Jak długo nagrzewa się i stygnie podłogówka?

W poniższej publikacji przedstawiono wyniki badań przebiegu odpowiedzi cieplnej grzejnika podłogowego na skokową zmianę wartości temperatury czynnika zasilającego ten grzejnik. Otrzymane przebiegi funkcji odpowiedzi stanowią podstawę określenia czasu nagrzewania się i stygnięcia grzejnika podłogowego oraz zmieniającej się wartości gęstości strumienia ciepła przekazywanej od powierzchni grzejnika do ogrzewanego pomieszczenia. Grzejniki podłogowe charakteryzują się dużą bezwładnością cieplną, zatem eksperymentalne wyniki badań mogą posłużyć do opracowania takiej metodyki sterowania grzejnikiem, aby dla zaplanowanego obniżenia temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu (np. o kilka kelwinów), w określonym czasie można było uzyskać realne oszczędności w zakresie zużycia ciepła na cele ogrzewcze.

Ogrzewanie podłogowe jest dość powszechnie stosowane od kilkudziesięciu lat w krajach Europy zachodniej i w krajach skandynawskich. W ostatnich latach znalazło także znaczne uznanie w Polsce, szczególnie do ogrzewania pomieszczeń w domach jednorodzinnych. Charakteryzuje się ono wieloma zaletami, w tym szczególnie bardzo dobrym rozkładem temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu, co z kolei wpływa na uzyskiwanie dobrych warunków w zakresie komfortu cieplnego i higieny, spowodowanych zmniejszeniem ruchów konwekcyjnych i brak występowania zjawiska tzw. "przypiekania kurzu" na powierzchni grzejnika. Wszystkie zalety można uzyskać wiedząc, jak ułożyć ogrzewanie podłogowe.

Do wad tego systemu ogrzewania zalicza się między innymi dużą bezwładność cieplną (bezwładność w czasie awarii instalacji może być zaletą), która wynika z dużej pojemności cieplnej masywnych grzejników podłogowych. Bezwładność z kolei utrudnia regulację ogrzewań w zakresie przekazywania mocy cieplnej od grzejników do ogrzewanych pomieszczeń, szczególnie w sytuacjach, gdy znaczący udział tej wymiany ciepła realizowany jest na drodze promieniowania. Stąd też konieczne jest poznanie pracy masywnych grzejników podłogowych w warunkach dynamicznych i po określeniu niezbędnych charakterystyk cieplnych, wykorzystanie ich do opracowania metody regulacji układu ogrzewczego. Przedtem należy jednak przyjąć określone założenia pracy systemu, dotyczące między innymi "osłabienia" ogrzewania pomieszczenia w określonym czasie doby, czy tygodnia.

Czas nagrzewania i stygnięcia grzejnika podłogowego

Na rys. 1 przedstawiono odpowiedź grzejnika podłogowego na wymuszenie cieplne spowodowane wzrostem temperatury zasilania czynnika grzejnego od ok. 37°C do ok. 53°C. Spowodowało to wzrost temperatury powierzchni podłogi od 21,5°C do 25°C. Gęstość strumienia ciepła przekazywana przez grzejnik wzrosła od 69 W/m2 do 116 W/m2. Czas ustalania się temperatury na powierzchni podłogi od chwili wystąpienia wymuszenia cieplnego do chwili ustabilizowania się temperatury wyniósł około 6 godzin.

Rys. 1 Odpowiedź cieplna grzejnika podłogowego na podwyższenie temperatury czynnika zasilającego

Na rys. 2 przedstawiono odpowiedź grzejnika podłogowego na wymuszenie cieplne spowodowane obniżeniem temperatury zasilania czynnika grzejnego od ok. 53°C do ok. 40°C. Spowodowało to spadek temperatury powierzchni podłogi od 29°C do 25°C, gęstość strumienia ciepła przekazywana przez grzejnik podłogowy spadła od 96 W/m2 do 68 W/m2, co stanowi 71% pierwotnej mocy cieplnej. Czas ustalania się temperatury na powierzchni podłogi od chwili wystąpienia wymuszenia cieplnego do chwili ustabilizowania się temperatury wyniósł również około 6 godzin.

