Ogrzewanie podłogowe

Rury ogrzewania podłogowego, zanim zostaną pokryte jastrychem

Ogrzewanie i chłodzenie podłogowe to forma centralnego ogrzewania i chłodzenia , która zapewnia kontrolę klimatu w pomieszczeniu w celu zapewnienia komfortu cieplnego za pomocą wodnych lub elektrycznych elementów grzewczych osadzonych w podłodze. Ogrzewanie uzyskuje się przez przewodzenie , promieniowanie i konwekcję . Stosowanie ogrzewania podłogowego datuje się na neoglacjału i neolitu .

Historia

Ogrzewanie podłogowe ma długą historię, sięgającą okresu neoglacjału i neolitu . Wykopaliska archeologiczne w Azji i na Aleuckich wyspach Alaski ujawniają, w jaki sposób mieszkańcy wyciągali dym z pożarów przez pokryte kamieniami rowy, które wykopano w podłogach ich podziemnych mieszkań. Gorący dym ogrzał kamienie podłogowe, a następnie ciepło promieniowało do pomieszczeń mieszkalnych. Te wczesne formy przekształciły się w nowoczesne systemy wykorzystujące rury wypełnione płynem lub kable elektryczne i maty. Poniżej znajduje się chronologiczny przegląd ogrzewania podłogowego z całego świata.

