Optymalna izolacja termiczna ogrzewania podłogowego

Optimum thermal insulation for underfloor heating
dr inż. Piotr Rynkowski  |  IZOLACJE 11/12/2014  |  12.01.2015  |  1
Kisan

Ogrzewanie płaszczyznowe, w tym ogrzewanie podłogowe oraz ogrzewanie ścienne, jest popularnym sposobem ogrzewania budynków jednorodzinnych. Mimo, że w większości przypadków nie jest to wyłączny sposób dostarczenia energii cieplnej do pomieszczeń, systemy te są coraz bardziej powszechne.

Od wartości oporu cieplnego przyjętej izolacji termicznej głównie zależy ilość energii cieplnej przenikającej do gruntu.

Zobacz też: Nieniszcząca diagnostyka zespolenia warstw betonowych na przykładzie posadzek

Minimalne wymagania odnośnie izolacji termicznej

Minimalna warstwa izolacji cieplnej, zgodnie z normą PN-EN 1264­‑4:2009, „Instalacje wodne grzewcze i chłodzące płaszczyznowe”, cz. 4: Instalowanie (wersja angielska) [1], powinna zapewniać, aby promieniowanie cieplne było skierowane głównie ku górze (Czytaj więcej na ten temat). Zgodnie z normą minimalny opór cieplny izolacji termicznej w warstwie grzejnika podłogowego powinien wynosić:

  • 0,75 (m²·K)/W (co odpowiada 3-centymetrowej warstwie materiału izolacyjnego o współczynniku przewodzenia ciepła λ równym 0,04 W/(m·K)) dla izolacji ułożonej na stropie nad pomieszczeniem ogrzewanym,
  • 2,0 (m²·K)/W (co odpowiada 8-centymetrowej warstwie materiału izolacyjnego o współczynniku przewodzenia ciepła λ równym 0,04 W/(m·K)) nad pomieszczeniem nieogrzewanym (np. nad piwnicą),
  • 2,25 (m²·K)/W (co odpowiada 9-centymetrowej warstwie materiału izolacyjnego o współczynniku przewodzenia ciepła λ równym 0,04 W/(m·K)) w przypadku podłogi na gruncie.
ABSTRAKT

W artykule przedstawiono wielkości strat energii cieplnej do gruntu w systemach ogrzewania podłogowego oraz określono optymalnej grubości cieplnej izolacji termicznych w typowej podłodze grzejnej. Porównano wyniki obliczeń cieplnych przy wykorzystaniu dostępnego na rynku oprogramowania wspomagającego projektowanie systemów grzewczych firmy Sankom sp. z o.o. oraz autorskiego programu numerycznego przy wykorzystaniu Metody Elementów Brzegowych. Obliczono udział strumienia cieplnego skierowanego do gruntu w całkowitym strumieniu cieplnym przekazywanym przez grzejnik podłogowy.

The article presents losses of thermal energy to the ground in the case of underfloor heating systems and the optimum thickness of thermal insulation in a typical underfloor heating system. It also presents the comparison of results of calculations performed using the commercially available software made by Sankom Sp. z o.o., which supports the process of designing heating systems, and using a proprietary program that utilises the Boundary Element Method. Moreover, the article contains a calculation of the value of heat flux directed into the ground as part of the total heat flux transmitted by the underfloor heating system.

Należy pamiętać, że norma PN-EN 1264 uwzględnia temperatury zewnętrzne w przedziale od –5°C do –15°C, ale dla polskich warunków, gdzie zewnętrzna temperatura projektowa wynosi od –16°C do –24°C, niezbędna jest ekstrapolacja wymagań normy.

Dobrane na podstawie powyższych wymagań grubości izolacji cieplnej nie gwarantują energooszczędnego użytkowania ogrzewania podłogowego.

Drugim warunkiem, jaki musi być spełniony, to maksymalna wartość współczynnika przenikania ciepła U.

Dla podłogi na gruncie, zgodnie z rozporządzeniem Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 [2], od 1 stycznia 2014 r. dla temperatury w pomieszczeniu powyżej 16°C powinien on wynosić co najmniej 0,30 W/(m²·K).

