Jak wykonać obliczenia ogrzewania podłogowego na przykładzie systemu wodnego

Na efektywność ogrzewania podłogowego wpływa wiele czynników. Bez ich uwzględnienia, nawet jeśli system jest prawidłowo zamontowany i użyto najnowocześniejszych materiałów, rzeczywista efektywność cieplna nie spełni oczekiwań.

Z tego powodu prace montażowe muszą być poprzedzone rzetelnym obliczeniem ogrzewania podłogowego, i tylko wtedy można zagwarantować dobry wynik.

Opracowanie projektu systemu grzewczego nie jest tanie, dlatego wielu domowych majsterkowiczów przeprowadza obliczenia samodzielnie. Przyznacie, że pomysł obniżenia kosztów instalacji ogrzewania podłogowego wydaje się bardzo kuszący.

Podpowiemy Państwu, jak stworzyć projekt, jakie kryteria uwzględnić przy wyborze parametrów systemu grzewczego i opiszemy krok po kroku metodę obliczeń. Dla przejrzystości przygotowaliśmy przykład obliczeń ogrzewania podłogowego.

Dane wyjściowe do obliczeń

Początkowo prawidłowo zaplanowany przebieg prac projektowych i montażowych uchroni przed niespodziankami i nieprzyjemnymi problemami w przyszłości.

Przy obliczaniu ogrzewania podłogowego należy wyjść od następujących danych:

• materiału ścian i cech ich konstrukcji;
• wymiarów pomieszczenia w planie;
• rodzaju wykończenia podłogi;
• konstrukcji drzwi, okien i ich rozmieszczenia;
• rozmieszczenia elementów konstrukcji w planie.

Do wykonania rzetelnego projektu wymagane jest obowiązkowe uwzględnienie ustalonego reżimu temperaturowego i możliwości jego regulacji.

Do przybliżonych obliczeń przyjmuje się, że 1 m² systemu grzewczego powinien pokryć straty ciepła wynoszące 1 kW. Jeśli obieg wodny jest używany jako uzupełnienie głównego systemu, to powinien pokrywać tylko część strat ciepła.

Istnieją zalecenia dotyczące temperatury podłogi zapewniającej komfortowy pobyt w pomieszczeniach o różnym przeznaczeniu:

• 29°C — strefa mieszkalna;
• 33°C — łazienka, pomieszczenia z basenem i inne o wysokiej wilgotności;
• 35°C — pasy zimna (przy drzwiach wejściowych, ścianach zewnętrznych itp.).

Przekroczenie tych wartości prowadzi do przegrzania zarówno samego systemu, jak i wykończenia podłogi, co skutkuje nieuniknionym uszkodzeniem materiału.

Przeprowadzając wstępne obliczenia, można wybrać optymalną według osobistych odczuć temperaturę nośnika ciepła, określić obciążenie obiegu grzewczego i zakupić sprzęt pompowy, który doskonale radzi sobie ze stymulowaniem przepływu nośnika ciepła. Dobiera się go z zapasem przepływu nośnika ciepła wynoszącym 20%.

Dużo czasu zajmuje nagrzewanie wylewki o grubości ponad 7 cm. Dlatego przy instalacji systemów wodnych starają się nie przekraczać tego limitu. Najbardziej odpowiednim pokryciem dla podłóg wodnych jest ceramika podłogowa, pod parkiet ze względu na jego bardzo niską przewodność cieplną nie układa się ogrzewania podłogowego.

Na etapie projektowania należy rozstrzygnąć, czy ogrzewanie podłogowe będzie głównym źródłem ciepła, czy też będzie używane jedynie jako uzupełnienie dla grzejnikowej gałęzi grzewczej. Od tego zależy udział strat energii cieplnej, które ma ono kompensować. Może on wynosić od 30% do 60% z wariacjami.

Czas nagrzewania podłogi wodnej zależy od grubości elementów wchodzących w skład wylewki. Woda jako nośnik ciepła jest bardzo wydajna, ale sam system jest skomplikowany w montażu.

Określanie parametrów ogrzewania podłogowego

Celem obliczeń jest uzyskanie wartości obciążenia cieplnego. Wynik tych obliczeń wpływa na kolejne podejmowane kroki. Z kolei na obciążenie cieplne wpływa średnia wartość temperatury zimowej w danym regionie, przewidywana temperatura wewnątrz pomieszczeń, współczynnik przenikania ciepła sufitu, ścian, okien i drzwi.

