Vattenburen golvvärme

Vattenburen golvvärme hör till strålningsvärmesystemen, där strålningens andel av den totala värmeöverföringen från värmeytan bara är något större än värmeflödet genom konvektion (55%:45%). Det har samtidigt en positiv inverkan på båda sätten att överföra värme till rummet.

Hela sortimentet hittar du i kategorin golvvärme – systemskivor, rör, fördelare, reglering och elektriska värmemattor.

Vattenburen golvvärme är samtidigt ett ytvärmesystem, det vill säga värmerören är en del av golvkonstruktionen. Med hänsyn till de hygieniska kraven, som hänger samman med den begränsade yttemperaturen på golvet och därmed också med det värmande golvets relativt låga specifika värmeeffekt, läggs värmerören nästan alltid under hela golvytan. Det påverkar jämnheten i värmeöverföringen i rummet mycket positivt och bidrar till en temperaturmässigt homogen och enhetlig miljö, både i höjdled och i sidled.

Värmevattnets temperatur är vanligtvis lägre än 50 °C, så vattenburen golvvärme kan samtidigt betraktas som ett lågtemperatursystem, vilket har flera fördelar. Dels ger det betydande besparingar av värmeenergi under drift, dels gör det möjligt att använda otraditionella lågvärdiga energikällor som solstrålning, energi från geotermiskt vatten eller värmepumpar som utnyttjar värmen i omgivningen.

Just dessa fakta placerar vattenburen golvvärme bland de progressiva värmesystemen, som garanterar alla tre E, det vill säga de energimässiga, miljömässiga och ekonomiska aspekterna av uppvärmning av byggnader. Även om det här sättet att värma fanns redan för över 2 000 år sedan är det just i dag som det upplever sin största utbredning och renässans.

Uppvärmningens historiska utveckling

Det äldsta sättet att värma hos alla folk var lokal uppvärmning, i form av vedeldning i en öppen eldstad. Eldstadens största brist var den stora mängden rök. För att förhindra den uppfann de gamla romarna träkolet, som brändes rökfritt i flata metallfat. Under antiken var det det mest utbredda sättet att värma.

Från ungefär 900-talet e.Kr. ersattes den öppna eldstaden av en delvis sluten eldstad, där röken leddes genom en kanal upp till vindsutrymmet, och senare av en helt sluten eldstad med skorsten som mynnade ovanför byggnadens tak. Dessa eldstäder – öppna spisar - var först av sten och lera, senare av kakel. De har levt kvar ända till i dag, och på 1600-talet användes järnkaminer för uppvärmning.

Den första centralvärmen var det fornromerska hypokaustum, (som konstruerades av Sergius Oratus år 80 f.Kr.). Det var egentligen en eldstad utan rost för eldning av ved och träkol, placerad utanför de uppvärmda rummen, under huset. De varma rökgaserna strömmade in i hålrum under hela huset och värmde på så sätt golvet (grek. hypo = underifrån, kaiein = brinna). Från golvet värmdes sedan luften i husets rum. Själva rökgaserna leddes bort genom ett eller flera schakt i ytterväggarna, som mynnade ut i det fria genom sidoöppningar. Under de första århundradena e.Kr. byggdes i Rom och i Romarriket många hus och byggnader som värmdes med hypokaust, till exempel de antika Caracallas termer (211 till 217 e.Kr.), Diocletianus termer samt andra bad i dagens Trier. Lämningar har till och med hittats i Pompeji.

En förbättring av det här systemet var kanalvärmen, där det inte fanns något hålrum under husets golv utan rökgaserna strömmade genom ett förgrenat system av kanaler under golvet. Man kan säga att det rör sig om den första golvvärmen, men värmebäraren var fortfarande luft.

