Dobór wielkości grzejnika to jedno z podstawowych zagadnień przy projektowaniu instalacji ogrzewczej do budynku. Ma decydujący wpływ na warunki komfortu cieplnego w danym pomieszczeniu. Ponadto wpływa na koszty eksploatacyjne instalacji. Z tych powodów ważne jest, aby dobór ten przebiegł prawidłowo, w oparciu o uzasadnione i wiarygodne dane wejściowe i z użyciem uznanych praktyk inżynierskich oraz algorytmów obliczeniowych.

Teoria
Mało kto lubi teorię. Ale, jak to ujął Ludwig Boltzmann, nie ma nic bardziej praktycznego niż dobra teoria. Wbrew pozorom jest w tym wiele prawdy i za tym sformułowaniem kryje się szerokie doświadczenie praktyczne. Przyjrzyjmy się więc temu, jak dobór wielkości grzejnika wygląda od strony teoretycznych obliczeń i czy w ogóle są tutaj ścisłe wymagania i zależności obliczeniowe, z których należy korzystać.

Moc grzejnika jest zależna od jego wielkości. Im większą powierzchnię zewnętrzną, która wymienia ciepło z otoczeniem, ma grzejnik, tym większa jest jego moc. Moc ta powinna być dopasowana do potrzeb cieplnych pomieszczenia i określa się ją w oparciu o tzw. projektowe obciążenie cieplne. Wielkość ta z kolei obliczana jest w oparciu o ścisłe wymagania, zawarte m.in. w PN-EN 12831:2006 [5] i krajowych załącznikach do normy. Wartość projektowego obciążenia cieplnego zależy od wielu czynników, w tym od:

• projektowej temperatury zewnętrznej. Jest to minimalna, zakładana do obliczeń, wartość temperatury występująca na danym terenie. Wartość ta zależna jest od tego, w jakiej strefie klimatycznej znajduje się miejscowość. Dane te podane są w załączniku krajowym do normy PN-EN 12831:2006 i pokazane na rys. 1. Jak widać, w zależności od lokalizacji różnica może sięgać nawet 8°C, co naturalnie przekłada się na znacząco różne wartości projektowego obciążenia cieplnego;
• projektowej temperatury wewnętrznej. Minimalna wymagana temperatura dla różnych typów pomieszczeń przeznaczonych na pobyt ludzi jest określona w [7]. Wyróżnić można kilka wartości, a najbardziej popularne z nich, wraz z przyporządkowaniem do konkretnego typu pomieszczenia, zestawiono w tabeli 1. W rzeczywistości optymalna temperatura w pomieszczeniu zależy od kilku czynników, np. od tego, jak dana osoba jest ubrana, jaką czynność wykonuje, czy w pomieszczeniu jest przeciąg, czy jest dodatkowa wentylacja, jaki jest poziom wilgotności powietrza itp. Optymalne warunki komfortu cieplnego uzyskuje się dla temperatury o 2-3°C wyższej niż podano w tabeli [1-4];
• standardu energetycznego budynku. Składają się na niego właściwości termoizolacyjne przegród budowlanych (okien, drzwi, itp.), naturalny stopień szczelności budynku na infiltrację powietrza oraz fakt zastosowania i standard energetyczny dodatkowych urządzeń pozyskujących i/lub odzyskujących ciepło, jak np. rekuperatory czy pasywne i aktywne systemy pozyskiwania ciepła z energii słonecznej, gruntu itp.;
• wielkości poszczególnych stref i całego budynku. Naturalne jest, że im większa kubatura (właśnie kubatura, nie powierzchnia), tym większa będzie wartość projektowego obciążenia cieplnego.

Są to dane wejściowe przy procedurze obliczeniowej zgodnej z normą PN-EN 12831:2006. Obliczenia są jednak na tyle obszerne i czasochłonne, że obecnie wykonuje się je niemal wyłącznie w dedykowanych programach komputerowych, nie zaś ręcznie.

Co dalej? Gdy obliczona jest wartość projektowego obciążenia cieplnego, jest możliwy dobór wielkości grzejnika – tak? Nie! Wymagana moc cieplna to tylko jeden z kilku parametrów niezbędnych do zdefiniowania w tej procedurze. Oprócz tego należy uwzględnić jeszcze inne parametry i uwarunkowania:

• temperaturę pracy grzejnika, czyli temperaturę na jego zasilaniu i na wylocie. Często mówi się tutaj o tzw. Δt. Mówiąc w skrócie, jest to różnica pomiędzy średnią temperaturą wody w grzejniku (wartość średnia liczona z zasilania i wylotu) a temperaturą powietrza w pomieszczeniu. Wielkość ta najczęściej liczona jest jako różnica w stosunku do średniej arytmetycznej temperatury wody w grzejniku, aczkolwiek podejście takie jest obarczone pewnym błędem. Szczegółowo opisano to w [1-4]. Norma PN-EN 442:2015 [6] (zharmonizowana z dyrektywą unijną) wymaga, aby producent podał wartość mocy cieplnej dla dwóch wartości Δt: dla 30°C i 50°C, którym odpowiada temperatura zasilania i powrotu na poziomie, kolejno: t_z = 75°C, t_p = 65°C oraz t_z = 55°C, t_p = 45°C, przy temperaturze otoczenia (pomieszczenia) 20°C. Wartości temperatury dla Δt = 30°C są typowe dla instalacji z kondensacyjnym kotłem gazowym. Wartości temperatury dla Δt = 50°C są typowe dla instalacji z niekondensacyjnym kotłem gazowym, kotłem stałopalnym, przyłączy (węzłów) ciepłowniczych itp. Analizując wartości mocy cieplnej typowego grzejnika dla tych dwóch kompletów danych zamieszczone w tabeli 2, widać, że różnica jest prawie dwukrotna;
• stopień osłonięcia grzejnika, czyli to, w jaki sposób grzejnik jest zabudowany: czy wisi swobodnie na ścianie i jak wysoko nad podłogą, czy jest we wnęce ściennej lub w klatce, jak duży jest nad nim parapet, na ile jest on oddalony od górnej krawędzi grzejnika itp. Osłonięcie grzejnika zmniejsza jego nominalną moc cieplną;
• usytuowanie grzejnika, mówiące o tym, czy grzejnik zamontowany jest na ścianie zewnętrznej, w okolicy okna, na ścianie wewnętrznej, czy też pod stropem pomieszczenia. Usytuowanie inne niż na ścianie zewnętrznej i w okolicy okna zmniejsza nominalną moc cieplną grzejnika;
• dodatkowe zyski ciepła, np. od przewodów prowadzących wodę.

Praktyka teoretyczna
Jak opisano wyżej, prawidłowy dobór grzejnika opiera się na szeregu czynności i obliczeń, których znajomość i stosowanie jest obowiązkowe dla projektanta instalatora z uprawnieniami budowlanymi, którego zadaniem jest prawidłowe zaprojektowanie instalacji. Dla użytkownika wiedza ta jest mało ważna. A jak wygląda dobór wielkości grzejnika w praktyce, w przypadku już istniejącej instalacji? Tutaj wiedzę mamy chyba wszyscy. Klient pyta fachowca o poradę, po czym fachowiec pyta klienta, jaka jest powierzchnia danego pokoju i na tej podstawie dobiera wielkość grzejnika. I już? Tak, już. Teraz zastanówmy się, na ile prawidłowy jest taki dobór, skoro z wymienionych wcześniej niezbędnych parametrów uwzględnia on tylko wielkość strefy grzewczej i to nie w całości. W nielicznych przypadkach udzielający porady zapyta jeszcze o rodzaj źródła ciepła, aby (bardzo) orientacyjnie określić na tej podstawie temperaturę pracy grzejnika, ale na tym już się kończy.

Taka praktyka funkcjonowała przez lata i funkcjonuje nadal, a jej powszechność utrwala błędne przekonanie o jej słuszności. Zakładało się np. dla danego pomieszczenia 100 W/m² powierzchni i na tej podstawie dobierało się grzejnik do pomieszczenia. O dziwo – ta wartość funkcjonuje w praktyce nadal. A skąd owe 100 W/m²? Czemu nie 150 albo np. 55-65 W/m² , która to wartość jest obecnie bardziej miarodajna dla nowo wznoszonych budynków, które muszą spełniać aktualne wymagania prawne w zakresie energochłonności? Różnice między tymi wartościami są przecież bardzo duże. A gdzie reszta danych? Przy jakich wartościach temperatury pracy grzejnik ma oddać wymaganą moc? Jaka ma być temperatura w pomieszczeniu? Przecież w zależności od przyjętej wartości Δt moc grzejnika znacząco się różni (patrz tab. 2), a dobór wielkości składowych tego parametru może być bardzo różny i dyktowany jest indywidualnym wyborem użytkownika. Pytając dalej – przy jakim usytuowaniu i przy jakim stopniu osłonięcia grzejnika? Czy i jak wliczyć zyski ciepła od rur?

! Jeśli na pytanie o wielkość grzejnika, przy znajomości tylko powierzchni pomieszczenia, udziela się konkretnej porady, to albo ma się bardzo rozległą wiedzę i wszystkie wymienione czynniki potrafi się uwzględnić w swoich szacunkach, albo...takiej wiedzy się nie posiada i jest się nieświadomym tych wszystkich zależności. Ewentualnie posiada się stosowną wiedzę, ale jest się zmuszonym powszechnie panującą praktyką i wynikającym stąd oczekiwaniom pytających, by działać podobnie, wbrew sobie.

