Ogrzewanie podłogowe, stan nieustalony, perlitobeton, rurki kapilarne, sprawność regulacji Andrzej GÓRKA*, Halina KOCZYK* SZYBKIE OGRZEWANIE PODŁOGOWE POMIARY PARAMETRÓW CIEPLNYCH W referacie przedstawiono opatentowane rozwiązanie wodnego ogrzewania podłogowego opartego na betonie izolacyjnym i rurkach kapilarnych. Ogrzewanie to charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami, niż powszechnie stosowane ogrzewania podłogowe. Podstawową cechą wyróżniającą to rozwiązanie jest szybkość działania. Stałe czasowe tego ogrzewania są ok. dziesięciokrotnie mniejsze od typowych ogrzewań podłogowych. Niska temperatura powierzchni pozwala na wykorzystanie efektu samoregulacji, co w połączeniu z małymi stałymi czasowymi i pojemnością cieplną większą, niż w przypadku ogrzewań podłogowych w technologii suchej, pozwala osiągnąć wyjątkowo wysoką sprawność oddawania ciepła do pomieszczenia. Ponadto niska temperatura zasilania (typowo: poniżej +30 C) umożliwia uzyskanie wysokiej sprawności pomp ciepła i kolektorów słonecznych wykorzystujących ciepło ze źródeł odnawialnych. W referacie przedstawiono wyniki pomiarów eksperymentalnych dla powyższej konstrukcji. 1. BUDOWA I FUNKCJONOWANIE SZYBKIEGO OGRZEWANIA PODŁOGOWEGO Istota rozwiązania polega na zastosowaniu do ogrzewania podłogowego z rur kapilarnych warstwy betonu izolacyjnego (perlitobetonu), który łączy w sobie funkcje izolacji cieplnej i przenoszenia obciążeń. Dzięki temu, że warstwa izolacji cieplnej znajduje się bezpośrednio pod warstwą zawierającą rurki kapilarne, konstrukcja posiada unikalne cechy funkcjonalne, opisane poniżej. * Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań
Rys. 1. Budowa szybkiego ogrzewania podłogowego 1 warstwa wykończeniowa podłogi (płytki ceramiczne); 2 rurki kapilarne; 3 klej elastyczny do płytek; 4 beton izolacyjny - perlitobeton; 5 podbeton; Wymiary w milimetrach Fig. 1. Construction of quick floor heating 1 - finishing layer flooring (ceramic tiles); 2 capillary tubes; 3 elastic adhesive; 4 - lightweight insulating perlite concrete; 5 ceiling; Dimensions in millimeters Konstrukcja ogrzewania podłogowego składa się z warstwy betonu izolacyjnego perlitobetonu o grubości 50 140 mm (w zależności od miejsca zastosowania), ułożonej na niej warstwy elastycznego kleju o grubości do 10 mm z zatopionymi w niej rurkami z polipropylenu o średnicy zewnętrznej ok. 4 mm rozmieszczonymi co 10-20 mm oraz warstwy wykończeniowej podłogi np. płytek ceramicznych. Zastosowana warstwa betonu izolacyjnego - perlitobetonu stanowi jednocześnie warstwę izolacji cieplnej i warstwę konstrukcyjną. Przy zastosowaniu proporcji składników do przygotowania perlitobetonu: cement : perlit : woda = 1,0 : 8,0 : 1,8 otrzymuje się perlitobeton o następujących właściwościach: gęstość objętościowa:710 kg/m3 wytrzymałość na ściskanie: 4,8 MPa współczynnik przewodzenia ciepła: 0,066 W/(m K). Warstwa izolacji cieplnej z perlitobetonu znajdująca się bezpośrednio pod warstwą zawierającą rurki grzejne zapobiega odpływowi ciepła w dół już od momentu włączenia ogrzewania. Wszystkie elementy przedstawionego rozwiązania (zarówno perlitobeton, jak i rurki kapilarne w zestawieniu z elastycznymi klejami do płytek ceramicz-
nych) są znane i stosowane w budownictwie. Dotychczas jednak nie stosowano tych elementów w budowie płaszczyzn grzejnych. Ogrzewanie podłogowe o konstrukcji wg Rys. 1. może zastępować dotychczas stosowane rozwiązania ogrzewań podłogowych, ponieważ: charakteryzuje się lepszymi właściwościami cieplnymi, jest prostsze w budowie, składa się z elementów już występujących na rynku. Najważniejszymi zaletami opisywanej konstrukcji ogrzewania podłogowego są szybkość działania oraz niska temperatura zasilania. Ze względu na brak dobrze przewodzącej i akumulującej ciepło warstwy wylewki betonowej, opisywane ogrzewanie po dostarczeniu czynnika grzejnego oddaje ciepło do pomieszczenia kilkakrotnie szybciej, niż typowe ogrzewania podłogowe. Szybkość działania jest porównywalna z ogrzewaniem podłogowym wykonanym w metodzie suchej np. na konstrukcji drewnianej. Ze względu na małą bezwładność i szybki proces nagrzewania konstrukcja będzie szczególnie przydatna w obiektach ogrzewanych w sposób okresowy np. kościoły, sale wystawowe itp. Szybsze działanie podłogi grzejnej korzystnie wpływa na jakość regulacji instalacji ogrzewania, podnosi jej sprawność, a co za tym idzie zmniejsza zużycie energii, koszty ogrzewania i zanieczyszczenie środowiska. 2. STANOWISKO POMIAROWE Podłoga grzejna obejmowała część powierzchni podłogi w pomieszczeniu Doświadczalnego Budynku Pasywnego Instytutu Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej (Rys. 2). W celu wyznaczenia charakterystyki statycznej i dynamicznej, badane ogrzewanie podłogowe poddano wymuszeniu skokowemu w postaci skokowej zmiany temperatury wody grzewczej; pomiary prowadzono do uzyskania stanu ustalonego. Następnie ponownie skokowo podwyższono temperaturę wody grzewczej, a po ponownym osiągnięciu stanu ustalonego wyłączono ogrzewanie, kontynuując rejestrację obserwowanych parametrów. Oprócz pomiaru podstawowych parametrów, jak strumień objętości wody grzewczej, temperatury zasilania i powrotu, temperatura w pomieszczeniu, dodatkowo rejestrowano gęstość strumienia ciepła emitowanego przez podłogę oraz za pomocą kamery termograficznej rozkład temperatur na powierzchni podłogi (Rys. 3).
