Bogus_aw A - Politechnika Krakowska
advertisement
dr inż. Bogusław A. Maludziński Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza Politechnika Krakowska OGRZEWANIE PODŁOGOWE NA WAWELU Pierwszą odmianą centralnego ogrzewania nie uwzględniając ogrzewania ogniskiem palonym w pomieszczeniu było tzw. ogrzewanie hypokaustum zastosowane przez Rzymian w starożytności. System ten polegał na rozprowadzaniu spalin kanałami pod podłogą parteru budynku. Był to najprostszy rodzaj ogrzewania podłogowego zaliczanego do ogrzewania płaszczyznowego. Ogrzewanie spalinami stosowane było również w Polsce np. w Zamku w Malborku. Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza Politechniki Krakowskiej otrzymał ze strony Kierownictwa Zamku Królewskiego na Wawelu propozycję współpracy przy modernizacji ogrzewania Zamku. Istniejąca instalacja c.o. na Zamku została wybudowana w 1926 roku. Pierwotnie pracowała jako instalacja parowa. W tym okresie była kilkakrotnie modernizowana i przystosowana do ogrzewania wodnego zasilanego pierwotnie z kotłów opalanych koksem, później z węzła c.o. zasilanego z m.s.c. Z uwagi na swój wiek była instalacją przestarzałą technicznie jak i technologicznie. O utrzymywaniu zalecanych temperatur przez konserwatorów sztuki w pomieszczeniach można było tylko pomarzyć. Obecnie po zakończeniu ostatniego etapu jest najnowocześniejszą instalacją w tego typu obiektach. Generalnie zastosowano niespotykane w Polsce rozwiązanie instalacji wykonanej z rur miedzianych preizolowanych typu DUO (w jednej otulinie z twardego HPCV dwie rury w izolacji z pianki poliuretanowej). W części pomieszczeń pozostawiono grzejniki, które były zamaskowane pod parapetami tralkami. W innych pomieszczeniach, w których nie można było ukryć grzejnika zastosowano ogrzewanie podłogowe w technologii Cuprotherm. Stosunkowo dobry współczynnik przenikania dla ścian sprzyjał zastosowaniu ogrzewania podłogowego, gdyż powierzchnia podłogi była wystarczająca jako element grzejny. Wady i zalety W ogrzewaniu płaszczyznowym ciepło przekazywane jest do pomieszczeń z otaczających je powierzchni. Zaliczamy do niego ogrzewanie podłogowe, sufitowe, ścienne. Płaszczyzny, z których jest emitowane ciepło mogą być zasilane energią elektryczną lub ciepłą wodą z elementów grzejnych. W przypadku ogrzewania elektrycznego są to oporowe elementy grzejne w postaci kabli lub folii. Natomiast przy ogrzewaniu podłogowym wodnym ciepło dostarczane jest przy pomocy wody do wężownic umieszczonych w betonie, jastrychu lub w pustych przestrzeniach pod podłogami. Podstawową zasadą, której należy przestrzegać w ogrzewaniu podłogowym jest niedopuszczenie, aby temperatura powierzchni podłogi przekraczała wartości graniczne, ponieważ może to grozić dolegliwościami stóp spowodowanymi brakiem możliwości odprowadzenia ciepła z podeszwy. Zalety ogrzewania podłogowego to: - równomierna temperatura w pomieszczeniu, korzystny gradient temperatury, - przy niższej temperaturze w pomieszczeniu w porównaniu z ogrzewaniem konwekcyjnym, zapewniającej przy tym samym komforcie cieplnym, oszczędność energii, 1 nie zajmowanie miejsca przez grzejniki, możliwość zastosowania w pomieszczeniach o charakterze zabytkowym, w których nigdy nie były stosowane grzejniki - np. Wawel, - nie gromadzenie się kurzu na grzejnikach, - nie występowanie wirowanie kurzu w pomieszczeniu, - niskie temperatury zasilania