Dołącz do czytelników
Brak wyników

Budownictwo wielkogabarytowe

4 stycznia 2019

NR 8 (Grudzień 2018)

Ogrzewanie kubaturowe a ogrzewanie strefowe

0 179

Niezbędnym elementem dla zachowania komfortu cieplnego osób przebywających w pomieszczeniach w okresach obniżonych temperatur są różnorodne systemy ogrzewania. W artykule przybliżone zostaną różne rozwiązania ogrzewania budynków kubaturowych, czyli takich o specyficznych wymaganiach grzewczych.

Jest wiele podziałów systemów ogrzewania – z uwagi na sposoby wytwarzania energii, sposoby dystrybucji czynnika oraz różnorodne elementy grzejne. Problemem nie jest zbudowanie instalacji, ale takie dobranie systemu grzewczego, aby w określonych warunkach i w zależności od kubatury budynku zapewnił komfort cieplny przy zachowaniu minimalnych kosztów jego eksploatacji. W budownictwie mieszkaniowym temat ogrzewania jest na tyle prosty, że zasadniczo ogranicza się do jednego sposobu ogrzewania pomieszczeń. Szerszym zagadnieniem jest ogrzewanie budynków kubaturowych i przemysłowych, gdzie niejednokrotnie wykorzystywanych jest kilka systemów ogrzewania, ściśle ze sobą współpracujących. Kluczowe jest rozwiązanie problemu z dostarczeniem ciepła i „zatrzymanie” go we wskazanym miejscu, np. miejscu przebywania ludzi. Wiele obiektów, w których nie da się wprowadzić standardowych rozwiązań, stanowi ogromne wyzwanie dla projektantów. Przykładem mogą być kościoły lub budynki zabytkowe, często bardzo wysokie, gdzie konieczne jest zatrzymanie ciepła w strefie przebywania ludzi a z drugiej strony zachowanie odpowiednich parametrów pracy instalacji, które nie będą wpływały na stan obiektu i koszty eksploatacji.

Rys. 1. Obieg powietrza w przypadku ogrzewania nagrzewnicą wentylatorową
Rys. 2. Miejsce montażu ogrzewacza listwowego

Promieniowanie

Promieniowanie to strumień cząstek lub fal wysyłanych przez ciało. Emisja energii odbywa się tu w postaci strumieni cząstek lub fal elektromagnetycznych. Przykładem promieniowania może być odczuwanie ciepła od ogniska czy od włączonej żarówki lub przekazywanie energii cieplnej przez Słońce na Ziemię.

Konwekcja

Inny sposób, konwekcja, polega na przenoszeniu ciepła w wyniku makroskopowego ruchu materii w gazie lub cieczy. Proces konwekcji występuje także w wyniku różnicy temperatur w materii. Przykładem może być powietrze, które – ogrzewając się od powierzchni grzejnika – zmienia gęstość, co powoduje jego unoszenie, a na jego miejsce wpływa chłodniejsze powietrze. Powoduje to w pomieszczeniu cyrkulację powietrza zwaną prądem konwekcyjnym, a samo zjawisko powstania tego prądu nazywane jest konwekcją. Możemy rozróżnić konwekcję swobodną, wywołaną polem grawitacyjnym, lub konwekcję wymuszoną, gdzie ruch cieczy lub gazu wywołany jest przez urządzenia (wentylatory, pompy).

Rys. 3. Ogrzewanie podłogowe – efekt cieplny

Przewodzenie

Z kolei przewodzenie ciepła polega na wymianie ciepła między ciałami o różnej temperaturze. Ciała te muszą być w bezpośrednim kontakcie ze sobą, by przekazywanie energii było skuteczne, a wymiana ciepła zachodzi w kierunku od czynnika o wyższej temperaturze do czynnika o temperaturze niższej. Trwa to do momentu wyrównania temperatur między ciałami.

Podstawowe wymogi systemu grzejnego

By system grzejny spełniał swoją funkcję, musi gwarantować natychmiastowe ciepło w danym miejscu i czasie oraz możliwość przełączania stref ogrzewania, a jednocześnie zapewniać minimalny wpływ ogrzewania na mikroklimat panujący w budynkach zabytkowych. Musi być trwały i niezawodny, nie może ingerować w konstrukcję budynku, mieć możliwość modernizacji i rozbudowy. Ważny jest też wymóg wszechstronnego zastosowania – do budynków zarówno już istniejących, jak i nowo budowanych – oraz energooszczędności i niskich kosztów eksploatacji. System nie może powodować dyskomfortu akustycznego, a stosowane urządzenia nie powinny szpecić wnętrza.

