Pracując w jednej z firm z branży HVAC i kierując tam działem produktowym wszedłem raz w dyskusję z dyrektorem handlowym. A w zasadzie to on wszedł w dyskusję ze mną. Akurat byliśmy w trakcie rozszerzania oferty i wdrażania systemów instalacyjnych, w tym systemów opartych na rurach PE-RT/AL/PE-RT i złączkach zaprasowywanych. A jak wiadomo, tego typu systemy są obecnie powszechnie stosowane w instalacjach HVAC, a tym w instalacjach z grzejnikami podłogowymi. Otóż owy dyrektor sam był na etapie wyboru systemu instalacyjnego do domu i zastanawiał się nad tym, który system będzie tańszy inwestycyjnie – podłogówka, czy zwykły grzejnik.

Jakie było jego zdanie? No oczywiście, że podłogówka! Przecież…i tu zaczął wymieniać domniemane argumenty, dla których przecież podłogówka nie może być droższa, niż „zwykły” system. Tak, było to przekonanie typu – mam swoje zdanie i się z nim zgadzam. No to zapytałem go o to, na jakim jest etapie, kto będzie wykonywał mu instalację itp. Okazało się, że etap był już dość zaawansowany i że nawet dyskutował z wybranym instalatorem o kosztach. I co powiedział mu instalator? Oczywiście, zaskoczenia nie było – podłogówka będzie droższa. Ponoć kolega (tak mi to relacjonował) odpowiedział mu wtedy – dobrze, ale w takim razie podyskutujmy o tym. Uśmiechnąłem się wówczas (nie drwiąco, a życzliwie, oczywiście), bo wyobraziłem sobie, że owy instalator pewnie w tym momencie poczuł się jeszcze dziwniej, niż ja, będąc pouczanym co do swojego fachu przez osobę, która na tym fachu zna się raczej słabo i chce jeszcze sama ustalać stawki, a dodatkowo mając pewnie kolejkę innych klientów, którym nie musi udowadniać, że nie jest wielbłądem i którzy co kilka dni wydzwaniają, kiedy może zacząć robotę u nich. Ale nie od dziś wiadomo, że nie ma rzeczy niemożliwych dla kogoś, kto nie musi ich zrobić sam, a podejście takie jest często występujące właśnie u osób, które są (jak mąż pewnej pani z komedii Barei sprzed lat) z zawodu dyrektorami!

W czym rzecz?
Oczywiście, że podłogówkę można wykonać taniej, niż system tradycyjny – np. nie stosując wcale rozdzielaczy i/lub układów regulacyjnych i czujników oraz zabezpieczeń na nich, dając jak najmniejszą grubość wylewki, nie stosując dodatkowych materiałów izolacyjnych w podłodze, dając jak najtańszą rurę, dodatkowo jeszcze cały montaż podłóg grzewczych wykonując samodzielnie. Tylko czy takie porównanie ma wówczas sens, skoro te wszystkie (a to i tak tylko wybrane – jest ich więcej) rzeczy są obowiązkowe, jeśli system ma działać prawidłowo i być trwałym? Bo równie dobrze, dla drugiego wariantu można, zamiast typowych stalowych grzejników płytowo-konwetorowych, wziąć ze złomu, za grosze, 50-letnie żeliwne grzejniki członowe i dodatkowo, do kompletu trafnych idei, upierać się przy opinii, że tego typu grzejniki są dobre, bo są bardzo ciężkie i dzięki temu dobrze trzymają ciepło. A więc nie potrzebują zaworów termostatycznych, bo (dzięki, a jakże!) swojej bardzo dużej masie na sterowanie termostatami reagują z ogromnym opóźnieniem, więc w ogóle nie ma sensu tych termostatów montować i dzięki temu można jeszcze bardziej oszczędzić.

Praktyka jest bezlitosna i niestety instalacja z grzejnikami podłogowymi, sumując wszystkie koszty, jest w wykonaniu droższa, niż instalacja ze zwykłymi grzejnikami konwekcyjnymi. A jak to jest z kosztami eksploatacyjnymi? No, i to jest ciekawe zagadnienie, aczkolwiek o nim owy kolega się nie zająknął, a to ten aspekt jest decydujący w temacie.

