Ogrzewanie płaszczyznowe można, w ogólności, podzielić na: podłogowe, ścienne i sufitowe. W artykułach [1, 2, 4-8] omówiłem wodne grzejniki podłogowe z punktu widzenia ich typów i wariantów, stosowanych rozwiązań, podstawowych wymagań technicznych, praktycznych zastosowań oraz zalet i wad.

Niniejszy artykuł poświęcony jest dwóm pozostałym wariantom ogrzewania płaszczyznowego, mniej popularnym – wodnemu ogrzewaniu ściennemu i sufitowemu. Scharakteryzowałem podstawowe warianty konstrukcyjne takich układów, cechy użytkowe oraz zalety i wady, odnosząc je do ogrzewania podłogowego i ogrzewania klasycznego – konwekcyjnego.

Charakterystyka ogrzewania ściennego
Ogrzewanie ścienne ma wiele cech wspólnych z ogrzewaniem podłogowym, zarówno konstrukcyjnych, jak i pod względem zasady działania. Wymagania dotyczące konstrukcji, instalowania i uruchamiania tego typu grzejników, podobnie jak grzejników podłogowych, można znaleźć w zbiorze norm z serii PN-EN 1264 [9].

Technika montażu. Grzejnik ścienny, tak jak ogrzewanie podłogowe, może być wykonany w technice suchej lub mokrej, przy czym najbardziej popularne warianty, zgodnie z klasyfikacją zawartą we wspomnianym wyżej zbiorze norm z serii PN-EN 1264 [9], to typ A i typ B, opisane szczegółowo w [3, 8]. Oba rozwiązania (technika mokra i sucha) dla grzejnika ściennego pokazano na rys. 1, 2.

W technice mokrej rury, już wcześniej zamocowane do konstrukcji nośnej (ściany) – najczęściej z użyciem odpowiedniego, dodatkowego systemu mocowania, podobnie jak w przypadku ogrzewania podłogowego – pokrywa się:

• zaprawą tynkarską ze spoiwem w postaci gipsu, wapna, cementu lub tynkiem specjalnie przygotowanym przez producentów ogrzewania ściennego; warstwa ta powinna zakryć rury;
• właściwą warstwą zaprawy rozprowadzającą ciepło, układaną na poprzedniej warstwie.

Pomiędzy tymi dwiema warstwami zwykle układa się także zbrojenie w postaci siatki tynkarskiej z włókna szklanego lub metalu, które zapobiega pękaniu tynku w trakcie pracy, gdy wężownica się kurczy i rozszerza pod wpływem zmian temperatury. Sumarycznie, grubość grzejnika ściennego wykonanego w technice mokrej, licząc od poziomu ułożenia rury, przeważnie nie jest większa niż 30-40 mm.

Z kolei w technice suchej rury przykrywa się gotowymi płytami, na przykład gipsowo-kartonowymi lub gipsowo-włóknowymi z przygotowanymi bruzdami na wężownicę, albo stosuje się elementy z już wbudowaną wężownicą. Wężownice z takich płyt można ze sobą łączyć w celu uzyskania odpowiedniej mocy cieplnej.

Rury wykorzystywane w ogrzewaniu ściennym. Rury, jakie stosowane są w wodnym płaszczyznowym ogrzewaniu ściennym, są tych samych typów, co rury stosowane w grzejnikach podłogowych. Najczęściej wybierane konstrukcje rur to:

• PE-RT/AL/PE-RT,
• PE-X/AL/PE-X,
• PE-RT/EVOH/PE-RT,
• PE-X/EVOH/PE-X.

Różnica polega na tym, że średnice tych rur to zwykle 12, 14 lub 16 mm, a nie więcej, jak to ma miejsce w „podłogówce”.

Dodatkowo oferowane są także rury polibutylenowe (PB) z warstwą antydyfuzyjną, o średnicach zewnętrznych 8 mm, co pozwala na zmniejszenie grubości grzejnika ściennego – a w tym przypadku ten parametr jest istotny z użytkowego punktu widzenia. Pamiętać jednak należy, że mniejsza średnica rury to co prawda potencjalnie niższe koszty zakupu, ale większe opory hydrauliczne i większa wymagana moc pompy, a więc także większe zużycie energii elektrycznej.