okres czasu, ok. pne Opis
5000 Znaleziono dowody na istnienie „pieczonych podłóg”, które zapowiadają wczesne formy kang i dikang „podgrzewana podłoga”, później ondol oznaczający „ciepły kamień” odpowiednio w Mandżurii i Korei .
3000 Palenisko koreańskie, służyło zarówno jako kuchnia, jak i piec grzewczy.
1000 Ondol używany na Wyspach Aleuckich , Alasce oraz w Unggi, Hamgyeongbuk-do (dzisiejsza Korea Północna).
1000 W jednym mieszkaniu używano więcej niż dwóch palenisk; jedno palenisko usytuowane pośrodku służyło do ogrzewania, drugie na obwodzie służyło do gotowania przez cały rok. To obwodowe palenisko jest początkową formą budumaka (co oznacza kuchnię), która stanowi sekcję spalania tradycyjnego ondolu w Korei.
500 Rzymianie zwiększyli skalę wykorzystania kondycjonowanych powierzchni (podłóg i ścian) wraz z wynalezieniem hipokaustów .
200 Centralne palenisko rozwinęło się w gudeul (co oznacza sekcję ondolu uwalniającą ciepło), a palenisko obwodowe do gotowania stało się bardziej rozwinięte, a budumak prawie zadomowił się w Korei.
50 Chiny, Korea i Cesarstwo Rzymskie używają odpowiednio kang, dikang/ondol i hypocaust.
okres czasu, ok. OGŁOSZENIE Opis
500 W Azji nadal stosuje się kondycjonowane powierzchnie, ale ich zastosowanie zanika w Europie, gdzie zastępuje je otwarty ogień lub prymitywne formy nowoczesnych kominków. Anegdotyczne odniesienie literackie do systemu chłodzenia promieniowego na Bliskim Wschodzie przy użyciu wypełnionych śniegiem wnęk ściennych.
700 Bardziej wyrafinowany i rozwinięty gudeul znaleziono w niektórych pałacach i kwaterach mieszkalnych ludzi z wyższych sfer w Korei. Kraje basenu Morza Śródziemnego (Iran, Algieria, Turcja i in.) stosują różne formy ogrzewania typu hypocaust w publicznych łaźniach i domach (ref.: tabakhana, atishkhana, sandali), ale także wykorzystują ciepło z gotowania (patrz: tandoor , także tanur ) do ogrzewania podłóg.
1000 Ondol nadal ewoluuje w Azji. Powstał najbardziej zaawansowany prawdziwy system ondolowy. Piec ogniowy został przeniesiony na zewnątrz, a pokój został całkowicie wyłożony ondolem w Korei. W Europie stosuje się różne formy kominków wraz z ewolucją odprowadzania produktów spalania za pomocą kominów.
1300 Systemy typu Hypocaust stosowane do ogrzewania klasztorów w Polsce i zamku krzyżackiego w Malborku .
1400 Systemy typu Hypocaust używane do ogrzewania łaźni tureckich Imperium Osmańskiego .
1500 Uwaga na wygodę i architekturę w Europie ewoluuje; Chiny i Korea nadal stosują ogrzewanie podłogowe na szeroką skalę.
1600 We Francji w szklarniach stosuje się podgrzewane przewody kominowe w podłogach i ścianach.
1700 Benjamin Franklin bada kulturę francuską i azjatycką i odnotowuje ich odpowiedni system grzewczy, który doprowadził do powstania pieca Franklin . Rury promieniujące na bazie pary są używane we Francji. System typu Hypocaust używany do ogrzewania łaźni publicznej ( Hammam ) w cytadeli miasta Erbil położonej we współczesnym Iraku.
1800 Początki europejskiej ewolucji nowoczesnych podgrzewaczy/kotłów wodnych i systemów rurociągów wodnych, w tym badania przewodnictwa cieplnego i ciepła właściwego materiałów oraz emisyjności / odbicia powierzchni ( Watt / Leslie / Rumford ). Odniesienie do zastosowania rur o małej średnicy stosowanych w domu i muzeum Johna Soane'a .
1864 System ogrzewania podłogowego używany w szpitalach wojny secesyjnej w Ameryce. Budynek Reichstagu w Niemczech wykorzystuje masę termiczną budynku do chłodzenia i ogrzewania.
1899 Najwcześniejsze początki rur na bazie polietylenu mają miejsce, gdy niemiecki naukowiec Hans von Pechmann odkrył woskowatą pozostałość na dnie probówki, koledzy Eugen Bamberger i Friedrich Tschirner nazwali to polimetylenem , ale został odrzucony jako nie mający wówczas zastosowania komercyjnego .
1904 Katedra w Liverpoolu w Anglii jest ogrzewana systemem opartym na zasadzie hypocaustu.
1905 Frank Lloyd Wright odbywa swoją pierwszą podróż do Japonii, później włącza do swoich projektów różne wczesne formy ogrzewania promiennikowego.
1907 Anglia, prof. Barker udzielił patentu nr 28477 na ogrzewanie paneli za pomocą małych rurek. Patenty zostały później sprzedane firmie Crittal, która wyznaczyła przedstawicieli w całej Europie. Firma AM Byers of America promuje ogrzewanie promiennikowe za pomocą rur wodociągowych o małej średnicy. Azja nadal używa tradycyjnego ondolu i kang – drewno jest używane jako paliwo, a gazy spalinowe są wysyłane pod podłogę.
1930 Oscar Faber w Anglii używa rur wodociągowych do ogrzewania i chłodzenia kilku dużych budynków.
1933 Imperial Chemical Industries (ICI) w Anglii podczas eksperymentu pod wysokim ciśnieniem z gazowym etylenem skutkuje powstaniem substancji przypominającej wosk, która później stała się polietylenem i ponownie zapoczątkowała rurę PEX.
1937 Frank Lloyd Wright projektuje promiennikowo ogrzewany dom Herberta Jacobsa , pierwszy dom Usonian .
1939 Pierwsza fabryka polietylenu na małą skalę zbudowana w Ameryce.
1945 Amerykański programista William Levitt buduje projekty na dużą skalę dla powracających oznaczeń geograficznych. Ogrzewanie promiennikowe na bazie wody (rura miedziana) stosowane w tysiącach domów. Złe powłoki budynków na wszystkich kontynentach wymagają nadmiernych temperatur powierzchni, co w niektórych przypadkach prowadzi do problemów zdrowotnych. Badania nad komfortem termicznym i naukami o zdrowiu (przy użyciu płyt grzejnych, manekinów termicznych i laboratoriów komfortu) w Europie i Ameryce później ustalają niższe limity temperatury powierzchni i rozwijają standardy komfortu.
1950 Wojna koreańska niszczy zapasy drewna na ondol, ludność jest zmuszona do korzystania z węgla. Deweloper Joseph Eichler w Kalifornii rozpoczyna budowę tysięcy domów ogrzewanych promieniowo.
1951 Dr J. Bjorksten z Bjorksten Research Laboratories w Madison, WI, ogłasza pierwsze wyniki tego, co uważa się za pierwszy przypadek testowania trzech typów plastikowych rur do ogrzewania podłogowego w Ameryce. Polietylen, kopolimer chlorku winylu i chlorek winylidenu były testowane przez trzy zimy.
1953 Edmonton w Albercie powstaje pierwsza kanadyjska fabryka polietylenu .
1960 Badacz NRC z Kanady instaluje ogrzewanie podłogowe w swoim domu, a później zauważa: „Dziesięciolecia później zostałby zidentyfikowany jako pasywny dom solarny. Zawierał innowacyjne funkcje, takie jak system ogrzewania promiennikowego zasilany ciepłą wodą z automatycznie zasilanego pieca antracytowego”.
1965 Thomas Engel patentuje metodę stabilizacji polietylenu poprzez sieciowanie cząsteczek przy użyciu nadtlenku (PEx-A), aw 1967 r. sprzedaje opcje licencyjne wielu producentom rur.
1970 Ewolucja koreańskiej architektury prowadzi do wielopiętrowych domów, spaliny z ondolu opartego na węglu powodują wiele zgonów, co prowadzi do usunięcia domowego systemu odprowadzania spalin do centralnych ciepłowni wodnych. Przenikanie tlenu staje się w Europie problemem związanym z korozją, co prowadzi do opracowania norm dla rur z barierami i przepuszczalności tlenu.
1980 W Europie powstają pierwsze standardy ogrzewania podłogowego. System ondolu na bazie wody jest stosowany w prawie wszystkich budynkach mieszkalnych w Korei.
1985 Ogrzewanie podłogowe staje się tradycyjnym systemem grzewczym w budynkach mieszkalnych w Europie Środkowej i krajach skandynawskich oraz coraz większym zastosowaniem w budynkach niemieszkalnych.
1995 Zastosowanie systemów chłodzenia podłogowego i termoaktywnych systemów budowlanych (TABS) w budynkach mieszkalnych i komercyjnych jest szeroko wprowadzane na rynek.
2000 Stosowanie wbudowanych systemów chłodzenia promieniowego w środkowej Europie staje się standardowym systemem, a wiele części świata stosuje systemy HVAC oparte na promieniowaniu jako sposób na wykorzystanie niskich temperatur do ogrzewania i wysokich temperatur do chłodzenia.
2010 Klimatyzowana wieża Pearl River Tower w Kantonie w Chinach miała 71 pięter.

