Grzejniki i pompa ciepła

Pompy ciepła pracują najekonomiczniej z instalacjami ogrzewania podłogowego. Inwestorzy decydujący się na tego typu rozwiązanie nie maja wątpliwości co do swojego wyboru. Inaczej jest w przypadku instalacji grzejnikowych szczególnie w budynkach modernizowanych. Tutaj wątpliwości jest bardzo dużo, szczególnie dotyczących komfortu cieplnego oraz zużycia energii elektrycznej. W takim razie podejmijmy próbę usystematyzowania podstawowych informacji w temacie grzejników. 

Zanim o grzejnikach kilka słów wstępu bezpośrednio związanych z ogrzewaniem. Zadaniem każdej instalacji grzewczej, również grzejnikowej jest stworzenie komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Czym wiec jest komfort cieplny, jak możemy go określić? 

Komfort cieplny zależy od indywidualnych predyspozycji i oznacza stan w którym dane otoczenie jest dla człowieka obojętne pod względem odczucia cieplnego.

Komfort cieplny zależy od temperatury, wilgotności i prędkości powietrza. Grzejniki mają bezpośredni wpływ na temperaturę powietrza w pomieszczeniu, pośredni na wilgotność i znikomy na prędkość powietrza. Komfort cieplny oznacza równowagę cieplną całego organizmu jak i też jego części. Odczucie chłodu w stopach, dłoniach czy głowie przy odpowiedniej temperaturze powietrza spowoduje dyskomfort cieplny. 

Uważa się, że rozkład temperatury pomieszczenia w pionie (od stóp do głowy) w ogrzewaniu podłogowym jest najbardziej dopasowany do odczucia komfortu. W instalacji z grzejnikami rozkład temperatury powietrza w pomieszczeniu jest inny co nie oznacza iż komfort cieplny będzie nieosiągalny. Pierwszym elementem decydującym o komforcie będzie

• miejsce montażu grzejnika w pomieszczeniu.

Najlepszym miejscem do zamontowania grzejnika jest ściana zewnętrzna pod oknem.

Powietrze stykające się z szybą okna jest najchłodniejsze w sezonie grzewczym, zostaje zmieszane
z powietrzem najcieplejszym z nad grzejnika. 24–25 °C powietrza zmieszanego powoduje ruch
w kierunku sufitu, a następnie wzdłuż sufitu do ściany wewnętrznej. Powolne schłodzenie 23–20 °C powietrza powoduje jego opadanie do podłogi i przepływ w kierunku ściany zewnętrznej aż pod grzejnik. Tam jest zasysane i podgrzewane przez grzejnik i cykl zaczyna się od nowa. W ten sposób odbywa się cyrkulacja powietrza w pomieszczeniu gdzie na wysokości głowy i tułowia temperatura osiąga około 20–21 °C a przy podłodze 19–18 °C. 

Jeśli grzejnik zostanie zamontowany w innym miejscu np. na ścianie wewnętrznej naprzeciw okna
w pomieszczeniu utworzą się strefy ze znaczna różnica temperatury nawet kilkunastu stopni (13–27 °C). Cyrkulacja powietrza będzie nieuporządkowana i przypadkowa.

Należy za wszelką cenę unikać takiego sposobu montażu.

Zaburzenia w emisji ciepła do pomieszczenia przez grzejnik może powodować jego

• montaż we wnęce oraz osłonięcie

Montaż grzejnika we wnęce zmniejsza jego moc grzewcza 5–10%. Osłonięcie grzejnika powoduje zmniejszenie mocy od 10–50% w zależności od szerokości pozostawionej szczeliny u dołu i nad grzejnikiem. 15 cm szczelina powoduje utratę 10% mocy, a 5 cm 50% mocy.

UWAGA! Zastosowanie osłony grzejnika zamontowanego we wnęce ze szczelinami poniżej 5 cm jest niedopuszczalne.

Powyższe zasady montażu dotyczą grzejników:

• członowych,
• płytowych,
• konwektorowych,
• rurowych.

Powyższe zasady montażu dotyczą grzejników:

• kanałowych

Grzejniki członowe zwane także grzejnikami żeberkowymi produkowane są ze stali, aluminium i co raz rzadziej z żeliwa. Te ostatnie były idealnym rozwiązaniem do instalacji grawitacyjnych. Zalety to możliwość rozbudowy poprzez dokręcenie członów, odporność na korozję, małe opory hydrauliczne. Wady to duża masa i gabaryty urządzenia, duża pojemność wodna i bezwładność cieplna. 

Zastosowanie aluminium w produkcji grzejników członowych wyeliminowało wady grzejników żeliwnych. Przewodność cieplna aluminium, mała masa oraz zmniejszona pojemność wodna w instalacjach pompowych to cechy pozytywne. W przypadku tych grzejników należy szczególna uwagę zwrócić na korozje elektrochemiczna. W sprzedaży większość grzejników jest wewnętrznie zabezpieczona antykorozyjnie. 