Bezwładność cieplna, maksymalna temperatura i wydajność cieplna. Grzejnik ścienny, z uwagi na mniejszą masę elementów, w których jest umieszczona rura, ma mniejszą pojemność i bezwładność cieplną niż grzejnik podłogowy. Podobnie jak grzejnik podłogowy minimalizuje natomiast zjawisko cyrkulacji i przypiekania kurzu do gorących powierzchni grzewczych oraz zapobiega jonizacji powietrza. Zapewnia zwiększony udział promieniowania w procesie przekazywania ciepła w stosunku do grzejników konwekcyjnych – z tym, że dla grzejnika ściennego udział promieniowania, jak się szacuje, może wynieść nawet do około 90%, podczas gdy dla grzejnika podłogowego jest to maksymalnie około 70%.

Zasadniczą różnicą między grzejnikiem ściennym a podłogowym jest maksymalna temperatura powierzchni grzewczej. Grzejnik ścienny może pracować z wyższą temperaturą (oczywiście, jeśli materiał warstwy kryjącej jest do tego przystosowany) niż grzejnik podłogowy z uwagi na brak bezpośredniego kontaktu z ciałem człowieka.

! Zbiór norm z serii PN-EN 1264 [9] dopuszcza maksymalną temperaturę powierzchni grzejnika ściennego na poziomie 40°C. W przypadku grzejnika podłogowego, dla tzw. strefy pobytowej [3], jest to maksymalnie 29°C.

Jeśli zatem założymy, że oczekiwana temperatura środowiska wewnętrznego wynosi 20°C, to różnica między nią a temperaturą powierzchni grzejnika – która to różnica jest siłą napędową procesu wymiany ciepła – wynosi 20°C dla płaszczyznowego ogrzewania ściennego i 9°C dla płaszczyznowego ogrzewania podłogowego. Stosunek tych wartości jest ponad dwukrotny, na korzyść grzejnika ściennego. Co prawda drugi z parametrów warunkujących intensywność wymiany ciepła, tzw. współczynnik wnikania (przejmowania) ciepła α, jest dla płaszczyznowego ogrzewania ściennego nieco niższy niż dla podłogowego – według norm z serii PN-EN 1264 [9] wartość α dla grzejnika ściennego należy przyjmować na poziomie 8 W/(m²K), a dla grzejnika podłogowego 10,8 W/(m²K) – jednak, wypadkowo, iloczyn obu tych parametrów przeważa dla grzejnika ściennego. Wynosi on 160 W/m² powierzchni grzejnika ściennego w stosunku do 97,2 W/m² powierzchni grzejnika podłogowego.

! Porównując parametry warunkujące intensywność wymiany ciepła, można stwierdzić, że wodne, płaszczyznowe ogrzewanie ścienne ma najwyższą maksymalną jednostkową wydajność cieplną ze wszystkich trzech wymienionych systemów ogrzewania płaszczyznowego.

Rozkład temperatury w pomieszczeniu. Grzejnik ścienny zapewnia także korzystniejszy rozkład temperatury w pomieszczeniu niż grzejnik konwekcyjny. Może on jednak nie być tak korzystny jak w grzejniku podłogowym. Gdy grzejnik biegnie na całej wysokości ściany, to nie występuje tak dobrze zaznaczony gradient temperatury w pionie – z wartością maksymalną na dole, a minimalną na górze. Temperatura ta jest bardziej wyrównana, niemal stała. Rozwiązaniem tego problemu jest zaprojektowanie grzejnika tylko na części wysokości ściany. Jednak, z uwagi na lokalizację, grzejnik ścienny nie zapewni komfortowej, podwyższonej temperatury podłogi, która jest tutaj porównywalna z rozwiązaniem opartym na klasycznym grzejniku konwekcyjnym.

Ograniczenia w aranżacji pomieszczeń. Podobnie jak w przypadku ogrzewania podłogowego, wszelkie elementy wyposażenia wnętrza (np. szafy, kanapy, obrazy, zasłony, firany) należy uwzględnić na etapie projektowania ogrzewania ściennego, a późniejsze odstępstwa mogą być powodem niemożności uzyskania zadanych parametrów cieplnych pomieszczenia. Nawet jednak przy uwzględnieniu elementów zabudowy wnętrza, w naturalny sposób pozbawiamy się, częściowo lub nawet całkowicie (przy pełnej zabudowie ściany), jednej z głównych zalet ogrzewania ściennego, tj. przekazywania ciepła do pomieszczenia głównie przez promieniowanie, zwiększając udział konwekcji, co czyni z grzejnika ściennego grzejnik konwekcyjny. Uniemożliwia to także uzyskanie korzystnego rozkładu temperatury w pionie. Ogrzewanie ścienne ma więc w aspekcie aranżacji pomieszczenia podobne ograniczenia jak ogrzewanie podłogowe – w tym pierwszym zalecana jest rezygnacja z zasłaniania ścian, zwłaszcza szafami, w tym drugim powinno się zrezygnować z pokrywania podłóg, np. dywanami i wykładzinami.

