Wodne grzejniki konwekcyjne

Zadaniem każdego domowego systemu ogrzewania jest zapewnienie mieszkańcom komfortu cieplnego. Utrzymanie takiego stanu w pomieszczeniach może zapewnić tylko prawidłowe działanie układu centralnego ogrzewania, w tym m.in. odpowiednio dobrane grzejniki oraz prawidłowe wykonanie instalacji. Obecnie najczęściej wybierane przez konsumentów są grzejniki należące do grupy tzw. urządzeń konwekcyjnych.

Jedno urządzenie, różne zjawiska

Dokonując podziału grzejników ze względu na główny sposób oddawania ciepła do pomieszczenia, wyróżniamy dwie grupy urządzeń: wykorzystujące konwekcję oraz promieniowanie.

Konwekcja dotyczy przypadków, w których cząsteczki gazów w przemieszczającym się powietrzu, będąc w kontakcie z powierzchnią o wyższej temperaturze (np. powierzchnia grzejnika), przejmują od niej ciepło. Tak nagrzane powietrze unosi się w górne partie pomieszczenia. W ogrzewanym pokoju zachodzi cyrkulacja, ponieważ z czasem temperatura powietrza obniża się, m.in. wskutek kontaktu z chłodniejszymi powierzchniami (np. okna), przez co gaz ponownie wędruje w kierunku podłogi.

Jeżeli chodzi o promieniowanie, to mechanizm przekazywania ciepła z grzejnika do pomieszczenia jest tu zupełnie inny. Aby wyjaśnić zasadę jego działania, najprościej przywołać tu uczucie, które towarzyszy nam podczas zbliżania dłoni do szyby oddzielającej od otoczenia komorę kominka czy kuchennego piekarnika. Już w pewnej odległości od powierzchni, nie dotykając jej, odczuwamy, że jest ona rozgrzana. Takie zjawisko jest wykorzystywane w grzejnikach należących do grupy promienników.

Trzeba jednak zaznaczyć, że w praktyce nie jest możliwe całkowite rozdzielenie przedstawionych wyżej zjawisk. Każdy grzejnik konwekcyjny przekazuje pewną część energii za pomocą promieniowania, a promiennik, pozostający de facto w stałym kontakcie z powietrzem — oddaje ciepło także konwekcyjnie. W uproszczeniu można przyjąć, że oba zjawiska dla odpowiednich typów grzejników występują w stosunku 1:3.

Grzejnik płytowy salonie©VIESSMANN

Ewolucja grzejników członowych

Jeszcze do niedawna największą popularnością w Polsce cieszyły się grzejniki, których podstawowy element stanowi tzw. ogniwo. W takich urządzeniach odbiornik jest wykonywany przez łączenie pojedynczych ogniw gwintowanymi złączkami (w zależności od zapotrzebowania na ciepło, liczba ogniw może być mniejsza lub większa). Specyfika budowy omawianego rozwiązania przeważnie umożliwia dostosowanie grzejnika do zapotrzebowania na ciepło także w trakcie eksploatacji.

W starszych instalacjach można spotkać ogniwowe grzejniki żeliwne. Charakteryzują się one trwałością — w przypadku niektórych instalacji pracują bez oznak korozji nawet kilkadziesiąt lat. Moc każdego ogniwa to ok. 150 W, przy temperaturze medium na zasilaniu 90°C, na powrocie 70°C oraz temperaturze pomieszczenia ogrzewanego 20°C.

Modyfikacją takiego rozwiązania są z kolei grzejniki stalowe, z tym, że wykazują one znacznie mniejszą odporność na korozję i wysokie ciśnienie. Ogniwa stalowe, w porównaniu z żeliwnymi, są mniejsze, a ich ścianka cieńsza. Co istotne, alternatywne dla żeliwnych urządzenia wykonane ze stali są znacznie lżejsze. Do dziś inwestorzy stawiający na trwałe rozwiązania w przystępnej cenie, czy ceniący tradycyjny wygląd, wybierają proste, stalowe grzejniki członowe.

Dużą popularność urządzenia z ogniw zawdzięczają przede wszystkim zastosowaniu do ich wykonania aluminium. Materiał ten jest lekki, odporny na korozję i doskonale przewodzi ciepło (około cztery razy lepiej niż żeliwo czy stal), a jego plastyczność umożliwia stosunkowo proste nadanie grzejnikowi estetycznej formy.

Zasadnicze elementy konstrukcji aluminiowego ogniwa to rura oraz żebra o grubości 2–3 mm, zapewniające dużą powierzchnię wymiany ciepła. Niestety występowanie cienkich elementów niekorzystnie wpływa na wytrzymałość mechaniczną powierzchni grzewczej. Moc cieplna i wytrzymałość pojedynczego ogniwa aluminiowego jest zbliżona do żeliwnego, jednak nie zaleca się montażu grzejników aluminiowych w instalacji, w której występują już odbiorniki żeliwne. Ze względu na standaryzowany rozstaw podłączeń, nie stanowi natomiast problemu wymiana grzejnika żeliwnego na aluminiowy.