Przyczyną utraty ciepła są słabo izolowane ściany, okna, drzwi domu. Największy procent ciepła ucieka przez system wentylacji i dach (+).

Ostateczny wynik obliczeń przed instalacją ogrzewania podłogowego typu wodnego będzie zależeć również od obecności dodatkowych urządzeń grzewczych, w tym wydzielania ciepła przez mieszkańców domu i zwierzęta domowe. Obowiązkowo uwzględnia się w obliczeniach obecność infiltracji.

Jednym z ważnych parametrów jest konfiguracja pomieszczeń, dlatego potrzebny będzie plan piętra domu oraz odpowiednie przekroje.

Metodyka obliczania strat ciepła

Po określeniu tego parametru dowie się Pan, ile ciepła musi wytwarzać podłoga, aby zapewnić komfort osobom znajdującym się w pomieszczeniu, będzie mógł dobrać kocioł, pompę i podłogę pod względem mocy. Innymi słowy: ciepło oddawane przez obiegi grzewcze musi kompensować straty ciepła budynku.

Związek między tymi dwoma parametrami wyraża wzór:

Mp = 1,2 × Q, gdzie

• Mp — wymagana moc obiegów;
• Q — straty ciepła.

Aby określić drugi wskaźnik, wykonuje się pomiary i obliczenia powierzchni okien, drzwi, stropów, ścian zewnętrznych. Ponieważ podłoga będzie ogrzewana, powierzchnia tej przegrody nie jest uwzględniana. Pomiary wykonuje się po stronie zewnętrznej, obejmując narożniki budynku.

W obliczeniach uwzględnia się zarówno grubość, jak i współczynnik przewodzenia ciepła każdej z konstrukcji. Wartości normatywne współczynnika przewodzenia ciepła (λ) dla najczęściej używanych materiałów można pobrać z tabeli.

Z tabeli można pobrać wartość współczynnika do obliczeń. Ważne jest, aby zapytać u dostawcy o wartość oporu cieplnego materiału w przypadku montażu okien z metalu i tworzywa sztucznego (+)

Obliczenia strat ciepła wykonuje się oddzielnie dla każdego elementu budynku, korzystając ze wzoru:

Q = 1/R*(tw - tn)*S × (1+∑b), gdzie

• R — opór cieplny materiału, z którego wykonana jest przegroda;
• S — powierzchnia elementu konstrukcyjnego;
• tw i tn — temperatura wewnętrzna i zewnętrzna odpowiednio, przy czym drugi wskaźnik przyjmuje się według najniższej wartości;
• b — dodatkowe straty ciepła związane z orientacją budynku względem stron świata.

Wskaźnik oporu cieplnego (R) oblicza się, dzieląc grubość konstrukcji przez współczynnik przewodzenia ciepła materiału, z którego jest wykonana.

Wartość współczynnika b zależy od orientacji domu:

• 0,1 — północ, północny zachód lub północny wschód;
• 0,05 — zachód, południowy wschód;
• 0 — południe, południowy zachód.

Jeśli rozpatrzymy problem na dowolnym przykładzie obliczeń wodnego ogrzewania podłogowego, stanie się on bardziej zrozumiały.

Konkretny przykład obliczeń

Załóżmy, że ściany domu do niestałego zamieszkania, o grubości 20 cm, wykonane są z bloczków gazobetonowych. Łączna powierzchnia ścian zewnętrznych po odjęciu otworów okiennych i drzwiowych wynosi 60 m². Temperatura zewnętrzna -25°C, wewnętrzna +20°C, konstrukcja jest zorientowana na południowy wschód.

Biorąc pod uwagę, że współczynnik przewodzenia ciepła bloczków λ = 0,3 W/(m·°C), można obliczyć straty ciepła przez ściany: R = 0,2/0,3 = 0,67 m²°C/W.

Straty ciepła obserwuje się również przez warstwę tynku. Jeśli jej grubość wynosi 20 mm, to Rtyn. = 0,02/0,3 = 0,07 m²°C/W. Suma tych dwóch wskaźników da wartość strat ciepła przez ściany: 0,67+0,07 = 0,74 m²°C/W.