Jeśli trochę poszperamy w internecie i w literaturze przedmiotu, to znajdziemy wzmianki o tym, że podłogówka jest tańsza w użytkowaniu, że generuje mniejsze koszty eksploatacyjne. Często także możemy przeczytać, że podłogówka pozwala obniżyć temperaturę w pomieszczeniu w porównaniu do systemu opartego na zwykłych grzejnikach konwekcyjnych, zwykle o ok. 2^o C [7], przy zachowaniu tego samego odczucia komfortu cieplnego. Owa oszczędność wynika głównie właśnie z tego faktu – z uwagi na to, że grzejnik podłogowy dużą część mocy cieplnej oddaje na drodze promieniowania oraz dlatego, że ma dużą powierzchnię, to zwiększa (wypadkową) temperaturę promieniowania przegród (temperaturę średnią wszystkich przegród, jakie tworzą pomieszczenie), która, wraz z temperaturą powietrza, jest składową temperatury odczuwalnej przez człowieka. Skoro więc wartość temperatury promieniowania rośnie, to temperatura powietrza może zostać zmniejszona. A to z kolei zmniejsza straty ciepła przez przegrody pomieszczenia (ściany, okna, podłogi, itp.) do środowiska zewnętrznego, a także zmniejsza wentylacyjne straty ciepła. Wobec tego zmniejsza się zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, jaka musi zostać wytworzona w źródle ciepła. Zagadka rozwiązana.

Zwykle na tym kończą się analizy, ale czy to wszystko? Większość z nas nie zdaje sobie sprawy z tego, że w tej układance jest jeszcze jeden dodatkowy element, wynikający z obliczeń cieplno-hydraulicznych instalacji. Żeby sobie to uzmysłowić, nie trzeba jednak być specjalistą projektantem, czy nawet mieć styczności z projektowaniem instalacji, bo wystarczy mieć… wyobraźnię. Jak to Einsten twierdził – wyobraźnia jest ważniejsza od wiedzy. Aczkolwiek łatwo jest to mówić komuś, kto jest geniuszem. W tym przypadku jednak geniuszu nie trzeba. Czym jest grzejnik podłogowy? Ano rurą zatopioną w konstrukcji podłogi. A ile tej rury jest w podłodze typowego pomieszczenia? No, jeśli rura układana jest w rozstawie np. co 10cm, a pomieszczenie ma np. 5 długości i 5 metrów szerokości, to wychodzi tego ponad 200 metrów. A jakiej długości rury są w takim pomieszczeniu, ale przypadku instalacji z typowymi grzejnikami? No właśnie – wielokrotnie mniej. Podłogówka to duże długości rury, nawet, jeśli w danym pomieszczeniu podzielimy je na kilka mniejszych, osobnych sekcji. I tak są to wartości rzędu kilkudziesięciu metrów i więcej. O ile zatem w instalacji ze zwykłymi grzejnikami straty ciśnienia wody na tych grzejnikach są pomijalnie małe, o tyle w grzejnikach podłogowych są duże i nierzadko dominują w całościowych stratach ciśnienia instalacji. A duże straty ciśnienie to duża wymagana wysokość podnoszenia pompy, czyli pompa duża i/lub pracująca na wysokim biegu (rozumianym jako krzywa pompowania, a nie numer biegu, bo takich pomp w instalacjach ogrzewczych, z prawnego punktu widzenia, stosować już nie można [6]). A to oznacza dużą moc pompowania, a więc i duże zużycie energii elektrycznej. I to jest właśnie kwestia, o której się zapomina, analizując przewagi energetyczne podłogówki.

