Inne spojrzenie na proces mieszania

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
ceramicznych) 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
termograficzną 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
Skala temperatur [°C]
0 min
4 min
8 min
12 min
16 min
20 min
24 min
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 t63 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.