În anul 2017, în fiecare minut au fost montați peste 25 de metri de țeavă, doar pentru utilizare ca încălzire prin pardoseală. Motiv suficient pentru a scoate mental această țeavă ascunsă din șapă și a o analiza mai îndeaproape.
Potrivit Asociației Federale a Încălzirii de Suprafață (BVF), în Germania au fost deja instalați 24,0 milioane m² de suprafață de încălzire ca încălzire prin pardoseală (FBH). Pe aceste suprafețe au fost montați în total 185 milioane de metri de țeavă, dintre care numai în anul 2017, 13,7 milioane de metri (situație valabilă în 2018).
Dar cum stă treaba cu cunoștințele despre această tehnologie? Mai ales cunoștințele mereu accesibile, adică cele prezente în minte, sunt destul de șubrede. Aud foarte des că montatorii aplică frecvent o distanță de montaj de 10 cm. Dar cam aici se opresc cunoștințele de detaliu. Din cauza răspândirii și, implicit, a importanței acestei tehnologii, ajută desigur să ai la îndemână și să poți accesa mai multe cunoștințe de bază.
Aspecte fundamentale
Fiecăruia dintre noi i-a devenit cunoscut, uneori într-un mod dureros, faptul că diferența de temperatură este decisivă pentru puterea termică a unei suprafețe de încălzire. Chiar acum, în timpul sezonului de grătar, se poate observa cum căldura radiantă redusă a unui grătar cu cărbuni, în faza de pornire, abia impresionează carnea de pe grătar. Testul cu palma deasupra cărbunilor semnalează o putere redusă. Când toată grămada de cărbuni este incandescentă, poți doar să fluturi mâna scurt deasupra grătarului. Este fierbinte și puterea termică este corespunzător de mare. Cu aceeași suprafață, grătarul poate așadar să elibereze 50 W putere în faza de pornire și apoi să ajungă la 5000 W la incandescență maximă.
Fie lucrezi cu o suprafață mare, caz în care o diferență mică de temperatură este suficientă pentru transferul de putere. Fie lucrezi cu o diferență mare de temperatură și te poți descurca cu o suprafață mică. Acest lucru se poate transpune foarte ușor la diferența dintre un calorifer compact, care în general lucrează la temperatură mai ridicată, și o încălzire prin pardoseală cu suprafață mare.
Ce facem cu aceste cunoștințe?
Un calorifer este foarte adesea dimensionat pentru o temperatură pe tur de 55 °C. Încălzirea prin pardoseală se poate mulțumi și cu 35 °C. Această diferență de 20 Kelvin între 55 °C și 35 °C este însă decisivă pentru eficiența generatoarelor de căldură. Cel mai grăitor exemplu de diferență de eficiență se observă la o pompă de căldură.
În timp ce aceasta lucrează extrem de eficient la temperaturi pe tur de până la 35 °C, situația se schimbă radical atunci când o astfel de pompă de căldură trebuie să livreze efectiv 55 °C. Un cazan în condensație poate livra fără probleme 55 °C, dar lucrează de asemenea mai eficient și, dacă vrem, „mai în condensație”, atunci când clădirea se poate mulțumi și cu 35 °C pe tur.
Un obiectiv obișnuit în încălzire este așadar menținerea temperaturilor pe tur ale unui generator de căldură cât mai scăzute posibil. Acum revenim la dimensionarea unei încălziri prin pardoseală și la corelațiile aferente.
Baza dimensionării
Obiectivul încălzirii unei încăperi este dat de calculul unei sarcini termice. Întotdeauna în contextul corelațiilor menționate mai sus, la o încălzire prin pardoseală nu poți face mare lucru cu estimări aproximative. Există diferențe uriașe între încălzirea unei încăperi cu, să presupunem, 10 m² suprafață, dacă aceasta are o sarcină termică de 800 W sau doar de 500 W. În aceste exemple rezultă două valori-țintă extreme:
Încăperea de 10 m² cu 800 W necesită 80 W putere pe metru pătrat, iar încăperea de 10 m² cu 500 W necesită 50 W pe metru pătrat.