i powrotu, możliwość współpracy z pompą ciepła, bądź kolektorami słonecznymi, - możliwość chłodzenia pomieszczenia w lecie przez pompowanie zimnej wody w rurach systemu. Wadami tego systemu są: - duża bezwładność i związana z tym trudność regulacji, - wyższe koszty inwestycyjne, o około 20 - 40% od ogrzewania z grzejnikami, - brak możliwości późniejszych zmian geometrii powierzchni grzejnych, oraz jej wykończenia (rodzaj wykładziny), - stosowanie raczej w budynkach dobrze izolowanych cieplnie (ściany Zamku na Wawelu spełniały wymagania odnośnie max. współczynnika k – 0.55 W/(m2 K), - możliwość uszkodzenia rur, np. poprzez wiercenie w podłodze otworów. - W ogrzewaniu podłogowym ciepło oddawane jest do pomieszczenia z podłogi na drodze konwekcji (około 40%) i promieniowania (około 60%). W kierunku dolnym przekazywanie ciepła jest ograniczone izolacją cieplną, wykonaną najczęściej ze styropianu twardego, odpornego na odkształcenia pod wpływem nacisku warstw górnych podłogi. O dobrym samopoczuciu w pomieszczeniach oprócz wysokości temperatury decyduje również równomierność jej rozkładu. Liczne badania przeprowadzone w dwóch ostatnich dziesięcioleciach wykazały, że większość ludzi czuje się wyjątkowo dobrze w pomieszczeniach, które zarówno w linii poziomej i pionowej wykazują tylko nieznaczne różnice temperatur, i w których ruch powietrza z tym związany jest niewielki. W każdym pomieszczeniu występują różnice temperatury w kierunku pionowym i poziomym. Zależą one od rodzaju zastosowanych grzejników, ich usytuowania, wielkości i temperatury oraz temperatury zewnętrznej. Gradienty temperatur są mniej korzystne przy wysokich temperaturach oraz przy krótkich grzejnikach w stosunku do długości okna. Najbardziej zbliżoną krzywą do wzorcowego rozkładu pionowego temperatury posiada ogrzewanie podłogowe oraz ogrzewanie grzejnikiem wodnym usytuowanym pod oknem. Tuż nad podłogą występuje zawsze nieco zimniejszy obszar, uzależniony od szczelności okien. Udział promieniowania w odczuwaniu ciepła przez osoby przebywające w pomieszczeniu powoduje, że temperatura w nim może być o 2oC niższa niż przy ogrzewaniu konwencjonalnym, co daje oszczędności w zużywanej energii o około 12%. Dodatkowe oszczędności wynikają z zastosowania do ogrzewania niskotemperaturowych źródeł ciepła dla których straty promieniowania kotła, rurociągów oraz rozdzielacza są niższe. Decydując się na ten system ogrzewania trzeba mieć dokładnie rozplanowaną aranżację wnętrz, gdyż późniejsze zmiany ustawienia mebli lub wyposażenia np. łazienki mogą wpłynąć na zmniejszenie powierzchni promieniującej podłogi, a w konsekwencji zmniejszenie dostarczanego ciepła do pomieszczenia. Podobny wpływ ma rodzaj zastosowanej wykładziny na podłodze. Projektant obliczając parametry techniczne decydujące o prawidłowej eksploatacji ogrzewania podłogowego musi posiadać informację o rodzaju zastosowanego wykończenia podłogi. Późniejsza zmiana np. terakoty na wykładzinę z tworzywa spowoduje zmniejszenie dostarczanego ciepła do pomieszczenia. Wielu potencjalnych użytkowników obawia się większego zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniu ogrzewanym omawianym sposobem. Ponieważ o stężeniu krążącego kurzu decyduje gradient temperatury (przy tej samej ilości 2 kurzu w pomieszczeniu), a więc przy tym sposobie ogrzewania jest ono najmniejsze. Dodatkowo dostępność wszystkich "kątów" ma wpływ na możliwość dokładnego oczyszczenia podłogi. Podstawy obliczeń Podstawową wielkością do zaprojektowania ogrzewania podłogowego jest znajomość strat ciepła dla pomieszczenia, w którym ma być ono zastosowane. Wielkość strat ciepła stanowi podstawę do obliczenia jednostkowego zapotrzebowania ciepła, będącego ilorazem całkowitego zapotrzebowania ciepła i powierzchni podłogi przeznaczonej na ułożenie elementów grzejnych. Wielkość ta decyduje o możliwości zastosowania ogrzewania podłogowego. Przy przekroczeniu wartości 100 W/m2 mogą się pojawić trudności w spełnieniu wszystkich wymagań związanych z prawidłowym działaniem tego systemu. Jako wartości optymalne jednostkowego zapotrzebowania ciepła przyjmuje się wartość 60 - 80 W/2 w sypialniach i pokojach dziennych oraz około 100 W/m2 w łazienkach i na basenach. Powyższe wartości są osiągane przy założeniu, że dopuszczalna temperatura powierzchni podłogi dla typowych pomieszczeń nie zostanie przekroczona. Przyjmuje się, jako dopuszczalne następujące temperatury : - dla strefy pobytu, pomieszczeń mieszkalnych, biur - 29oC, - dla przedpokojów, korytarzy, holli - 30oC, - dla łazienek, basenów, - 33oC, - dla strefy brzegowej - 35oC. Brak pokrycia strat ciepła przy zachowaniu dopuszczalnej temperatury podłogi może być skorygowany poprzez podniesienie temperatury w strefie brzegowej o szerokości 1 m zlokalizowanej na obwodzie pomieszczenia od strony napływu zimniejszego powietrza. Rozwiązanie takie kompensuje napływ zimnego powietrza z dużych przeszkleń. Innych sposobem pokrycia brakującego zapotrzebowania ciepła jest zastosowanie dodatkowego tradycyjnego grzejnika. Dokładne obliczenia są przeprowadzane przy pomocy specjalistycznych programów komputerowych lub nomogramów opracowanych przez producentów poszczególnych systemów ogrzewania podłogowego. Wynikiem obliczeń są długości rury oraz odstęp jej pomiędzy poszczególnymi rurami w pętlach, tzw. podziałka. Budowa instalacji Na Wawelu wykonano instalację ogrzewania podłogowego według wytycznych metody mokrej, przy wykorzystaniu rur Cuprotherm®. Elementem grzejnym w tym systemie jest rura miedziana o średnicy Ř = 14 x 0.8 mm otoczona ochronnym płaszczem z tworzywa sztucznego w kolorze żółto-pomarańczowym. Szczególną zaletą tego systemu jest zastosowanie miedzi (jak i pozostałej części instalacji), którą cechują następujące zalety: - odporność na korozję w zamkniętych systemach grzewczych, - absolutna gazoszczelność (brak dyfuzji tlenowej przez ściankę rury do obiegu grzewczego nie wpływa na korozję pozostałych elementów systemu - kotła, zaworów, - odporność na podwyższoną temperaturę wody grzewczej; przypadek taki może zajść przy niekontrolowanym wzroście temperatury wody w obiegu np. przy awarii regulacji, - odporność na stosowane dodatki do wody grzewczej, jako substancje zapobiegające korozji lub obniżające temperaturę krzepnięcia, - łatwość montażu oraz ewentualnej naprawy przy przypadkowym przewierceniu rury, - odporność na napięcia powstające przy gięciu, - płaszcz z tworzywa sztucznego spełnia dodatkowo następujące funkcje: 3 - chroni rurę przez mechanicznymi uszkodzeniami podczas transportu, montażu, - chroni rurę miedzianą przed chemicznymi wpływami z zewnątrz np. przed agresywnymi środkami dodawanymi do jastrychu lub przenikającymi przez niego, - pozwala na nieograniczony ruch wzdłużny rury miedzianej, który