Niestety, rzeczywistość jest taka, że bez obliczeń opartych na możliwie dużej liczbie danych wejściowych wynik najczęściej jest obarczony dużym błędem. Pewnym problemem, utrzymującym opisaną praktykę, jest to, iż producenci grzejników podają często bardzo obszerne (ale nie szczegółowe) dane dotyczące mocy grzejników wraz z parametrami temperaturowymi pracy. Przykład pokazano w tabeli 2. Kompleksowość takiego opracowania, wbrew jak najlepszym intencjom, utrwala praktykę błędnego doboru, gdyż pomija większość z wymienionych wcześniej aspektów, skupiając się tylko na jednym – na wartościach temperatury pracy grzejnika, który to aspekt ponadto w praktyce wygląda zupełnie inaczej.

Praktyka
W praktyce dobór grzejnika jest zagadnieniem skomplikowanym, opierającym się nierzadko na obliczeniach w pętlach iteracyjnych. Ponadto wymagana jest znajomość nie tylko danych wymienionych wcześniej, ale także szeregu parametrów cieplnych grzejników, rur, ich prowadzenia i zaizolowania cieplnego, zaworów itp. Zagadnienie z pozoru proste, jak można się zasugerować patrząc na tabelę 2, komplikuje się, gdy okazuje się, że faktyczne temperatury pracy grzejnika (zasilanie i powrót) są inne niż wartości założone do obliczeń – a inne są zawsze.

Jeśli założymy, że chcemy użyć gazowego kotła kondensacyjnego i będzie on pracował z temperaturą np. 50/55°C na zasilaniu i 40/45°C na powrocie, to wcale nie oznacza, że takie wartości temperatury uzyska grzejnik. Będą one inne, gdyż woda ulegnie wychłodzeniu w rurach, a ponadto same rury oddadzą ciepło, które należy uwzględnić w ogólnym bilansie. Nieuwzględnianie tego zjawiska jest powszechną praktyką i przekłada się na znaczące błędy obliczeniowe doboru wielkości grzejników, a także samych parametrów temperaturowych pracy źródeł ciepła. Aby zobrazować typowy proces doboru wielkości grzejnika do pomieszczenia, w ramce przedstawiono proces obliczeniowy. Rozpatrywane są w nim tylko kwestie cieplne, bez analizy zagadnień hydraulicznych. Wszystkie przytoczone zależności obliczeniowe, wraz z ich wyprowadzeniem i podbudową matematyczno-teoretyczną, można znaleźć w książkach [2-4].

Analizując wyniki obliczeń przedstawionych w ramce, można zauważyć, że nieuwzględnienie zysków mocy cieplnej od nieizolowanych przewodów, w tym przypadku metalowych, może być powodem dużych rozbieżności między wymaganą a dostarczaną do pomieszczenia mocą cieplną. Uwzględnienie tych zysków wymaga zmniejszenia wielkości grzejnika, obniżenia temperatury wody na zasilaniu w jego obiegu, bądź zmniejszenia jej strumienia masowego. W zaprezentowanym przykładzie, dość typowym z praktycznego punktu widzenia, grzejnik dobrany bez uwzględnienia zysków ciepła od przewodów jest ponad dwukrotne większy niż wymagany (0,9 m zamiast 0,4 m) przy uwzględnieniu tych zysków. Zatem również w przypadku przewodów izolowanych, których użycie skutkuje spadkiem strat mocy cieplnej przewodów do około 35% (dla przewodów izolowanych prowadzonych w podłodze) do około 85% (dla przewodów izolowanych prowadzonych w powietrzu), różnice mogą być znaczące. Podobne zjawisko występuje w przypadku użycia przewodów wielowarstwowych i z tworzyw sztucznych, chociaż – z uwagi na większy opór cieplny ścianek takich przewodów – ma ono mniejsze nasilenie.

Wnioski
Przeciętny użytkownik, który chce dobrać i kupić odpowiedniej wielkości grzejniki do swojego mieszkania czy domu, nie posiada wystarczającej wiedzy, aby zrobić to samodzielnie. Naturalne jest więc, że szuka porady u sprzedawcy czy też instalatora, na forach internetowych, w publikacjach, książkach itp. Te dwa ostatnie źródła są z zasady dość wiarygodną wykładnią. Pierwsze wymienione również mogą takimi być, jeśli tylko osoba zainteresowana zacznie pytać o więcej szczegółów – wtedy też druga strona zacznie się zastanawiać i szukać odpowiedzi, trafiając np. na niniejszą publikację. Tego pytającym, odpowiadającym i sobie samemu życzę. 

Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2016
[2] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne, WNT/PWN, Warszawa 2016
[3] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne, wydanie II, PWN, Warszawa 2019
[4] Muniak D.: Radiators in hydronic heating installations. Structure, selection and thermal characteristics, Springer, Cham 2017
[5] PN-EN 12831:2006 – Instalacje ogrzewcze w budynkach – Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego
[6] PN-EN 442:2015 – Grzejniki i konwektory
[7] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 02.75.690 z późn. zm.)