2022-11-14 15:56:33 
Sprawność energetyczna, a efektywność ogrzewania elektrycznego
Sprawność energetyczna czyli stopień wykorzystania zużywanej energii do ogrzania pomieszczeń w przypadku wszelkich urządzeń grzewczych zasilanych prądem elektrycznym jest bliska 100%, co oznacza, że następuje niemal całkowite przekształcenie jej w ciepło, niezależnie od rodzaju elementów grzewczych.
Natomiast na efektywność ogrzewania i związany z tym komfort cieplny - wynikający z poziomu i równomierności temperatury w pomieszczeniu - wpływa sposób przekazywania energii cieplnej, która może odbywać się na drodze promieniowania lub konwekcji zgodnie z ogólną zasadą przepływu energii od ośrodka o temperaturze wyższej do chłodniejszego obszaru.
W praktyce zjawisko to występuje najczęściej równocześnie w obu formach, ale ze zróżnicowanym ich udziałem.
Jaka jest efektywność ogrzewania na podczerwień?
W przypadku ogrzewania przez promieniowanie wnętrze pomieszczenia jak i przebywający w nim ludzie przejmują energię cieplną bez pośrednictwa otaczającego powietrza, które jednak zostaje pośrednio ogrzane poprzez samoczynnie powstający jego przepływ - konwekcję wywołaną przez różnice temperatur, a niekiedy wspomaganą przez wentylator nadmuchowy.
Efektywność ogrzewania przez promieniowanie uzależniona jest od rodzaju i wielkości powierzchni emitującej promienie podczerwone i oraz jej temperatury.
Zależność tą opisuje prawo Stefana + Boltzmana wyrażone poniższym wzorem, co pozwala na określenie podstawowych wymagań dla takiego sposobu ogrzewania.
E = 20,4 ε S τ [(T1/100)4 - (T2/100)4] (kJ)
E - przekazywana energia promieniowania c cieplnego w KJ
ε - stopień czarności powierzchni*
S - powierzchnia emisji w m2
T - czas emisji w godzinach
T1 i T2 - temperatura powierzchni emitującej i pochłaniającej Kelwinach
* - stopień czarności zależy od rodzaju materiału, a nie od jego barwy. Np. biała, otynkowana ściana ma wskaźnik ok. 0,9 a granit 0,45. Jego wartość dotyczy zarówno powierzchni emitującej promieniowanie jak i je pochłaniające np. niski wskaźnik ε to powierzchnia słabo emitująca promieniowanie ale dobrze je odbijająca.
Korzystając z powyższego wzoru można wyznaczyć i porównać efektywność ogrzewana w zależności od formy emisji ciepła z jednostkowej powierzchni radiacji.
W przypadku przekazywania ciepła przez promieniowanie i przy bezpiecznej dla użytkowników temperaturze powierzchni dotykowej źródła ciepła na poziomie 50°C, emitowana energia cieplna pochłaniana przez konstrukcję wnętrza i przebywających w niej ludzi uzależniona będzie również od aktualnej ich temperatury - w uproszczeniu można przyjąć ją na poziomie 20°C.
Z kolei stopień czarności ε powierzchni emitującej i pochłaniającej ciepło, zależeć będzie od zastosowanych materiałów np. ściany i praktyce większość z nich, oscyluje wokół wartości 0,9.
Po podstawieniu tych parametrów do wzoru i przekształceniu stopni Celsjusza na Kelwina, emitowany strumień ciepła z powierzchni 1 m2 w ciągu 1 godziny wyniesie: E =20,4 x 0,9 x 1m2 x 1h x[(322K/100)4 – (292K/100)4] = 639 kJ, co odpowiada mocy grzejnej 0,1775 kW/m2 (639 kJ : 3600 s).
Przy takich samych parametrach otoczenia i emisji, porównywalna moc grzewcza tradycyjnego grzejnika np. płaskiego, dwupłytowego z zasilaniem wodnym o powierzchni frontowej 1 m2 wyniesie według dokumentacji producentów ok. 1,8 kW, czyli niemal dziesięciokrotnie więcej niż przekazane ciepło tylko przez promieniowanie.
Wynika to m. in. z równoczesnego przekazywania ciepła w takim grzejniku przez konwekcję, która dominuje przy tej formie ogrzewania.
Oczywiście dzięki niezwykle wysokiemu uzależnieniu mocy promieniowania od temperatury źródła (rośnie ona wykładniczo do czwartej potęgi) można uzyskać wysoką wydajność ogrzewania przez promieniowanie z niewielkiej powierzchni, ale wymaga to zapewnienia odpowiedniej ochrony przed poparzeniem czy wznieceniem pożaru.