Mając wszystkie dane wyjściowe, podstawia się je do wzoru i otrzymuje straty ciepła pomieszczenia z takimi ścianami: Q = 1/0,74*(20 — (-25)) *60*(1+0,05) = 3831,08 W.

W ten sam sposób oblicza się straty ciepła przez pozostałe elementy obudowy: okna, otwory drzwiowe, dach.

Ciepło oddawane przez obiegi grzewcze może być niewystarczające do ogrzania powietrza wewnątrz domu do wymaganej wartości, jeśli ich moc jest zaniżona. Przy nadmiernej mocy nastąpi nadmierne zużycie czynnika grzewczego.

Do określenia strat ciepła przez sufit przyjmuje się jego opór cieplny równy wartości dla planowanego lub istniejącego rodzaju izolacji: R = 0,18/0,041 = 4,39 m²°C/W.

Powierzchnia sufitu jest identyczna z powierzchnią podłogi i wynosi 70 m². Podstawiając te wartości do wzoru, otrzymuje się straty ciepła przez górną konstrukcję obudowy: Q suf. = 1/4,39*(20 — (-25))* 70* (1+0,05) = 753,42 W.

Aby określić straty ciepła przez powierzchnię okien, należy obliczyć ich powierzchnię. Przy 4 oknach o szerokości 1,5 m i wysokości 1,4 m ich łączna powierzchnia wyniesie: 4*1,5*1,4 = 8,4 m².

Jeśli producent podaje oddzielnie opór cieplny dla pakietu szybowego i profilu — odpowiednio 0,5 i 0,56 m²°C/W, to Rokien = 0,5*90+0,56*10)/100 = 0,56 m²°C/W. Tutaj 90 i 10 to udziały przypadające na każdy element okna.

Na podstawie uzyskanych danych kontynuuje się dalsze obliczenia: Qokien = 1/0,56*(20 — (-25))*8,4*(1+0,05) = 708,75 W.

Drzwi zewnętrzne mają powierzchnię 0,95*2,04 = 1,938 m². Wtedy Rdrz. = 0,06/0,14 = 0,43 m²°C/W. Q drz. = 1/0,43*(20 — (-25))* 1,938*(1+0,05) = 212,95 W.

Ponieważ drzwi zewnętrzne są często otwierane, traci się przez nie dużą ilość ciepła. Dlatego ważne jest, aby zapewnić ich szczelne zamykanie.

W rezultacie straty ciepła wyniosą: Q = 3831,08 +753,42 + 708,75 + 212,95 + 7406,25 = W.

Do tego wyniku dodaje się jeszcze 10% na infiltrację powietrza, wtedy Q = 7406,25+740,6 = 8146,85 W.

Teraz można określić moc cieplną podłogi: Mpodł = 1,*8146,85 = 9776,22 W lub 9,8 kW.

Wymagane ciepło do ogrzania powietrza

Jeśli dom jest wyposażony w system wentylacyjny, to pewna część ciepła wytwarzanego przez źródło musi być zużywana na ogrzewanie powietrza napływającego z zewnątrz.

Do obliczeń stosuje się wzór:

Qw. = c*m*(tw—tn), gdzie

• c = 0,28 kg°C i oznacza pojemność cieplną masy powietrza;
• m symbol oznacza masowy przepływ powietrza zewnętrznego w kg.

Ostatni parametr uzyskuje się przez pomnożenie całkowitej objętości powietrza, równej objętości wszystkich pomieszczeń przy założeniu, że powietrze jest wymieniane co godzinę, przez gęstość, która zmienia się w zależności od temperatury.

Na wykresie przedstawiono zależność gęstości powietrza od jego temperatury. Dane te są niezbędne do obliczenia ilości ciepła potrzebnego do ogrzania masy powietrza dostającego się do domu w wyniku wentylacji wymuszonej (+).

Jeśli do budynku dostaje się 400 m³/h, to m=400*1,422 = 568,8 kg/h. Qw. = 0,28*568,8*45 = 7166,88 W.

W tym przypadku wymagana moc cieplna podłogi znacznie wzrośnie.

Obliczanie wymaganej liczby rur

Do wykonania podłogi z ogrzewaniem wodnym wybiera się różne metody układania rur, różniące się kształtem: wąż trzech rodzajów – wąż właściwy, narożny, podwójny oraz ślimak. W jednym zainstalowanym obiegu może występować kombinacja różnych form. Czasami dla centralnej strefy podłogi wybiera się «ślimaka», a dla brzegów — jeden z rodzajów «węża».

