Studio Sergiel

CIEPŁOCIĄGOWE OGRZEWANIE ŚCIENNE
ALTERNATYWA PRZYSZŁOŚCI

1.Ciepłociągowe ogrzewanie ścienne
2.Podtynkowe miedziane panele grzewcze PMPG
3.Charakterystyka ciepłociągowego ogrzewania ściennego
4.Walory zdrowotne ciepłociągowe ogrzewania ściennego
5.Oszczędności energetyczne ciepłociągowego ogrzewania ściennego
5.1 Oszczędności energetyczne związane z obniżeniem temperatury powietrza w pomieszczeniu ogrzewanym.Przyklad
6. Regulacja ciepłociągowe ogrzewania ściennego
7. Projektowanie ciepłociągowe ogrzewania ściennego
7.1 Sposób postępowania przy projektowaniu ogrzewania ściennego
7.2 Przykładowe rozmieszczenia paneli grzewczych PMPG
8. Przykładowy projekt instalacji ogrzewania ściennego
Referencje

1. CIEPŁOCIĄGOWE OGRZEWANIE ŚCIENNE

Jeszcze do niedawna tylko niektórzy inwestorzy budując dom interesowali się jego parametrami, zapotrzebowaniem na ciepło i kosztami eksploatacyjnymi.
Wybudowanie domu można porównać do kupna samochodu.
Rosnące ceny paliw zmuszają nabywcę aby zawczasu pomyślał o kosztach eksploatacji auta i zastanowił się „ ile pali na setkę”. Budynku wprawdzie nie tankujemy, ale żebyśmy mogli w nim wygodnie żyć potrzebujemy paliwa do jego ogrzania. Ograniczenie zużycia energii osiągamy dzięki wysokiej sprawności urządzeń i redukcji strat przesyłu ciepła, zapewniając komfort cieplny przy minimalnych kosztach eksploatacyjnych. Powyższe wartości spełnia energooszczędne, niskotemperaturowe ogrzewanie ścienne.
Obecnie obserwuje się bardzo duże zainteresowanie tym sposobem ogrzewania. Cały szereg zalet, komfort zdrowotny, korzystna jonizacja powietrza, doskonałe warunki higieniczne sprawiają, że ten system grzewczy zyskuje coraz większą popularność, a w najbliższym czasie stanie się jednym z dominujących systemów stosowanych w budownictwie. Jego małe wymagania energetyczne pozwalają na stosowanie odnawialnych źródeł energii, co znacznie obniża koszty eksploatacji, a także przyczynia się do ochrony środowiska przez zmniejszenie emisji zanieczyszczeń w cyklu życia, czy zużycia energii pierwotnej.

Rys. Schemat ciepłociągowego ogrzewania ściennego

2. Podtynkowe miedziane panele grzewcze PMPG

Ogrzewanie ścienne to nic innego jak panele grzewcze zbudowane z rurek cieplnych, umieszczone na ścianie i pokryte warstwą tynku lub glazurą. Bardzo mała pojemność wodna ogrzewania ciepłociągowego umożliwia płynną reakcję systemu na zmieniające się warunki bytowe w pomieszczeniach. W rurkach cieplnych pełniących role nośników ciepła - do przekazywania energii cieplnej wykorzystane jest zjawisko przemiany fazowej.
Dzięki temu uzyskujemy dużą gęstość przekazywanego strumienia ciepła w przewodzie rurowym PMPG.