Vattenburen värme dök först upp på 1700-talet i Frankrike, men fick störst genomslag i Tyskland. I början av 1900-talet blev vattenburen värme med pumpcirkulation mycket utbredd och blev det vanliga sättet att värma bostäder och offentliga byggnader. Slutenheterna i sådana värmesystem var värmekroppar – radiatorer - fritt placerade i rummen. Upphovsmannen till strålningsvärmesystem med värmekroppar ingjutna i plattor som fästes på murverkets yta var engelsmannen Barker år 1907. År 1926 lade han tillsammans med det engelska företaget Crittal värmerören direkt i byggnadens konstruktion (oftast i taket, eventuellt i golvet). År 1935 lät holländaren van Dooren patentera användningen av strålningsvärmerör i taket som armerande del av byggnadskonstruktionen. Vi kan alltså redan tala om strålningsvärme, närmare bestämt vattenburen ytvärme.

DRIFT AV VATTENBUREN GOLVVÄRME

Vid drift av vattenburen golvvärme ser vi på:

- sätten att bereda värmevattnet,

- vad som påverkar värmesystemets drift,

- möjligheterna att spara energi.

SÄTT ATT BEREDA VÄRMEVATTNET

Värmevattnet till vattenburen golvvärme kan beredas antingen direkt, omedelbart från värmekällan, eller indirekt, via en värmeväxlare.

DIREKT UPPVÄRMNING AV VÄRMEVATTNET

Direkt uppvärmning av värmevattnet sker med traditionella eller alternativa värmekällor, som beroende på driftsätt kan arbeta:

- monovalent,

- bivalent,

- kombinerat.

MONOVALENT DRIFT

Monovalent drift är drift med en enda värmekälla, som täcker det uppvärmda utrymmets hela värmeförlust. Som värmekälla kan vanliga pannor för olika slags bränslen användas.

Att koppla golvvärme till en fastbränslepanna är det minst lämpliga, eftersom pannans effekt är svår att styra. I det fallet måste värmekällan ovillkorligen kompletteras med en ackumulatortank, där värmeöverskottet lagras när värmesystemet inte tar ut värme.

BIVALENT DRIFT

Det här sättet att bereda värmevattnet bygger på att två olika värmekällor används - en primär och en alternativ. Den primära källan täcker ensam värmebehovet ner till en inställd utetemperatur, och vid lägre temperatur stängs den av. Den alternativa källan tar över hela det återstående värmebehovet.

KOMBINERAD DRIFT

I det här fallet arbetar två olika värmekällor samtidigt. Den ena källan arbetar ensam ner till en inställd utetemperatur. Vid lägre utetemperaturer tar den andra källan över täckningen av toppbelastningen i samverkan med den första.

Golvvärmens låga värmevattentemperatur gör det möjligt att utnyttja lågvärdiga, okonventionella energikällor mer effektivt, och ur driftssynpunkt framstår värmepumpar som den lämpligaste lösningen för det ändamålet. Vattnets utloppstemperatur från värmepumpens kondensor är som högst 55 °C och som lägst 35 °C. Med sådana utloppstemperaturer framstår värmepumpar som optimala värmekällor för lågtempererad golvvärme.

I princip kan värmepumpar, oavsett den konkreta tillämpningen, kopplas in i kretsen som monovalent källa, men oftare används de i bivalent eller kombinerad drift.

INDIREKT UPPVÄRMNING AV VÄRMEVATTNET

Indirekt uppvärmning - med hjälp av en värmeväxlare - är fördelaktig framför allt när golvvärme kombineras med konvektiva värmekroppar. Värmekropparna försörjs med vatten direkt från pannan, medan det värmande golvet värms indirekt via en värmeväxlare. Med rätt valda material i värmeväxlaren är det här sättet att värma golvet särskilt lämpligt för att begränsa syrediffusionen genom plaströrens väggar.

VAD SOM PÅVERKAR VÄRMESYSTEMETS DRIFT

Driften av vattenburen golvvärme påverkas av :

- inställningen av värmekurvan,

- den självreglerande effekten,

- driftsättet,

- golvets värmetekniska egenskaper,

- reglerstrategin.