«Ślimak» — racjonalny wybór dla przestronnych pomieszczeń o prostej geometrii. W pomieszczeniach bardzo wydłużonych lub o skomplikowanym kształcie lepiej zastosować «węża» (+).

Odległość między rurami nazywa się krokiem. Wybierając ten parametr, należy spełnić dwa wymagania: stopa nie powinna odczuwać różnicy temperatury w poszczególnych strefach podłogi, a rury muszą być używane jak najbardziej efektywnie.

Dla stref brzegowych podłogi zaleca się zastosowanie kroku 100 mm. Na pozostałych obszarach można wybrać krok w zakresie od 150 do 300 mm.

Duże znaczenie ma izolacja cieplna podłogi. Na parterze jej grubość powinna wynosić co najmniej 100 mm. Do tego celu stosuje się wełnę mineralną lub ekstrudowany polistyren.

Do obliczenia długości rury istnieje prosty wzór:

L = S/N*1.1, gdzie

• S – powierzchnia obiegu;
• N – krok układania;
• 1,1 – zapas na zagięcia 10%.

Do wartości końcowej dodaje się odcinek rury ułożonej od kolektora do rozdzielacza obiegu grzewczego zarówno na powrocie, jak i na zasilaniu.

Przykład obliczeń.

Wartości początkowe:

• powierzchnia – 10 m²;
• odległość do kolektora – 6 m;
• krok układania – 0,15 m.

Rozwiązanie zadania jest proste: 10/0,15*1,1+(6*2) = 85,3 m.

Używając rur metaloplastikowych o długości do 100 m, najczęściej wybiera się średnicę 16 lub 20 mm. Przy długości rury 120-125 m jej przekrój powinien wynosić 20 mm².

Konstrukcja jednopętlowa nadaje się tylko do pomieszczeń o małej powierzchni. Podłoga w dużych pomieszczeniach jest dzielona na kilka obwodów w proporcji 1:2 – długość konstrukcji powinna dwukrotnie przekraczać szerokość.

Obliczona wcześniej wartość to całkowita długość rury podłogowej. Jednak dla pełnego obrazu należy określić długość pojedynczego obwodu.

Na ten parametr wpływa opór hydrauliczny obwodu, określany przez średnicę wybranych rur oraz objętość wody dostarczanej w jednostce czasu. Jeśli zaniedba się te czynniki, straty ciśnienia będą tak duże, że żadna pompa nie wymusi cyrkulacji czynnika grzewczego.

Określanie zużycia rury w zależności od wybranego rozstawu układania

Obwody o jednakowej długości to przypadek idealny, ale w praktyce spotykany rzadko, ponieważ powierzchnie pomieszczeń o różnym przeznaczeniu bardzo się różnią i sprowadzanie długości obwodów do jednej wartości jest po prostu niecelowe. Profesjonaliści dopuszczają różnicę w długości rur od 30 do 40%.

Dopuszczalną liczbę pętli podłączonych do kolektora określa średnica rozdzielacza oraz przepustowość zespołu mieszającego. W karcie katalogowej zespołu mieszającego zawsze można znaleźć wartość obciążenia cieplnego, na które jest zaprojektowany.

Załóżmy, że współczynnik przepustowości (Kvs) wynosi 2,23 m³/h. Przy takim współczynniku niektóre modele pomp wytrzymują obciążenie od 10 do 15 W.

Aby określić liczbę obwodów, należy obliczyć obciążenie cieplne każdego z nich. Jeśli powierzchnia zajmowana przez ogrzewanie podłogowe wynosi 10 m², a wydajność cieplna 1 m² to 80 W, wówczas 10*80 = 800 W. Oznacza to, że zespół mieszający może zasilić 15 000/800 = 18,8 pomieszczeń lub obwodów o powierzchni 10 m² każdy.

Te wartości są maksymalne i można je zastosować tylko teoretycznie, a w rzeczywistości liczbę należy zmniejszyć co najmniej o 2, wtedy 18 - 2 = 16 obwodów.

Przy doborze zespołu mieszającego (rozdzielacza) należy sprawdzić, czy ma on odpowiednią liczbę przyłączy.