jest nie do uniknięcia przy zmianach temperatury wody grzewczej nie powodując prawie żadnego oporu dla przewodzenia ciepła, - odbiera na łukach część wydłużenia termicznego rury miedzianej. Na zamieszczonym rysunku przedstawiono przekrój przez strop pomiędzy kondygnacjami wykonany w metodzie tzw. mokrej. W ogrzewaniu podłogowym Cuprotherm® rury grzewcze układane są bezpośrednio na warstwie izolującej i mocowane specjalnymi kotwami. W celu ułatwienia i przyspieszenia montażu na warstwę izolacji układa się folię z nadrukiem rastrowym 100 x 100 mm. Grubość izolacji ze styropianu dla stropów między kondygnacjami ogrzewanymi musi wynosić około 35 mm, natomiast nad piwnicą 80 mm, a w przypadku ogrzewania pomieszczenia na gruncie - 90 mm. Izolacja ta posiada dodatkowo własności dźwiękochłonne. Jako dodatkową izolację dźwiękochłonną stosuje się taśmę brzegową układaną wokół powierzchni grzejnej. Taśma ta umożliwia równocześnie ruch jastrychu oraz eliminuje ewentualne mostki cieplne. Rury można układać w różny sposób: na kształt wężownicy, spiralny lub mieszany. Ułożenie w postaci wężownicy powoduje występowanie na powierzchni podłogi pewnych różnic temperatury. Układ spiralny cechuje naprzemienne ułożenie rury zasilającej z rurą powrotną, uzyskuje się przez to prawie jednakową temperaturę powierzchni podłogi w całym pomieszczeniu. Zasilanie rur następuje z rozdzielacza do którego podłączane są poszczególne obwody grzejne (pętle). Maksymalna długość jednego obwodu grzewczego nie może przekraczać 100 m długości. Rury miedziane posiadają cechę umożliwiającą ich łączenie w jedną całość z poszczególnych odcinków. Dzięki temu unika się jakichkolwiek odpadów, gdyż wszystkie odcinki można połączyć. Łączenie można wykonać przy pomocy mufek poprzez lutowanie na twardo lutami L-Ag2P lub L-CuP6, lub przy poprzez rozszerzanie końcówki rury przy pomocy urządzenia do kalibracji oraz lutowanie jak w przypadku mufek. Drugie rozwiązanie jest tańsze w przypadku wykonywania większej ilości połączeń. Rury po ułożeniu są zalewane jastrychem cementowym lub anhydrytowym. Łączna grubość jastrychu musi wynosić min. 65 mm, pokrycie rur - 45 mm. Jak więc widać całkowita grubość zajmowana przez ogrzewanie podłogowe wynosi od 10 - 20 cm. Tak więc decyzja o zastosowaniu ogrzewania podłogowego musi zapaść na etapie projektu, gdyż trudno jest wygospodarować taką grubość w istniejącym budynku nie powodując uskoków podłogi. Grzanie można rozpocząć najwcześniej po 21 dniach w przypadku zastosowania jastrychu cementowego lub po 7 dniach od położenia jastrychu anhydrytowego. Istotnym wymogiem prawidłowo wykonanej instalacji ogrzewania podłogowego jest właściwe usytuowanie szczelin dylatacyjnych. Należy przewidzieć szczeliny dylatacyjne pomiędzy poszczególnymi polami grzewczymi. Wykonujemy je w następujących przypadkach: przy dotykaniu płyty grzewczej przez przegrodę pionowa, dla ograniczenia: wielkości płyty grzejnej do 40 m2, długości boku płyty grzewczej do 8 m i stosunku boku płyty grzewczej powyżej a/b> 1 : 2, ze względu na kształt pomieszczenia, podział na prostokąty, przy przejściach przez otwory drzwiowe i gwałtowne zmiany przekroju, nad istniejącymi szczelinami dylatacyjnymi, wzdłuż linii zmiany sposobu wykończenia powierzchni (np. połączenia wykładziny ceramicznej z drewnianą). Jako wykończenie podłogi można stosować wszystkie materiały, jednak zdecydowanie 