Natomiast zgodnie ze standardem energetycznym budynków NF15 oraz NF40 dla budynków jednorodzinnych [3] (oznacza zapotrzebowanie budynków mieszkalnych jedno- i wielorodzinnych na energię użytkową wyłącznie do celów ogrzewania wynoszące odpowiednio 15 i 40 kWh (m²·r)) graniczne wartości współczynników przenikania ciepła przegród U dla stropów nad piwnicami, nieogrzewanymi i zamkniętymi przestrzeniami podpodłogowymi, podłóg na gruncie wynoszą odpowiednio:

  • dla strefy klimatycznej I, II, III:
    ≤0,12 W/(m²·K) dla standardu NF15,
    ≤0,20 W/(m²·K) dla standardu NF40,
  • dla strefy klimatycznej IV i V:
    ≤0,10 W/(m²·K) dla standardu NF15,
    ≤0,15 W/(m²·K) dla standardu NF40.

Przyjmując obligatoryjne wymagania techniczne programu NFOŚiGW dla domu jednorodzinnego niepodpiwniczonego, po uwzględnieniu innych warstw w przekroju poprzecznym podłogi na gruncie, minimalna grubość izolacji termicznej podłogi powinna wynosić (niezależnie od wykonania grzejnika podłogowego) zgodnie z wartościami przedstawionymi w TABELI 1.

Niezależnie od wymagań, obecnie istnieje przekonanie, że minimalna grubość izolacji to 15 cm styropianu [4]. Znaleźć można również informację, że zalecana grubość izolacji termicznej to 8–10 cm (bez podawania wartości współczynnika przewodzenia ciepła) [5].

Według [6] w przypadku stropów międzykondygnacyjnych w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych stwierdzono, że straty ciepła przekazywane przez stropy ku dołowi to nie więcej niż 10% ciepła oddawanego ku górze. Strumień ciepła przekazywany do pomieszczeń znajdujących się poniżej jest tam wykorzystywany, zatem nie jest traktowany jako strata ciepła.

Warto zobaczyć: Jak przyklejać okładziny ceramiczne na trudne podłoża?

Inaczej jest w przypadku podłóg na gruncie lub na stropie nad przestrzeniami nieogrzewanymi.

 

Uwzględniając charakter pracy systemu grzewczego wyposażonego w układ ogrzewania podłogowego, należy mieć świadomość, że straty ciepła w kierunku dolnym będą tym większe, im większa będzie różnica temperatur pomiędzy źródłem ciepła, czyli przewodami z czynnikiem grzejnym, a temperaturą gruntu lub temperaturą powietrza w przestrzeni nieogrzewanej.

 

Dla ogrzewania konwencjonalnego różnica ta wynosi 10°C (temperatura normowa w pomieszczeniu to 20°C, przyjęta temperatura gruntu 10°C), natomiast dla ogrzewania podłogowego różnica wyniesie 25°C (dla temperatury zasilania 35°C). Uwzględniając, że straty ciepła są proporcjonalne do różnicy temperatur, strumień ciepła przekazywany do gruntu będzie 2,5-krotnie większy.

Przed decyzją o zastosowaniu konkretnej grubości izolacji termicznej (szczególnie dotyczy to przypadku podłóg na gruncie lub podłóg na przestrzeniami nieogrzewanymi) można podjąć próbę odpowiedzi na pytanie: jaka część energii cieplnej jest kierowana w kierunku dolnym, z grzejnika podłogowego.

Według założeń PN-EN 1264 dopóki nie istnieje warstwa wykończeniowa podłogi, gęstość strumienia ciepła ku dołowi przyjmuje się w wysokości 10% strumienia ciepła skierowanego ku górze [7].

POBIERZ E-BOOK [bezpłatnie]
warunki techniczne
Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki
– stan na 2014 r.

Algorytm zaprezentowany w normie jest bardzo złożony [1]. W praktyce skorzystanie z metody jest możliwe przy wykorzystaniu dostępnych programów komputerowych. Ze względu na wysokie wymagania odnośnie granicznych wartości współczynników przenikania ciepła przegród U określenie wartości strumienia ciepła skierowanego ku dołowi wymaga precyzyjnych obliczeń.