INVERKAN AV VÄRMEKURVANS INSTÄLLNING

Värmekurvan bör alltid vara optimalt inställd, det vill säga för rummet med de minsta värmetillskotten, t.ex. sovrummet. Ett vattenburet golvvärmesystem reagerar nämligen mycket känsligt på en felaktigt inställd värmekurva.

Det är uppenbart att en felaktigt inställd värmekurva påverkar energiförbrukningen under drift väsentligt. Som referensfall användes en optimalt inställd värmekurva. Först försköts värmekurvan 1 K uppåt, därefter ställdes den in ännu brantare, alltså med 2 K. Det visade sig att en förskjutning av värmekurvan uppåt ökar energiförbrukningen inte bara på grund av den högre önskade innetemperaturen, utan också på grund av den självreglerande effekten.

INVERKAN AV DEN SJÄLVREGLERANDE EFFEKTEN

Den självreglerande effekten, som följer av golvvärmeytans stora värmelagringsförmåga och den därav följande värmetrögheten på flera timmar , är en viktig faktor , som påverkar värmeförhållandena i rum med den här typen av uppvärmning. Samtidigt är den oberoende av om värmevattnets temperatur höjs eller sänks, vilket kan härledas genom en analys av det stationära tillståndet.

När regleringen utformas måste vi vara medvetna om att värmelagringen i golvkonstruktionen spelar en viktig roll vid golvvärme. Värmeytan har mycket stor massa, och därför är också det värmande golvets värmetröghet mycket stor. Beroende på golvets uppbyggnad kan vi räkna med ett värde på 3 till 8 timmar. Det är orsaken till att snabbare ändringar av värmeeffekten inte är möjliga vid golvvärme, och därför märks reglerande ingrepp (t.ex. en ändring av värmevattnets temperatur) bara gradvis i det uppvärmda rummet, och även uppvärmnings- och avsvalningstiden är lång. Av det skälet rekommenderar vi att golvvärme bara används vid kontinuerlig, oavbruten drift.

Golvvärmens stora värmetröghet är särskilt olämplig i moderna lätta byggnader med stora glasytor, där den leder till en trög och oekonomisk drift av uppvärmningen.

INVERKAN AV DRIFTSÄTTET

Den beskrivna självreglerande effekten förklarar också följande förhållanden, som följer av värmesystemets driftsätt. En jämförelse gjordes med uppvärmning med nattavstängning (kl. 22,00 till 5,00).

Det visade sig att nattavstängning blir en förlustaffär för byggnader med god yttre värmeisolering och utan snabb uppvärmning på morgonen. Värmekurvan måste nämligen höjas under uppvärmningstiden, vilket dämpar den självreglerande effekten. Med snabb uppvärmning trycks inverkan av den lagrade värmen tillbaka väsentligt. För dåligt isolerade byggnader (där golvvärme är mindre vanlig) kan nattavstängningen däremot vara fördelaktig.

Följande principer för ekonomisk drift måste dock iakttas:

- undvik oreglerad ventilation

- kontrollera värmeförlusterna i värmesystemet

- följ upp elförbrukningen för cirkulationspumparna

- säkerställ snabb uppvärmning.

Dessa faktorer minskar nämligen skillnaden mellan de båda sätten att värma något, eller gynnar till och med nattavstängning av värmesystemet.

Eftersom en byggnad med golvvärme måste ha ytterkonstruktioner med goda värmetekniska och värmelagrande egenskaper kan vi anta att fasförskjutningen av temperatursvängningarna i byggnadens klimatskal har ungefär samma värde som det värmande golvets värmetröghet.

Det värmande golvets relativt stora värmetröghet inverkar vid låga utetemperaturer gynnsamt på möjligheten att reglera golvvärmen med utetemperaturkompensering. Även här kan dock den stora värmetrögheten visa sig ogynnsam under övergångsperioden, på våren och hösten , då rummen kan bli övervärmda vid relativt snabba ändringar av utetemperaturen och vid solinstrålning.