Podział systemów grzewczych w ogrzewaniu budynków kubaturowych

W ogrzewaniu budynków kubaturowych możemy rozróżnić dwa główne systemy ogrzewania:

  • Ogrzewanie kubaturowe:
    • ogrzewanie konwekcyjne – aparaty grzewczo-wentylacyjne,
    • ogrzewanie konwekcyjne – podłogowe: wodne, elektryczne,
    • ogrzewanie konwekcyjne – grzejniki;
  • Ogrzewanie strefowe:
    • wysokotemperaturowe promienniki podczerwieni,
    • maty grzejne,
    • ogrzewacze listwowe (thermo-line),
    • płyty promiennikowe podczerwieni niskotemperaturowe.

Biorąc pod uwagę zaprojektowanie ogrzewania w budynkach kubaturowych, pierwszą zasadniczą kwestią jest określenie przeznaczenia budynku i sposobu jego użytkowania. Jeśli dotyczy to obiektów typu galerie handlowe, temat jest o tyle prosty, że ogrzewany jest cały obiekt. Problemem może być jedynie dobranie właściwych instalacji dostosowanych do wymogów budynku i prowadzonej w nim działalności. Niejednokrotnie te instalacje stanowią kombinację różnych systemów grzewczych, które muszą ze sobą ściśle współpracować. Bardziej skomplikowanymi obiektami są hale produkcyjne, w których w wydzielonych strefach pracują ludzie. Oprócz odciągów usuwających brudne powietrze konieczne jest tu zapewnienie ciepła w strefach pracy. Wiele obszarów hal produkcyjnych nie wymaga specjalnego ogrzewania – poza miejscem przebywania ludzi. Najbardziej wymagającymi obiektami są obiekty zabytkowe i sakralne. Kłopot sprawia tu zazwyczaj taki dobór systemu grzewczego, by wtapiał się w klimat obiektu, był wydajny i ekonomiczny mimo często dużych, wysokich, otwartych kubatur. Zapewnienie ciepła w takim obiekcie jest także problematyczne ze względu na zmieniające się strefy przebywania osób oraz fakt, że są oni w bezruchu, więc stwarza to większe wymagania co do sposobu ogrzewania. Standardowym  prostym i często stosowanym rozwiązaniem w ogrzewaniu budynków kubaturowych jest montaż nagrzewnic wentylatorowych lub grzejników, a rzadziej stosowanym, szczególnie w budynkach istniejących – montaż ogrzewania podłogowego. Takie rozwiązanie – z uwagi na specyfikę budynków sakralnych, duże wysokości i niekiedy bardzo słabą termoizolację – jest mało efektywne i drogie w eksploatacji. Dobrym i często w ostatnich latach stosowanym rozwiązaniem jest ogrzewanie strefowe. Wykorzystując wysokotemperaturowe promienniki podczerwieni, maty grzejne i ogrzewacze listwowe jesteśmy w stanie szybko i precyzyjnie dostarczyć ciepło do poszczególnych sektorów przebywania ludzi, czyli tam, gdzie jest ono w danej chwili potrzebne. Przełączanie stref grzewczych także nie stanowi problemu i może być realizowane praktycznie natychmiast. Nagrzewanie i studzenie odbywa się na żądanie, nie ma długich okresów rozruchu instalacji, a przez to niwelujemy straty ciepła i tniemy koszty.