Panel grzewczy składa się z dwóch części: parowacza, miejsca, przez które przepływa woda grzewcza i przekazuje ciepło do czynnika roboczego. Parowacz jest to kolektor dolny montowany przy posadce i posiada opatentowaną budowę, która nadaje wodzie kotłowej przepływającej przez panel ruch wirowy zwiększający dynamikę wymiany ciepła między wodą kotłową a czynnikiem roboczym. Hermetycznie zamknięty czynnik roboczy paruje już w temperaturze 15°C. Powstały strumień pary dynamicznie wypełnia całą przestrzeń części panela grzewczego, gdzie w wyniku różnicy temperatur następuje kondensacja pary.
Drugą część panela stanowi skraplacz, będący emiterem ciepła. Skraplacz – to również opatentowane rozwiązanie, zbudowane z przewodów rurowych o różnej wysokości przeplecionych siatką z materiału o dużej przewodności cieplnej.
Taka konstrukcja skraplacza pozwala na uzyskanie równomiernego rozkładu ciepła na powierzchni ściany oraz pełnego wykorzystania dynamiki przemiany fazowej zachodzącej w procesie wymiany ciepła parowacz- skraplacz. Proces parowania i skraplania jest ciągle powtarzany, całkowicie bezpieczny i długowieczny. Siatka przeplatająca rurki cieplne nie tylko rozprowadza równomiernie ciepło, ale również służy jako szkielet nośny dla tynku, w którym będą zatopione panele grzewcze. Warstwa tynku nakładana na panela staje się integralną częścią ściany grzewczej, która na całej powierzchni ma jednakową temperaturę, jaką wypromieniowuje na pomieszczenie.
Panele grzewcze pokrywamy warstwą tynku na grubość co najmniej 1÷1,5 cm licząc od powierzchni siatki. Zalecany jest tynk gipsowy do ogrzewania ściennego. Używając tynku tradycyjnego należy przedtem pomalować panele gruntem oraz dodać do zaprawy plastyfikator. Ewentualne uszkodzenie panela w czasie sezonu grzewczego nie powoduje zalania mieszkania czy też wyłączenia ogrzewania. System działa dalej wystarczy podnieść temperaturę zasilania o kilka stopni w celu wyrównania bilansu energetycznego. Serwis jest w stanie usunąć uszkodzenie w krótkim czasie bez szkody dla ściany. Materiał, z którego są wykonane elementy grzewcze zapewniają długą żywotność systemu oraz dużą skuteczność wymiany ciepła. Wiercenie otworów w ścianie z panelami też nie stanowi problemu za pomocą folii termowizyjnej łatwo określimy gdzie się znajdują rurki.

Rys. Przekrój panela grzewczego PMPG

3. Charakterystyka ciepłociągowego ogrzewania ściennego

Przy ogrzewaniu ściennym ciepło przekazywane jest do pomieszczenia w postaci subtelnego promieniowania bardzo przyjaznego dla mieszkańców. Jest to rodzaj ciepła w swojej istocie najbardziej zbliżony do ciepła słonecznego naturalnego dla ludzi. Zapewnia równomierny rozkład temperatur w całej kubaturze pomieszczeń, nie występują miejsca z przegrzanym powietrzem a także utrzymana jest stała wilgotność powietrza. Ogrzewanie ścienne zapewnia nie tylko komfort cieplny, ale i zdrowotny. Wyeliminowana jest cyrkulacja kurzu, alergenów i roztoczy krążących w powietrzu. Subtelne promieniowanie ciepła ze ścian zachowuje naturalną jonizację powietrza w pomieszczeniu, co korzystnie wpływa na nasze samopoczucie.
Ogrzewanie oparte na ciepłociągach daje duże oszczędności energetyczne wynikające z małej pojemności wodnej układu grzewczego i obniżonej temperatury wody grzewczej od 20ºC do 50ºC na zasileniu.
Zaletą jest duża dynamika układu oraz krótki czas od podniesienia temperatury w układzie grzewczym do jego odczucia w pomieszczeniu. W przypadku wentylacji grawitacyjnej występują mniejsze straty ciepła ze względu na niższą temperaturę powietrza, co nie znaczy, że obniżamy komfort cieplny. Zastosowanie wentylacji z rekuperacją również przyczyni się do poprawy klimatu i obniży koszty eksploatacji.
Mała pojemność wodna układu połączona z niską temperaturą zasilania oraz dobrze wykonana izolacja na rurociągach przesyłowych pozwala na efektywne wykorzystanie dowolnych źródeł ciepła, w tym kolektorów słonecznych i kominków z płaszczem wodnym. Bardzo efektywnie sprawują się pompy ciepła oraz piece kondensacyjne.
Możemy z powodzeniem stosować kotły stałopalne na wszelkiego rodzaju paliwo, słomę, pelet lub węgiel, jednak ze względu na małą pojemność wodną zładu grzewczego powinno się stosować bufory, jako magazyny ciepła.

Rys. Promieniowanie ciepłem przy ogrzewaniu ściennym

4. Walory zdrowotne ciepłociągowego ogrzewania ściennego

Większość ludzi spędza przeważającą część życia w sztucznie wytworzonym klimacie. Stąd konieczność zadbania o komfort użytkowania czyli warunki środowiska optymalne dla użytkownika. Jednym z najważniejszych aspektów komfortu użytkowania jest komfort cieplny. Najważniejszymi parametrami, które wpływają na stan komfortu cieplnego człowieka są:

wydatek energetyczny (ilość ciepła wytworzonego w organizmie)
opór przewodzenia ciepła przez odzież
temperatura powietrza
średnia temperatura promieniowania
prędkość przepływu powietrza
wilgotność powietrza

Cztery ostatnie parametry komfortu są parametrami otoczenia i łącznie wpływają na odczucia cieplne człowieka.
Średnia wartość temperatury powietrza i przeciętnej temperatury powierzchni wszystkich otaczających przegród budowlanych stanowi odczuwaną przez człowieka temperaturę otoczenia. Zależności te przedstawia wykres Königa na rysunku.

Rys. Wykres Königa

Widać z wykresu, że względnie niskie temperatury powietrza są rekompensowane przez promieniowanie cieplne zapewniając pożądany komfort termiczny. Ogólnie zrozumiałym przykładem może być tutaj opalanie się w zimie w wysokich górach.
Optymalna temperatura powietrza w pomieszczeniu powinna wynosić 16ºC÷18ºC,
a średnia temperatura przegrody budowlanej 24÷30ºC.
Może to zapewnić jedynie ogrzewanie ścienne.
Coraz większą wagę przywiązuje się w ostatnich latach do jonizacji powietrza.
Jonizacja to powstanie jonu z obojętnego atomu lub cząsteczki.
Badania wpływu jonizacji na organizmy żywe pokazały, że poprawę samopoczucia i uczucie świeżości powodują jony ujemne, natomiast pyły i bakterie posiadają w sobie jony dodatnie.
W pomieszczeniach z ogrzewaniem grzejnikowym wzrasta liczba jonów dodatnich. Odczucie duszności i wysuszenia dróg oddechowych spowodowane jest przewagą tych właśnie jonów dodatnich w pomieszczeniu. Stwierdzono także ponad wszelką wątpliwość, że przetłaczanie powietrza przez metalowe przewody wentylacyjne i metalowe nagrzewnice powoduje zmniejszenie liczby jonów ujemnych, proporcjonalnie do prędkości przepływu temperatury płaszczyzn grzejnych i wilgotności powietrza.
Naturalnym dla człowieka jest powietrze zjonizowane ujemnie z przewagą wolnych anionów!

5. Oszczędności energetyczne ciepłociągowego ogrzewania ściennego

Oszczędności energetyczne ogrzewania ściennego uzyskiwane są dzięki wykorzystywaniu szeregu czynników, charakterystycznych dla tego ogrzewania:

Zmniejszenie pojemności wodnej układu
Niska temperatura zasilania wody / 20÷50 /
Niskie opory przepływu czynnika obiegowego
Mniejsze straty związane z transportem ciepła z uwagi na niższą temperaturę wody
Zmniejszenie zapotrzebowania ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego ze względu na niższą temperaturę powietrza w pomieszczeniu
Obniżenie temperatury powietrza w pomieszczeniu ogrzewanym o ok. 3÷4°C pozwala zaoszczędzić do 24% energii
Wentylacja z rekuperacją zmniejsza zapotrzebowanie budynku na ciepło o 30%

Badania mikroklimatu wykazały, że przy ogrzewaniach płaszczyznowych jakim jest ogrzewanie ścienne, temperatura komfortu cieplnego jest niższa niż przy ogrzewaniach konwekcyjnych. Dla ogrzewań podłogowych i ściennych wynosi 16°C÷17°C

Wynika z tego, że zapotrzebowanie na ciepło przy ogrzewaniu ściennym jest o 15% mniejsze niż przy ogrzewaniach konwekcyjnych.
Dodatkowe oszczędności przynosi obniżenie parametrów czynnika grzejnego:

przy tradycyjnych źródłach ciepła 5%
przy kotłach kondensacyjnych 15%
przy pompie ciepła 40%

Stosując w układach grzewczych [ CO i CUW ] zasobniki ciepła uzyskujemy dodatkowe korzyści w postaci ;

redukcji włączeń i wyłączeń jednostki grzewczej o 1/3 w sezonie grzewczym
zastosowanie kolektorów słonecznych daje dodatkowo 10%
znacznego obniżenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery zawartych w spalinach

W bardzo znaczący sposób na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło wpływa rekuperacja w połączeniu z ogrzewaniem ściennym.

5.1. Oszczędności energetyczne związane z obniżeniem temperatury powietrza w pomieszczeniu ogrzewanym

Stała temperatura odczuwalna 19,4°C, która została obliczona dla pomieszczenia z ogrzewaniem tradycyjnym grzejnikowym z przegrodami o współczynniku
przenikania U= 0,3 W/m² K
powierzchnia ogrzewana A= 173m²
kubatura ogrzewana V= 446m³

Budynek	U	T_i	T_śr	Q_p	Q_wew	Q_o	E	Q_f	Q_v	ΔQ_o	E
Budynek		[W/m²]	[^oC]	[^oC]	[W]	[W]	[W]	[GJ/rok]	[W/m²]	[W/m³]	[%]	[%]
1.Ogrzewanie grzejnikowe –temp. w pomieszczeniu 20^oC	0,30	20	19,1	6450	4521	10971	9327	63	24,6	0	0
2.Ogrzewanie ścienne temp. w pomieszczeniu 16^oC + straty ciepła	0,30	16	15,1	6924	3249	10173	71,04	58,8	22,8	7	24
3.Ogrzewanie ścienne – temp. w pomieszczeniu 16^oC -straty ciepła	0,30	16	15,1	5621	3249	8870	63,46	51,3	19,9	19	32

Oszczędności energetyczne w wyniku obniżenia temperatury wewnętrznej o 4^°C przy tej samej temperaturze odczuwalnej 19,4^°C liczone są względem budynku nr 1.

Oznaczenia:
U- współczynnik przenikania ciepła [ W/m²K ]
T_i- temperatura powietrza w pomieszczeniu [ ^oC ]
T_śr- temperatura średnia w pomieszczeniach ogrzewanych [ ^oC ]
Q_p- zapotrzebowanie ciepła na pokrycie strat przez przegrody zewnętrzne [ W ]
Q_wew- zapotrzebowanie ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego [ W ]
Q_o- sumaryczne zapotrzebowanie ciepła [ W ]
E- zapotrzebowanie na energię cieplna [ GJ/rok ]
Q_f- wskaźnik zapotrzebowania na ciepło [ W/m² ]
Q_v- wskaźnik zapotrzebowania na ciepło [ W/m³ ]
ΔQ_o- oszczędność mocy grzewczej [ % ]
ΔE- oszczędność energii cieplnej [ % ]

Wykres przedstawiający oszczędności mocy i energii cieplnej.

