Efektywne grzanie

Proponuję w nieco odmienny sposób spojrzeć na problem ogrzewania. Potraktujmy ciepło jako produkt, który należy wytworzyć (wyprodukować), czasem zgromadzić i zakumulować (zmagazynować), a na końcu rozdzielić (dystrybuować). Na każdym z wymienionych etapów dojść może do nieuzasadnionych strat.

Ciepło można optymalnie wytworzyć lecz nieoptymalnie je magazynować czy też dystrybuować. Dlatego też przystępując do konfigurowania naszej osobistej instalacji c.o., należy dokładnie przemyśleć wszystkie trzy wymienione elementy procesu, bowiem naszym celem jest uzyskanie optymalnego dla naszych potrzeb i możliwości komfortu cieplnego. W artykule tym skupimy się na procesie dystrybucji ciepła, czyli na grzejnikach.

Dystrybucja ciepła

Pomieszczenia ogrzewać można w rozmaity sposób. Ciepło może być wytworzone i rozprowadzone z tego samego miejsca i urządzenia - tak jest przy konwektorach elektrycznych i ogrzewaczach gazowych jak również przy promiennikach. Oddają one ciepło w miejscu jego wytworzenia. W podobny sposób, lecz z magazynowaniem części wytworzonego ciepła działają grzejniki akumulacyjne. Rozgrzane w innym miejscu powietrze można wprowadzać też do pomieszczenia np. kanałami ciepłego powietrza (DGP - dystrybucja gorącego powietrza). Nas interesuje jednak sposób klasyczny, najbardziej popularny: dystrybucja ciepła przez grzejniki centralnego ogrzewania.

Ogrzewanie centralne oznacza, że ciepło produkowane jest w jednym miejscu, natomiast pomieszczeń ogrzewanych z tego źródła ciepła jest wiele. Pomiędzy miejscem produkcji ciepła a punktami jego dystrybucji może, ale nie musi znajdować się magazyn ciepła. Kiedy powinniśmy pomyśleć o magazynowaniu ciepła? Wówczas, gdy występują następujące warunki: produkcja ciepła jest większa niż zapotrzebowanie na nie; posiadamy kilka jednocześnie pracujących urządzeń produkujących ciepło lub pracujących w różnym czasie i ze zmienną dynamiką; posiadamy niestabilne źródło ciepła obsługiwane krótkookresowo; czas optymalnej produkcji ciepła różni się od czasu jego optymalnego zużycia.

Kiedy magazyn ciepła (akumulator, zbiornik buforowy) jest zbędny? Jeśli panujemy w pełni nad nośnikiem energii, a posiadany kocioł ma moc grzewczą odpowiednią do zapotrzebowania na ciepło i jest w pełni sterowalny (kocioł na gaz, olej opałowy, energię elektryczną: z zastrzeżeniem produkcji ciepła w tzw. II, tańszej taryfie - akumulacja). Dystrybucja ciepła przez grzejniki odbywać się może w sposób mniej lub bardziej dynamiczny lub też w sposób ciągły.

Nomenklatura grzejników

Grzejniki rurowe mogą mieć przeróżne kształty, kolory i wielkości. Najczęściej montowane są w łazienkach i w przedpokojach.

Od dawna nikt nie dokonał próby aktualizacji podziału grzejników na grupy. Brak ten powoduje szereg nieporozumień oraz stwarza pole do nieprawdziwych uproszczeń. Powszechnie powielany podział na grzejniki panelowe, członowe oraz konwektory jest obecnie całkowicie anachroniczny. Konwektory wodne są grzejnikami składającymi się z ożebrowanych stalowych lub miedzianych rur umieszczonych w blaszanej obudowie. Obudowa każdego konwektora jest zimna, wskutek braku kontaktu z układem grzejnym. Wymiana ciepła z otoczeniem odbywa się niemal wyłącznie przez konwekcję. Wszystkie pozostałe grzejniki oddają ciepło w sposób mieszany - przez promieniowanie oraz konwekcję.

Promieniowanie cieplne - to ciepło emitowane przez powierzchnię grzejnika. Ilość promieniowania zależy zatem od temperatury i wielkości tej powierzchni, a kierunek rozchodzenia się promieniowania - od jej kształtu. Promieniowanie cieplne rozchodzi się prostoliniowo, prostopadle do powierzchni z której jest ono emitowane i ogrzewa przedmiot na który pada.