Stalowe grzejniki członowe, stanowią alternatywę dla grzejników żeliwnych ale nie dla grzejników aluminiowych. 

Grzejniki płytowe są chyba najczęściej stosowanymi grzejnikami wykonane z dwóch połączonych ze sobą płyt stalowych z wąskimi kanalikami. Do płyt mogą być domontowane harmoniki z blachy w celu zwiększenia mocy. Takie grzejniki nazywamy płytowo konwektorowymi. Płyty mogą być łączone
w grzejniki wielopłytowe. Wielowymiarowość tych grzejników daje wiele możliwości zastosowania. Do zalet tych grzejników możemy zaliczyć mała masę i mała pojemność wodną, estetykę, a przede wszystkim uzyskanie dużego udziału mocy przekazywanej przez promieniowanie około 70%. Wadą jest spory opór hydrauliczny i podatność na korozję. Należy zwrócić uwagę na jakość wody kotłowej. 

Grzejniki konwektorowe, w których cała moc przekazywana na drodze konwekcji. Grzejnik to system rurek  gęsto ożebrowanych. Mogą stanowić dobra alternatywę dla grzejników płytowych lub członowych. Grzejniki te mogą być wyposażone w wentylatory i wówczas grzejniki te nazywamy klimakonwektorami. Bardzo ważną cechą i jednocześnie zaletą tego typu grzejnika jest podwójna funkcja grzewczą
i chłodniczą. Inne zalety to mała masa jednostkowa, małe wymiary, mała pojemność wodna, mała bezwładność cieplna, szybki proces nagrzewania pomieszczenia. Do wad możemy zaliczyć wysoka cenę, generowanie szumu, przenoszenie kurzu, brak promieniowania. 

Grzejniki rurowe to przede wszystkim grzejniki łazienkowe zwane również drabinkami. Grzejniki te często wykorzystywane są do suszenia ręczników w łazience. Ponieważ grzejniki te są grzejnikami konwektorowymi  zasłonięcie ich spowoduje znaczny spadek mocy. Warto wziąć ten fakt pod uwagę. Grzejnik łazienkowy rurowy wykorzystywany jako suszarka, nie powinien być jedynym źródłem ciepła
w łazience.

Grzejniki kanałowe są grzejnikami konwektorowymi montowanymi w specjalnym korycie pod posadzką. Grzejniki te stosowane są w pomieszczenia z dużymi przeszkleniami. Zalety tych grzejników są takie same jak grzejników konwektorowych. Dodatkowa cecha tych grzejników jest możliwość wytworzenia kurtyny powietrznej która zapobiega napływowi chłodnego powietrza do pomieszczenia. W dalszej części skupimy się głównie na najczęściej stosowanych grzejnikach czyli na grzejnikach stalowych płytowych
i płytowo konwektorowych. Ten typ grzejnika łączy w sobie najwięcej zalet. Najważniejsza cechą tych grzejników jest udział procentowy promieniowania w emisji ciepła do pomieszczenia. Przyjmuje się, że około 70% mocy jest przekazywane w ten sposób. 30% to konwekcja czyli ruch ogrzanego powietrza. Inaczej mówiąc w  70-ciu %-tach grzejnik grzeje jak płomień z kominka, a w 30% jak nagrzewnica elektryczna.  Promieniowanie podczerwone nagrzewa wszystkie elementy pomieszczenia... Ściany, sufit, podłogę, meble, dekoracje, nawet łyżeczkę do kawy którą bierzemy do ręki. Kiedy grzejemy pomieszczenie tylko konwekcją np. pompą powietrze-powietrze (klimatyzacja z rewersem) dużo bardziej nieprzyjemne będzie właśnie odczucie zimnego metalu. Jeśli ściany naszego budynku są zbudowane
z gęstego materiału np. z pustaka silka i przyzwoicie docieplone to w ciągu kilku dni sezonu grzewczego staną się gigantycznym samoregulującym magazynem ciepła. Wzajemne oddziaływanie „wygrzanych” elementów pomieszczenia stworzą idealny klimat i komfort cieplny bez stref zimniejszych.

Dlatego tak ważne jest zastosowanie grzejników z możliwie największym udziałem promieniowania w przekazywaniu ciepła

W tym zestawieniu brakuje grzejników płaszczyznowych, czyli podłogówki i ogrzewania ściennego. Specyfika tego rodzaju grzejnika wymaga indywidualnego podejścia w innym artykule.

Jeśli do tej bardzo ważnej cechy budowania komfortu, nawet klimatu dołożymy resztę zalet grzejnika płytowego, mała masę i mała pojemność wodną, estetykę, przystępną cenę, oraz bardzo zróżnicowany typoszereg rozmiarowy mamy grzejnik prawie idealny. 