Opis

do ogrzewania podłogi albo elektryczne elementy oporowe („systemy elektryczne”), albo płyn płynący w rurach („ systemy hydrauliczne ”). Każdy typ może być zainstalowany jako główny system ogrzewania całego budynku lub jako miejscowe ogrzewanie podłogowe zapewniające komfort cieplny. Niektóre systemy pozwalają na ogrzewanie pojedynczych pomieszczeń, gdy są one częścią większego systemu multiroom, unikając marnowania ciepła. Opór elektryczny może być używany tylko do ogrzewania; gdy wymagane jest również chłodzenie pomieszczenia, należy zastosować systemy hydrauliczne. Inne zastosowania, do których nadają się systemy elektryczne lub hydrauliczne, obejmują topienie śniegu/lodu na chodnikach, podjazdach i lądowiskach, kondycjonowanie murawy na boiskach piłkarskich i piłkarskich oraz zapobieganie zamarzaniu w zamrażarkach i lodowiskach. Dostępnych jest wiele systemów i projektów ogrzewania podłogowego dostosowanych do różnych rodzajów podłóg.

Elektryczne elementy grzejne lub instalacje hydrauliczne mogą być zalane w betonowej płycie podłogowej („system wylewanej podłogi” lub „system mokry”). Można je również umieścić pod wykładziną podłogową („system suchy”) lub przymocować bezpośrednio do drewnianego podłoża („system podpodłogowy” lub „system suchy”).

Niektóre budynki komercyjne są zaprojektowane tak, aby wykorzystać masę termiczną , która jest ogrzewana lub chłodzona poza godzinami szczytu, kiedy opłaty za media są niższe. Gdy system ogrzewania/chłodzenia jest wyłączony w ciągu dnia, masa betonu i temperatura w pomieszczeniu przesuwają się w górę lub w dół w pożądanym zakresie komfortu. Takie systemy są znane jako systemy budynków aktywowane termicznie lub TABS.

Terminy ogrzewanie promiennikowe i chłodzenie promiennikowe są powszechnie używane do opisania tego podejścia, ponieważ promieniowanie jest odpowiedzialne za znaczną część wynikowego komfortu cieplnego, ale takie użycie jest technicznie poprawne tylko wtedy, gdy promieniowanie stanowi ponad 50% wymiany ciepła między podłogą a reszta przestrzeni.

Systemy hydrauliczne

Systemy hydrauliczne wykorzystują wodę lub mieszankę wody i środka przeciw zamarzaniu, takiego jak glikol propylenowy, jako płyn przenoszący ciepło w „zamkniętym obiegu”, który jest recyrkulowany między podłogą a kotłem.

Dostępne są różne typy rur specjalnie do wodnych systemów ogrzewania i chłodzenia podłogowego i są one zazwyczaj wykonane z polietylenu , w tym PEX , PEX-Al-PEX i PERT. Starsze materiały, takie jak polibutylen (PB) oraz rury miedziane lub stalowe, są nadal używane w niektórych lokalizacjach lub do specjalistycznych zastosowań.

Systemy hydrauliczne wymagają wykwalifikowanych projektantów i rzemieślników zaznajomionych z kotłami, cyrkulatorami, elementami sterującymi, ciśnieniami płynów i temperaturą. Zastosowanie nowoczesnych, montowanych fabrycznie podstacji, stosowanych głównie w sieciach ciepłowniczych i chłodniczych , może znacznie uprościć wymagania projektowe i skrócić czas instalacji i uruchamiania systemów hydraulicznych.

