, warto
pamiętać, że jego moc chłodnicza jest
stosunkowo wysoka – sięga nawet 150 W/m2,
co powoduje zwiększoną prędkość przepływu powietrza w pomieszczeniu. Lokalnie
może ona przekroczyć 0,2 m/s, czyli graniczną wartość w strefie przebywania ludzi dla
pracy lekkiej. Ponadto sufit ma sporą
powierzchnię otwartą (ponad 25%) i wymaga większej wysokości, co może być kłopotliwe dla architektów.
Sufity radiacyjne do grzania
i chłodzenia
Sufity radiacyjne (rys. 6) pracują wydajnie zarówno w funkcji chłodzenia, jak i grzania. Mają
zamkniętą powierzchnię, a przekazywanie ciepła
odbywa się w tym przypadku głównie na drodze
promieniowania (ponad 60%). Ich moc chłodnicza jest nieco mniejsza niż sufitów konwekcyjnych i wynosi 60-90 W/m2, a prędkość powietrza
w pomieszczeniu z reguły nie przekracza 0,1 m/s.
Użytkownikom pomieszczeń z sufitem radiacyjnym można zatem zagwarantować wysoki stopień zadowolenia z klimatu wewnętrznego.
Sufity radiacyjne wykonywane są jako tynkowe
lub podwieszane (rys. 7). Zasadniczo nie wymagają one dodatkowej przestrzeni, czyli nie zajmują więcej miejsca niż standardowe sufity bez
funkcji chłodzenia i grzania.
Rozmieszczenie powierzchni
chłodzących
Projektując sufit chłodzący, trzeba pamiętać, że elementy chłodzące powinny w miarę
7. Przykładowa konstrukcja podwieszanego sufitu radiacyjnego
39
INSTALACJE GRZEWCZE
możliwości pokrywać całą powierzchnię sufitową. Wpływ na układ powierzchni czynnych mają
oczywiście głośniki, tryskacze, nawiewniki etc.
Zdecydowanie więcej korzyści zapewniają rozwiązania wielkopowierzchniowe. Elementy chłodzące są wówczas eksploatowane z mniejszą
nominalną mocą chłodniczą przypadającą na jednostkę powierzchni, ale sumaryczna moc chłodnicza jest większa. Ma to istotny wpływ na odczucie
8. Wykonanie systemu podtynkowego????
komfortu termicznego i ogranicza ryzyko nierównomiernego promieniowania. Temperatura zasilania może być wyższa, czyli ryzyko wystąpienia
skroplenia jest zminimalizowane.
Wyższy komfort użytkowy
Sufit chłodzący cechuje zwiększony komfort
użytkowy w porównaniu z instalacjami klimatyzacyjno-wentylacyjnymi. Przesądza o tym kilka
czynników, w tym przede wszystkim:
⚫⚫emitowanie mniejszych strumieni powietrza,
co wynika z minimalnej ilości powietrza świeżego, a nie bilansu chłodniczego; w efekcie
uzyskuje się mniejszą prędkość przepływu
powietrza w pomieszczeniu;
⚫⚫temperatura odczuwalna odpowiada mniej
więcej średniej temperaturze powietrza oraz
powierzchni otaczających; przy sufitach z
dużym udziałem promieniowania temperatura odczuwalna jest niższa o 1,5-2 K od temperatury powietrza w pomieszczeniu;
⚫⚫równomiernie rozłożony profil pionowy temperatury w pomieszczeniu.
Aktywne
systemy grzania
sufitowego
Ogrzewanie sufitowe stosowane w pomieszczeniach
mieszkalnych czy biurowych można określić jako
system promieniowy (przekazywanie ciepła odbywa
się głównie na drodze promieniowania, z niewielkim
udziałem konwekcji), niskotemperaturowy, w którym
ciepło jest oddawane przez
duże powierzchnie. Jako medium stosowana
jest głównie woda, podobnie jak w systemach
chłodzenia.
!
Człowiek oddaje ponad 50% energii
przez promieniowanie. Najlepiej, gdy
zbilansowanie tych strat odbywa się na drodze promieniowania i konwekcji, w podobnym stosunku procentowym, a to właśnie
umożliwia ogrzewanie płaszczyznowe.
Dodatkowym atutem płaszczyznowych systemów ogrzewania sufitowego czy podłogowego
jest to, że w pomieszczeniach, w których działa
taki system, można – bez obniżania komfortu
cieplnego użytkowników – utrzymywać temperaturę niższą o 2-3 K niż w pomieszczeniach
z ogrzewaniem konwekcyjnym. Zmniejszenie
strat przez transmisję ciepła pozwala obniżyć
koszty zużycia energii o 15-20%.
Ze względu na wymogi komfortu cieplnego temperatura powierzchni grzewczych ogrzewania
sufitowego (podłogowego) nie powinna przekraczać 30°C. Wyjątkiem jest ogrzewanie sufitowe
w wysokich pomieszczeniach, np. warsztatach,
halach czy magazynach – może być ono zasilane
czynnikiem o wysokiej temperaturze do 90°C.
Jak to jest zrobione?
Jak wspomniałem, istnieje wiele sposobów
wykonania płaszczyznowego systemu sufitowego służącego do chłodzenia bądź ogrzewania
pomieszczeń. Najczęściej stosuje się aktywne
sufity podwieszane i systemy podłogowe. Wydaje się, że w najbliższych latach największe perspektywy mają rozwiązania całoroczne, związane z wykorzystaniem elementów aktywnego
termicznie budynku, choć oczywiście wybór
metody zależy np. od konstrukcji czy stanu
budynku (dom w początkowej fazie budowy
albo częściowo wykończony, dom poddawany
modernizacji).