A co z wadami? Korozja i stosunkowo duży opór hydrauliczny. Korozję może ograniczyć do minimum poprzez zastosowanie inhibitorów korozji, a jeśli chodzi o opory hydrauliczne i związaną z nimi stratę ciśnienia to nie unikniemy matematyki.

• Dobór grzejników

Grzejniki, a w zasadzie ich moc dobieramy do maksymalnych strat ciepła w pomieszczeniu
w temperaturze obliczeniowej dla danej strefy grzewczej. W Polsce mamy 5 stref grzewczych z temperatura obliczeniową powietrza zewnętrznego od -16 do -24 °C. i wewnętrzną +20 °C. Tak wiec obliczając zapotrzebowanie budynku na moc, oraz poszczególnych pomieszczeń musimy wziąć pod uwagę położenie obiektu, konstrukcję ścian, stropów, dachu, posadzek a w szczególności rodzaj materiału izolacyjnego oraz jego grubość. 

W nowych budynkach te dane znajdziemy w projekcie. W modernizowanych, w szczególności gdzie wymieniamy stolarkę lub docieplamy musimy obliczyć zapotrzebowanie na moc. Najlepiej zlecić to zadanie odpowiednim fachowcom.

Prawidłowo obliczone zapotrzebowanie na moc grzewczą pomieszczenia stanowi podstawę doboru grzejnika

Producenci grzejników posiadają opracowane katalogi techniczne, a w nich wszystkie niezbędne dane dla prawidłowego montażu takie jak, wymiary i moc, temperatury zasilania i powrotu, odległości montażowe od posadzki, straty ciśnienia, sposób podłączenia, współczynniki korygujące, nastawy regulacyjne. Bez tych danych nie będziemy w stanie dobrać grzejników prawidłowo. Grzejniki płytowe różnych producentów tych samych rozmiarów, mogą się znacznie różnić wydajnością, a nie wiele wyglądem.

Różnice w mocy mogą być znaczące i należy zawsze korzystać z tabeli doboru danego producenta.

W tabelach znajdziemy trzy temperatury 90/70/20: 75/65 /20; 70/55/20: 55/45/20 i 45/40/20.

Do pompy ciepła dobieramy grzejniki w parametrach 55/45/20 i 45/40/20

Jeśli natomiast chcemy montować grzejniki w innych parametrach np. 50/40/20 korzystamy
z współczynników korygujących podanych w dokumentacji producenta. 

W grzejnikach konwektorowych bardzo ważna jest też minimalna odległość dolnej krawędzi grzejnika od posadzki (grubość w cm + 10%). Z tej zasady wynika, że na innej wysokości zamontujemy grzejnik jednopłytowy a na innej trzypłytowy, stąd wysokość parapetu ogranicza rodzaj i wydajność grzejnika. Należy o tym pamiętać jak również o estetyce montażu dwóch różnych grzejników w jednym pomieszczeniu.

• Regulacja wydajności

Pięta achillesowa większości instalacji grzejnikowych!

Zaniechanie regulacji przepływu masowego w grzejnikach niweczy cały wcześniejszy wysiłek!

Jeśli wcześniej dopasowaliśmy rozmiar grzejnika, typ, temperaturę zasilania
i powrotu to musimy zapewnić tym parametrom odpowiednia ilość przepływającej wody grzewczej przez grzejnik w ciągu godziny.

Aby to było możliwe musimy spełnić kilka warunków :

1. średnice rur powinny być dobrane tak aby prędkość przepływu nigdy nie przekraczała 1 m/s
   i a straty ciśnienia (liniowe i miejscowe) 200 Pa/m. 0,4 m/s gałązki grzejników i im większa średnica tym większy przepływ najlepiej nie więcej jak 0,8 m/s. 
2. straty ciśnienia łączne w najniekorzystniejszym obiegu (najdalej położonym, najbardziej obciążonym mocą grzejniku) powinny być jak najniższe i najlepiej aby nie przekraczały 40.000 Pa (4m podnoszenia pompy)
3. pompa obiegowa powinna być dobrana do strat ciśnienia najniekorzystniejszego obiegu z 10% zapasem, ustawiona proporcjonalnie
4. na zasilaniu grzejników powinny być zamontowane termostatyczne zawory grzejnikowe z regulacja wstępną. Pozwalają one na wstępne wyregulowanie przepływu przed uruchomieniem instalacji jak również doregulowanie w czasie eksploatacji.

 Najlepsze lecz nieco droższym rozwiązaniem są termostatyczne zawory dynamiczne. Ich zaletą jest niezmienne ciśnienie regulacji mimo zmian ciśnienia dynamicznego w instalacji na skutek zamykania się zaworów termostatycznych.