Wskaźnikowe zapotrzebowanie na energię cieplną kWh(m²a)
Wykres zapotrzebowania na ciepło w zależności systemów grzewczych

A- dom tradycyjny z grzejnikowym ogrzewaniem / lata 80-te/
B- dom tradycyjny z ogrzewaniem ściennym
C- dom spełniający normy budowlane z klasycznym ogrzewaniem grzejnikowym
D- dom spełniający normy budowlane z ogrzewaniem ściennym

6. Regulacja ciepłociągowego ogrzewania ściennego

Regulacja ciepłociągowego ogrzewania ma za zadanie utrzymać najkorzystniejsze warunki bytowe przy minimalnych kosztach eksploatacyjnych.
Dla użytkownika oznacza to ścisłe utrzymywanie wymaganej temperatury komfortu
cieplnego w pomieszczeniach oraz dodatkowe oszczędzanie energii poprzez osłabienie ogrzewania w okresach dyżurnych.
Modulowanie temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym jest najprostszym, a jednocześnie najbardziej efektywnym sposobem oszczędzania energii.

Należy pamiętać, że :
Zmniejszenie temperatury powietrza tylko o 1°C powoduje / w danym czasie / zmniejszenie zużycia energii o 6÷10% . Zastosowanie ogrzewania ściennego pozwala obniżyć temperaturę powietrza w pomieszczeniu o 4°C / średnio /, dla uzyskania porównywalnej tzw. temperatury odczuwalnej czyli komfortu cieplnego.

Dla uzyskania perfekcyjnego sterowania ogrzewaniem proponuje się zastosowanie hierarchicznego systemu regulacji.
1.Regulacja centralna z kompensacją pogodową - obejmuje ona nadążną zmianę temperatury całego strumienia, uwzględniającą wpływ temperatury zewnętrznej (sterowanie mieszaczem w kotłowni)
2.Regulacja czasowa – programowa – reguluje strumienie czynnika grzewczego, dostarczone do wyodrębnionych stref, dostosowuje ogrzewanie do programu użytkowania pomieszczeń w cyklu dobowym.
3.Regulacja miejscowa – realizowana bezpośrednio w pomieszczeniu (ewentualnie grupie pomieszczeń) i mająca decydujący wpływ na komfort cieplny.

W systemie ogrzewania ściennego proponuje się w ramach regulacji miejscowej dwa warianty regulacji:
Standardowy – regulacja temperatury w pomieszczeniu odbywa się w tym przypadku za pomocą zaworów dławiących przepływ wody. Zmiana stopnia otwarcia następuje za pomocą siłowników elektrycznych, współpracujących z regulatorem temperatury, umieszczonym w pomieszczeniu ogrzewanym.
Komfort – wariant standardowy, wzbogacony o sterownik z funkcją czasowego (dobowego lub tygodniowego) dostosowania temperatury w pomieszczeniu do uwarunkowań czy upodobań indywidualnego użytkownika. Przykłady zastosowania: mieszkania o podwyższonym standardzie lub pomieszczenia z klimatyzacją.

Zastosowanie regulacji miejscowej ma na celu utrzymywanie zróżnicowanej temperatury w poszczególnych pomieszczeniach, jak również jej zróżnicowanie w czasie. Pozwala ona wykorzystać „darmowe” ciepło w postaci nasłonecznienia danego pomieszczenia, ciepła wydzielanego przez kuchenkę, oświetlenie, czy własne ciało.
Zróżnicowanie temperatury w czasie powinno uwzględniać obniżanie temperatury pod nieobecność osób w pomieszczeniu np. w weekendy, urlopy, podczas pobytu w pracy itp. Można uwzględnić obniżenie temperatury w porze nocnej.
Z punktu widzenia sterowania i regulacji, ze względu na stałe promieniowanie cieplne i możliwość utrzymywania niskich temperatur nie odczuwając dyskomfortu (sklepy, pawilony, biura i inne obiekty użyteczności publicznej) ogrzewanie ścienne jest bardzo korzystne.