Konwekcja - to ruch ogrzanego powietrza ku górze (prądy konwekcyjne), spowodowany różnicą gęstości powietrza ciepłego i chłodniejszego. W zależności od temperatury pracy grzejnika przemieszanie się powietrza może być intensywne lub bardzo łagodne, praktycznie niezauważalne. Proporcje udziału konwekcji względem promieniowania w procesie grzania są różne, nie tylko dla poszczególnych grup grzejników, lecz są zmienne nawet dla pojedynczego grzejnika, gdyż zależą od temperatury jego pracy, a ta z kolei zależy od temperatury czynnika grzewczego, czyli od temperatury zasilania.

Grzejniki mogą być zintegrowane na stałe z budynkiem - tak jak to ma miejsce przy ogrzewaniu płaszczyznowym podłogowym, ściennym lub sufitowym albo mogą być elementem całkowicie oddzielnie zamontowanym - czyli urządzeniem.

Grzejniki - to urządzenia, które mogą być zamontowane na ścianie, w ścianie, mogą też być postawione na podłodze lub umieszczone w samej podłodze. Spróbujmy stworzyć podział ze względu na lokalizację grzejnika:

• grzejnik wewnątrzpodłogowy: - płaszczyznowy - wodny lub elektryczny (przewody, maty, folie grzewcze); - kanałowy;
• grzejnik naścienny: - członowy - żeliwny, aluminiowy;
• grzejnik płytowy 1-2-3-panelowy, z konwektorem lub bez;
• rurowy ożebrowany; grzejnik wewnątrzścienny - wodny lub elektryczny (przewody, maty, folie grzewcze).

Wszystkie te urządzania są grzejnikami radiacyjno-konwekcyjnymi z zastrzeżeniem różnic w proporcjach pomiędzy tymi sposobami ogrzewania. Nieprawdą jest, że ogrzewanie podłogowe płaszczyznowe oddaje ciepło wyłącznie przez promieniowanie. Gdyby tak było, najmocniej ogrzewanym przez nie miejscem byłby... sufit. W tego rodzaju ogrzewaniu istnieje także spory udział łagodnej konwekcji.

Obrazowo rzecz ujmując, chłodniejsze, gęstsze powietrze z góry pomieszczenia zanurza się w cieplejszym, rzadszym. Również nieprawdą jest, że różnica temperatury w pomieszczeniu ogrzewanym grzejnikami ściennymi wynosi wiele stopni. Taka sytuacja może występować jedynie w zimnym budynku, przy wysokiej temperaturze czynnika grzewczego. We współczesnych, ciepłych domach, przy niskich parametrach grzania, różnica ta może być, dla niektórych typów grzejników minimalna.

Temperatura grzania

Upowszechnianie się ciepłych technologii budowania umożliwia zmniejszanie zapotrzebowania obiektów na ciepło i obniżanie temperatury grzania. Obecnie budowane są domy ciepłe o małej akumulacyjności ciepła, np. szkieletowe, oraz domy również ciepłe, lecz o dużej akumulacyjności ciepła - domy murowane. Każda z tych technologii wymaga innej strategii grzania. Pomiędzy rodzajem grzejnika a temperaturą grzania istnieje prosta zależność - im większa powierzchnia grzejnika tym możliwa jest niższa temperatura jego pracy. Zatem najniższa temperatura pracy możliwa jest dla grzejników płaszczyznowych. Wszak to one mają największą powierzchnię.

Najlepszą lokalizacją grzejnika w pomieszczeniu jest miejsce, gdzie straty ciepła są największe, a więc pod oknem lub ścianą zewnętrzną budynku.

Po to, by uzyskać dla danego pomieszczenia temperaturę komfortu cieplnego, ogrzewająca je podłoga musi dostarczyć w przybliżeniu tyle samo ciepła co grzejnik ścienny. Wszak potrzeby grzewcze obiektu są w określonych warunkach otoczenia określoną wartością. Niskotemperaturowe źródła ciepła takie jak pompy ciepła czy też kotły kondensacyjne współpracować mogą zarówno z ogrzewaniem podłogowym płaszczyznowym jak i ściennym grzejnikowym. Aby uszeregować grzejniki względem przydatności do grzania niskotemperaturowego, należy porównać ich powierzchnię czynną.

W domu o małych potrzebach grzewczych, można obecnie grzać niskotemperaturowo w zasadzie każdym grzejnikiem, bez konieczności jego szczególnego przewymiarowania. Zaletą ogrzewania podłogowego płaszczyznowego jest to, że grzejnik ten jest niewidoczny. Wadami natomiast są ograniczenia w rodzaju materiału pokrycia posadzki, w wyposażeniu pomieszczenia, mała sterowność i mała dynamika grzania. Może dojść do niekomfortowej eksploatacji takiego ogrzewania. Podłoga grzejna nagrzewa się i stygnie bardzo powoli, tym wolniej im większa jest jej masa, a więc i zdolność do akumulacji.