Baza unei dimensionări a încălzirii prin pardoseală trebuie așadar să fie cunoașterea exactă a cerinței. Calculul sarcinii termice conform DIN EN 12831 precede deci orice dimensionare a încălzirii prin pardoseală. Pentru sarcina termică este important să se cunoască temperatura dorită a încăperii pentru încălzire. Standard pentru camerele de locuit este de regulă 20 °C, iar pentru băi 24 °C.
Un caz simplu pentru început
Cu specificațiile menționate mai sus în exemplu, poți merge în tabelele de dimensionare ale unui furnizor de sisteme de încălzire prin pardoseală și poți alege direct.
Două exemple vor clarifica acest lucru:
Exemplul 1:
Suprafața încăperii 10 m², sarcină termică: 800 W, temperatura încăperii 20 °C, temperatura pe tur 50 °C
în consecință trebuie livrați 80 W/m²
Exemplul 2:
Suprafața încăperii 10 m², sarcină termică: 500 W, temperatura încăperii 20 °C, temperatura pe tur 50 °C
în consecință trebuie livrați 50 W/m²
Pentru exemplul 1 rezultă, în citirea tabelului, exprimat pe înțeles:
Dacă ai nevoie de 80 W/m², ar trebui să alegi o distanță de montaj de 10 cm (Vz). Rezultă astfel o temperatură a suprafeței de 27,3 °C (ϑF,m). În aceste condiții poți monta maximum 7,5 m² cu un singur circuit de încălzire (AFmax), deci în această încăpere sunt necesare cel puțin două circuite.
Pentru exemplul 2 rezultă, în citirea tabelului, exprimat pe înțeles:
Dacă ai nevoie de 50 W/m², este suficient să alegi o distanță de montaj de 30 cm (Vz). Rezultă astfel o temperatură a suprafeței de 24,8 °C. În aceste condiții te descurci cu ușurință cu un singur circuit.
Această primă aproximare foarte simplă este suficientă pentru o estimare solidă, dar nu arată încă foarte mult despre comportamentul unei încălziri prin pardoseală. Acest lucru reiese abia dintr-o analiză mai atentă a unei diagrame de dimensionare.
Ceea ce sună ca matematică avansată are aici scopul de a clarifica proprietățile unei încălziri prin pardoseală. Mai întâi o explicație a termenilor:
Supratemperatura agentului termic
Dreptele care cresc de la stânga la dreapta în diagrama de dimensionare descriu supratemperaturile agentului termic. Astfel este descrisă, în mod similar, diferența de temperatură menționată în exemplul cu grătarul, dar raportată la o încălzire prin pardoseală și la diferența față de încăperea încălzită. Din păcate, această supratemperatură a agentului termic rezultă ca așa-numita medie logaritmică dintre temperatura pe tur, temperatura pe retur și temperatura interioară normată a încăperii. Din păcate, pentru că media logaritmică nu poate fi bine vizualizată intuitiv. Mental însă, se poate înțelege următorul raționament:
Printr-o încălzire prin pardoseală circulă apă cu temperatura de 50 °C, iar această apă de încălzire se răcește, firește, pe traseul prin țeava încălzirii prin pardoseală, în timp ce căldura este cedată încăperii. Dacă apa revine din încăpere, după încălzire, cu 40 °C, iar această încăpere are o temperatură de 20 °C, atunci diferența dintre încăpere și agentul termic poate fi calculată.
Temperatura medie a apei de încălzire s-ar situa exact la mijlocul distanței dintre 50 și 40 °C, deci la 45 °C. Astfel, conform acestei analize simple, supratemperatura ar fi de 25 K.
Ușor de urmărit mental, dar această analiză devine mai precisă abia atunci când nu se formează media aritmetică descrisă mai sus, ci media logaritmică. Cine dorește poate consulta formula acestei medii logaritmice și poate verifica exemplul. Pentru o înțelegere de bază a încălzirii prin pardoseală, abordarea prin media aritmetică este însă complet suficientă.