Korzystając z jednego z programów stosowanych przez instalatorów (C.O. Graf 3.6 firmy Sankom), wyznaczono przykładowy strumień ciepła skierowany do gruntu, w przykładowym grzejniku podłogowym. Dla podłogi na gruncie przyjęto następujące założenia:

  • temperatura zasilania: 35°C,
  • schłodzenie wody: 10°C,
  • rozstaw przewodów grzejnych: co 15 cm,
  • temperatura pomieszczenia: 20°C,
  • temperatura gruntu: 8°C,
  • współczynnik przejmowania ciepła z powierzchni grzejnika podłogowego: 10,22 W/(m²·K),
  • warstwa izolacji termicznej: 15 cm, l = 0,04 W/(m·K).

Dla strumienia cieplnego skierowanego do pomieszczenia wynoszącego 40,7 W/m² strumień ciepła skierowany do dołu wynosi 0,9 W/m² (FOT. 1). Stanowi to około 2% ciepła skierowanego ku dołowi w całkowitym strumieniu cieplnym przekazywanym z grzejnika podłogowego.

Jest to wartość niewielka i z punktu widzenia inżynierskiego oraz użytkowego wydaje się, że może zostać pominięta w stratach ciepła ogrzewania podłogowego.

Model numeryczny

W celu porównania wielkości strumienia ciepła skierowanego ku dołowi, wyznaczonego przez przykładowy programy inżynierski stosowany przez projektantów oraz program numeryczny, napisany został autorski program wykorzystujący Metodę Elementów Brzegowych.

W zagadnieniu przyjęto, że procesy przewodzenia ciepła są bliskie stanom ustalonym. Dwuwymiarowe, ustalone pole temperatury opisane jest równaniem różniczkowym Poisson’a. Zagadnienia brzegowe dla równań różniczkowych opisujących procesy ustalonego przewodzenia ciepła formułuje się w postaci [2]:

  • warunku brzegowego I rodzaju – warunek Dirichleta – zakładającego na brzegu obszaru wartości temperatury,
  • warunku brzegowego II rodzaju – warunek Neumanna – zakładającego na brzegu obszaru wartości strumienia ciepła,
  • warunku brzegowego III rodzaju – warunek Robina – opisującego równość strumienia ciepła na brzegu obszaru dopływającego z wnętrza obszaru i strumienia ciepła przejmowanego przez medium otaczające rozważany obszar.

Zagadnienie potraktowano jako wielospójne, z kilkoma obszarami niejednorodnymi pozostającymi z sobą w kontakcie cieplnym [8]. Na styku obszarów przyjęto warunek ciągłości strumienia i temperatury. Szkic modelu przedstawiono na RYS. 1.

Do obliczeń numerycznych przyjęto następujące założenia:

  • temperatura zasilania przewodu grzejnego: 35°C,
  • schłodzenie wody: 10°C,
  • rozstaw przewodów grzejnych: co 15 cm,
  • temperatura pomieszczenia: 20°C,
  • temperatura gruntu: 8°C,
  • współczynnik przejmowania ciepła z powierzchni grzejnika podłogowego: 10,22 W/(m²·K).

Rozpatrzono następujące przypadki, w zależności od grubości warstwy izolacji termicznej na gruncie, o współczynniku przewodzenia ciepła l równym 0,04 W/(m·K):

  • 5 cm warstwa izolacji termicznej,
  • 8 cm warstwa izolacji termicznej,
  • 15 cm warstwa izolacji termicznej,
  • 20 cm warstwa izolacji termicznej,
  • 25 cm warstwa izolacji termicznej,
  • 50 cm warstwa izolacji termicznej.

Przykładowe pole temperatury dla 15 cm warstwy izolacji termicznej przedstawiono na RYS. 2.

 

W TABELI 2 przedstawiono wyniki obliczeń autorskiego programu numerycznego przy wykorzystaniu Metody Elementów Brzegowych oraz inżynierskiego programu C.O. Graf 3.6. dla różnych grubości izolacji termicznej.

Wyznaczone w programie numerycznym wartości temperatur w poszczególnych warstwach grzejnika podłogowego dla różnych grubości izolacji termicznej przedstawiono na RYS 3.

Na RYS. 3 widoczna jest wyraźnie wyższa temperatura na granicy warstw izolacja termiczna–wylewka betonowa. Dla 5-centymetrowej warstwy izolacji termicznej górna powierzchnia wylewki z chudego betonu jest podgrzewana do około 20°C.