Lokalizacja grzejnika. Korzystne jest umieszczenie grzejnika ściennego na ścianie zewnętrznej i/lub w okolicach okien i drzwi balkonowych, z podobnych względów jak w przypadku grzejnika konwekcyjnego. Chodzi tu o wyrównanie rozkładu temperatury przegród (minimalizacja efektu lokalnego dyskomfortu cieplnego: gorąca ściana wewnętrzna, zimna ściana zewnętrzna) i ogrzanie powietrza napływającego przez nieszczelności okienne/ drzwiowe. W przypadku ścian zewnętrznych pozbawionych okien i drzwi główną przeszkodą są tutaj elementy wyposażenia wnętrza, np. wspomniane szafy, które ograniczają przekazywaną moc cieplną i udział promieniowania w tym procesie. Natomiast w przypadku występowania okien i drzwi balkonowych zmniejsza się dostępna powierzchnia pod zabudowę grzejnika, co również zmniejsza potencjalną maksymalną moc cieplną(rys. 3).

Warto też pamiętać, że istotną cechą ogrzewania ściennego są zwiększone straty ciepła od samego grzejnika do środowiska zewnętrznego w stosunku do tradycyjnego grzejnika konwekcyjnego, jeśli grzejnik jest zamontowany w ścianie zewnętrznej. Przy takim rozwiązaniu należy zatem dążyć do uzyskania możliwie dużego oporu cieplnego warstw pod rurami, co w praktyce przekłada się na zwiększoną grubość warstwy izolacyjnej.

! Obecne wymagania prawne dotyczące izolacyjności termicznej budynku narzucają na tyle duże opory cieplne ścian zewnętrznych i wynikające stąd grubości warstwy izolacyjnej, że problem zwiększonych strat ciepła przy ogrzewaniu ściennym w przegrodzie zewnętrznej traci na znaczeniu – jest rozwiązywany u źródła.

Charakterystyka ogrzewania sufitowego
Za wynalazcę ogrzewania sufitowego uważa się Anglika A.H. Bakera, który w 1907 r. uzyskał patent angielski na swój wynalazek. Sprzedał on prawa do niego firmie R.H. Crittall, która wprowadziła to rozwiązanie do praktyki ogrzewniczej [3].

Grzejnik sufitowy można scharakteryzować podobnymi cechami konstrukcyjnymi jak wcześniej opisane grzejniki płaszczyznowe – ścienny i podłogowy. Znaczącą różnicę stanowi to, że w przypadku sufitowego ogrzewania płaszczyznowego nawet ponad 90% oddawanej mocy cieplnej jest przekazywane na drodze promieniowania. Orientacja powierzchni grzewczej (pozioma w dół), zmniejszając udział konwekcji i tym samym zwiększając udział promieniowania w procesie przekazywania ciepła, skutkuje także zmniejszeniem całkowitego współczynnika wnikania ciepła α.

! Zgodnie z normami z serii PN-EN 1264 [9], całkowity współczynnik wnikania ciepła dla grzejnika sufitowego przyjmuje wartość α = 6,5 W/(m2 K). Według tych samych norm, maksymalna temperatura powierzchni takiego grzejnika może wynosić 29°C.

Wydajność cieplna. Niska dopuszczalna temperatura powierzchni grzejnika sufitowego w połączeniu z niską ważnością współczynnika wnikania ciepła skutkują najmniejszą jednostkową wydajnością cieplną ze wszystkich wymienionych rodzajów grzejników płaszczyznowych – na poziomie maksymalnie 58,5 W/(m²K), przy temperaturze środowiska wewnętrznego 20°C. Takie wartości maksymalnej jednostkowej mocy grzewczej jeszcze do niedawna mogłyby nie sprostać wymaganiom cieplnym pomieszczeń, zwłaszcza w przypadku budynków zlokalizowanych w najchłodniejszych strefach klimatycznych kraju. Jednak obecne wymagania prawne dotyczące energochłonności budynków i izolacyjności cieplnej ich przegród budowlanych sprawiają, że problem ten traci na znaczeniu – jednostkowe projektowe obciążenie cieplne dla nowo wznoszonych budynków jest zwykle mniejsze niż 50 W/m².