Introducând valorile pentru:
Temperatura pe tur: 50 °C
Temperatura pe retur: 40 °C
Temperatura încăperii: 20 °C
Pentru raționamentul mental este așadar suficient, în acest exemplu, să luăm în considerare media aritmetică ușor de calculat, de 25 K, fără a fi neapărat necesar să trecem la media logaritmică.
Rezistența la transfer termic
Pardoseala unei încăperi care este încălzită prin FBH trebuie, evident, luată în calcul la analiza cedării de căldură. Este clar că un covor gros și înalt frânează transferul de căldură de la încălzirea prin pardoseală către încăpere mai mult decât o placă de gresie subțire.
Această proprietate se regăsește în rezistența la transfer termic, unde placa de gresie subțire reprezintă mai degrabă rezistența redusă (în diagramă 0,05 m²K/W), iar covorul gros se caracterizează printr-o rezistență ridicată (în diagramă 0,15 m²K/W). Deoarece nu se poate ști întotdeauna cu certitudine dacă încăperea care urmează a fi încălzită va rămâne pe termen lung doar cu gresie sau va fi la un moment dat acoperită cu covor, se adoptă de regulă valoarea de 0,15 m²K/W ca rezistență.
Cum funcționează, de fapt, dimensionarea unei încălziri prin pardoseală?
În anul 2017, în fiecare minut au fost montați peste 25 de metri de țeavă, doar pentru utilizare ca încălzire prin pardoseală. Motiv suficient pentru a scoate mental această țeavă ascunsă din șapă și a o analiza mai îndeaproape.
Potrivit Asociației Federale a Încălzirii de Suprafață (BVF), în Germania au fost deja instalați 24,0 milioane m² de suprafață de încălzire ca încălzire prin pardoseală (FBH). Pe aceste suprafețe au fost montați în total 185 milioane de metri de țeavă, dintre care numai în anul 2017, 13,7 milioane de metri (situație valabilă în 2018).
Dar cum stă treaba cu cunoștințele despre această tehnologie? Mai ales cunoștințele mereu accesibile, adică cele prezente în minte, sunt destul de șubrede. Aud foarte des că montatorii aplică frecvent o distanță de montaj de 10 cm. Dar cam aici se opresc cunoștințele de detaliu. Din cauza răspândirii și, implicit, a importanței acestei tehnologii, ajută desigur să ai la îndemână și să poți accesa mai multe cunoștințe de bază.
Aspecte fundamentale
Fiecăruia dintre noi i-a devenit cunoscut, uneori într-un mod dureros, faptul că diferența de temperatură este decisivă pentru puterea termică a unei suprafețe de încălzire. Chiar acum, în timpul sezonului de grătar, se poate observa cum căldura radiantă redusă a unui grătar cu cărbuni, în faza de pornire, abia impresionează carnea de pe grătar. Testul cu palma deasupra cărbunilor semnalează o putere redusă. Când toată grămada de cărbuni este incandescentă, poți doar să fluturi mâna scurt deasupra grătarului. Este fierbinte și puterea termică este corespunzător de mare. Cu aceeași suprafață, grătarul poate așadar să elibereze 50 W putere în faza de pornire și apoi să ajungă la 5000 W la incandescență maximă.
Fie lucrezi cu o suprafață mare, caz în care o diferență mică de temperatură este suficientă pentru transferul de putere. Fie lucrezi cu o diferență mare de temperatură și te poți descurca cu o suprafață mică. Acest lucru se poate transpune foarte ușor la diferența dintre un calorifer compact, care în general lucrează la temperatură mai ridicată, și o încălzire prin pardoseală cu suprafață mare.
Ce facem cu aceste cunoștințe?
Un calorifer este foarte adesea dimensionat pentru o temperatură pe tur de 55 °C. Încălzirea prin pardoseală se poate mulțumi și cu 35 °C. Această diferență de 20 Kelvin între 55 °C și 35 °C este însă decisivă pentru eficiența generatoarelor de căldură. Cel mai grăitor exemplu de diferență de eficiență se observă la o pompă de căldură.
În timp ce aceasta lucrează extrem de eficient la temperaturi pe tur de până la 35 °C, situația se schimbă radical atunci când o astfel de pompă de căldură trebuie să livreze efectiv 55 °C. Un cazan în condensație poate livra fără probleme 55 °C, dar lucrează de asemenea mai eficient și, dacă vrem, „mai în condensație”, atunci când clădirea se poate mulțumi și cu 35 °C pe tur.
Un obiectiv obișnuit în încălzire este așadar menținerea temperaturilor pe tur ale unui generator de căldură cât mai scăzute posibil. Acum revenim la dimensionarea unei încălziri prin pardoseală și la corelațiile aferente.
Baza dimensionării
Obiectivul încălzirii unei încăperi este dat de calculul unei sarcini termice. Întotdeauna în contextul corelațiilor menționate mai sus, la o încălzire prin pardoseală nu poți face mare lucru cu estimări aproximative. Există diferențe uriașe între încălzirea unei încăperi cu, să presupunem, 10 m² suprafață, dacă aceasta are o sarcină termică de 800 W sau doar de 500 W. În aceste exemple rezultă două valori-țintă extreme:
Încăperea de 10 m² cu 800 W necesită 80 W putere pe metru pătrat, iar încăperea de 10 m² cu 500 W necesită 50 W pe metru pătrat.
Baza unei dimensionări a încălzirii prin pardoseală trebuie așadar să fie cunoașterea exactă a cerinței. Calculul sarcinii termice conform DIN EN 12831 precede deci orice dimensionare a încălzirii prin pardoseală. Pentru sarcina termică este important să se cunoască temperatura dorită a încăperii pentru încălzire. Standard pentru camerele de locuit este de regulă 20 °C, iar pentru băi 24 °C.
Un caz simplu pentru început
Cu specificațiile menționate mai sus în exemplu, poți merge în tabelele de dimensionare ale unui furnizor de sisteme de încălzire prin pardoseală și poți alege direct.
Două exemple vor clarifica acest lucru:
Exemplul 1:
Suprafața încăperii 10 m², sarcină termică: 800 W, temperatura încăperii 20 °C, temperatura pe tur 50 °C
în consecință trebuie livrați 80 W/m²
Exemplul 2:
Suprafața încăperii 10 m², sarcină termică: 500 W, temperatura încăperii 20 °C, temperatura pe tur 50 °C
în consecință trebuie livrați 50 W/m²
Pentru exemplul 1 rezultă, în citirea tabelului, exprimat pe înțeles:
Dacă ai nevoie de 80 W/m², ar trebui să alegi o distanță de montaj de 10 cm (Vz). Rezultă astfel o temperatură a suprafeței de 27,3 °C (ϑF,m). În aceste condiții poți monta maximum 7,5 m² cu un singur circuit de încălzire (AFmax), deci în această încăpere sunt necesare cel puțin două circuite.
Pentru exemplul 2 rezultă, în citirea tabelului, exprimat pe înțeles:
Dacă ai nevoie de 50 W/m², este suficient să alegi o distanță de montaj de 30 cm (Vz). Rezultă astfel o temperatură a suprafeței de 24,8 °C. În aceste condiții te descurci cu ușurință cu un singur circuit.
Această primă aproximare foarte simplă este suficientă pentru o estimare solidă, dar nu arată încă foarte mult despre comportamentul unei încălziri prin pardoseală. Acest lucru reiese abia dintr-o analiză mai atentă a unei diagrame de dimensionare.