W niniejszym artykule dokonałem przykładowych obliczeń dla obu wariantów instalacji i porównałem sezonowe zużycie energii przez dany budynek – zarówno energii cieplnej, potrzebnej do zapewnienia wymaganych temperatur wewnętrznych, jak i energii elektrycznej do napędu pompy. Analizy dokonałem z pomocą dedykowanych pakietów komputerowych używanych powszechnie przez projektantów instalacji sanitarnych, a służących obliczaniu projektowego obciążenia cieplnego i sezonowego zapotrzebowania na energię cieplną budynku, jak również wykonywaniu obliczeń cieplnych i hydraulicznych instalacji ogrzewczych. Wprowadziłem model geometryczny budynku i zdefiniowałem parametry wejściowe zgodnie ze wspomnianymi założeniami, tj. różnicując temperatury wewnętrzne o 2^o C w obu wariantach, zgodnie z tabelą 1. Obliczeń dokonałem dla lokalizacji budynku w Krakowie, ale do tego jeszcze wrócimy, na końcu artykułu. Wartości temperatur przyjęte do analizy zebrano w tabeli 3.

Analizowany budynek
Do analizy wybrano typowy budynek jednorodzinny, murowany, niepodpiwniczony, dwukondygnacyjny, z dachem dwuspadowym, bez lukarn, o powierzchni ogrzewanej ok. 138 m² i kubaturze ogrzewanej ok. 377 m² . Rzuty kondygnacji, wizualizację 3D i geometryczny model obliczeniowy tego obiektu prezentują rys. 1-3.

Instalacja ogrzewcza analizowanego budynku
Skoro na początku wspomniałem o systemie opartym na rurach typu PE-RT/AL/PE-RT, to do dalszej analizy nie mogłem wybrać innego. Jest to więc w przypadku obu wariantów instalacji system oparty na takich rurach, łączonych kształtkami zaprasowywanymi. W przypadku grzejników podłogowych do obliczeń narzuciłem średnicę nominalną na poziomie DN16, jako najbardziej typową i powszechnie spotykaną. Średnice dla pozostałych odcinków instalacji i dla obu wariantów są obliczane przez program komputerowy, w oparciu o typowe kryteria, które wyszczególniłem i opisałem w artykułach [1, 2].

Grzejniki podłogowe zaprojektowane są w typowej technice mokrej [10], a do wykończenia powierzchni podłóg grzewczych użyto płytek ceramicznych, preferowanych w takim przypadku, z uwagi na niski opór cieplny. Co ponadto jest istotne w przypadku grzejników podłogowych i prawidłowej praktyki projektanckiej, to niedopuszczenie do pojawiania się zbyt dużych długości wężownicy, skutkujących zbyt dużymi stratami ciśnienia. W naturalny sposób taka sytuacja wpływałaby obliczeniowo negatywnie już na starcie, z punktu widzenia zużycia energii do pompowania czynnika, w porównaniu z instalacją opartą na zwykłych grzejnikach, ale rzecz też w tym, że w praktyce trudno byłoby dobrać pompę, bo te występują w popularnych typoszeregach wytwarzanego ciśnienia (wysokości podnoszenia) i lepiej mieć możliwość dobrania właśnie takiej, a nie nietypowej, która będzie po prostu droga. No a jaka jest ta dopuszczalna długość pojedynczej wężownicy i kiedy trzeba ją podzielić na kilka mniejszych obiegów? Tutaj kryteria są zwykle dwa – długość i strata ciśnienia czynnika. Zwykle zakłada się, że długość nie powinna przekraczać 100-200m (w zależności od średnicy rury, dla DN16 przyjmuje się najczęściej 120m), a strata ciśnienia czynnika nie powinna przekraczać 20 kPa. Ja natomiast jestem zdania, że długość może być dowolnie duża i nawet sięgająca 600 m, bo w kręgach i o takiej długości niektórzy producenci dostarczają rury (a że rury w ogrzewaniu podłogowym nie powinno się łączyć z kilku odcinków, to taka jest też maksymalna długość pojedynczej wężownicy). Oczywiście to tak półżartem, bo przy takiej długości strata ciśnienia czynnika byłaby już bardzo duża, nawet przy niewielkich jego przepływach. Inna rzecz, że taka długość wynikałaby z dużej powierzchni grzejnika, a ta z kolei też jest w (dobrej) praktyce wykonawczej limitowana konkretnymi, maksymalnymi wymiarami i powierzchniami (liczonymi w kilkunastu metrach kwadratowych, góra w kilkudziesięciu, ale z tych dolnych granic) aby nie dopuścić do zbyt dużych naprężeń i odkształceń pracującej (tj. zmieniającej swoją temperaturę) płyty grzejnika. Zatem w praktyce warto zostać przy owych maksymalnie 200 m i 20 kPa. Ponadto, w jednym z pomieszczeń (łazienka) zaprojektowano dodatkowy grzejnik konwekcyjny, z uwagi na niemożność pokrycia projektowego obciążenia cieplnego tego pomieszczenia przy wykorzystaniu tylko grzejnika podłogowego, dla zadanych temperaturowych parametrów pracy całej instalacji. Jest to sytuacja spotykana w praktyce dość często.

