חימום תת רצפתי

נושא חימום הבית נמצא על סדר יומם של ארגונים "ירוקים", ושל גופים ממשלתיים, משרדי אנרגיה ואיכות סביבה.

לצריכת אנרגיה יש השפעה עצומה על איכות הסביבה, כדי לייצר אנרגיה אנחנו בד"כ שורפים דלק בתהליך המשחרר לסביבה גזים, קצתם רעילים ורובם תורמים לאפקט החממה. לפי סקר משרד האנרגיה האמריקאי כ- 15% מצריכת האנרגיה בארה"ב מושקעת בחימום בתי מגורים. הערכים ברוב ארצות המפותחות דומים למדי.

בישראל צריכת האנרגיה לחימום קטנה יותר, תודות לאקלים החם, אך עדיין תקציב החימום הוא מרכיב נכבד בהוצאות משק הבית ובהוצאות המגזר העסקי, חנויות, משרדים, מלונות בתי חולים ועוד.

פוטנציאל גדול לחיסכון קיים בשלושה מסלולים מקבילים: האחד שיפור בידוד הבית, השני שיטת החימום והשלישי מקור האנרגיה לחימום. בפרסומים שונים של ארגונים "ירוקים" זוכה שיטת החימום תת-רצפתי להמלצה בתור השיטה המועדפת – במאמר זה אנסה להסביר מדוע. ואתייחס לשלושת מסלולי החיסכון הללו.

מכיוון ורוב הארצות המפותחות הן בעלות מזג אויר קר מאשר בישראל, נדמה ששימוש בטכנולוגיה מערבית לחורף ישראלי עונה על הצרכים. ההבדלים במקורות האנרגיה, באקלים, במחירים, בחומרי בניה, דרישות תכנון שונות, ומסורת בניה שונה עלולים לגרום לכך שמערכת יעילה באירופה או יפאן תהיה לא מוצלחת בישראל. למרות כל אלו - גם בישראל חימום תת-רצפתי הוא בד"כ השיטה היעילה ביותר.

מערכת חימום תת-רצפתי מיושמת ע"י מערך של צינורות מים חמים או גופי חימום חשמליים ברצפה, קרוב לפני הריצוף. מתחת לצנרת או גופי החימום יש שכבת בידוד. התקנת החימום התת-רצפתי חייבת להתבצע לפני הנחת הריצוף ולכן אפשר להתקינה רק במהלך בניית הבית, בבית קיים זהו תהליך הכרוך בהחלפת הריצוף. חימום המים בצנרת החימום תת-רצפתי נעשה באמצעי מהסוג המשמש למערכות הסקה. אם החימום תת-רצפתי מיושם באמצעות גופי חימום החשמליים, אלו יהיו מחוברים לנקודת חשמל בחדר המחומם.

יתרונות וחסרונות - קל למצוא רשימת יתרונות של חימום תת-ריצפתי, נראה שנכתבו ע"י מי שקשור לספקי מערכות כאלו. ברשימה דלהלן מנויים גם יתרונות שהמשווקים השמיטו, וכוללת גם מגבלות וחסרונות.

יתרונות

1. תחושת הנוחות התרמית תלויה גם בטמפרטורה האויר וגם בטמפרטורה של הקרינה, הנוחות התרמית הטובה ביותר מושגת אם שני הערכים האלו שווים. חימום תת-רצפתי גם מחמם את האויר וגם מקרין חום בחדר, שניהם במידה שווה (1).

2. מערכת חימום תת-רצפתי שולטת בו זמנית גם בטמפרטורה האויר וגם בקרינה, ז"א שהפרמטר המבוקר הוא הפרמטר שנחוץ לדייר – תחושת הנוחות התרמית. הדבר נכון הן במערכות חשמליות בהן הבקרה היא של הזרם בכבלי החשמל והן במערכות מים בהם הבקרה היא של זרימת המים או של הטמפרטורה שלהם (2)

3. אדריכלות ויופי – כל אמצעי החמים האחרים יוצרים הפרעה לשימוש בחדר או לריהוטו, החימום תת-רצפתי נסתר ובד"כ גם אינו גוזל מהגובה נטו של החדר.

4. תנועת אויר איטית - מבין שיטות החימום השונות, מזגן ותנור-מאוורר (Fan Heater) גורמים לתנועת אויר מרבית, פחות מהם קמינים ותנור גז ונפט, עוד פחות רדיאטורים וקונווקטורים ואילו בחימום תת-רצפתי היא הנמוכה ביותר. הגורם הקובע את מהירות האויר הוא מידת הצורך באוורור החדר. לתנועת האויר יש שתי השפעות: האחת, ככל שתנועת האויר מהירה יותר החימום פחות יעיל (מאורר בקיץ עוזר לנו להרגיש פחות חם) וגם פחות נעים. ההשפעה השניה תחושת יובש – ראה בפסקה הבאה.

5. כל חימום גורם לייבוש האויר, החימום תת-רצפתי מייבש את האויר פחות מאשר אמצעי החימום אחרים, רק תנורים פתוחים, קמינים ותנורי נפט או גז מיטלטלים מייבשים את האויר פחות ממנו, משום שהגזים שהם פולטים מכילים אדי מים. לחות נמוכה מקטינה או מונעת עיבוי על החלונות, בתוך הקירות ובתוך חלל הגג. אולם לחות נמוכה מ- 40% גורמת לעליית חלקיקי אבק ואלו מצידם גורמים לתחושת יובש ולעקצוץ בדרכי הנשימה. תנועת חלקיקי האבק מוגברת ככל שתנועת האויר מהירה יותר. וכאמור בפסקה הקודמת חימום תת-רצפתי מניע את האויר לאט יותר מכל שיטה אחרת.

6. רוב או כל שטח הרצפה של החדר משמש כגוף חימום, זהו למעשה רדיאטור גדול וכתוצאה הטמפרטורה בחדר אחידה בכל שטחו. לכאורה זהו חסרון, לו בחדר היה רדיאטור היינו מניחים את התינוק לידו, אבל אז התינוק היה סובל מכך שהטמפרטורה סביבו לא אחידה.

7. פילוג הטמפרטורה לגובה החדר הוא כזה שהטמפרטורה המרבית היא על הרצפה וסמוך אליה והטמפרטורה יורדת עם גובה החדר. סקרי נוחות תרמית מצביעים על כך שמרכיב חשוב בנוחות הוא אחידות בטמפרטורה בכל הכיוונים, במיוחד לא נוח המצב בו הטמפרטורה בגובה הראש גבוהה מזו שבגובה הקרסוליים, ההיפך דוקא לא. האמרה העממית "אם חם ברגליים חם בכל הגוף" מייצגת אמת שאושרה במחקרים (3) אדם שוכב זקוק ליותר חום מאשר יושב, ואדם הולך זקוק לעוד פחות חום, כאן לחימום התת-רצפתי יתרון עצום, משום שאדם שוכב גם חושף שטח גדול יותר מול מקור החום וגם קרוב יותר לחום, ולהיפך לגבי אדם עומד או הולך. לתופעה הזו יש רווח גדול במיוחד במוסדות רפואיים או בתי אבות. החום שהדייר או המאושפז זקוק לו – חם מדי עבור סגל בריא ועובד.

8. פילוג הטמפרטורה האופייני לחימום תת-רצפתי תורם ליעילות, שהרי החום השורר בחדר מעל גובה הראש אינו מועיל לנו אבל אנחנו משלמים עבורו.

9. חלק גדול יותר של המסה התרמית (לאמור קיבול החום) של הבנין מופעל ע"י החימום תת-רצפתי. ובזכות זאת הטמפרטורה יציבה לאורך הזמן. המערכת לא רגישה להפסקות בפעולתה, אם בגלל הפסקת חשמל, או שינויים אחרים.

10. מרגע שהחדר הגיע לטמפרטורה הרצויה, גם ירידה פתאומית בטמפרטורה הסביבה לא תגרום לצריכת אנרגיה מוגברת כי המסה התרמית מייצבת את הטמפרטורה.

11. אין צורך במתקנים בתוך השטח המחומם, החיבור אל המערכות בחוץ פשוט ונוח.

12. מערכת החימום סגורה ואטומה מתחת לרצפה – אפשר לשטוף, לנקות ולחטא. יתרון חשוב בבתי-מלון, מוסדות רפואיים וכד`. גם בבית פרטי מקל על הניקיון.

13. ספיקות אויר נדרשות נמוכות - רק מה שנחוץ לאוורור, ולכן :

13.1. מעט הפסדי חום לסביבה.

13.2. מקל על מיגון בפני טרור ביולוגי

13.3. אין הפרעות לשילוב עם מסנני אויר, מוסיפי לחות וכד`

14. מערכת שקטה לחלוטין, אפילו יותר מרדיאטורים.

15. ניתן להפעלה ע"י מספר סוגי תשתיות : חשמל, מים חמים.

16. הטמפרטורה של גופי החימום נמוכה, אין צורך בדיוק ובאחידות של הטמפרטורה - התכונות האלו מזמנות מגוון אפשרויות הפעלה ע"י מערכות חסכוניות וידידותיות לסביבה – על כך בפרק נפרד.

17. שכבת הבידוד אותה חייבים ליישם מתחת לחימום התת-רצפתי תורמת לבידוד האקוסטי (לא תמיד, תלוי בסוג החומר, ומותנה בהעדר מרווחי אויר)

חסרונות

1. יקר בהתקנה.

2. זמן תגובה איטי, כשעה עד ארבעה שעות עד הגעת המערכת לטמפרטורה הרצויה. אם הגעת הביתה ביום חורף קר, לאחר מספר ימי העדרות מהבית, השאר את המעיל עליך.

ולהיפך, אם שמש חורפית בהירה מחממת את הבית דרך חלונות גדולים, בבית יהיה חם מדי.

3. מועד התקנה - אפשרית רק לפני הריצוף, ז"א או במהלך הבניה או כחלק מתהליך של החלפת הריצוף.

4. הנחת שטיח או רצפת פרקט מורידה את היעילות משום שהשטיח או הפרקט בהיותם מבודדים מקטינים את זרימת החום לחדר.

5. קושי בהתקנה – בהשוואה לשיטות חימום אחרות :

5.1. ההתקנה פשוטה יותר מאשר מערכת מיזוג. השוואה למזגן, במזג אויר ים-תיכוני היא בד"כ לא רלוונטית, כי את המיזוג ממילא מתקינים עבור הקיץ, וכעת כאשר יש לנו מזגן כדאי להשתמש בו גם בחורף (כאן המקום להעיר שיישום נכון של חימום באמצעות אויר חם צריך לכלול תעלות המוציאות את האויר החם סמוך לרצפה, דבר נדיר בישראל).

5.2. קשה יותר להתקנה מאשר רדיאטורים.

5.3. בד"כ מסובך יותר מאשר קמין (תנור עם ארובה), תלוי באופי המבנה ובחלוקה הפנימית.

5.4. הפשוט ביותר אלו אמצעי חימום מיטלטלים כגון רדיאטור חשמלי נייד.

6. המערכת גורמת להגבהת הרצפה, ז"א להפסד בגובה נטו של החדר. גובה הריצוף ללא חימום תת-רצפתי מוכתב למעשה ע"י מספר פריטים בודדים, למשל מקום הצטלבות של שני צינורות. ניתוב מושכל של צנרת החימום תת-רצפתי יעקוף את אותן הנקודות, ואם יש צורך אפשר גם לבצע חתך מקומי בשכבת הבידוד. כך שבד"כ לא יגרע מגובה החלל.

7. תיקון הצנרת או גופי החימום מחייב הרמת הריצוף. המערכת רגישה לפגיעות במיוחד בפרק הזמן שבין הנחת הצנרת או הכבלים ועד גמר הריצוף. גם לאחר גמר הריצוף, קידוח ברצפה עבור מעצור לדלת או עבור מסלול למחיצת גבס, עלול לגרום לתקלה שקשה לאתר ולתקן.

8. בארצות קרות הרצפה נדרשת להיות בטמפרטורה של מעל ºC30 , דבר המעודד התפתחות פטריות והזעה בכפות הרגליים. התופעה הזו, הנחשבת באירופה ובצפון אמריקה לחסרון חמור של החימום תת-רצפתי, כמעט ולא קיימת בארץ, לפחות לא בבית המבודד לפי התקן.

9. בהתקנה מתחת לפרקט, יש לוודא אצל ספק הפרקט שאכן הפרקט מתאים להתקנה כזו. אם החימום התת-רצפתי מותקן מתחת לרצפה העשויה מעץ הכרחי שהעץ יהיה יבש לחלוטין, אחרת הרצפה תתעוות.

מה עדיף חשמלי או מים ? יתרונות מערכת מים :
1. קל יותר לתמרן עם צינורות מים מאשר עם יריעות חימום חשמליות - כדי להמנע מחפיפה עם צינור אחר העלול לגרום להגבהת הריצוף,כבלי חשמל נוחים יותר לתמרון מאשר צינורות מים.
2. קל יותר לתת מכת חום במים כדי לחמם במהירות בית קר (אם חימום המים נעשה באמצעות גז או סולר).
3. אפשר ניצול תשתית קיימת של הסקה ברדיאטורים. התקנת חימום תת-רצפתי חשמלי בבית קיים מחייבת בד"כ הוספת הספק ללוח החשמל הדירתי, והוספת מעגלי חשמל (שומרי שבת ירצו הפרדה בין מעגלי החשמל לחימום ובין אלו לתאורה).
4. מבחר זמין של אפשרויות לחימום המים כולל : תנורי הסקה ("יונקרס") הפועלים על גז, נפט או סולר, משאבת חום, מחמם מים מעבה (Condensing Boiler), מים ממערכת קרור של גנרטור, וגם דוד חשמל.
5. מחירי החשמל כיום, קיץ 2009, דומים לאלו של גז וסולר (יש טווח רחב למחירי הסולר והגז). אולם שיקולים כלכליים ארוכי טווח מצביעים על כך שחשמל לחימום צפוי להיות יקר מאשר גז או סולר (חברת החשמל שורפת דלק, החום המופק מומר לאנרגיה מכנית זו מומרת לאנרגיה חשמלית – כל המרה כרוכה בהפסד, תנור ההסקה הביתי מפיק ישירות חום).

יתרונות מערכת חשמל
1. בקרה יעילה ופשוטה.
2. התקנה פשוטה יותר.
3. אין מערכות חיצוניות "יונקרס" וכד`.
4. אין כמעט צורך באחזקה.
5. בזכות קיבול החום של הרצפה, אפשר לנצל תעריפי חשמל זולים בשעות מסוימות (תעו"ז) – היתרון הזה קיים במידה חלקית, גם בחימום ע"י צנרת מים תת-רצפתית, כי ניתן לחמם את המים באמצעות דוד חשמל.
6. רגישות נמוכה לאיכות החשמל - אי אחידות בעצמת המתח, בתדר או בזרם אינם פוגעים בחימום. מקנה אופציה לשימוש במקורות חשמל אלטרנטיביים זולים (מחייב מערכת בקרה מתאימה, כי הבקרים המקובלים בשוק מתוכננים לפעול בחשמל באיכות של חברת החשמל)
7. עובי יחידה עם כבלי חשמל קטן יותר מאשר קוטר צנרת מים, כך שתוספת הגובה המתקבלת יתכן ותהיה נמוכה יותר. ראה סעיף 6 ברשימת החסרונות דלעיל, וסעיף 1 ברשימת יתרונות מערכת מים.
8. קל למנוע אי אחידות בפיזור החום, וזאת ע"י הנחת רשת צפופה של כבלי חשמל, במערכות מים- קורה לעיתים שמורגש פס קר ליד פס חם, אפשר לפזר את החום באופן אחיד ע"י הצמדת פסי מתכת לצינורות, הפתרון הזה לא מקובל בארץ.

ניצול יעיל של מקורות אנרגיה חסכוניים עבור מערכות חשמליות

ראה סעיפים 5 ו-6 בפרק יתרונות מערכת חשמל.

כפי שכבר הוזכר המסה התרמית (לאמור קיבול החום של הרצפה) מאפשרת אגירת חום בשעות בהן מחיר החשמל נמוך (ראה באתר חברת החשמל, תעריף תעו"ז), ולאגור את החום לשעות היקרות יותר, ובחורף אלו שעות הלילה (23 עד 06, בשבתות וחגים 22 עד 17).

הפקת חשמל מגנרטור-דיזל קטן יקרה יותר מאשר הפקת חשמל ע"י חברת החשמל, אולם חוק החשמל מחייב לקוחות גדולים לשלם לפי תעריף תעו"ז, וזה, בשעות השיא (בחורף 17 עד 22), יקר פי שתיים לערך מהתעריף הביתי הרגיל ויקר פי 4 מאשר תעריף השפל, ולכן לקוחות רבים, במיוחד אם הם ממילא קונים גנרטור לשעת חרום, מפעילים את הגנרטור בשעות השיא וזאת ע"מ לחסוך בהוצאות החשמל. חיבור חימום תת-רצפתי חשמלי לגנרטור כזה הוא פשוט ואינו מצריך אמצעי חיבור יקרים (צרכנים כמו תאורה, מיזוג, מחשבים וכד` דורשים מעבר חלק מאספקה ע"י חברת החשמל לאספקה מגנרטור, וזה נעשה באמצעות מערכת מיתוג וסנכרון מסובכת ויקרה)

אנרגית השמש (תאים סולריים) או תחנת רוח - אחד המרכיבים הבעייתיים במקורות אנרגיה אלו, והגורם העיקרי לזיהום הסביבה שהן יוצרות, הם ממירי המתח והמצברים, מכיוון וגופי חימום חשמליים אינם רגישים לאיכות אספקת החשמל, אפשר בעזרת מערכת מיתוג ידנית פשוטה להתחבר ישירות למקור האנרגיה ולנצל אותו בשעות הרוח או השמש. הפוטנציאל הכלכלי לא מנוצל עדיין, פה ושם יש מערכות מאולתרות – למשל: חיבור `דינמו` (דוקא `דינמו` ולא אלטרנטור) ישן של משאית לכנפי תחנת רוח מצד אחד ולגופי חימום בדירה מהצד השני, ככל שהרוח גוברת, גובר החימום בדירה.

ניצול יעיל של מקורות אנרגיה חסכוניים - עבור מערכות העובדות עם מים

האמור בפרק הקודם לגבי מערכת חשמלית, נכון גם לגבי מערכות הפועלות עם מים, אם מחממים את המים באמצעות דוד חשמל. אלא שדוד חשמל מאבד אנרגיה לסביבה ולצנרת המוליכה מהדוד לחדרים ובנוסף יש צורך במשאבה, וזו רגישה לאיכות החשמל, ז"א מערכת חשמלית `טהורה` יעילה יותר מאשר שילוב צנרת מים עם דוד חשמל.

כפי שמלמד אותנו חוק קרנו ככל שהטמפרטורה הנצרכת נמוכה יותר יעילות הפקת האנרגיה גבוהה יותר.

מערכת חימום תת-רצפתי זקוקה למים בטמפרטורה. של כ- Cº30, וזו טמפרטורה מאד נמוכה במונחים של נצילות ויעילות.