4 sprawdzają się materiały ciężkie. Tak więc będą to bez ograniczeń wszystkie naturalne kamienie i posadzki ceramiczne, tzn. marmur, łupek, klinkier i płytki. Wykładziny podłogowe powinny posiadać opór cieplny nie większy niż 0.15 (m2 K)/W, najlepiej ze względów ekonomicznych - 0.10 (m2 K)/W. Wykładziny specjalnie przeznaczone do ogrzewania podłogowego posiadają na lewej stronie oznaczenie w postaci wężownicy i strzałek nad nią. Należy również zwrócić uwagę na stosowane kleje, które również muszą posiadać oznaczenie jako "nadające się do ogrzewania podłogowego". Regulacja Ogrzewanie podłogowe cechuje bezwładność uzależniona od masy jastrychu, dlatego też nie jest wskazane stosowanie tego sposobu ogrzewania w sypialniach. Udział dodatkowych zysków ciepła w pomieszczeniu (np. nasłonecznienie) jest częściowo ograniczany przez samoregulację ogrzewania podłogowego. W ogrzewnictwie stosuje się regulację jakościową lub ilościową. W pierwszym przypadku zmianie podlega temperatura czynnika, natomiast w drugim - jego natężenie przepływu. Przepływ masowy reguluje się za pomocą zaworu przelotowego poprzez ustawienie jego skoku. Ten najprostszy układ regulacji stosowany w zaworach termostatycznych, instalacjach ciepłowniczych nie nadaje się do bezpośredniego przyłączenia do źródła ciepła, ze względu na możliwość osiągania przez powierzchnie grzejne zbyt dużych temperatur. W przypadku regulacji jakościowej przepływ czynnika jest stały, zmianie podlega natomiast temperatura zasilania. W regulacji tej, stosowanej przy ogrzewaniu podłogowym temperatura wody zasilającej pętle grzejne zależy dokładnie od zapotrzebowania ciepła. Prawidłowo regulacja temperatury w pomieszczeniu powinna być oparta o regulator pogodowy działający w oparciu o temperaturę zewnętrzną. Regulator taki ustawia odpowiedni stopień zmieszania zaworu trój- lub czterodrogowego. Zawory takie poprzez zmieszanie wody powrotnej z zasilającą dają odpowiednią jej temperaturę do pokrycia aktualnych strat ciepła. Dodatkowo w pomieszczeniach, w których występują duże zyski ciepła (duże okna, sale muzeów) stosuje się dodatkowo regulację termostatyczną. Może to być albo zawór termostatyczny z czujnikiem dystansowym lub w przypadku wielu pętli zawory napędzane elektryczną głowicę od regulatora pokojowego. Zawory te można stosować na powrocie lub zasilanie poszczególnych obwodów. Rozwiązanie takie zastosowano w niektórych pomieszczeniach na Wawelu. W Kurzej Stopce ze względu na wyłączanie prądu (względy bezpieczeństwa) zastosowano regulację przy pomocy zaworu typu RLV utrzymującego odpowiednią temperaturę wody opuszczającej pętlę grzewczą. Istnieje wiele sposobów regulacji ogrzewania podłogowego, omówienie ich wymagałoby jednak osobnego artykułu. Podejmując decyzję o zastosowaniu ogrzewania podłogowego trzeba rozważyć wszystkie jego wady i zalety, nie kierując się jedynie modą. Pokrycie całkowitych strat ciepła jest możliwe tylko w budynkach energooszczędnych. Wprowadzanie wielu elementów regulacyjnych, dodatkowej pompy czasami tylko dla kilku pomieszczeń komplikuje obsługę, podraża koszty inwestycyjne, a nie rekompensuje ewentualnych zysków z jego zastosowania. Osobom zwiedzającym Zamek Królewski na Wawelu proponuję odnaleźć pomieszczenia w których zastosowano ogrzewanie podłogowe, najprościej będzie to zrobić w sezonie grzewczym. Dla ułatwienia podam, że jest ich sześć. 5