W przypadku instalacji ze zwykłymi grzejnikami wybrałem typowe grzejniki płytowo-konwektorowe o wysokości 50cm i 30cm, bocznozasilane, typu 22 – dwupłytowe i typu 11 – jednopłytowe. Do obu instalacji zastosowałem rozdzielaczowe rozprowadzenie czynnika, najczęściej obecnie stosowane w nowowznoszonych budynkach [8, 9]. Do miejscowej regulacji wydajności cieplnej grzejników konwekcyjnych zastosowałem typowe przygrzejnikowe zawory termostatyczne, podwójnej regulacji (tj. z nastawą wstępną). Jako przygrzejnikową armaturę odcinającą zastosowałem typowe grzejnikowe zawory odcinające. W przypadku grzejników podłogowych zastosowałem regulację poprzez typowe wkładki regulacyjno-pomiarowe (tj. rotametry zintegrowane z zaworami regulacyjnymi) i wkładki termostatyczne zamontowane w rozdzielaczach. W przypadku grzejników konwekcyjnych zastosowałem rozdzielacze z wkładkami/zaworami odcinającymi. W tego typu systemie najczęściej stosuje się grzejniki dolnozasilane [8]. Jednak tego typu grzejniki z zasady fabrycznie wyposażane są w zaworowe wkładki termostatyczne. Z tego powodu w analizie zdecydowałem się na wspomniane grzejniki bocznozasilane, które nie mają fabrycznie zamontowanej armatury regulacyjnej – taki wariant daje swobodę wyboru zaworów przygrzejnikowych (termostatycznych i odcinających).

Projektowe temperatury pracy instalacji (zasilanie, powrót) zróżnicowałem i zdefiniowałem odpowiednio do użytych grzejników i potencjalnych źródeł ciepła, które najczęściej są z nimi używane. Dla grzejników konwekcyjnych jest to t_z =55^o C i t_p =45^o C – typowo dla gazowych kotłów kondensacyjnych. Dla grzejników podłogowych jest to t_z =37^o C i t_p =30^o C – typowo dla pompy ciepła. Wizualizację 3D tej instalacji, w obu wariantach, prezentuje rys. 5.

Wyniki obliczeń
Wyniki obliczeń stanowią dwie grupy parametrów – obliczenia cieplne budynku i obliczenia hydrauliczne instalacji ogrzewczej. W tabeli 2 zebrałem wyniki obliczeń projektowego obciążenia cieplnego Φ_HL i sezonowego zapotrzebowanie na energię do ogrzewania Q_H,nd. Zestawiłem tam również procentową różnicę tych wielkości, jako wartość z wariantu ze zwykłymi grzejnikami odniesiona do wariantu z grzejnikami podłogowymi.

W tabeli 3 zebrałem wyniki obliczeń wybranych parametrów hydraulicznych zaprojektowanej instalacji, a także procentowe różnice tych wartości, liczone analogicznie, jak wcześniej. Te parametry to minimalne ciśnienie czynne (pompowe) ∆p wymagane do prawidłowej pracy instalacji oraz projektowy strumień masowy m i objętościowy V czynnika.