Rys. 2 Odpowiedź cieplna grzejnika na obniżenie temperatury czynnika zasilającego

Na rys. 3 przedstawiono odpowiedź grzejnika na wymuszenie cieplne spowodowane włączeniem ogrzewania podłogowego po wystygnięciu grzejnika. Wymuszenie to nastąpiło od temp. zasilającej grzejnik wynoszącej ok. 14,5°C do temp. ok. 55°C. Temp. powierzchni podłogi wzrosła od 15°C do 28°C. Gęstość strumienia ciepła przekazywana przez grzejnik podłogowy wzrosła od 11 W/m2 do 146 W/m2. Początkowa moc cieplna oddawana przez grzejnik podłogowy wynika z zysków ciepła w pomieszczeniu, w którym badany był grzejnik podłogowy, od pomieszczeń przyległych. Czas ustalania się temp. na powierzchni podłogi od chwili wystąpienia wymuszenia cieplnego do chwili ustabilizowania się temp. wyniósł około 12 godzin.

Rys. 3 Odpowiedź cieplna grzejnika na podwyższenie temperatury czynnika zasilającego od wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu

Na rys. 4 przedstawiono odpowiedź grzejnika podłogowego na wymuszenie cieplne spowodowane wyłączeniem ogrzewania podłogowego. Spowodowało to obniżenie temperatury zasilania czynnika grzejnego od temperatury ok. 55°C do temperatury powietrza w pomieszczeniu czyli ok. 15°C. Temperatura powierzchni podłogi spadła od 29°C do 17,5°C. Gęstość strumienia cieplnego przekazywana przez grzejnik podłogowy obniżyła się od 148 W/m2 do 31 W/m2. W czasie około 17 godzin grzejnik podłogowy nie osiągnął jeszcze stanu ustalonego.

Rys. 4 Odpowiedź cieplna grzejnika podłogowego dla warunków wyłączenia zasilania układu badawczego

Sterowanie ogrzewaniem podłogowym

Na podstawie otrzymanych wyników badań ustalić można sposób sterowana grzejnikiem podłogowym. Z powyższych wykresów wynika, że całkowite wyłączenie ogrzewania podłogowego dla potrzeb regulacji mocy cieplnej w trakcie normalnej eksploatacji budynku jest niemożliwe. Czas wychładzania się grzejnika podłogowego wyniósł powyżej 17 godzin. Nie jest zatem możliwa właściwa regulacja mocy grzejnika podłogowego za pomocą włączania i wyłączania grzejnika. Można jednak wyciągnąć praktyczne wnioski dotyczące czasu nagrzewania i stygnięcia grzejnika w przypadku planowanej dłuższej przerwy lub planowania włączenia grzejnika po dłuższej przerwie w ogrzewaniu. Ma to znaczenie w przypadku okresowego ogrzewania pomieszczeń.

Podsumowanie

Korzyści ekonomiczne w zakresie sterowania mocą cieplną grzejników podłogowych są możliwe, wymagają jednak znajomości parametrów dynamicznych grzejnika. W Instytucie Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechniki Warszawskiej wykonano badania grzejnika o określonej konstrukcji. Prowadzone są także prace nad opracowaniem oprogramowania komputerowego, które umożliwi określanie właściwości cieplnych grzejników podłogowych o różnej konstrukcji.  

Literatura:

[1] Górka A., Koczyk H., Efektywność działania ogrzewania podłogowego w warunkach dynamicznych - analiza numeryczna, X International Conference Air Conditioning Protection & District Heating 2002, Szklarska Poręba 2002.

[2] Kowalczyk A., Wybór i weryfikacja metody wymiarowania ogrzewań podłogowych, rozprawa doktorska, Warszawa, Politechnika Warszawska, 2003.

[3] Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E., Poradnik. Ogrzewanie i klimatyzacja, Gdańsk, EWFE, 1994.

[4] Strzeszewski M., Model obliczeniowy ogrzewań mikroprzewodowych, rozprawa doktorska, Warszawa, Politechnika Warszawska, 2002.

 

Autorzy: prof. nzw. dr hab. inż. Marian Rosiński, mgr inż. Zenon Spik, Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji, Politechnika Warszawska Źródło: Polski Instalator