Grzejniki stalowe płytowe

Innym rozwiązaniem są grzejniki stalowe płytowe — to estetyczne kaloryfery o gładkiej, łatwej do utrzymania w czystości powierzchni, które są obecnie jednym z najpopularniejszych typów odbiorników w nowoczesnych instalacjach grzewczych. Wśród ich zalet wymienić należy niewielką pojemność wodną i małą bezwładność cieplną. Ponadto grzejniki te są lekkie i wąskie (jednopłytowy grzejnik ma grubość niespełna 7 cm). Standardowo dostępne są w kolorze białym, ale producenci oferują także szeroką gamę innych kolorów. Mogą być mocowane na specjalnym stojaku lub zawieszone na ścianie.

W grzejniku stalowym płytowym woda przebiega w kanałach powstałych wskutek odpowiedniego wyprofilowania i zgrzania dwóch płyt stalowych. Oczywiście w prosty sposób możliwe jest wykonanie odbiornika złożonego np. z dwóch czy trzech takich elementów, wpływa to na jego pojemność, ale znacznie zwiększa powierzchnię wymiany ciepła. Istotne jest również ukształtowanie samej powierzchni grzewczej (może ona posiadać, lub nie, ożebrowanie konwekcyjne).

W celu ułatwienia identyfikacji typu grzejnika wprowadzono dwucyfrowy kod, w którym pierwsza cyfra oznacza liczbę płyt, druga zaś mówi o tym, ile płyt posiada profil konwekcyjny. Przykładowo, urządzenie oznaczone kodem „21” to grzejnik dwupłytowy, w którym jedna z płyt posiada ożebrowanie konwekcyjne.

Grzejnik konwekcyjny ©RUNTAL

Grzejniki konwektorowe

Grzejniki konwektorowe, jak wskazuje sama nazwa, oddają ciepło (nawet do 95 proc.) w drodze konwekcji. Gwarantują tym samym optymalną cyrkulację powietrza, dzięki czemu znacznie zmniejszona zostaje różnica temperatur między strefami głowy i stóp osób przebywających w ogrzewanym pomieszczeniu. Producenci grzejników konwektorowych dążą do uzyskiwania dużych powierzchni grzewczych urządzeń, co pozwala na osiąganie wysokich mocy, nawet wtedy, gdy powierzchnia zewnętrzna grzejnika nie ma bardzo wysokiej temperatury.

W budowie takiego grzejnika należy wyróżnić element grzejny, zbudowany z miedzianej wężownicy, do którego dołączone jest ożebrowanie wykonane z aluminium. Całość jest otoczona blaszaną obudową, której konstrukcja pozwala na wlot zimnego powietrza od dołu oraz wylot ogrzanego powietrza u góry, przez specjalne otwory. Dzięki takiej budowie, między elementami grzejnymi wewnątrz obudowy, ruch powietrza jest wymuszany przez naturalny ciąg. Niewielka część ciepła jest oddawana przez promieniującą obudowę.

Grzejniki łazienkowe

Obecnie ogrzewanie łazienkowe zostało niemal całkowicie zdominowane przez tzw. grzejniki drabinkowe. Z powodzeniem zastąpiły one m.in. żeliwne grzejniki w blokach mieszkalnych. Zalety tzw. drabinki to przede wszystkim estetyczny wygląd i duży wybór oferowanych przez producentów form geometrycznych czy kolorów oraz szeroki zakres dostępnych mocy urządzeń. Istotne jest to, że świetnie sprawdzają się jako suszarka. Powszechnie spotykane są grzejniki łazienkowe z wbudowaną (lub możliwością jej wbudowania) grzałką elektryczną, dzięki czemu urządzenie może pełnić tę funkcję także poza sezonem grzewczym. Aby jednak było to możliwe, konieczne jest uwzględnienie jej w projekcie instalacji, bowiem wykorzystanie grzejnika jako suszarki znacznie obniża jego moc cieplną. Zasadne jest wówczas zwiększenie mocy urządzenia o ok. 1/3. Inaczej jest, kiedy zdecydujemy się na zastosowanie małej „drabinki” tylko na potrzeby suszarki, np. na ręcznik w okolicy kabiny prysznicowej. W takim przypadku w łazience powinno zamontować się dodatkowy grzejnik (np. aluminiowy) o mocy zgodnej z obliczonym zapotrzebowaniem.