Rozkład temperatury w pomieszczeniu. Grzejnik sufitowy, z powodu swojego usytuowania i pomimo bardzo wysokiego udziału promieniowania w procesie przekazywania ciepła, charakteryzuje się potencjalnie najmniej korzystnym rozkładem temperatury w pomieszczeniu, z gradientem odwrotnym w stosunku do ogrzewania podłogowego – najcieplej jest w głowę, a najchłodniej w stopy. Jednak zdarza się, że temperatura podłogi przy ogrzewaniu sufitowym jest i tak wyższa niż gdy stosuje się grzejniki konwekcyjne. Wynika to stąd, iż sufit ogrzewa podłogę przez promieniowanie – obie płaszczyzny „widzą się” w linii prostej.

Dowolność aranżacji pomieszczeń. Szczególną zaletą grzejnika sufitowego jest niemal pełna dowolność w aranżacji pomieszczeń i dowolne zmiany aranżacji w trakcie eksploatacji, bez wpływu na moc cieplną grzejnika i parametry cieplne pomieszczenia. Tego efektu nie da się zagwarantować przy użyciu pozostałych systemów ogrzewania płaszczyznowego. Rozwiązania konstrukcyjne grzejnika sufitowego zaprezentowano na rys. 2, 4, 5.

Maty kapilarne – co to takiego?
Na rynku, w ofercie wodnych, płaszczyznowych grzejników ściennych i sufitowych, można trafić na tzw. maty kapilarne. Maty tego typu można również stosować do ogrzewania podłogowego. Co do zasady pracy nie jest to rozwiązanie znacząco inne od tych już omówionych. Maty kapilarne to po prostu siatki z gęsto (co ok. 1-2 cm) ułożonymi rurkami tworzywowymi (zwykle polipropylen typu PP lub PP-R) o małej średnicy (zwykle rzędu 3-5 mm średnicy zewnętrznej i 2-4 mm średnicy wewnętrznej), fabrycznie zespolone w moduły. Pokazano to na rys. 6. Zaletą tego rozwiązania, w stosunku do systemów opartych na standardowych średnicach rur, jest mniejsza wymagana grubość warstwy kryjącej, a tym samym mniejsza pojemność i bezwładność cieplna oraz krótszy czas nagrzewania i studzenia. Wbrew nazwie, w matach kapilarnych nie mamy do czynienia z efektem kapilarnym podciągania cieczy, jako siłą powodującą krążenie czynnika – krążenie to wymuszane jest pracą pompy obiegowej. Taka akurat nazwa bierze się stąd, że zjawiska kapilarne zachodzą m.in. w przewodach o małych średnicach, porównywalnych z tymi, jakie stosowane są w tym systemie. Ponadto przewody o porównywalnych średnicach, stosowane np. w urządzeniach chłodniczych, także nazywa się w praktyce rurkami kapilarnymi.

Sterowanie i regulacja
Aspekt sterowania i regulacji wydajności cieplnej grzejników ściennych i sufitowych oraz stosowanych dodatkowych elementów i urządzeń wygląda w zasadzie tak samo, jak w przypadku grzejnika podłogowego. Szczegółowo opisałem to w artykułach [1, 4-6, 8]. We wszystkich tych systemach mogą być wykorzystywane te same rozwiązania. Nierzadko spotyka się też realizacje, w których np. grzejniki ścienne pracują z grzejnikiem podłogowym w jednym pomieszczeniu i wszystkie one zasilane są z tego samego rozdzielacza, współpracującego z tą samą grupą pompowo-mieszającą.

Zalety i wady ogrzewania ściennego i sufitowego
Podsumowując powyższe uwagi, można wskazać zarówno liczne zalety płaszczyznowych grzejników ściennych i sufitowych, jak i ich wady/ograniczenia w odniesieniu do grzejników konwekcyjnych, ale też płaszczyznowego ogrzewania podłogowego.