Moc elektryczna P_el pobierana przez daną pompę obiegową zależy od parametrów punktu pracy, tj. wytwarzanej różnicy ciśnienia i strumienia objętościowego czynnika, które składają się na moc hydrauliczną (pompowania) P_hyd, która wyrażą się wzorem (1), gdzie ∆p wyrażane jest w [Pa], a V w [m³ /s]:

Moc elektryczna zależy ponadto od sprawności całkowitej pompy, warunkowanej wieloma czynnikami. W związku z tym całkowita moc elektryczna pobierana przez pompę jest większa od mocy hydraulicznej, potrzebnej do pompowania czynnika. Moc elektryczną, jaką pobiera typowa pompa obiegowa w instalacji ogrzewczej, można wyznaczyć zgodnie z rozporządzeniem [13] i normą [11]. Podaje się tam następującą zależność obliczeniową, przy założeniu, że maksymalna moc hydrauliczna P_hyd,max to moc dla najwyższego biegu dobranej pompy i maksymalnej mocy hydraulicznej, jaką dysponuje dana pompa.

Policzona z użyciem wzoru (1), minimalna wymagana moc P_hyd potrzebna do pompowania czynnika i co za tym idzie także wymagana moc elektryczna P_el do napędu pompy, jest mocą wymaganą w warunkach projektowych, wynikających z projektowych, tj. minimalnych temperatur zewnętrznych (w danej strefie klimatycznej). Jest to więc moc maksymalna w trakcie sezonu ogrzewczego. Zwykle występuje ona tylko przez kilka dni, a nierzadko nie występuje wcale w danym sezonie ogrzewczym, gdyż jest pochodną warunków projektowych, które z zasady charakteryzują się małym prawdopodobieństwem wystąpienia. W pozostałym okresie moc ta jest mniejsza i zmienia się wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej. W związku z tym, aby wyznaczyć energię, jaka będzie zużywana do pompowania czynnika, konieczna jest znajomość wartości średniej mocy elektrycznej pobieranej przez pompę, tj. znajomość całosezonowego harmonogramu jej pracy, zwanego także profilem obciążenia. Moc tę można wyznaczyć jako średnią ważoną P_L,avg po czasie pracy pompy na danym obciążeniu, zgodnie z rozporządzeniem [13] i normą [12], ze wzoru (3):

Wzór ten mówi, że pompa pracuje na 100% wydajności przez 6% czasu pracy, na 75% wydajności przez 15% czasu pracy, na 50% wydajności przez 35% czasu pracy, a na 25% wydajności przez 44% czasu pracy. W tabeli 4 zestawiłem wyniki obliczeń mocy hydraulicznej P_hyd, mocy elektrycznej P_el i średniej ważonej mocy elektrycznej P_L,avg pobieranej przez pompę, oraz stosunek procentowy tych wartości, liczony analogicznie, jak poprzednio.

W oparciu o znajomość mocy P_L,avg i czas τ_pomp pracy pompy w sezonie ogrzewczym można wyznaczyć wartość zużytej energii elektrycznej E_pomp. Zakładając, że pompa pracuje przez całą dobę i wtedy, gdy wymagane jest zapotrzebowanie na energię do ogrzania budynku, czas ten będzie równy liczbie dni (dób) L_d , jaka została założona do obliczeń sezonowego zapotrzebowania na energię cieplną budynku. Wówczas energię tę można wyznaczyć ze wzoru (3):

Dla lokalizacji krakowskiej założona liczba dni sezonu ogrzewczego to 222. Wyniki obliczeń, wraz ze stosunkiem procentowym tych wartości, zestawiłem w tabeli 5.

W tabeli 6 zbiorczo zestawiłem obliczone wcześniej Q_H,nd i E_pomp, zsumowaną z tych dwóch wielkości, całkowitą, ilość zużywanej energii, a także ich stosunek procentowy.