Det kan dock begränsas genom lämplig solavskärmning av de genomskinliga byggnadsdelarna eller genom att flera värmekretsar läggs parallellt bredvid varandra. Med en sådan förläggning kan en eller flera värmekretsar vid behov kopplas bort utan att golvkonstruktionen svalnar helt. Den hålls nämligen tempererad av de återstående värmeslingorna och reagerar smidigare på ändringar av den värmeeffekt som behövs.

INVERKAN AV GOLVETS VÄRMEMOTSTÅND

Värmemotståndet, antingen hos själva golvbeläggningen på ytan eller hos hela golvvärmeytans konstruktion, har stor inverkan på drifttemperaturen hos värmebäraren i värmerören. Ett utrymme där golvkonstruktionen har större värmemotstånd kräver också högre drifttemperatur på mediet i rören. Det inverkar i sin tur negativt på den självreglerande effekten och därmed på värmeförbrukningen. Om golvbeläggningens värmemotstånd ökar från 0,02 till 0,2 m.K.W-1 (t.ex. genom en tjock matta) stiger värmeförbrukningen med 10 till 15 %.

INVERKAN AV REGLERSTRATEGIN

Hittills har vi analyserat inverkan av de enskilda värmetekniska egenskaperna hos byggnadskonstruktionerna och byggnaden som helhet. Men hur stor inverkan har reglerstrategin på energiförbrukningen?

I praktiskt taget alla fall är kombinationen av utetemperaturkompensering med rumstermostat och solstrålningsgivare den bästa reglerstrategin när det gäller värmeförbrukningen.

Om vi utgår från att dagens byggnadskonstruktioner är tillräckligt massiva kan vi räkna med en besparing på 5 till 12 % av värmeenergin. Den energibesparingen uppstår när värmekurvan är optimalt inställd. Ju sämre inställningen är, desto större blir rumstermostatens korrigerande ingrepp. Den kan dock bara till en viss grad (högst två tredjedelar) minska den ökade förbrukning som en för högt inställd värmekurva orsakar.

I undantagsfall kan rumstermostaten till och med öka energiförbrukningen. Då leder ett minskat flöde av värmevatten vid systemets inlopp, vid högre rumstemperatur och samtidigt lägre vattentemperatur, till att rummet "kyls", och därmed minskar fördelningen av interna och externa värmetillskott över hela byggnaden.

Reglering av värmevattnets temperatur efter innetemperaturen används bara när golvvärmen enbart är avsedd för grundtemperering av det uppvärmda rummet. Genom att kombinera reglering efter både ute- och innetemperatur kan man ta hänsyn till ojämn värmebelastning i de enskilda uppvärmda rummen eller uppnå olika temperaturer i olika rum. Oftast räcker det med en termostatventil med separat innetemperaturgivare, placerad i det uppvärmda rummet. Termostatventilen monteras på tilloppet eller returen till varje värmekrets.

KRAV PÅ DRIFTEN AV VATTENBUREN GOLVVÄRME

Driften av lågtempererad vattenburen golvvärme måste uppfylla följande krav :

a) göra det möjligt att reglera tilloppsvattnets temperatur till värmekretsarna inom intervallet 20 till 60 °C,

b) förhindra att tilloppsvattnets temperatur av sig självt stiger över 60 °C,

c) utesluta lågtemperaturkorrosion i värmekällan,

d) säkerställa permanent avluftning av värmekretsarna

e) ge termisk komfort i de uppvärmda rummen.

ALLMÄNNA KRAV FÖR ANVÄNDNING AV GOLVVÄRME

I det inledande skedet av projekteringen av värmesystemet måste uppvärmningssättet väljas. Då ska följande kriterier beaktas:

a) Golvvärme är särskilt lämplig i kombination med lågtempererade värmekällor (solfångare, värmepumpar osv.), eftersom den självreglerande effekten då är mycket gynnsam.

b) För vanliga bostadshus är golvvärme lämplig tack vare sina gynnsamma egenskaper när det gäller komforten i rummet. I byggnader med stora soltillskott måste följande åtgärder vidtas:

- avskärmning eller aktiva solskydd,

- användning av en solstrålningsgivare som kopplas in i reglerkretsen, - låg temperatur på värmebäraren vid inloppet (litet värmemotstånd i golvet).

c) För konstruktion och montering av vattenburen golvvärme rekommenderas att CEN TC 130 följs. Standarden innehåller detaljerade anvisningar för installation av sådan uppvärmning, men nämner inte regleringen.

d) I byggnader med mycket varierande användning (varierande intern belastning eller snabba ändringar av inställd rumstemperatur) rekommenderas inte enbart golvvärme. Där kan golvvärme användas som huvudsaklig uppvärmning tillsammans med klassiska värmekroppar som reagerar snabbare.

KRAV PÅ KONSTRUKTION OCH MONTERING

a) Värmemotståndet i golvets övre del bör alltid vara lågt, om det är möjligt. Vid högre värmemotstånd måste värmebärarens inloppstemperatur höjas i motsvarande grad, vilket i sin tur dämpar den självreglerande effekten.

b) Där det är tillåtet med hänsyn till separat avläsning av uppvärmningskostnaderna bör rum med mycket olika användning och väderstreck om möjligt delas upp i egna kretsar med egen framledningstemperatur. Där det inte är möjligt bör extra termostatventiler installeras.

KRAV SOM RÖR REGLERINGEN

a) I bostadsområden bör det vara möjligt att ställa in värmekurvan separat för de enskilda värmekretsarna för hus som vetter åt olika väderstreck och hus med olika användningsgrad.

b) Utetemperaturkompenserad reglering bör alltid användas som grundreglering.

c) Termostatventiler passar i rum som vetter mot norr, har lite sol eller har interna värmekällor som varierar lite, där individuell inställning av önskad rumstemperatur efterfrågas. Beslutet om dem måste fattas redan i projekteringsskedet, eftersom en senare installation till golvvärmen innebär en enorm kostnadsökning.

Utetemperaturkompenserad reglering bör alltid användas. För ett enfamiljshus, där användningen av de enskilda rummen är känd och i stort sett konstant, bör en extra solstrålningsgivare användas. Om individuell reglering av enskilda rum efterfrågas bör termostatventiler installeras. För radhus med flera familjer, där användning, interna värmekällor och väderstreck varierar, rekommenderas en kombination av solstrålningsgivare och termostatventil. I byggnader med små värmetillskott utifrån är det motiverat att använda termostatventiler.

KRAV VID DRIFTSÄTTNING

Eftersom värmekurvan har stor inverkan på komforten i rummet och på värmeförbrukningen bör den ställas in noggrant, och samtidigt bör följande villkor uppfyllas:

a) Som referensrum väljs vanligen rummet med de minsta värmetillskotten. Se dock till att rumskomforten i det rummet ligger vid den nedre gränsen för det tillåtna toleransområdet, så att alla övriga rum får en högre eller åtminstone lika hög inställd temperatur.

b) Under själva inställningen bör förhållandena i rummet om möjligt vara typiska (interna källor, ventilation osv.).

KRAV PÅ DRIFTEN

I värmesystem utan snabbuppvärmning på morgonen måste värmekurvan höjas i motsvarande grad vid nattavstängning. Det trycker dock tillbaka den självreglerande effekten. I välisolerade byggnader (med litet luftutbyte genom otätheter) kan just nattavstängningen ge en merförbrukning av energi på upp till 23 %. I sämre isolerade byggnader (eller med större värmeläckage genom luftströmning i otätheter) blir den nackdelen ännu större, tillsammans med en ytterligare sänkning av rumstemperaturen.

Driften av golvvärme är i regel problemfri i väl värmeisolerade byggnader. De gynnsamma resultaten försämras något när man tar hänsyn till pumparnas elförbrukning och dessutom till en viss värmeförlust efter värmebärarens fördelare. Pumpens elförbrukning och värmeförlusterna i distributionen beror på vilken typ av panna som används och på byggnadstypen. Medan distributionsförlusterna i nya byggnader är cirka 3 till 4%, kan andelen öka betydligt i äldre byggnader och bör därför alltid uppskattas i förväg.

Nattavstängning av värmen i välisolerade byggnader leder i de flesta fall inte till någon besparing, utan tvärtom. Uppvärmningen av rummet efter nattavstängningen blir bättre bara vid snabb uppvärmning. Då förskjuts värmekurvan nedåt och den självreglerande effekten förstärks. Även inbyggda termostatventiler verkar i samma riktning.

I äldre, sämre värmeisolerade hus med större infiltration kan nattavstängning av värmen göra att rumstemperaturen sjunker, och då sparas energi för uppvärmning. Men även här bör snabbuppvärmning utnyttjas, om möjligt i kombination med en liten förskjutning av värmekurvan (uppåt).

Om värmedriften ändras efter att värmekurvan har ställts in (t.ex. från nattlig grundtemperering till normal dagdrift) måste värmekurvan ställas in på nytt.

MÖJLIGHETER ATT SPARA ENERGI

Med utgångspunkt i en jämförelse av energiförbrukningen tar vi upp några sätt att spara energi.

JÄMFÖRELSE AV ENERGIFÖRBRUKNINGEN

Att golvvärme sparar energi kan beläggas med forskning från institutet för byggnadsfysik i Stuttgart. Institutet mätte under 10 år i tre höghus av samma typ med olika värmesystem i genomsnitt 28 % högre energiförbrukning i lägenheter som värmdes med konvektiva värmekroppar än i lägenheter med golvvärme.

SÄTT ATT SPARA ENERGI

Vid golvvärme räknar man med följande sätt att spara energi:

a) Sänkt lufttemperatur i rummet

Lufttemperaturen i ett rum som värms med golvvärme kan, till skillnad från konvektiva uppvärmningssätt, sänkas med 2 till 3 °C utan att den termiska komforten i rummet försämras. Varje 1 °C som lufttemperaturen sänks motsvarar en bränslebesparing på 6 %. Vid golvvärme innebär det en energibesparing på 12 till 18 %. Värdet stiger i rum med hög takhöjd (sporthallar, garage) till upp till 25 %.

Ur reglersynpunkt kan man till besparingarna vid golvvärme räkna en sådan styrning av värmevattnets temperatur som ger önskad temperatur i de uppvärmda rummen utan övervärmning och bara under den tid de används. Det förutsätter automatisk styrning av golvvärmeytans drift.

b) Förbättring av byggnadskonstruktionens värmetekniska egenskaper

Det här sättet att spara uppvärmningsenergi kan visserligen användas även i byggnader med andra värmesystem, men vid golvvärme måste byggnadskonstruktionen vara tillräckligt isolerad. Orsaken är golvets begränsade värmeeffekt till följd av den högsta tillåtna yttemperaturen på golvet. Engångsinvesteringen i byggnadskonstruktionen betalar sig mångfalt genom lägre uppvärmningskostnader.

c) Utnyttjande av lågvärdiga värmekällor

Till källor som utnyttjar lågvärdig energi kan i princip vilket värmesystem som helst anslutas. Hos oss ansluts än så länge mest vattenburna värmesystem med en tilloppstemperatur på 90 °C. Eftersom lågvärdiga värmekällor har högre verkningsgrad vid lägre temperaturer på arbetsmediet måste dock lågtemperatursystem prioriteras, där värmepumpar kopplade till ett golvvärmesystem täcker upp till 80 % av det årliga värmebehovet för uppvärmning, dvs. ner till en utetemperatur på ±O °C. Bara 20 % av energin måste täckas med traditionella källor och bränslen. Därmed minskar användningen av lågtempererade golvvärmesystem behovet av traditionella bränslen. Det ger inte bara bättre hushållning med bränslen, utan förbättrar också värmebalansen i biosfären.

Använd litteratur:

Dusan Petras: Vattenburen golvvärme