Rys. 2. Lokalizacja podłogi grzejnej - obszar S10 Fig. 2. Location of the floor heating - S10 area Rys. 3. Podłoga grzewcza podczas pomiarów Fig. 3. Floor heating during measurements 3. WYNIKI POMIARÓW Zmienność podstawowych parametrów ogrzewania podłogowego ilustruje rys. 4, natomiast rozkłady temperatur powierzchni podłogi zarejestrowane przez kamerę ter-
mograficzną przedstawiono na rysunku 5. Potwierdzają one szybkość działania badanego ogrzewania, jednak na termogramach uwidacznia się wyraźne zróżnicowanie temperatur w różnych częściach badanej powierzchni. Rys. 4. Wyniki pomiarów parametrów pracy ogrzewania podłogowego Fig. 4. Results of measurements of operating parameters of the heating floor Rys. 5. Rozkłady temperatur powierzchni podłogi podczas rozruchu Fig. 5. Temperature distributions on the heating floor surface during heating startup
Podczas rozruchu instalacji gęstości strumienia ciepła w poszczególnych fragmentach podłogi różnią się nawet o 50%. Jest to spowodowane niestarannym montażem płytek ceramicznych. Na skutek tego typu niestaranności rurki kapilarne miejscami zamiast w zaprawie klejowej znajdują się w powietrzu, co znacznie utrudnia oddawanie ciepła: wydajność w stanie ustalonym zmniejsza się o ok. ¼, a stała czasowa wzrasta o ok. ⅓. 4. PODSUMOWANIE Badania eksperymentalne potwierdziły oczekiwane cechy szybkiego ogrzewania podłogowego: niskie stałe czasowe inercji oraz wysokie gęstości strumienia ciepła przy niskich temperaturach zasilania. Stała czasowa t 63 badanego ogrzewania podłogowego wynosi ok. 7 minut, co w połączeniu z odpowiednim czujnikiem temperatury i przy uwzględnieniu zjawiska samoregulacji, czyni ten zestaw co najmniej dwukrotnie szybszym od typowego grzejnika płytowego wyposażonego w zawór regulacyjny z głowicą termostatyczną. Znaczny wpływ na wydajność i szybkość działania analizowanego typu ogrzewania podłogowego ma jakość wykonania. LITERATURA [1] Opis patentowy Patent nr 203348 na wynalazek pt. Ogrzewanie podłogowe, Urząd Patentowy Rzeczpospolitej Polskiej, 2009 [2] PN-EN 1264-2:2008; Wbudowane płaszczyznowe wodne systemy ogrzewania i chłodzenia - Część 2: Ogrzewanie podłogowe: Obliczeniowa i badawcza metoda określania mocy cieplnej ogrzewania podłogowego (oryg.) [3] KOCZYK H. (red.): Ogrzewnictwo praktyczne, Systherm Serwis, Poznań 2005 [4] BYUNG-CHEON AHN, JAE-YEOB SONG: Control characteristics and heating performance analysis of automatic thermostatic valves for radiant slab heating system in residential apartments; Energy, 35 (2010), pp. 1615 1624 SUMMARY QUICK FLOOR HEATING - MEASUREMENTS OF THERMAL PARAMETERS This paper presents a patented water floor heating system, based on lightweight insulating perlite concrete and capillary tubes. The primary distinguishing feature of this solution is short response time. Time constants of this system are approximately ten times smaller than for typical floor heating. Low surface temperature allows the use of the effect of self-regulation which, when combined with short time constants, allows to achieve high efficiency of regulation of the heating system. Low supply temperature (typically: below 30 C) increases the efficiency of heat pumps and solar panels using heat from renewable sources. The paper presents the results of experimental investigations of this system.