Ceea ce sună ca matematică avansată are aici scopul de a clarifica proprietățile unei încălziri prin pardoseală. Mai întâi o explicație a termenilor:
Supratemperatura agentului termic
Dreptele care cresc de la stânga la dreapta în diagrama de dimensionare descriu supratemperaturile agentului termic. Astfel este descrisă, în mod similar, diferența de temperatură menționată în exemplul cu grătarul, dar raportată la o încălzire prin pardoseală și la diferența față de încăperea încălzită. Din păcate, această supratemperatură a agentului termic rezultă ca așa-numita medie logaritmică dintre temperatura pe tur, temperatura pe retur și temperatura interioară normată a încăperii. Din păcate, pentru că media logaritmică nu poate fi bine vizualizată intuitiv. Mental însă, se poate înțelege următorul raționament:
Printr-o încălzire prin pardoseală circulă apă cu temperatura de 50 °C, iar această apă de încălzire se răcește, firește, pe traseul prin țeava încălzirii prin pardoseală, în timp ce căldura este cedată încăperii. Dacă apa revine din încăpere, după încălzire, cu 40 °C, iar această încăpere are o temperatură de 20 °C, atunci diferența dintre încăpere și agentul termic poate fi calculată.
Temperatura medie a apei de încălzire s-ar situa exact la mijlocul distanței dintre 50 și 40 °C, deci la 45 °C. Astfel, conform acestei analize simple, supratemperatura ar fi de 25 K.
Ușor de urmărit mental, dar această analiză devine mai precisă abia atunci când nu se formează media aritmetică descrisă mai sus, ci media logaritmică. Cine dorește poate consulta formula acestei medii logaritmice și poate verifica exemplul. Pentru o înțelegere de bază a încălzirii prin pardoseală, abordarea prin media aritmetică este însă complet suficientă.
Introducând valorile pentru:
Temperatura pe tur: 50 °C
Temperatura pe retur: 40 °C
Temperatura încăperii: 20 °C
Pentru raționamentul mental este așadar suficient, în acest exemplu, să luăm în considerare media aritmetică ușor de calculat, de 25 K, fără a fi neapărat necesar să trecem la media logaritmică.
Rezistența la transfer termic
Pardoseala unei încăperi care este încălzită prin FBH trebuie, evident, luată în calcul la analiza cedării de căldură. Este clar că un covor gros și înalt frânează transferul de căldură de la încălzirea prin pardoseală către încăpere mai mult decât o placă de gresie subțire.
Această proprietate se regăsește în rezistența la transfer termic, unde placa de gresie subțire reprezintă mai degrabă rezistența redusă (în diagramă 0,05 m²K/W), iar covorul gros se caracterizează printr-o rezistență ridicată (în diagramă 0,15 m²K/W). Deoarece nu se poate ști întotdeauna cu certitudine dacă încăperea care urmează a fi încălzită va rămâne pe termen lung doar cu gresie sau va fi la un moment dat acoperită cu covor, se adoptă de regulă valoarea de 0,15 m²K/W ca rezistență.
Curba limită a unei zone de ședere
În diagrame sunt trasate, pentru fiecare distanță de montaj, așa-numitele curbe limită. Acestea marchează limita peste care, deasupra curbei, ar fi depășit pragul de temperatură de 29 °C ca temperatură a suprafeței pardoselii.
Acest prag magic de 29 °C este considerat limită în zonele de ședere și, conform regulilor general recunoscute ale tehnicii, nu trebuie în principiu depășit. Excepțiile de la această limită nu sunt tratate în acest articol, pentru a nu pierde firul logic.
Citirea din diagramă
În diagramă, după cunoașterea aproape a tuturor influențelor asupra unei încălziri prin pardoseală, urmează câteva comparații. Astfel se adună și ultimele picături de înțelegere.
Exemplu de citire pentru diverse cerințe de putere:
Temperatura încăperii: 20 °C,
Vz 30 cm
Rezistență la transfer termic: 0,10 m²K/W,
a) sarcină termică specifică: 40 W/m²,
b) sarcină termică specifică: 60 W/m²,
c) sarcină termică specifică: 80 W/m²
Exemplu de citire pentru diverse tipuri de pardoseală:
sarcină termică specifică: 50 W/m²,
Temperatura încăperii: 20 °C,
Vz 10 cm
d) rezistență la transfer termic: 0,15 m²K/W,
e) rezistență la transfer termic: 0,10 m²K/W,
f) rezistență la transfer termic: 0,05 m²K/W
Discuție și interpretare
Pentru dimensionarea a):
Dacă ai nevoie de 40 W/m² în condițiile date, este necesară o supratemperatură a agentului termic de aproximativ 17 K. Dacă, deci, încăperea este încălzită la 20 °C, trebuie să fii, în medie, cu 17 K peste, deci la 37 °C.