Grzejnik konwektorowy do salonu ©REGULUS-SYSTEM

Grzejniki kanałowe

Odmianę grzejników konwektorowych, umieszczanych w specjalnych kanałach usytuowanych w podłodze ogrzewanego pomieszczenia, stanowią grzejniki kanałowe. Dobrze sprawdzają się one przede wszystkim we wnętrzach z dużymi przeszkleniami, sięgającymi aż do podłogi. Dzieje się tak dlatego, że po pierwsze, w takich przypadkach wykorzystanie klasycznego grzejnika zaburza estetykę pomieszczenia, po drugie, cyrkulacja ogrzanego powietrza jest zdecydowanie korzystniejsza, ze względu na to, że unosi się ono z dyskretnych kratek w podłodze. Są one jedynymi częściami systemu widocznymi po zakończeniu montażu i mogą być wykonane w różnym kolorze i z różnych materiałów (stali, miedzi, a nawet drewna).

Najważniejszy podzespół urządzenia stanowi mały wymiennik ciepła, wykonany przeważnie ze stopu miedzi i aluminium. Niewielkie rozmiary tego elementu gwarantują bardzo małą bezwładność cieplną, co korzystnie wpływa na możliwość regulacji temperatury. Grzejniki kanałowe są także wyposażone w wentylator, wymuszający obieg powietrza, które nie może być tak łatwo, jak np. w klasycznych konwektorach, zassane od dołu. W praktyce, grzejniki kanałowe montuje się zarówno z wentylatorem zwróconym w stronę chłodnej powierzchni (szyba), jak i w stronę pomieszczenia. Zdaniem producentów, to drugie rozwiązanie jest korzystniejsze z punktu widzenia osiągnięcia komfortu cieplnego (powietrze nie jest zasysane bezpośrednio z chłodnego obszaru, rozkład pionowy i poziomy temperatur jest bardziej równomierny). Wykorzystanie wentylatorów ma jedną wadę — w trakcie pracy generowany jest dźwięk.

Łączenie grzejników z instalacją CO

Metoda dołączenia grzejnika do sieci jest istotna z punktu widzenia osiąganej mocy urządzenia, a nieprawidłowy montaż może spowodować jej obniżenie nawet o 50 proc. W praktyce, powszechnie stosowane są cztery metody połączeń. Najpopularniejszą z nich jest tzw. połączenie boczne, jednostronne. Oczywiście można wykonywać zarówno połączenie lewostronne, jak i prawostronne. Istotne jest zapewnienie zasilania grzejnika przez górny króciec, dzięki czemu moc urządzenia będzie zgodna z deklaracją producenta.

Jeżeli zakupione grzejniki mają dużą długość (przekraczającą 2 m), zasadne jest wykonywanie podłączenia techniką krzyżową. W tym przypadku króćce są zlokalizowane na przeciwległych krańcach grzejnika, w taki sposób, że zasilanie dołączane jest po lewej lub prawej stronie u góry, natomiast powrót — odpowiednio po prawej lub lewej stronie, u dołu.

W przypadku tzw. połączenia siodłowego zasilanie i powrót są zlokalizowane u dołu (jeden króciec po lewej, drugi po prawej stronie). Takie rozwiązanie jest wygodne, jeżeli rurki instalacji CO biegną pod podłogą. W tym przypadku obniża się o kilka procent moc grzejników. Podobnym sposobem jest połączenie podpodłogowe — jednak tu króciec zasilający i powrotny znajdują się obok siebie, blisko jednego z końców grzejnika.

Jak dobrać moc grzejników?

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 03/2013
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl

Podczas szacowania i dokonywania dokładnych obliczeń cieplnych fundamentalne znaczenie ma jednostkowe zapotrzebowanie na ciepło budynku. Wartość zapotrzebowania jest ustalana na podstawie charakterystyki budynku (grubość przegród, wykorzystane materiały budowlane, liczba, wymiary i usytuowanie okien, a także drzwi itp.) oraz pewnych wielkości, zależnych od położenia domu (przede wszystkim obliczeniowa temperatura zewnętrzna). Dokładne obliczenia, związane z doborem grzejników, należy powierzyć fachowcom, którzy wszelkich obliczeń dokonają za pomocą specjalnego oprogramowania, minimalizując w ten sposób ryzyko popełnienia błędu. Jeżeli jednak zdecydujemy się na samodzielnie oszacowanie mocy grzejników, musimy zastanowić się nad jakością przegród domu. Dla domów słabo izolowanych (współczynnik strat cieplnych U na poziomie 1W m2·K) można śmiało założyć, iż na każdy metr kwadratowy powierzchni, zapotrzebowanie na ciepło wyniesie między 130 a 200 W. Dla domów średnio izolowanych (U~0,7W/m²·K) — ok. 100 W, a w budownictwie nowym (U<0,3W/m²·K) nie więcej niż 70 W.

Znając jednostkowe zapotrzebowanie na ciepło oraz powierzchnię pomieszczeń, możemy obliczyć całkowite zapotrzebowanie na ciepło, a następnie dobrać z katalogów producenta urządzenia o odpowiedniej mocy.

Mateusz Szubel
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Energetyki i Paliw