Dlatego do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych poprzez emisje promieni podczerwonych wykorzystuje się znaczne powierzchnie ścian, podłóg lub sufitów umieszczając tam elektryczne elementy grzejne w postaci kabli, mat lub folii albo zakładając instalacje rurowe zasilane woda podgrzewana z dowolnego źródła z wykorzystaniem gazu, paliwa płynnego bądź stałego.
Powierzchniowe ogrzewanie na podczerwień w praktyce
Ilość energii cieplnej przekazywanej do pomieszczenia niezbędnej do utrzymywania pożądanej temperatury uzależniona jest przede wszystkim od dwóch czynników - temperatury elementu grzejnego i wielkości powierzchni grzejnej.
Przy niskiej temperaturze powierzchni grzejnej nieznacznie przewyższającej temperaturę pomieszczenia, emisja promieniowania energii cieplnej musi odbywać się z bardzo dużej płaszczyzny.
Ze względu na wymagany komfort cieplny odczuwany przez mieszkańców jak i wpływ na elementy wykończeniowe (posadzki, tynki, okładziny).
Jaka powinna być maksymalna temperatura powierzchni emitującej ciepło?
Jako górną granicę temperatury emitującej ciepło z powierzchni - zwłaszcza podłogi - w takich instalacjach przyjmuje się 30-34°C.
Wszystkie systemy ogrzewania powierzchniowego charakteryzują się wysoką zdolnością do samoregulacji, czyli dostosowania przekazywanej ilości energii grzewczej do aktualnej temperatury w pomieszczeniu
Efektywność przekazywanej energii cieplnej zależy bowiem od różnicy temperatur we wnętrzu i na powierzchni grzejnej, a np. samoistne obniżenie się temperatury pomieszczenia o 2°C w wyniku otwarcia okna, spowoduje proporcjonalny wzrost emisji strumienia energii cieplnej, jak i efekt odwrotny, gdy ciepłota w pomieszczeniu wzrośnie.
Zmiany te wpłyną na reakcję termostatu, który steruje zasilaniem ogrzewania powodują okresowe załączanie i wyłączanie dopływu prądu.
System elektrycznego ogrzewania płaszczyznowego
Ukrycie elementów grzejnych w przegrodach budowlanych - podłodze, ścianach czy suficie - sprawia, że instalacja taka staje się niewidoczna, ale narzuca to też pewne ograniczenia w sposobie urządzenia i użytkowania pomieszczenia.
Przy ogrzewaniu podłogowym istotny wpływ na efektywność funkcjonowania ma rodzaj posadzki, gdyż materiały źle przewodzące ciepło (np. drewno, grube wykładziny dywanowe) znacząco ograniczają emitowaną energię cieplną.
Problem taki powodują również meble przylegające do podłoża czy np. szafy zakrywające znaczną powierzchnię przy ogrzewaniu ściennym.
System elektrycznego ogrzewania płaszczyznowego tworzą kable lub maty grzewcze oraz termostat regulujący temperaturę ogrzewanej powierzchni.
Efektywność grzewcza tych materiałów jest identyczna, a różnią się jedynie wymaganiami technologii ich montażu.
Kable elektryczne
Kable grzejne mogą być przystosowane do zasilania jedno -lub dwustronnego. Podstawowym parametrem grzejnych jest ich moc oddawana przez 1 mb przewodu, która wynosi zależnie od przeznaczenia 10-20 W/mb.
Ich efektywność grzewczą przyjmuje się wg wskaźnika 100 W/m2 gdy ogrzewanie ma być głównym źródłem ciepła lub 50-60 W/m2 w przypadku uzyskiwania efektu „ciepłej podłogi” .
Maty i folie elektryczne
Z kolei maty grzewcze przystosowane są do układania bezpośrednio pod pokryciem ściany np. płytami g-k, boazerią lub na podłogach z cienką ceramiczną posadzką.
Tworzy je kabel grzejny o niewielkiej średnicy (ok. 2,5 mm) umocowany do siatki z tworzywa sztucznego o szerokość 0,5 m i długości wynikającej z zapotrzebowania na moc grzewczą. Moc jednostkowa mat grzewczych wynosi najczęściej 100-150 W/m2.
Szczególnie małą grubością charakteryzują się folie grzewcze wykorzystywane najczęściej do układania pod posadzkami pływającymi (panelami podłogowymi, deską warstwową).
autor: Redakcja BudownicwaB2B
opracowanie: Aleksander Rembisz
zdjęcia: Fenix Polska, Elektra, nVent Raychem, Grupa BRANN
Komentarze