Wnioski
Widać, iż budynek wyposażony w instalację ogrzewczą z grzejnikami podłogowymi jest mniej energochłonny, niż w przypadku wyposażenia go w instalację z grzejnikami konwekcyjnymi. Przewaga podłogówki wynika z niższego zapotrzebowania na energię cieplną do ogrzania budynku, a to wynika z niższych wymaganych temperatur wewnętrznych. Podłogówka jest jednak bardziej energochłonna w zakresie pracy samej instalacji, co wynika głównie z większych wymaganych ciśnień pompy, ale też stąd, iż do takiej instalacji trzeba dostarczyć więcej mocy, gdyż występują tu straty ciepła do gruntu, których z naturalnych względów nie ma w przypadku zwykłych grzejników. A jak przekłada się to na koszty? Pobór energii przez pompę jest pomijalnie mały w porównaniu z energią zużywaną na cele ogrzewcze, więc i tak podłogówka jest na wygranej pozycji. Jeśli parametry te byłyby na porównywalnym poziomie, to można by się zastanawiać i należałoby dokonać obliczeń – wszak energia elektryczna jest w Polsce bardzo droga i 1 kWh energii elektrycznej kosztuje znacznie więcej, niż 1 kWh energii z gazu, czy nawet z (elektrycznej) pompy ciepła, które założono do analizy w tym artykule, jako źródła ciepła.

Jednak dodatkowo ciekawe rzeczy się dzieją, gdy do obliczeń zakładamy różne wymagane moce cieplne w pomieszczeniach, a więc np. lokalizujemy ten sam budynek w różnych strefach klimatycznych. Co prawda nie zmienia to konkluzji, ale po szczegóły odsyłam do artykułów [3, 4].

Literatura:
[1] Muniak D.: Akademia projektanta. Instalacje ogrzewcze. Część I – zarys wstępu do podstaw. Definiowanie danych ogólnych w programie Sankom Audytor SET 7.2, część I, Polski Instalator, 1-2/2024 (316), str.: 10-14
[2] Muniak D.: Akademia projektanta. Instalacje ogrzewcze. Część II – zarys wstępu do podstaw. Definiowanie danych ogólnych w programie Sankom Audytor SET 7.2, część II, Polski Instalator, 4-5/2024 (318), str.: 7-13
[3] Muniak D.: Analiza energochłonności budynku jednorodzinnego w zależności od systemu jego ogrzewania. Część I – Model obliczeniowy, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 55/03/2024, str.: 19-24
[4] Muniak D.: Analiza energochłonności budynku jednorodzinnego w zależności od systemu jego ogrzewania. Część II – Wyniki obliczeń, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 55/04/2024, str.: 9-14 [5] Muniak D.: Chłodno, cieplej, komfortowo – komfort cieplny w pomieszczeniach. Komfort cieplny a krajowe wymagania odnośnie do temperatur w pomieszczeniach, Polski Instalator, 4-5/2023 (310), str.: 30-34
[6] Muniak D.: Energooszczędne pompy obiegowe w instalacjach ogrzewczych, Polski Instalator, 3/2021 (293), str.: 22-26
[7] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne, Wydanie II (rozszerzone i poprawione)”, PWN, Warszawa 2019
[8] Muniak D.: Podłączenie grzejników: rozwiązania systemowe, zestawy podłączeniowe, Polski Instalator, 9/2021 (297), str.: 18-23
[9] Muniak D.: Rozdzielacze, czyli „socjalizm” w instalacjach, Polski Instalator, 1-2/2023 (308), str.: 14-18
[10] Muniak D.: Rozwiązania systemowe do wykonywania ogrzewania podłogowego, Polski Instalator, 6/2022 (303), str.: 22-26
[11] Polska Norma PN-EN 16297-1:2013-04 – Pompy – Pompy wirowe – Pompy obiegowe bezdławnicowe – Część 1: Wymagania ogólne oraz procedury badań i obliczeń wskaźnika energochłonności (EEI)
[12] Polska Norma PN-EN 16297-2:2013-04 – Pompy – Pompy wirowe – Pompy obiegowe bezdławnicowe – Część 2: Obliczanie wskaźnika energochłonności (EEI) dla wolnostojących pomp obiegowych
[13] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 622/2012 z dnia 11 lipca 2012 r. zmieniające rozporządzenie (WE) nr 641/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami