Kattosäteilypaneelien oikeanlainen suunnittelu

Kattosäteilypaneelien oikeanlainen suunnittelu

Mika Komulainen, DI, toimitusjohtaja, HC-Engineering Oy

Säteilypaneeleiden mitoituksessa ja valinnassa on järjestelmäkohtaisia periaatteita, jotka tulee ottaa huomioon suunnittelussa. Seuraavaksi käyn kohta kohdalta läpi kattosäteilypaneelien suunnitteluun liittyvät oleelliset asiat. Näiden periaatteiden mukaan suunniteltaessa saavutetaan tasaiset ja miellyttävät sisälämpötilaolosuhteet.

Lopussa on lisäksi esimerkki paneelien mitoituksesta ja valinnasta toimistohuoneeseen.

Mitoituslämpötilaero ja virtaama

Itulan grafiittipaneelissa on optimoitu virtausputken koko ja määrä paneelissa ja näin päädytty toteutuksessa 10 mm kupariputkeen. Kupariputkilenkki eli meanderi on tiiviisti upotettuna grafiittiin ja 595 mm leveässä standardikokoisessa paneelissa kuusi putkea kulkee rinnakkain ja kaksipiiripaneelissa on toinen putkilenkki toisen päällä. Tämä mahdollistaa läpivientien toteutuksen. Parhaan lämmönsiirron kannalta oleellinen vesivirran turbulenttisuus saavutetaan suhteellisen pienellä virtauksella ja toisaalta painehäviöt eivät nouse liikaa. 10 mm kupariputkessa turbulenttisuus saavutetaan alla olevan taulukon 1 mukaisesti riippuen virtauslämpötilasta. Turbulenttisuusvaateen mukaisesti vesipuolen lämpötilaero asetetaan sellaiselle tasolle että optimaalinen virtaama saavutetaan. Jos turbulenttisuus ei putkivirtauksessa täyty, menetetään tehosta noin 15 %.

Toisaalta virtaaman kasvattamista rajoittaa paneelin painehäviö, joka erikokoisille paneeleille nähdään taulukosta 2. Jäähdytyspuolella yleisiä vesipuolen mitoituslämpötilaeroja ovat esimerkiksi 15 - 17 tai 14 - 17. Lämmityspuolella käytetään yleisesti menoveden lämpötilaa 30 - 50 asteen välillä. Valintaan vaikuttaa halutaanko optimoida paneelimäärä pieneksi - korkea menoveden lämpötila- vai menoveden lämpötila alhaiseksi käyttämällä suurempaa paneelipinta-alaa. Jäähtymä on lämmityspuolella usein 4 – 10 asteen välillä.

Yli- ja alilämpötilat

Grafiittiväliaineen avulla ItuGraf-paneelipinta on lähes kokonaisuudessaan, noin 95 %, aktiivista niin lämmityksessä kuin jäähdytyksessäkin. Kattosäteilypaneeleissa käytetään mitoituksessa testilaboratoriossa mitattuja arvoja. Kooltaan tietynlainen paneeli luovuttaa huonetilaan tehon, joka määräytyy paneelin meno- ja paluuveden keskiarvolämpötilan erotuksena huonelämpötilaan. Alla olevassa taulukoissa 3 ja 4 näkyy esimerkinomaisesti mitä erikokoiset ItuGraf –paneelit luovuttavat tehoa eri yli- ja alilämpötiloilla.

Kun sopiva vesipuolen mitoituslämpötilaero ja huonelämpötilan asetusarvo on valittu, alla olevasta tehotaulukosta valitaan paneelikoko, jolla saadaan haluttu teho. Virtaama paneelille saadaan jakamalla teho (kW) virtausaineen ominaislämpökapasiteetin ja virtaavan aineen meno- ja paluulämpötilaeron tulolla. Tämän jälkeen tarkistetaan turbulenttisuuden täyttyminen taulukosta 1. On huomioitava että suunniteltaessa erilaisia paneelikokoja ja tehoja samassa jakeluverkostossa voi pienempien paneeleiden kohdalla tulla tarve pienentää lämpötilaeroa tai kytkeä paneeleita sarjaan, jotta turbulenttisuusvaade täyttyy.

Paneelien sijoittelu, kytkennät ja ohjaus

Kun huonetilaan on mitoitettu ja valittu oikean kokoiset paneelit, alkaa niiden sijoittelu. Paneeleita kannattaa sijoittaa mahdollisuuksien mukaan lähelle ikkunoita tai ulkoseiniä varsinkin saneerauskohteissa. Nykyrakentamisessa se ei ole niin tarkkaa, koska U-arvot rakenteille ovat hyvät ja toisaalta säteily leviää paneelipinnasta puolipallon muodossa joka suuntaan jatkaen säteilyä törmäyspinnasta eteenpäin. Myöskään suuremmat pöytäpinnat eivät estä säteilyn pääsemistä pöydän alapuoliseen tilaan säteilyn jatkuvuusluonteen takia. Paneelien asentamista vinoon ei suositella, koska konvektion osuus voimistuu.

Kuvassa 1 esitetään tyypillisiä kytkentätapoja kattosäteilypaneeleille. Sarjaan kytkennässä tulee kiinnittää huomiota siihen etteivät painehäviöt nouse liikaa. Toisaalta pienillä tehoilla sarjaan kytkentä voi olla edellytys turbulenttisuudelle. Suuremmissa tiloissa on järkevää laittaa useita paneeleita yhteen säätöryhmään ts. yhden säätöventtiilin taakse. Kytkemällä samanlaiset paneelit käännetyllä paluulla venttiilin jälkeen saadaan ne hydrauliseen tasapainoon ilman erillisiä paneelikohtaisia säätötulppia. Käännetty paluu varmistaa paneelien keskinäisen tasapainon myös huonetilan osakuormituksessa kun virtaama pienenee. Laadukas säätöjärjestelmä suuremmille paneeliryhmille saadaan käyttämällä pumppuryhmäsäätöä, jolloin virtaus paneeliryhmässä pidetään vakiona ja tehoa säädetään huoneanturin viestillä muuttamalla menoveden lämpötilaa 3-tieventtiilillä.

Paneelijärjestelmän yhteydessä voidaan käyttää useanlaisia säätöventtiileitä. Järkevää on käyttää paneeli-/paneeliryhmittäin vakiovirtausventtiileitä, jolloin perussäätö ja mahdolliset tulevat verkostomuutokset hoituvat helposti ilman venttiilien esisäätömuutoksia. Vakiovirtausventtiilein varustettu verkosto on käyttötilanteessa aina tasapainossa riippumatta kuormitusasteesta. Huonelämpötilaa hallitaan venttiilin yhteyteen asetetulla toimilaitteella, jota huoneanturi ohjaa. Käytettäessä kaksipiiripaneelia lämmitykseen ja jäähdytykseen käytetään huonesäädintä, joka ohjaa toimilaitteita kahdessa portaassa ts. vain toinen venttiileistä on auki kerrallaan. Huonesäätimiksi ja toimilaitteiksi käyvät erilaiset mallit ja tyypit riippuen suunnitteluvaatimuksista.

Säteilypaneelit kuuluvat ns. kuivajäähdytysjärjestelmiin jolloin paneeliverkostossa on oltava kastepisteautomatiikka. Ulkoilman tila, jossa automatiikka nostaa menoveden lämpötilaa merkittävästi on Suomessa erittäin harvinainen. Silloinkin huonelämpötila nousee asetusarvosta hitain askelin, koska huonelämpötilan noustessa paneelien alilämpötila säilyy merkittävänä ja toisaalta lämpökuormat pienenevät. Ilmastoinnin kuivaus poistaa tämän problematiikan käytännössä kokonaan.

Laskentaesimerkki paneelijärjestelmästä

Toimistohuone: Pinta-ala 10m2

Simuloitu jäähdytystehon tarve: 55 W/lattianeliö (15W/lattianeliö saadaan hoidettua tuloilmalla, eli paneelien tehon tarve 40 W/lattianeliö)

Laskennallinen lämmitysteho: 30 W/lattianeliö

Jäähdytyksen mitoituslämpötilat 15 - 17 (25), alilämpötila 9

Lämmityksen mitoituslämpötilat 36 - 32 (21), ylilämpötila 13

Kattosäteilypaneelien valinta jäähdytykseen:

Paneelien jäähdytysteho huoneeseen 10m2 x 40W/m2 = 400W

Käytettävä alilämpötila dT9

Valitaan jäähdytystehotaulukosta (Taulukko 4) sopivat paneelit. Kaksi kappaletta 595x2990 grafiittipaneelia luovuttaa tehoa em. mitoituskriteereillä 214W/kpl eli yhteensä 428W.

Valitaan jäähdytykseen 2kpl 595x2990 paneelia.

Kattosäteilypaneelien valinta lämmitykseen:

Kokonaislämmitysteho huoneeseen 10m2 x 30W/m2 = 300W

Käytettävä ylilämpötila dT13

Valitaan lämmitystehotaulukosta (Taulukko 3) sopivat paneelit. Yksi 595x2990 grafiittipaneeli luovuttaa tehoa em. mitoituskriteereillä 301W.

Valitaan lämmitykseen 1kpl 595x2990 paneeli.

Jäähdytykseen tarvitaan 2kpl ja lämmitykseen 1kpl paneeleita. Näin toimistohuoneessa voidaan käyttää 1kpl 1-piiristä paneelia jossa pelkkä jäähdytys ja 1kpl 2-piiristä paneelia jossa sekä lämmitys että jäähdytys (jäähdytys kytketään alempaan putkipiiriin).

Jäähdytyksessä virtaama on 0,025 l/s (paneelia kohti) ja lämmityksessä 0,017 l/s. Tarkastetaan turbulenttisuuden täyttyminen taulukosta 1 ja todetaan, että turbulenttisuus täyttyy.

Paneelien painehäviöt katsotaan taulukosta 2. Jäähdytyksessä painehäviö 8 kPa (rinnan kytkentä) ja lämmityksessä 4 kPa.

Alla on esimerkki paneelien asemoinnista toimistohuoneeseen. Ne voidaan kiinnittää kattoon vaijereilla vapaasti roikkumaan tai integroida alakattoon mikäli sellainen tulee toimistoon.

Esimerkkilaskelman mukaiset toimistohuoneet, joissa on alakattointegroidut grafiittipaneelit lämmitykseen ja jäähdytykseen.