Sprawdzenie poprawności doboru średnicy rur

Aby sprawdzić, czy przekrój rur został dobrany prawidłowo, można skorzystać ze wzoru:

υ = 4*Q*10ᶾ/n*d²

Gdy prędkość odpowiada znalezionej wartości, przekrój rur został dobrany prawidłowo. Dokumenty normatywne dopuszczają prędkość maksymalną 3 m/s przy średnicy do 0,25 m, ale optymalna wartość to 0,8 m/s, ponieważ wraz ze wzrostem jej wartości zwiększa się efekt hałasu w rurociągu.

Dodatkowe informacje dotyczące obliczeń rur do ogrzewania podłogowego znajdują się w tym artykule.

Obliczamy pompę obiegową

Aby system był ekonomiczny, należy dobrać pompę obiegową, która zapewni wymaganą wysokość podnoszenia i optymalny przepływ wody w obwodach. W kartach katalogowych pomp zwykle podaje się wysokość podnoszenia dla najdłuższego obwodu oraz całkowity przepływ czynnika grzewczego we wszystkich pętlach.

Na ciśnienie mają wpływ straty hydrauliczne:

∆ h = L*Q²/k1, gdzie

• L — długość obwodu;
• Q — przepływ wody l/s;
• k1 — współczynnik charakteryzujący straty w systemie; wartość można pobrać z tabel hydraulicznych lub z karty katalogowej urządzenia.

Znając wartość ciśnienia, oblicza się przepływ w systemie:

Q = k*√H, gdzie

k — to współczynnik przepływu. Specjaliści przyjmują przepływ na każde 10 m² domu w zakresie 0,3-0,4 l/s.

Wśród elementów wodnego ogrzewania podłogowego szczególną rolę odgrywa pompa obiegowa. Tylko urządzenie, którego moc jest o 20% wyższa od rzeczywistego przepływu czynnika grzewczego, będzie w stanie pokonać opór w rurach.

Cyfr dotyczących wartości ciśnienia i przepływu podanych w karcie katalogowej nie należy traktować dosłownie – są to wartości maksymalne, a w rzeczywistości wpływ na nie mają długość i geometria sieci. Przy zbyt wysokim ciśnieniu skraca się długość obwodu lub zwiększa średnicę rur.

Zalecenia dotyczące wyboru grubości wylewki

W podręcznikach można znaleźć informacje, że minimalna grubość wylewki wynosi 30 mm. Gdy pomieszczenie jest dość wysokie, pod wylewkę układa się izolację termiczną, która zwiększa efektywność wykorzystania ciepła oddawanego przez obwód grzewczy.

Najpopularniejszym materiałem na podkład jest ekstrudowany polistyren. Jego opór cieplny jest znacznie niższy niż betonu.

Podczas wykonywania wylewki, aby zrównoważyć rozszerzalność liniową betonu, obwód pomieszczenia wykańcza się taśmą dylatacyjną. Ważne jest prawidłowe dobranie jej grubości. Specjaliści zalecają, aby przy powierzchni pomieszczenia nieprzekraczającej 100 m² zastosować warstwę kompensacyjną o grubości 5 mm.

Jeśli wartość powierzchni jest większa ze względu na długość przekraczającą 10 m, grubość oblicza się według wzoru:

b = 0,55*L, gdzie

L – to długość pomieszczenia w m.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

O obliczeniach i montażu ciepłej podłogi hydraulicznej ten materiał wideo:

W filmie przedstawiono praktyczne zalecenia dotyczące układania podłogi. Informacje pomogą uniknąć błędów, które zwykle popełniają amatorzy:

Obliczenia umożliwiają zaprojektowanie systemu «ogrzewanie podłogowe» z optymalnymi parametrami eksploatacyjnymi. Dopuszczalne jest zamontowanie ogrzewania, korzystając z danych katalogowych i zaleceń.

Będzie działać, ale profesjonaliści radzą jednak poświęcić czas na obliczenia, aby ostatecznie system zużywał mniej energii.

Czy mają Państwo doświadczenie w przeprowadzaniu obliczeń ogrzewania podłogowego i przygotowywaniu projektu obwodu grzewczego? Czy pozostały pytania na ten temat? Prosimy podzielić się swoją opinią i zostawić komentarz.