7. Projektowanie ciepłociągowego ogrzewania ściennego

Warianty projektowe ogrzewania ściennego:

Ogrzewanie wyłącznie ścienne

Pomieszczenia z podłogami o dobrej izolacyjności
Pomieszczenia o podwyższonych wymaganiach sanitarnych
Pokoje gościnne, sypialnie, jadalnie
Pomieszczenia szpitalne, biurowe
Pomieszczenia produkcji leków, żywności, elektroniki

Ogrzewanie ścienne i podłogowe

Pomieszczenia nad przestrzeniami nie ogrzewanymi
Pomieszczenia wilgotne, łazienki, wejścia do budynkówkuchnie, garderoby, baseny

W przypadku gdy dostępna powierzchnia ścian jest za mała projektujemy dodatkowe powierzchnie grzewcze:

Podłogowe lub sufitowe
Sugerujemy docieplenie budynku

Rys. Rozkład temperatur w założeniu projektowym dla pomieszczeń mieszkalnych w nawiasach wartości temperatur dla ogrzewania tradycyjnego

7.1. Sposób postępowania przy projektowaniu ogrzewania ściennego

Zapotrzebowanie ciepła

Zachowując komfort cieplny przy ogrzewaniu ściennym temperatura powietrza może być obniżona o 2÷4 K.
Uwzględniając założenia obliczeniowe, że dla ogrzewania tradycyjnego temperatura w pomieszczeniu wynosi 20^oC to przy ogrzewaniu ściennym może być obniżona do 16^oC.

Parametry pracy ogrzewania ściennego

Dla ogrzewania ściennego należy przyjąć temperaturę zasilania max do 50^oC
Dla pieców kondensacyjnych i pomp ciepła w układzie bez zasobnika max 45^oC
Różnica temperatury między zasileniem a powrotem Δt=5K

Ustalenie powierzchni ścian przeznaczonych do montażu paneli grzewczych PMPG.

Ściany, które można przeznaczyć do zamontowania paneli grzewczych należy uzgodnić z inwestorem lub architektem.
Do montażu paneli wybieramy przede wszystkim ściany zewnętrzne, ale można również montować na ścianach wewnętrznych.
W kuchni z zabudowanymi ścianami należy zastosować panele grzewcze podłogowe.
Dopuszczalne jest stawianie wysokich mebli na ścianie grzewczej, jednak należy pamiętać aby zostawić przestrzeń do 10 cm od podłogi i 15 cm od ściany.
Niskie szafki, komody i regały nie mają znacznego wpływu na wydajność cieplną powierzchni grzewczych.

Określenie doboru paneli

Na podstawie dostępnej powierzchni i mocy dobrać typy i ilość paneli grzewczych.
W pierwszej kolejności należy ustalić będące do dyspozycji wysokości i długości ścian z uwzględnieniem minimalnych odległości od narożników okien i drzwi około 5 cm oraz mieć na uwadze ściany zewnętrzne i powierzchnie podokienne.
W układzie montażu w ścianach zewnętrznych, powinny one posiadać współczynnik przenikania ciepła U zgodny z normą. W przeciwnym wypadku należy uwzględnić dodatkową izolację zewnętrzną aby ograniczyć straty ciepła.
Przy określaniu miejsca montażu należy kierować się zasadą:
"zapotrzebowanie ciepła pokrywamy tam gdzie powstają straty ciepła".

Montaż zestawów grzewczych

Zestawy paneli grzewczych należy tak projektować aby łączna powierzchnia modułów nie przekraczała 10m² w jednej pętli.
Zestawy możemy projektować w dowolnym systemie :

rozdzielaczowym
Tichelmana
etażowym

Panele grzewcze PMPG możemy z powodzeniem stosować w starym budownictwie z pionami grzewczymi.

7.2. Przykładowe rozmieszczenia paneli grzewczych PMPG

Panele grzewcze umieszczone na ścianie z oknem.

Panele grzewcze umieszczone na różnych ścianach z podłogówką na powrocie.

Panele grzewcze ścienne i podłogowe.