Zalety:

• potencjalnie duży udział promieniowania w procesie przekazywania ciepła, zwłaszcza w przypadku grzejnika sufitowego; jeśli chodzi o grzejnik ścienny – przede wszystkim przy niezasłanianiu ściany typowymi elementami zabudowy wnętrza; 
• relatywnie korzystny rozkład temperatury w pionie dla ogrzewania ściennego; dla ogrzewania sufitowego – już nie;
• bardziej wyrównana temperatura w całym pomieszczeniu w porównaniu do grzejników konwekcyjnych; w porównaniu z grzejnikiem podłogowym nie ma tu przewagi;
• minimalizacja zjawiska unoszenia kurzu – z uwagi na zmniejszenie udziału konwekcji w procesie wymiany ciepła;
• likwidacja niebezpieczeństwa jonizacji powietrza – z uwagi na relatywnie niskie temperatury pracy;
• możliwość efektywnego wykorzystanie niskotemperaturowych, odnawialnych źródeł energii;
• potencjalne zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych – z uwagi na możliwość redukcji temperatury powietrza w stosunku do klasycznego ogrzewania konwekcyjnego; 
• relatywnie mała, w porównaniu do grzejnika podłogowego, pojemność i bezwładność cieplna, poprawiająca jakość regulacji;
• wysoka jednostkowa wydajność cieplna (dla grzejnika ściennego).

Wady:

• relatywnie duża, w porównaniu do grzejnika konwekcyjnego, pojemność i bezwładność cieplna oraz gorsze wskaźniki związane z regulacją mocy cieplnej; 
• duże opory hydrauliczne rur i relatywnie wysokie koszty pompowania wody;
• ograniczona wydajność cieplna grzejnika sufitowego w porównaniu z innymi systemami ogrzewczymi;
• mało korzystny rozkład temperatury w pionie – dla grzejnika sufitowego; 
• mało korzystne wartości temperatury podłogi w porównaniu z ogrzewaniem podłogowym, aczkolwiek potencjalnie wyższe niż w przypadku użycia grzejników konwekcyjnych – podłoga może być częściowo ogrzewana przez promieniowanie, zwłaszcza w przypadku grzejnika sufitowego;
• ograniczenia w swobodzie aranżacji pomieszczenia w przypadku grzejnika ściennego – ściany nie powinny być zasłaniane meblami, obrazami, grubymi zasłonami okiennymi itp.; problematyczny może być też montaż elementów wyposażenia za pomocą kołków rozporowych, gwoździ itp.;
• relatywnie wysokie koszty inwestycyjne w porównaniu z grzejnikami konwekcyjnymi, aczkolwiek niższe niż dla grzejnika podłogowego – z uwagi na mniejszą ilość materiału kryjącego rury i większą jednostkową wydajność cieplną, która umożliwia redukcję powierzchni grzejnika. 

Materiały źródłowe:
[1] Muniak D.: „Ekonomiczne sterowanie ogrzewaniem podłogowym”, „Polski Instalator” 11-12/2019 (283), str. 26-29
[2] Muniak D.: „Grzejniki aluminiowe – fakty i mity. Cz. 4. Grzejnik aluminiowy a „podłogówka” – co lepsze i dlaczego?”, „Polski Instalator” 8/2018 (272), str. 27-29
[3] Muniak D.: „Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne”, wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019
[4] Muniak D.: „Płaszczyznowe ogrzewanie podłogowe: armatura współpracująca. Regulacja temperatury ogrzewania podłogowego: układy z wieloma pętlami grzewczymi”, „Polski Instalator” 7-8/2021 (296), str. 24-28
[5] Muniak D.: „Płaszczyznowe ogrzewanie podłogowe: armatura współpracująca. Układy regulacji grzejnika podłogowego – bez regulacji temperatury pomieszczenia”, „Polski Instalator” 1-2/2021 (292), str. 18-22
[6] Muniak D.: „Płaszczyznowe ogrzewanie podłogowe: armatura współpracująca. Układy regulacji temperatury grzejnika podłogowego i temperatury w pomieszczeniu”, „Polski Instalator” 4-5/2021 (294), str. 26-29
[7] Muniak D.: „Podłogówka czy grzejnik tradycyjny. Dopasowanie do konkretnego budynku”, „Polski Instalator” 5/2019 (279), str. 34-37
[8] Muniak D.: „Rozwiązania systemowe do wykonywania ogrzewania podłogowego”, „Polski Instalator” 6/2022 (303), str. 22-26
[9] Polska Norma – Europejska Norma PN-EN 1264: Wodne wbudowane systemy ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego
[10] Witryna internetowa: https://okieminzyniera.pl/ogrzewanie-scienneczy-sciana-moze-grzac/
[11] Witryna internetowa: www.hennlich.pl