Systemy hydrauliczne mogą wykorzystywać pojedyncze źródło lub kombinację źródeł energii , aby pomóc w zarządzaniu kosztami energii. Opcje źródła energii systemu hydraulicznego to:

  • Underfloor heating pipes, before they are covered by the screed

    Rury ogrzewania podłogowego, zanim zostaną pokryte jastrychem

  • Underfloor heating pipes, before they are covered by a concrete garage slab

    Rury ogrzewania podłogowego, zanim zostaną pokryte betonową płytą garażową

  • Radiant tubing layout, Project: BCIT Aerospace Hangar, Vancouver, British Columbia, Canada

    Układ rur promieniujących, projekt: BCIT Aerospace Hangar, Vancouver, Kolumbia Brytyjska, Kanada

  • Manifold assembly

    Zespół kolektora

  • Modern factory assembled hydronic control appliances for underfloor heating and cooling, shown with covers on

    Nowoczesne, fabrycznie zmontowane hydrauliczne urządzenia sterujące do ogrzewania i chłodzenia podłogowego, pokazane z założonymi pokrywami

  • Modern factory assembled hydronic control appliances for underfloor heating and cooling, shown with covers off

    Nowoczesne, fabrycznie zmontowane hydrauliczne urządzenia sterujące do ogrzewania i chłodzenia podłogowego, pokazane ze zdjętymi osłonami

Systemy elektryczne

Instalacja elektrycznego ogrzewania podłogowego, wylewka cementowa

Systemy elektryczne są używane wyłącznie do ogrzewania i wykorzystują niekorodujące, elastyczne elementy grzejne, w tym kable, wstępnie uformowane maty kablowe, siatkę z brązu i folie węglowe. Ze względu na niski profil mogą być instalowane w masie termicznej lub bezpośrednio pod wykładzinami podłogowymi. Systemy elektryczne mogą również korzystać z pomiaru czasu użytkowania energii elektrycznej i są często używane jako grzejniki dywanowe, przenośne grzejniki dywanowe, grzejniki podłogowe laminowane, ogrzewanie podłogowe, ogrzewanie podłogowe drewniane i systemy ogrzewania podłogowego, w tym ogrzewanie podłogowe pod prysznicem i siedzenie. Duże systemy elektryczne również wymagają wykwalifikowanych projektantów i rzemieślników, ale jest to mniej istotne w przypadku małych systemów ogrzewania podłogowego. Systemy elektryczne wykorzystują mniej komponentów i są prostsze w instalacji i uruchomieniu niż systemy hydrauliczne. Niektóre systemy elektryczne wykorzystują technologię napięcia sieciowego, podczas gdy inne wykorzystują technologię niskiego napięcia. Zużycie energii przez system elektryczny nie jest oparte na napięciu, ale na mocy wyjściowej wytwarzanej przez element grzejny.

Cechy

Przepływ powietrza z pionowych gradientów temperatury

Pionowy gradient temperatury, spowodowany stabilnym rozwarstwieniem powietrza w pomieszczeniu bez ogrzewania podłogowego. Podłoga jest o ponad trzy stopnie Celsjusza zimniejsza niż sufit.

Jakość komfortu cieplnego

Zgodnie z definicją zawartą w normie ANSI/ASHRAE 55 — Termiczne warunki środowiskowe dla przebywania ludzi, komfort termiczny to „ten stan umysłu, który wyraża zadowolenie ze środowiska termicznego i jest oceniany na podstawie subiektywnej oceny”. Odnosząc się szczególnie do ogrzewania podłogowego, komfort cieplny zależy od temperatury powierzchni podłogi i powiązanych elementów, takich jak asymetria promieniowania, średnia temperatura promieniowania i temperatura operacyjna . Badania przeprowadzone przez Nevinsa, Rohlesa, Gagge'a, P. Ole Fangera i in. pokazują, że ludzie odpoczywający w lekkim ubraniu biurowym i domowym wymieniają ponad 50% swojego ciepła jawnego poprzez promieniowanie .

Ogrzewanie podłogowe wpływa na wymianę promieniowania ogrzewając powierzchnie wewnętrzne. Ogrzewanie powierzchni ogranicza utratę ciepła ciała, co skutkuje poczuciem komfortu cieplnego. To ogólne uczucie komfortu jest dodatkowo wzmacniane przez przewodzenie (stopy na podłodze) i konwekcję poprzez wpływ powierzchni na gęstość powietrza . Chłodzenie podłogowe działa poprzez pochłanianie zarówno krótkofalowego , jak i długofalowego, co skutkuje chłodnymi powierzchniami wewnętrznymi. Te chłodne powierzchnie sprzyjają utracie ciepła ciała, co skutkuje poczuciem komfortu chłodzenia. Zlokalizowany dyskomfort związany z zimną i ciepłą podłogą podczas noszenia normalnego obuwia i pończoch jest omówiony w normach ISO 7730 i ASHRAE 55 oraz w podręcznikach ASHRAE Fundamentals Handbooks i może być korygowany lub regulowany za pomocą systemów ogrzewania i chłodzenia podłogowego.

Jakość powietrza wewnętrznego

Ogrzewanie podłogowe może mieć pozytywny wpływ na jakość powietrza w pomieszczeniach , ułatwiając wybór postrzeganych w inny sposób zimnych materiałów podłogowych, takich jak płytki, łupek, lastryko i beton. Te murowane powierzchnie mają zazwyczaj bardzo niską emisję LZO ( lotnych związków organicznych ) w porównaniu z innymi opcjami podłóg . W połączeniu z kontrolą wilgoci , ogrzewanie podłogowe tworzy również warunki temperaturowe, które są mniej korzystne dla rozwoju pleśni , bakterii , wirusów i roztocza . Poprzez usunięcie jawnego obciążenia grzewczego z całkowitego obciążenia HVAC (ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja), wentylację , filtrację i osuszanie powietrza napływającego można osiągnąć za pomocą dedykowanych systemów powietrza zewnętrznego o mniejszej rotacji objętościowej w celu złagodzenia rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu. Społeczność medyczna docenia korzyści płynące z ogrzewania podłogowego, zwłaszcza w odniesieniu do alergenów.