Przy 15 cm warstwie izolacji temperatura spada poniżej 15°C, zaś dla 25-centymetrowej – wartość temperatury wynosi 12,5°C. Dopiero dla 50-centymetrowej warstwy izolacji wartość temperatury jest niewiele powyżej temperatury gruntu – około 10°C.

Wyraźnie widać wpływ izolacji termicznej na pole temperatury, a zatem również na strumień ciepła przekazywany w kierunku dolnym, z którym w przypadku energooszczędnego użytkowania budynku należy się liczyć.

RYS. 4 przedstawia procentowy udział strumienia cieplnego skierowanego w kierunku dolnym w całkowitym strumieniu cieplnym przekazywanym przez płytę grzejną. Widoczna jest rozbieżność, która jest wynikiem przyjętej metodologii obliczeń.

Optymalna grubość izolacji termicznej

W celu określenia optymalnej grubości izolacji termicznej w systemach ogrzewania podłogowego wykorzystano wskaźnik SPBT (prosty czas zwrotu nakładów inwestycyjnych). SPBT to okres, po jakim sumaryczne oszczędności wynikające z zmniejszenia zużycia energii zrównują się z zainwestowanymi środkami finansowanymi zaczynają przynosić zysk.

Przy założeniu, że źródłem ciepła jest kotłownia gazowa, dla taryfy gazowej W 3.6. koszt energii cieplnej to 64,15 zł/GJ. Przyjmując koszt jednostkowy izolacji termicznej w wysokości 220 zł/m³, czas trwania sezonu grzewczego równy 232 dni oraz stabilną pracę systemu grzewczego (temperatura podłogi jest stała w ciągu trwania sezonu grzewczego) można wyznaczyć wartości wskaźników SPBT (TABELA 3).

Przeczytaj: Projektowanie podłóg w świetle nowych wymagań cieplnych

Z obliczeń (dla przyjętych danych) wynika, że optymalną grubością izolacji termicznej dla ogrzewania podłogowego jest 8-centymetrowa warstwa izolacji termicznej. Po zachowaniu się funkcji SPBT widać, że funkcja jest stosunkowa płaska.

Okres zwrotu jest stosunkowo krótki. Uwzględniając zakładany okres życia budynku, który przekracza każdą wartość SPBT, można stwierdzić, że w przypadku energooszczędnego użytkowania budynku możemy zdecydowanie zwiększyć efektywna grubość izolacji termicznych dla systemów wyposażonych w ogrzewania podłogowe, powyżej przyjętych wymagań podanych w poradnikach technicznych producentów systemów grzewczych.

Wymagania zawarte w wytycznych określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków NF15 i NF40 wydają się mieć uzasadnienie.

Literatura

1. PN-EN 1264-4:2009 (wersja angielska), „Instalacje wodne grzewcze i chłodzące płaszczyznowe”, cz. 4: Instalowanie.
2. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013 poz. 926).
3. Załącznik nr 3 do Programu Priorytetowego „Wytyczne określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzenia wykonanych domów energooszczędnych”, NFOŚiGW (http://www.nfosigw.gov.pl/srodki-krajowe/programy/doplaty-do–kredytow-na-domy­‑energooszczedne/wytyczne-do-programu-prioryrttp).
4. „Ile styropianu pod ogrzewaniem podłogowym”, http://www.nfosigw.gov.pl/srodki-krajowe/programy/doplaty-do–kredytow-na-domy-energooszczedne/wytyczne-do-programu-prioryrttp.
5. http://instalacja.pl/alupex/ogrzewanie_podlogowe.php.
6. Poradnik techniczny systemy ogrzewania i chłodzenia płaszczyznowego, poradnik Purmo, 2012.
7. A. Kowalczyk, „Wymiarowania ogrzewania podłogowego według EN 1264”, materiały do wykładów i ćwiczeń, v. 0.8, 2004–2008.
8. P. Rynkowski, T. Teleszewski, „Rozwiązywanie zagadnienia ustalonego przewodzenia ciepła w obszarze wielospójnym metodą brzegowych równań całkowych”, XI Warsztaty Naukowe PTSK „Symulacja w Badaniach i Rozwoju”, Warszawa 2005.
9. E. Majchrzak, „Metoda elementów brzegowych w przepływie ciepła”, wyd. Politechniki Częstochowskiej, 2001.
10. Obliczanie ogrzewania podłogowego, Danfoss, Poradnik, 01/2010.

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 11/12/2014

Komentarze

(1)
Wityk | 01.02.2018, 11:08

Artykuł ciekawy, ale jeszcze bym dopisał jak ważny jest podkład na ogrzewanie podłogowe, który dociepla podłogę, wygłusza i podłoga wygląda lepiej. Pianomat super się sprawdza.

   1 / 1   

Wybrane dla Ciebie


Jak poprawnie obliczać koszty materiałów?

Kalkulator materiałowy jest aplikacją umożliwiającą obliczenia zużycia produktów. czytaj dalej »

 


Ile kosztuje strop? Jaki strop wybrać? Bezpłatna wycena online »

Przekonaj się! Wystarczy poświęcić kilka minut na wybór i wycenę odpowiedniego stropu czytaj dalej »

 


Kleje i fugi do płytek - to musisz wiedzieć »

Jak uniknąć kosztów związanych z renowacją ścian?

Przeczytaj, zanim zdecydujesz się na zakup konkretnego materiału. czytaj dalej » W klimacie, w którym zanieczyszczenie powietrza i warunki klimatyczne powodują ciągłe brudzenie ścian... czytaj dalej »

Dobierz najlepszy materiał ociepleniowy. Sprawdź »


Ocieplenie powinno być trwałe i odporne na niekorzystne oddziaływanie czynników atmosferycznych... ZOBACZ »


Alternatywa dla tradycyjnych materiałów izolacyjnych »

Szukasz odpowiedniego materiału na podłogę? Zobacz »

Odporność na wodę, niepalność, wysoka odporność mechaniczna, niska waga oraz doskonałe parametry izolacyjne czynią je doskonałą...
czytaj dalej »

Być może wciąż zastanawiasz się czy Twoja firma powinna zainwestować w posadzki epoksydowe? Jeśli szukasz odpowiedniego materiału na podłogę w hali produkcyjnej... czytaj dalej »

Akustyczne płyty ścienne i sufitowe »

Energooszczędne płyty warstwowe z izolacją z wełny mineralnej o unikalnych właściwościach przeciwpożarowych i strukturalnych...  czytaj dalej »


Zarabiaj pieniądze sprzedając prąd »

Trwała elewacja w 4 krokach »

Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego...
czytaj dalej »

Dopasuj rozwiązanie do Twoich potrzeb w 4 KROKACH. Wybierz rodzaj wykonywach prac... czytaj dalej »

Jak przyspieszyć prace budowlane?

Zobacz, jak możesz zaoszczędzić czas (i pieniądze). Uzyskaj bezpłatną wycenę materiałów w 48 godzin!  czytaj dalej »


Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Izolacja natryskowa - to powinieneś wiedzieć »

Nawet minimalne nieprawidłowości związane z izolacją budynku mogą być odpowiedzialne za znaczne straty ciepła w przyszłości, a ewentualne błędy... czytaj dalej »

 



Jaka powinna być dobra hydroizolacja?

Skutecznie zabezpiecz budowane konstrukcje przed pożarem »

Fundamenty, elewacje, posadzki, garaże. Poznaj problemy i rozwiązania » czytaj dalej » Masywne elementy budowlane w starych obiektach często nie spełniają wymagań przeciwpożarowych określonych w obowiązujących przepisach. czytaj dalej »

Chcesz ograniczyć straty ciepła z budynku? Zobacz »


W obecnych czasach rosnące ceny energii cieplnej i elektrycznej skłaniają do analizy strat ciepła w budynkach mieszkalnych. Jedynym sposobem ograniczenia kosztów jest... ZOBACZ »



Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Triflex Polska Triflex Polska
Triflex zyskał na rynku europejskim pozycję lidera w zakresie opracowywania, kompleksowego doradztwa oraz zastosowania uszczelnień i powłok...
4/2019

Aktualny numer:

Izolacje 4/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Korozja ocieplonych fasad budynku
  • - Uszkodzenia styropianu grafitowego
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.