Poniżej krótka charakterystyka wybranych sposobów wykonania aktywnych termicznie systemów sufitowych.
Systemy podtynkowe – mokre
Wykorzystuje się w nich bezszwowe przewody
rurowe z miedzi lub tworzywa sztucznego, których ułożenie musi się odbywać równocześnie
z wykonywaniem stropu.
Przy stropach betonowych przewody rurowe
mogą być prowadzone bezpośrednio w war-
9. Maty kapilarne
40 Polski Instalator 5/2015
INSTALACJE GRZEWCZE
10, 11. Promienniki wodne, [2]
stwie betonu nośnego – układa się je nad zbrojeniem w szalunku, przed wylaniem betonu. Jest
to najstarszy sposób wykonania (zwany sufitem Crittall`a). Jeśli strop w budynku ma inną
konstrukcję, np. jest to strop Ackermana, wówczas wykonuje się specjalne, podwieszane sufity
betonowe, grubości 6-7 cm, w które wbudowuje
się przewody.
Przewody w tynku sufitowym
Jeżeli przewody grzewcze (z miedzi lub tworzywa) mają być zamontowane w tynku sufitowym,
najpierw układany jest tynk, zwykle wapienno-cementowy ze specjalnymi dodatkami, jak
włókna juty, które zwiększają jego wytrzymałość
na obciążenia termiczne. Następnie w warstwie
warstwa wykończenia zapewnia większą dynamikę pracy powierzchni aktywnej termicznie
(np. czas reakcji sufitu chłodzącego poniżej 15
minut). Tak wykonany sufit chłodzący nadaje się
zasadniczo do każdego typu klimatyzowanego
pomieszczenia.
!
Podczas projektowania i wykonywania
instalacji z matami kapilarnymi należy
stosować armaturę (pompy, zawory, złączki
itp.) wykonaną z materiałów odpornych
na korozję, czyli stali nierdzewnej, tworzyw
sztucznych etc. Maty należy wypełnić wodą
zdemineralizowaną. Wymagania te wynikają
z występującej w przypadku mat kapilarnych
dość silnej dyfuzji tlenu do wody.
Wydaje się, że w najbliższych latach największe perspektywy mają
rozwiązania całoroczne, związane z wykorzystaniem elementów
aktywnego termicznie budynku, czyli włączeniem jego masy do
systemów grzewczo-chłodzących.
tynku zatapia się przewody rurowe, po czym
całość najczęściej pokrywa się warstwą nośną
tynku, wzmocnioną metalową, rozciąganą siatką. Całkowita grubość tak wykonanego sufitu mieści się w przedziale 5-6 cm. Do przewodów miedzianych można również stosować
tynk gipsowy z dodatkiem wapna. Grubość warstwy jest wtedy mniejsza i wynosi około 3 cm.
Maty kapilarne w tynku
Maty kapilarne z powodu ich niewielkiej wagi
(zalane wodą ok. 500 g/m2) można stosować
do wszystkich konstrukcji sufitów. Maty są giętkie i mogą być nakładane bezpośrednio na surowy sufit (rys. 9) lub sufit podwieszany, również
taki o oryginalnym kształcie, po czym pokrywa
się je cienką warstwą tynku lub gładzi. Cienka
www.polskiinstalator.com.pl
Promienniki sufitowe wodne
Wodne promienniki sufitowe to pionowe lub
poziome grzejniki montowane pod sufitem.
Zbudowane są z blachy, na której rozprowadzone są przewody rurowe. Ich moc grzewcza lub
chłodnicza przekazywana jest przede wszystkim
na drodze promieniowania (90% promieniowanie, 10% konwekcja). Aby zminimalizować oddawanie/przyjmowanie ciepła na drodze konwekcji, płyty są izolowane termicznie w górnej części,
zwykle wełną mineralną.
Warto pamiętać, że sprawność promienników sufitowych zależy głównie od dokładności wykonania połączeń rur z płytą promieniującą. Słabe połączenie, ewentualnie wadliwa
konstrukcja promiennika, powodują ograniczenie kontaktu rury z płytą, a nawet brak takie-
go kontaktu, i w konsekwencji – utratę mocy
grzewczej i nierównomierny rozkład temperatury na powierzchni promieniującej. Zwracajmy
więc uwagę na jakość połączń przy wyborze
promienników.
Zalety systemów
płaszczyznowych
Istotny wpływ na komfort termiczny przy wykorzystaniu płaszczyznowych systemów grzewczo-chłodzących mają wartości temperatury
i równomierność jej rozkładu na powierzchniach
termicznie aktywnych. Komfort jest odczuwany
wtedy, gdy temperatura tych powierzchni jest
tylko w niewielkim stopniu wyczuwalna przez
użytkowników, tzn. jest zbliżona do temperatury
powierzchni ciała. A ponieważ systemy płaszczyznowe prawie nie generują ruchu powietrza
w pomieszczeniach, minimalizowane jest zagrożenie wystąpieniem przeciągu.
Jeśli chodzi o konkretne wartości temperatury
i związaną z tym moc grzewczą powierzchni
aktywnych termicznie, to ogólnie można przyjąć,
że taka powierzchnia o temperaturze 30°C oddaje około 95 W/m2 do pomieszczenia, natomiast
przy temperaturze 40°C jej moc grzewcza wzrasta do 180 W/m2. Dopuszczalna temperatura
powierzchni aktywnej termicznie zależy od tego,
na jakiej wysokości nad głowami użytkowników
została ona wykonana.
■
Źródła:
[1] PN-EN 1264: „Płaszczyznowe systemy ogrzewania”
[2] Materiały techniczne Kampmann
O AUTORZE
dr inż. Maciej Danielak,
autor niezależny
41