Energia

Systemy ogrzewania podłogowego są oceniane pod kątem trwałości na podstawie zasad wydajności , entropii , egzergii i skuteczności . W połączeniu z wysokowydajnymi budynkami systemy podłogowe działają przy niskich temperaturach ogrzewania i wysokich temperaturach chłodzenia w zakresach typowych dla geotermalnych i słonecznych . W połączeniu z tymi niepalnymi, odnawialnymi źródłami energii, korzyści dla zrównoważonego rozwoju obejmują redukcję lub eliminację spalania i gazów cieplarnianych wytwarzanych przez kotły i wytwarzanie energii dla pomp ciepła i agregatów chłodniczych , a także zmniejszone zapotrzebowanie na nieodnawialne źródła energii i większe zapasy dla przyszłych pokoleń. Zostało to poparte ocenami symulacji i badaniami finansowanymi przez Departament Energii USA, Canada Mortgage and Housing Corporation, Fraunhofer Institute ISE oraz ASHRAE.

Bezpieczeństwo i zdrowie

Niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe wpuszczane jest w posadzkę lub umieszczane pod wykładziną podłogową. W związku z tym nie zajmuje miejsca na ścianie i nie stwarza zagrożenia poparzeniami ani obrażeniami fizycznymi w wyniku przypadkowego kontaktu prowadzącego do potknięcia się i upadku. Zostało to określone jako pozytywna cecha w placówkach opieki zdrowotnej , w tym obsługujących klientów w podeszłym wieku i osoby z demencją . Anegdotycznie, w podobnych warunkach środowiskowych, podgrzewane podłogi przyspieszą parowanie mokrych podłóg (prysznic, czyszczenie i rozlanie). Dodatkowo ogrzewanie podłogowe z rurami wypełnionymi płynem jest przydatne do ogrzewania i chłodzenia środowisk przeciwwybuchowych, w których urządzenia spalania i urządzenia elektryczne mogą być zlokalizowane z dala od środowiska wybuchowego.

Istnieje prawdopodobieństwo, że ogrzewanie podłogowe może przyczynić się do odgazowania i syndromu chorego budynku w środowisku, szczególnie gdy dywan jest używany jako podłoga. [ potrzebne źródło ]

Elektryczne systemy ogrzewania podłogowego wytwarzają pola magnetyczne o niskiej częstotliwości (w zakresie 50–60 Hz), stare systemy 1-przewodowe znacznie bardziej niż nowoczesne systemy 2-przewodowe. Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC) sklasyfikowała statyczne pola magnetyczne i pola magnetyczne o niskiej częstotliwości jako potencjalnie rakotwórcze (grupa 2B).

Trwałość, konserwacja i naprawa

Konserwacja i naprawa sprzętu jest taka sama jak w przypadku innych wodnych lub elektrycznych systemów HVAC , z wyjątkiem sytuacji, gdy rury, kable lub maty są osadzone w podłodze. Wczesne próby (na przykład domy zbudowane przez Levitta i Eichlera, ok. 1940–1970) wykazały awarie wbudowanych miedzianych i stalowych systemów rurowych, a także awarie przypisane przez sądy firmom Shell, Goodyear i innym w przypadku materiałów polibutylenowych i EPDM . Od połowy lat 90. opublikowano również kilka doniesień o nieudanych elektrycznie ogrzewanych panelach gipsowych.

Awarie związane z większością instalacji są spowodowane zaniedbaniem miejsca pracy, błędami instalacji i niewłaściwym obchodzeniem się z produktem, takim jak narażenie na promieniowanie ultrafioletowe. Próby ciśnieniowe przed zalaniem, wymagane przez normy dotyczące montażu betonu oraz wytyczne dobrych praktyk w zakresie projektowania, budowy, eksploatacji i naprawy systemów ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego, łagodzą problemy wynikające z niewłaściwego montażu i eksploatacji.

Systemy oparte na płynach wykorzystujące usieciowany polietylen (PEX), produkt opracowany w latach trzydziestych XX wieku i jego różne pochodne, takie jak PE-rt, wykazały niezawodną długoterminową wydajność w trudnych warunkach klimatycznych, takich jak pomosty mostów, płyty postojowe hangarów lotniczych i lądowiska . PEX stał się popularną i niezawodną opcją w zastosowaniach domowych do budowy nowych płyt betonowych, konstrukcji nowych belek stropowych oraz modernizacji (belek). Ponieważ materiały są wytwarzane z polietylenu, a jego wiązania są usieciowane, jest on wysoce odporny na korozję lub naprężenia temperaturowe i ciśnieniowe związane z typowymi płynnymi systemami HVAC. Aby zapewnić niezawodność PEX, procedury instalacji muszą być precyzyjne (zwłaszcza na złączach), a specyfikacje producenta dotyczące maksymalnej temperatury wody lub płynu itp. muszą być dokładnie przestrzegane.

Projektowanie i instalacja

Ogólne uwagi dotyczące umieszczania rur ogrzewania i chłodzenia promiennikowego w zespołach podłogowych, w których mogą znajdować się inne elementy HVAC i hydrauliczne
Typowe systemy ogrzewania i chłodzenia podłogowego. Lokalne praktyki, kodeksy, normy, najlepsze praktyki i przepisy przeciwpożarowe określą faktyczne materiały i metody

Projektowanie systemów ogrzewania i chłodzenia podłogowego podlega normom i wytycznym branżowym.

Projekt techniczny

Ilość ciepła wymienianego z lub do systemu podłogowego opiera się na połączonych współczynnikach przenikania ciepła promieniowania i konwekcji .

  • Promienny transfer ciepła jest stały w oparciu o stałą Stefana – Boltzmanna .
  • Konwekcyjne przenoszenie ciepła zmienia się w czasie w zależności od:
    • gęstość powietrza, a tym samym jego wyporność. Wypór powietrza zmienia się w zależności od temperatury powierzchni i
    • wymuszony ruch powietrza wywołany przez wentylatory oraz ruch ludzi i przedmiotów w przestrzeni.

Konwekcyjne przenoszenie ciepła w systemach podpodłogowych jest znacznie większe, gdy system pracuje w trybie ogrzewania, a nie chłodzenia. Zwykle przy ogrzewaniu podłogowym składnik konwekcyjny stanowi prawie 50% całkowitej wymiany ciepła, a przy chłodzeniu podłogowym składnik konwekcyjny wynosi mniej niż 10%.

Rozważania dotyczące ciepła i wilgoci

Gdy ogrzewane i chłodzone rury lub kable grzejne znajdują się w tej samej przestrzeni co inne elementy budynku, może dojść do pasożytniczego przenoszenia ciepła między urządzeniami chłodniczymi, chłodniami, przewodami zimnej wody użytkowej, klimatyzacją i kanałami wentylacyjnymi. Aby to kontrolować, rury, kable i inne elementy budynku muszą być dobrze izolowane.

W przypadku chłodzenia podłogowego na powierzchni podłogi może zbierać się kondensat. Aby temu zapobiec, wilgotność powietrza jest utrzymywana na niskim poziomie, poniżej 50%, a temperatura podłogi powyżej punktu rosy , 19°C (66F).

Systemy i materiały budowlane

  • Straty ciepła poniżej klasy
  • Straty ciepła na zewnętrznej ramie podłogi
    • Ogrzewane lub chłodzone podłoże zwiększa różnicę temperatur między otoczeniem a klimatyzowaną podłogą.
    • Wnęki utworzone przez belki szkieletowe, takie jak nadproża, obrzeża i profile wspornikowe , należy następnie zaizolować izolacją sztywną, płatową lub natryskową o odpowiedniej wartości w zależności od klimatu i technik budowlanych.
  • Kwestie związane z murowaniem i innymi twardymi podłogami
    • Posadzki betonowe muszą uwzględniać kurczenie się i rozszerzanie w wyniku utwardzania i zmian temperatury.
    • Czasy i temperatury utwardzania podłóg wylewanych (beton, lekkie pokrycia) muszą być zgodne ze standardami branżowymi.
    • Szczeliny kontrolne i dylatacyjne oraz techniki tłumienia pęknięć są wymagane w przypadku wszystkich podłóg murowanych, w tym;
  • Podłoga drewniana
    • Stabilność wymiarowa drewna opiera się przede wszystkim na zawartości wilgoci, jednak inne czynniki mogą łagodzić zmiany w drewnie podczas ogrzewania lub chłodzenia, w tym;
  • Normy dotyczące rurociągów

System sterowania

Zobacz też: Hydronika

Systemy ogrzewania i chłodzenia podłogowego mogą mieć kilka punktów kontrolnych, w tym zarządzanie:

  • Temperatury płynów w instalacjach grzewczych i chłodniczych (np. kotły, agregaty chłodnicze, pompy ciepła).
    • Wpływa na efektywność
  • Temperatury cieczy w sieci dystrybucyjnej między instalacją a kolektorami promieniującymi.
    • Wpływa na kapitał i koszty operacyjne
  • Temperatury płynów w systemach rurociągów PE-x, na których opiera się;
    • Zapotrzebowanie na ogrzewanie i chłodzenie
    • Rozstaw rur
    • Straty w górę iw dół
    • Charakterystyka podłogi
  • Temperatura operacyjna
  • Temperatury powierzchni dla;
    • Komfort
    • Zdrowie i bezpieczeństwo
    • Integralność materialna
    • Punkt rosy (dla chłodzenia podłogowego).