Temperatura powietrza w pomieszczaniu może zaś zmieniać się o wiele szybciej, np. w pomieszczeniu z dużymi oknami pod wpływem słońca, albo podczas wietrzenia. Ogrzewanie płaszczyznowe jest więc mało dynamiczne i nie nadąża za szybkimi zmianami zapotrzebowania pomieszczenia na ciepło. Przyjemność chodzenia boso po letniej podgrzewanej posadzce jest odrębną kwestią.

Dynamika grzania

Strategia grzania powinna być dostosowana do indywidualnego zapotrzebowania użytkownika na ciepło. Grzejniki różnią się pomiędzy sobą w sposób bardzo zasadniczy dynamiką grzania. Grzejnik podłogowy waży całe tony, na drugim biegunie są grzejniki ścienne podobnej mocy ważące kilka kg. Zatem oprócz dużych różnic w powierzchni wymiany, grzejniki różnią się pomiędzy sobą masą. Za różnicą masy idzie różnica w bezwładności cieplnej.

Czerwone, płaskie, stalowe panele to idealna dekoracja wyrazistej stylistycznie łazienki.

Grzanie dynamiczne niekoniecznie oznacza grzanie z różną mocą o różnych porach dnia, lecz może to być płynne, niskotemperaturowe uzupełnianie niewielkich w obecnie budowanych domach strat ciepła. Grzejnik dynamiczny, to grzejnik, który w krótkim czasie, po otrzymaniu niezbędnej ilości ciepła przekazuje je do otoczenia. Dynamika grzejnika wynika z masy całkowitej samego grzejnika oraz zawartej w nim wody. Częstość włączania i wyłączania procesu grzania zależy od czułości sterownika temperatury.

Aby ogrzewanie było maksymalnie komfortowe i ekonomiczne, powinno reagować na każdy uzysk ciepła w postaci np. nasłonecznienia, większej liczby osób w domu, włączenie urządzeń wytwarzających ciepło - komputer, mikrofalówka, piekarnik itp. Ogrzewanie dynamiczne pozwala nam korygować temperaturę wnętrza nie tylko w zależności od temperatury otoczenia, lecz również zmian w wilgotności powietrza czy też zwiększonych strat wentylacyjnych spowodowanych silnym wiatrem. Pozwala nam ono zareagować na wystąpienie istotnej zmiany w każdym z wymienionych trzech parametrów komfortu cieplnego.

Konfiguracja systemu dystrybucji ciepła

Instalacja grzejnikowa może być jednorodna pod względem dynamiki zainstalowanych urządzeń lub też może być mieszana. Obecnie niezwykle często dochodzi do połączenia układu grzejnikowego mało dynamicznego z dynamicznym. Stwarza to problemy ze sterowaniem pracą takiego układu. Aby sterowania zbytnio nie skomplikować, instalacja mieszana powinna mieć wyraźną przewagę jednego typu dynamiki grzania - albo dominacja ogrzewania podłogowego płaszczyznowego o dużej bezwładności wspomaganego jedynie szybkim komponentem dynamicznym, grzejnikowym o małej mocy albo dominacja układu grzejnikowego dynamicznego z wyspowo ulokowanym ogrzewaniem płaszczyznowym (łazienki, kuchnia).

Wybór jednego z tych wariantów powinien być decyzją dobrze przemyślaną, uwzględniającą wszystkie możliwe uwarunkowania.

Co w przyszłości?

W naszym umiarkowanym klimacie ogrzewanie zawsze będzie stanowić problem do rozwiązania. Przyszłość pokaże, czy obecnie wdrażane technologie grzania są bezpieczne dla zdrowia. Wadliwie zbudowane i źle eksploatowane systemy ogrzewania, mogą bez wątpienia stanowić istotny dla zdrowia czynnik ryzyka. Również dla kieszeni. Chroniąc swój już uzyskany i nadal pożądany poziom komfortu i chroniąc swoją kieszeń, sięgać będziemy do rozmaitych, aktualnie opłacalnych źródeł ciepła.

Konstruujmy tak swoją instalację, byśmy ją zawsze mogli przebudować, rozbudować, by włączyć do pracy dla naszych potrzeb nowe źródła energii cieplnej. Wytworzone w wielu miejscach ciepło musimy umieć połączyć w jeden strumień jego oszczędnej, optymalnej dystrybucji.

autor: Bogusław Wójcik

zdjęcia: Instal Projekt, Zehnder, Valmark