Rys. 4. Ogrzewanie poduszkami grzewczymi

Wytyczne ogrzewania kubaturowego

Ogrzewanie konwekcyjne – nagrzewnica wentylatorowa 
Często spotykanym sposobem ogrzewania obiektów kubaturowych jest wykorzystanie nagrzewnic wentylatorowych. Nadmuch powietrza odbywa się poprzez wentylator umieszczony w urządzeniu, a podgrzewane jest ono poprzez nagrzewnicę zasilaną czynnikiem wodnym z kotłowni lub elektrycznie. Często nagrzewnice wykorzystywane są cyklicznie i w warunkach zimowych, z uwagi na panujące mrozy, w przypadku zasilania wodnego instalacja mogłaby zamarznąć. Wtedy stosowane są nagrzewnice zasilane gazem, olejem opałowym lub energią elektryczną. Nagrzewnice wentylatorowe montowane są zazwyczaj na ścianach budynków na wysokości ok. 3–4 m lub pod sufitem, a strumień powietrza skierowany jest ku dołowi. Dobrze sprawdzają się w pomieszczeniach od 6 do 8 m wysokości. Przy obiektach wyższych strumień powietrza niejednokrotnie zaraz za nagrzewnicą unoszony jest w górę, aby mógł dotrzeć do strefy ogrzewanej, urządzenie musi pracować z maksymalną wydajnością – wtedy staje się głośne, a strumień powietrza może być zbyt silny i powodować dyskomfort termiczny u ludzi. O ile ciepłe powietrze chwilowo przepływa przez strefę przebywania ludzi, to cała jego kumulacja znajduje się niepotrzebnie pod sklepieniem. Aparaty grzewczo-wentylacyjne dość szybko potrafią nagrzać pomieszczenie, ale w przypadku budynków zabytkowych jest to niekorzystne z uwagi na nagłe zmiany wilgotności i mikroklimatu. Ponadto są to gabarytowo duże urządzenia i w przypadku zabytków ich estetyka pozostawia wiele do życzenia. Problematyczny jest także montaż aparatów w już istniejących obiektach. Nie zawsze jest możliwość poprowadzenia instalacji zasilającej urządzenia. Rozmieszczenie ich po całym pomieszczeniu wymaga poprowadzenia instalacji praktycznie wokół obiektu, a jeśli już musi być to zrobione, to prowadzona jest ona po wierzchu ścian, co zaburza wizerunek estetyczny wnętrza.

Ogrzewanie konwekcyjne podłogowe (elektryczne, wodne)
Rozróżniamy trzy podstawowe systemy ogrzewania podłogowego – powiewne, elektryczne oraz wodne. Źródłem ciepła w ogrzewaniu powiewnym jest ogrzanie przez specjalną nagrzewnicę powietrza, które krąży w rurach. Ogrzewanie elektryczne polega na rozprowadzeniu w posadzce przewodów elektrycznych. Sterowanie odbywa się poprzez sondę umieszczoną w posadzce oraz czujnik temperatury powietrza w pomieszczeniu. W przypadku ogrzewania podłogowego wodnego elementami dostarczającymi ciepło są rurociągi wodne, także zatopione w warstwie posadzkowej. Sterowanie odbywa się na podstawie odczytu temperatury powietrza w ogrzewanym pomieszczeniu poprzez zawory termostatyczne i zestawy pompowe umieszczone na instalacji. W obu przypadkach konieczne jest wykonanie solidnej izolacji termicznej, by całe ciepło zostało oddane do pomieszczenia. Zaletą tego systemu ogrzewania jest równomierne unoszenie się ciepła już od poziomu podłogi, czyli całe ciepło, unosząc się, opływa wokół człowieka, a także charakteryzuje się niską temperaturą elementu grzejnego (posadzki, do 30ºC), co znacząco wpływa na aspekty ekonomiczne utrzymania. O ile takie rozwiązanie z powodzeniem można stosować w pomieszczeniach o standardowej wysokości (do 3 m), to w wyższych obiektach występują duże straty energii, spowodowane zaleganiem całego ciepła pod stropem (czyli poza strefą przebywania ludzi). Zazwyczaj w budynkach kubaturowych, sakralnych i zabytkowych konstrukcja posadzki, która jest zbyt gruba lub wykonana z materiału słabo przewodzącego ciepło, nie pozwala na zastosowanie takiego systemu ogrzewania. Następnym powodem ograniczającym zastosowanie ogrzewania podłogowego –jest konieczność rozkucia posadzki (problem ten nie występuje w budynkach nowo powstających). Należy także brać pod uwagę czas ogrzewania – pracę ciągłą czy cykliczność. System ogrzewania podłogowego charakteryzuje się dużą bezwładnością działania. Potrzebny jest długi czas na rozgrzanie posadzki, która potem potrzebuje dużo czasu na wystygnięcie. W przypadku kościołów i okresowego odprawiania nabożeństw rozruch instalacji musiałby być przeprowadzany na kilka lub kilkanaście godzin przed nabożeństwem, a potem skumulowane ciepło oddawane byłoby przez posadzkę jeszcze długo po zakończeniu nabożeństwa. Zarówno w przypadku cyklicznego uruchamiania instalacji, jak i ogrzewania ciągłego przy takiej kubaturze obiektu generuje to niepotrzebne, bardzo wysokie koszty ogrzewania.