Schemat mechaniczny

Przykład schematu HVAC opartego na promieniowaniu

Zilustrowano uproszczony schemat mechaniczny systemu ogrzewania i chłodzenia podłogowego zapewniającego jakość komfortu cieplnego z oddzielnym systemem uzdatniania powietrza zapewniającym jakość powietrza w pomieszczeniach . W domach mieszkalnych o wysokiej wydajności o średniej wielkości (np. poniżej 3000 stóp 2 (278 m 2 ) całkowitej powierzchni klimatyzowanej podłogi), ten system wykorzystujący produkowane urządzenia do sterowania hydrauliką zajmowałby mniej więcej tyle samo miejsca co trzy- lub czteroczęściowa łazienka.

Modelowanie układów rurociągów za pomocą analizy elementów skończonych

Modelowanie wzorów rur promieniujących (również rur lub pętli) za pomocą analizy elementów skończonych (FEA) przewiduje dyfuzje termiczne i jakość lub skuteczność temperatury powierzchni o różnych układach pętli. Wydajność modelu (lewy obraz poniżej) i obraz po prawej są przydatne do zrozumienia zależności między rezystancją podłogi, przewodnictwem otaczającej masy, odstępami między rurami, głębokościami i temperaturami płynu. Podobnie jak w przypadku wszystkich symulacji MES, przedstawiają one ujęcie w czasie dla określonego zespołu i mogą nie być reprezentatywne dla wszystkich zespołów podłóg ani dla systemu, który działał przez dłuższy czas w stanie ustalonym. Praktycznym zastosowaniem MES dla inżyniera jest możliwość oceny każdego projektu pod kątem temperatury płynu, strat wstecznych i jakości temperatury powierzchni. Dzięki kilku iteracjom możliwa jest optymalizacja konstrukcji pod kątem najniższej temperatury płynu w trybie grzania i najwyższej temperatury płynu w trybie chłodzenia, co umożliwia urządzeniom do spalania i sprężania osiągnięcie maksymalnej sprawności znamionowej.

  • Thermal diffusions and surface temperature quality (efficacy) of various piping layouts

    Dyfuzja termiczna i jakość temperatury powierzchni (skuteczność) różnych układów rurociągów

  • Typical FEA output screen shots of wire mesh, thermal isotherms and color-coded mapping

    Typowe wyjściowe zrzuty ekranu MES przedstawiające siatkę drucianą, izotermy termiczne i mapowanie kodowane kolorami

Ekonomia

Istnieje szeroki zakres cen systemów podpodłogowych w oparciu o różnice regionalne, materiały, zastosowanie i złożoność projektu. Jest szeroko stosowany w nordyckich , azjatyckich i europejskich . W rezultacie rynek jest bardziej dojrzały, a systemy stosunkowo tańsze niż rynki słabiej rozwinięte, takie jak Ameryka Północna , gdzie udział w rynku systemów opartych na płynach wynosi od 3% do 7% systemów HVAC (patrz Statistics Canada i United States Census Bureau ).

W budynkach energooszczędnych, takich jak dom pasywny , R-2000 lub Net Zero Energy , można zainstalować proste termostatyczne zawory grzejnikowe wraz z pojedynczym kompaktowym obiegiem i małym grzejnikiem kondensacyjnym sterowanym bez lub z podstawowym sterowaniem resetowaniem ciepłej wody . Ekonomiczne systemy oparte na oporze elektrycznym są również przydatne w małych strefach, takich jak łazienki i kuchnie, ale także w całych budynkach, w których obciążenia grzewcze są bardzo niskie. Większe struktury będą wymagały bardziej wyrafinowanych systemów do obsługi potrzeb związanych z chłodzeniem i ogrzewaniem, a często tego wymagają systemy kontroli zarządzania budynkiem w celu regulacji zużycia energii i kontroli ogólnego środowiska wewnętrznego.

Niskotemperaturowe systemy ogrzewania promiennikowego i wysokotemperaturowe systemy chłodzenia promiennikowego dobrze nadają się do lokalnych systemów energetycznych (systemów opartych na społecznościach) ze względu na różnice temperatur między zakładem a budynkami, które umożliwiają izolowane sieci dystrybucyjne o małej średnicy i niskie zapotrzebowanie na moc pompowania. Niskie temperatury powrotu w trybie grzania i wysokie temperatury powrotu w trybie chłodzenia umożliwiają sieci ciepłowniczej osiągnięcie maksymalnej wydajności. Zasady stojące za sieciami energetycznymi z systemami podpodłogowymi można również zastosować do wolnostojących budynków wielokondygnacyjnych z tymi samymi korzyściami. Dodatkowo idealnie nadają się systemy ogrzewania podłogowego odnawialne źródła energii, w tym systemy geotermalne i słoneczne lub wszelkie systemy, w których odzyskiwane jest ciepło odpadowe.