Pentru dimensionarea b):
Dacă ai nevoie de 60 W/m², este necesară o supratemperatură a agentului termic de aproape 25 K, deci în medie 45 °C.
Pentru dimensionarea c):
Dacă ai nevoie de 80 W/m², este necesară o supratemperatură a agentului termic de circa 33 K, deci în medie 53 °C. Și te rog să reții că te afli deasupra curbei limită pentru o zonă de ședere. Acest lucru va deveni, în caz de îndoială, cel puțin pe alocuri, prea fierbinte pentru picioarele clienților tăi.
Dacă sunt necesari 80 W/m², în acest exemplu trebuie să treci la o distanță de montaj mai mică. Se impune Vz 20, ceea ce oferă puterea necesară la o supratemperatură a agentului termic de doar 26 K, deci în medie 46 °C.
Concluzia pentru dimensionările a) până c) este:
Doar în cazul unei cerințe de putere reduse, ca în exemplul cu 40 W/m² la 37 °C, se poate lucra cu temperaturi scăzute. Puterile mari necesită temperaturi pe tur ridicate, ca în exemplul cu 80 W/m² la 53 °C. Reducând însă distanța de montaj, se pot atinge puteri mari și la supratemperaturi reduse.
Pentru dimensionarea d):
Tradus pe scurt: Dacă ai nevoie de 50 W/m² și pardoseala ta are o rezistență la transfer termic ridicată (0,15 m²K/W), trebuie să lucrezi deja cu o supratemperatură de 16 K, deci cu 36 °C în medie.
Pentru dimensionarea e):
Dacă ai nevoie de 50 W/m² și pardoseala ta are o rezistență la transfer termic medie (0,10 m²K/W), ai nevoie de o supratemperatură mai mică, de doar 13 K. Prin urmare este suficient cu 33 °C în medie.
Pentru dimensionarea f):
Dacă ai nevoie de 50 W/m² și pardoseala ta are o rezistență la transfer termic foarte redusă (0,05 m²K/W), ai nevoie de doar 10 K supratemperatură. Prin urmare este suficient cu 30 °C în medie.
Concluzia pentru dimensionările d) până f) este:
Rezistența la transfer termic a pardoselii are o influență ce nu trebuie subestimată asupra puterii cedate de o încălzire prin pardoseală. În caz de îndoială, se calculează așadar cu o valoare de 0,15 m²K/W sau se întreabă explicit dacă trebuie luat în calcul covor sau gresie.
Ultima mare concluzie
Din supratemperatură se observă clar efectul temperaturilor asupra unei încălziri prin pardoseală. Aici, desigur, temperatura de pornire, adică cea pe tur, este o mărime importantă. În funcție de generatorul de căldură, stabilim de exemplu 50 °C pentru un aparat în condensație și doar 35 °C pentru o pompă de căldură.
Influențăm temperatura pe retur atunci când determinăm debitul volumic al unui circuit individual. Un debit lent, pentru că este redus, se răcește mai repede pe traseul prin serpentina de țeavă a încălzirii prin pardoseală decât un debit rapid și abundent. Aceasta înseamnă, în final, că în această diagramă este luată în considerare și hidraulica.
Diferența dintre tur și retur, combinată cu debitul masic, dă puterea, pentru că Q=mcΔT. Și astfel ajungem din nou la unul dintre adevărurile eterne ale tehnicii de încălzire. Echilibrarea hidraulică este așadar o măsură absolut necesară pentru funcționarea corectă a tuturor circuitelor.