הטמפרטורה הנמוכה מאפשרת כמה דברים
1. מעט הפסדים בצנרת המוליכה את המים.
2. יש אפשרות להשתמש בדוודי עיבוי (לא מקובל בארץ).
3. אפשר להשתמש במשאבות חום, משאבת חום פועלת על חשמל נותנת יותר קלוריות לכל שקל מאשר אמצעי חימום חשמליים אחרים (ליחס בין תפוקת הקלוריות של משאבת חום לתפוקה של מכשיר חימום חשמלי רגיל קוראים COP), משאבת חום של מזגן ביתי מסוגלת לחמם מים עד ל- Cº50 , ערך זה נמוך מדי עבור מערכות הסקה רגילות, אך בהחלט מספיק עבור חימום תת-רצפתי.
4. אפשר לרתום את אנרגיה השמש באמצעות קולטים כמו אלו של דוד-שמש ביתי, ואלו זולים בהרבה מאשר תאים סולריים ומערכת ההמרה והצבירה הקשורים אליהם.
5. בפרק על מערכות חשמליות התייחסתי לגנרטור לשעת חרום, יצרני הגנרטורים מציעים שילוב עם מערכת חימום מים, ע"י העברת חום באופן ישיר מהרדיאטור של הגנרטור וע"י החלפת חום עם המפלט, ככל שטמפרטורה המים הנצרכים נמוכה יותר היעילות האנרגטית של העברת החום טובה יותר, וכך הגנרטור מספק חשמל לתאורה ולמכונות ובנוסף מים חמים להסקה. במקומות שונים בעולם וגם בישראל (4) נבדקת האפשרות לאספקה מרכזית של מים חמים להסקה לשכונות הסמוכות לתחנות כח – במקום לשפוך לים את מי הקרור של מתקני התחנה, או במקום מגדלי קרור, אפשר להזרימם למערכות הסקה ביתיות (5) ככל שהצרכן מסתפק בטמפרטורה נמוכה יותר, היקף השימוש והיעילות גדולים יותר.
6. ואחרון אחרון חביב – אפשר לנצל אנרגיה גיאותרמית, הרעיון המיושם במקומות רבים בעולם הוא שבמקום לשאוב חום מהאויר, אשר בלילות חורף ירושלמי עלול להיות כמה מעלות מתחת לאפס, שאיבת החום היא מעומק של כמה מטרים באדמה, שם, גם בסוף החורף, הטמפרטורה אינה נמוכה מ- 15 מעלות (כך המצב הרי ירושלים). במשך החורף האדמה תקרר עקב שאיבת החום, הקור הזה יועיל לאותה משאבת חום עצמה בתפקידה כמזגן בקיץ.

סיכום

חימום תת-רצפתי הינו שיטת החימום הנעימה והחסכונית ביותר, חסרונה הגדול הוא התגובה האיטית, ולכן היא יעילה רק במקומות שהם גם קרים וגם מאוכלסים ברציפות לאורך זמן, ולכן לא מומלץ לחנויות ומשרדים. במישור החוף - בו גם בחורף יש ימים חמים רבים וגם מתקינים מיזוג - הכדאיות נמוכה. חימום תת-רצפתי חשמלי זול יותר להתקנה, ופשוט יותר לאחזקה מאשר מערכת עם מים, אבל עלויות ההפעלה גדולות יותר, התגובה מעט איטית יותר והתרומה לזיהום הסביבה רבה יותר.

ASHRAE Handbook – Fundamentals, Ch.8 Thermal Comfort, 2005

2. ASHRAE Handbook – HVAC System and Equipment, Ch.6 Panel Heating and Cooling, 2004

3. ASHRAE Handbook – Fundamentals, Ch.8 Thermal Comfort, 2005

4. ftp://ftp.technion.ac.il/pub/supported/golant/16.pdf

5. http://www.chpa.co.uk/
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Cogeneration

יוסי לאור

מהנדס מערכות. המוטו שלי: מהנדס טוב, לא יודע כלום, ולא צריך לדעת כלום. כאשר לפניו נושא הנדסי, הוא יודע כיצד למצוא את המידע הרלוונטי, ללמוד, להבין וליישם באופן מוצלח.

yf.laor@gmail.com