W globalnym dążeniu do zrównoważonego rozwoju długoterminowa ekonomia wspiera potrzebę wyeliminowania tam, gdzie to możliwe, kompresji do chłodzenia i spalania do ogrzewania. Konieczne będzie wówczas zastosowanie źródeł ciepła niskiej jakości, dla których dobrze nadaje się promiennikowe ogrzewanie i chłodzenie podłogowe. [ wyjaśnij ] [ potrzebne źródło ]

Wydajność systemu

Analiza wydajności systemu i zużycia energii uwzględnia wydajność obudowy budynku, wydajność instalacji grzewczej i chłodniczej, sterowanie systemem i przewodność, charakterystykę powierzchni, odstępy między rurami/elementami i głębokość panelu promieniującego, temperatury płynów eksploatacyjnych i wydajność drut-woda cyrkulatory. Sprawność systemów elektrycznych jest analizowana za pomocą podobnych procesów i obejmuje sprawność wytwarzania energii elektrycznej .

Chociaż efektywność systemów promiennikowych jest przedmiotem ciągłej debaty i nie brakuje anegdotycznych stwierdzeń i artykułów naukowych przedstawiających obie strony, niskie temperatury płynu powrotnego w trybie ogrzewania i wysokie temperatury płynu powrotnego w trybie chłodzenia umożliwiają pracę kotłów kondensacyjnych, agregatów chłodniczych i pomp ciepła przy ich maksymalną inżynierską wydajność . Większa wydajność przepływu „drut do wody” w porównaniu do „drutu do powietrza” ze względu na znacznie większą pojemność cieplną wody faworyzuje systemy oparte na płynach w stosunku do systemów opartych na powietrzu. Zarówno badania w terenie, jak i badania symulacyjne wykazały znaczne oszczędności energii elektrycznej dzięki chłodzeniu promiennikowemu i dedykowanym systemom powietrza zewnętrznego, częściowo opartym na wcześniej opisanych zasadach.

W domach pasywnych , domach R-2000 lub budynkach o zerowym zużyciu energii niskie temperatury systemów ogrzewania i chłodzenia promiennikowego stwarzają znaczne możliwości wykorzystania egzergii .

Względy wydajności dla materiałów powierzchni podłogi

Na wydajność systemu ma również wpływ wykładzina podłogowa służąca jako radiacyjna warstwa graniczna między masą podłogi a użytkownikami oraz inne elementy klimatyzowanej przestrzeni. Na przykład wykładzina dywanowa ma większą rezystancję lub niższą przewodność niż dachówka. W związku z tym podłogi wyłożone wykładziną muszą działać w wyższych temperaturach wewnętrznych niż płytki, co może powodować niższą wydajność kotłów i pomp ciepła. Jednakże, gdy wykładzina podłogowa jest znana w momencie instalacji systemu, wówczas temperaturę wewnętrzną podłogi wymaganą dla danego pokrycia można osiągnąć poprzez odpowiednie rozmieszczenie rur bez uszczerbku dla wydajności instalacji (chociaż wyższe wewnętrzne temperatury podłogi mogą skutkować zwiększonymi stratami ciepła od niebędących pomieszczeniami powierzchni podłogi).

Emisyjność , współczynnik odbicia i chłonność powierzchni podłogi są krytycznymi wyznacznikami jej wymiany ciepła z mieszkańcami i pomieszczeniem . Niepolerowane materiały i obróbka powierzchni podłogi mają bardzo wysoką emisyjność (0,85 do 0,95) i dlatego są dobrymi grzejnikami .

najbardziej pożądane są powierzchnie podłogowe o wysokiej absorpcji i emisyjności oraz niskim współczynniku odbicia .

Ocena termograficzna

Zdjęcia termowizyjne pomieszczenia ogrzewanego niskotemperaturowym ogrzewaniem promiennikowym krótko po uruchomieniu systemu

Termografia jest użytecznym narzędziem, aby zobaczyć rzeczywistą wydajność cieplną systemu podłogowego od jego uruchomienia (jak pokazano) do warunków pracy. Podczas uruchamiania łatwo jest zidentyfikować położenie rury, ale jest to trudniejsze, gdy system przechodzi do ustalonego . Ważna jest prawidłowa interpretacja obrazów termograficznych. Podobnie jak w przypadku analizy metodą elementów skończonych (MES), to, co widać, odzwierciedla warunki panujące w czasie tworzenia obrazu i może nie odzwierciedlać warunków ustalonych. Na przykład powierzchnie widoczne na pokazanych obrazach mogą wydawać się „gorące”, ale w rzeczywistości ich temperatura jest niższa od nominalnej temperatury temperatury skóry i rdzenia ludzkiego ciała oraz zdolność „zobaczenia” rur nie oznacza „poczucia” rur. Termografia może również wskazać wady obudowy budynku (lewy obraz, szczegóły przecięcia narożników), mostki termiczne (prawy obraz, słupki) oraz straty ciepła związane z drzwiami zewnętrznymi (środkowy obraz).

Światowe przykłady dużych nowoczesnych budynków wykorzystujących ogrzewanie i chłodzenie promiennikowe

Zobacz też

Notatki

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Underfloor_heating&oldid=1133934526 ”