Ogrzewanie konwekcyjne – grzejniki
Z uwagi na konstrukcję urządzenia konwekcyjne możemy podzielić na:

  • grzejniki radiatorowe,
  • konwektorowe,
  • piece akumulacyjne,
  • ogrzewanie centralne wodne i powietrzne.

Grzejniki radiatorowe i konwektorowe zazwyczaj montowane są na ścianach pomieszczeń. Przepływające przez grzejnik chłodne powietrze w wyniku ogrzania unosi się do góry. W przypadku wysokich pomieszczeń uznać to trzeba za stratę ciepła. Co więcej, unoszące się z powietrzem kurz lub pyły, w pobliżu ściany mogą ją brudzić.
Piece akumulacyjne – urządzenia zasilane elektrycznie, grzałki – nagrzewają elementy akumulujące ciepło, (np. bloczki z magnezytu), które potem oddają ciepło. Piece można podzielić ze względu na sposób oddawania ciepła na statyczne i dynamiczne. W statycznych cyrkulacja powietrza odbywa się grawitacyjnie, zimne powietrze zasysane jest dołem i po podgrzaniu przez elementy akumulujące ciepło wydostaje się otworami wylotowymi w górnej części obudowy. W piecach dynamicznych, by usprawnić cykl oddawania ciepła, wmontowany jest wentylator, którego zadaniem jest mechaniczne wymuszenie obiegu powietrza. By ograniczyć temperaturę wywiewanego powietrza, można podmieszać go z powietrzem zimniejszym, nieogrzanym. Tego typu konstrukcje, podobnie jak ogrzewanie podłogowe, charakteryzują się dużą bezwładnością cieplną. Muszą być włączane odpowiednio wcześnie, by nagrzać pomieszczenie, a następnie jeszcze i tak ciepło jest długo oddawane, kiedy nie ma już takiej potrzeby. Wadą takiego rozwiązania jest nierównomierność ogrzewania i występowanie w pobliżu urządzenia wysokiej temperatury. Całe ciepło unosi się do góry pod strop, co jest ewidentną stratą.
Natomiast ogrzewanie centralne wodne jest tradycyjnie stosowane w budownictwie mieszkaniowym, ale zupełnie nie ma zastosowania w budownictwie kubaturowym z uwagi na wysokie koszty utrzymania. Na wypadek awarii (np. zamarznięcia instalacji) lub by wykluczyć takie ryzyko można zastosować w układzie czynnik na bazie glikolu. W przypadku dostawy ciepła przez ciepłownię różnica polega na sposobie rozliczania, tj. w standardowych budynkach jest to stawka za 1 m2  ogrzewanej powierzchni, a w budynkach kubaturowych za 1 m3 objętości, więc różnica jest diametralna.
Ogrzewanie ciepłym powietrzem polega z kolei na rozprowadzeniu przy pomocy kanałów wentylacyjnych i wentylatorów podgrzanego powietrza. Nawiew odbywa się zazwyczaj przy podłodze. W celu uniknięcia strat ciepła kanały powinny być izolowane termiczne oraz – by zniwelować hałas przepływającego powietrza – winny być wyposażone w tłumiki. Dość duże gabarytowo kanały psują wygląd pomieszczeń i trudno jest je ukryć w konstrukcji budynku. Temperatura nawiewanego powietrza nie powinna przekraczać 55°C. Przy ogrzewaniu zarówno centralnym wodnym, jak i powietrznym konieczne jest pomieszczenie kotłowni (w przypadku braku miejskiej sieci cieplnej).

Wytyczne nagrzewania strefowego

Najodpowiedniejszym sposobem ogrzewania obiektów kubaturowych jest system ogrzewania strefowego, tj. tam, gdzie istnieją strefy przebywania ludzi, stanowiska pracy czy konieczne jest utrzymanie odpowiednich parametrów temperaturowych niezbędnych do pracy maszyn i urządzeń. Jest to wygodne i ekonomiczne rozwiązanie, które nie tylko pozwala uruchamiać odpowiednie strefy grzewcze sukcesywnie w miar...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań magazynu "Forum Nowoczesnego Budownictwa"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy