CC BY
78
УДК 697.1
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ «ТЕПЛЫЙ ПОЛ» В УСЛОВИЯХ СИБИРИ И.Ю.Шелехов1, В.А.Янченко2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведен анализ различных систем «теплый пол», представлены результаты исследований эффективности их работы. Показано, что в условиях Сибири система «теплый пол» не может являться основной системой отопления, а пленочные системы «теплый пол» обладают большими технико-экономическими показателями. Ил. 2. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: напольное отопление; теплый пол; эффективность; отопительное оборудование.
APPLICATION FEATURES OF THE "WARM FLOORS" SYSTEM IN SIBERIA I.Yu. Shelekhov, V.A. Yanchenko
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The analysis of the various systems of "warm floors" is given; the study results of their working efficiency are presented. It is shown that under Siberian conditions the "warm floors" system can not be used as a main heating system, while the "warm floor" film systems have greater technical and economic indicators. 2 figures. 6 sources.
Key words: electric underfloor heating; warm floors; efficiency; heating equipment.
Системы напольного отопления в малоэтажной застройке в Восточно-Сибирском регионе и непосредственно в Иркутской области с каждым годом обретают все большую и большую популярность. Несмотря на то что системы «теплый пол» известны почти столько же, сколько существует отопление вообще, упоминания о системе теплых полов встречается в древнеримских термах (банях), где нагретый воздух проходил по специальным каналам в каменном полу. По разным источникам замечательный комфорт, который несут системы типа «теплый пол», человечество оценивает на протяжении от двух до пяти тысяч лет. До начала ХХ века в таких системах использовался нагретый воздух, который под действием естественной тяги проходил по каналам в полу, постепенно отдавая свое тепло гранитным плитам. В начале ХХ века с появлением насосов появились теплые полы с использованием нагретой воды.
В нашей стране до середины 90-х годов системы «теплый пол» как бытовой товар были совершенно неизвестны. Специалистов по конструкциям «теплых полов» можно было найти только в специализированных организациях, которые занимались проектированием жилого и промышленного фонда в северных регионах нашей страны. Данная система отопления относится к достаточно сложным инженерным системам, поэтому перед тем как выбрать принципиальное решение, необходимо обратиться к специалистам. Наибольшее распространение «теплые полы» нашли в странах Северной Европы (Финляндия, Швеция,
Норвегия, Дания) и в странах с достаточно теплым климатом, где температура не опускается ниже +5оС (Испания, Франция, страны Латинской Америки, Ближнего и Среднего Востока). Последние 10-15 лет распространение систем напольного отопления как в нашем регионе, так и по всей территории России идет с геометрической прогрессией. Сегодня квартира не может считаться не только элитной, а даже средней, если в ней нет «теплого пола» в ванной или кухне, а то и во всех помещениях.
Применение системы «теплый пол» в нашем регионе имеет свои особенности, не зная которых потребитель получает товар, не соответствующий ожидаемым требованиям. Используя такие системы, потребитель хочет иметь комфортную и экономичную систему отопления, при этом применение дополнительных отопительных приборов не подразумевается. Известно, что в основе напольного отопления лежат два физических принципа, которые ограничиваются физиологическими особенностями человека и выражаются конкретными значениями в соответствующих СНиПах и ГОСТах.
Первый физический принцип работы «теплых полов», который и обеспечивает максимальные условия комфортности, заключается в том, что наиболее теплый воздух оказывается внизу, а наиболее холодный - наверху. Распределение температур воздуха по высоте, свойственное системам «теплый пол», когда градиент температуры снизу вверх составляет 2оС, а при обогреве с помощью отопительных приборов в
1Шелехов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, докторант кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405474, e-mail: promteplo@yandex.ru
Shelekhov Igor, Candidate of technical sciences, Competitor for a Doctor's degree of the Department of Urban Planning and Eco nomy, tel.: (3952) 405474, e-mail: promteplo@yandex.ru
2Янченко Виктор Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405698.
Yanchenko Victor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Urban Planning and Economy, tel.: (3952) 405698.
лучшем случае 1оС сверху вниз, обеспечивает благоприятное восприятие человеческим организмом. Здесь вступает в действие физиология. Дело в том, что единственная часть тела, постоянно отдающая тепло путем теплопередачи - это поверхность ступней, поэтому касание ступнями поверхности, нагретой до физиологически комфортной температуры 25-28°С (большие температуры нежелательны по целому ряду причин), сразу же вызывает физиологическое ощущение комфорта, а относительно прохладный воздух на уровне головы - ощущение свежести. Практически никакой из распространенных сегодня тепловых приборов не создает уровня комфорта, сравнимого с системами «теплых полов».
Второй физический принцип, который используется в системах «теплый пол», это увеличенная площадь теплопередачи. По закону Ньютона количество отданной теплоты с поверхности, перегретой на температуру Дt по отношению к окружающему воздуху [1], равно:
О = a^tFn, (1)
где а - коэффициент теплопередачи; Дt - градиент температуры между окружающей средой и поверхностью пола; F - поверхность теплообмена; п - < 1 -коэффициент, учитывающий тепловые потери.
Площадь пола в помещении составляет от единиц до десятков квадратных метров, в то время как площадь теплоотдающей поверхности других отопительных приборов (радиаторов, конвекторов и т.д.) в лучшем случае составляет величину, близкую к квадратному метру. Благодаря этому «теплые полы» работают при весьма малом температурном перепаде, составляющем от нескольких градусов в помещении с установившимся тепловым режимом до десяти-пятнадцати градусов в режиме форсированного нагрева. В качестве элемента конструкции нагревательного прибора под названием «теплый пол» используется часть конструкции пола, что весьма эффективно с точки зрения экономии материалов, а самое главное - места в интерьере.
Но, несмотря на явные преимущества системы «теплый пол», есть ряд ограничительных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании. Основной фактор - это максимально допустимая температура на поверхности пола [2], которая не может быть больше 26 оС. Следующий фактор - это коэффициент теплоотдачи с поверхности напольного покрытия, который меняется в зависимости от градиента температуры и радиационного воздействия ограждающих конструкций. Для общих расчетов принимаются следующие величины: для горизонтального пола коэффициент теплоотдачи составляет 11-13 Вт/м2 °С, в то время как для потолка он равен 8-9, а для стен 1011 Вт/м2 °С.
Используя классические методики по определению коэффициента теплоотдачи, мы провели ряд натурных исследований, которые показали, что коэффициент теплоотдачи, близкий к 13 Вт/м2 °С при градиенте температуры 5°С, температуре наружного воздуха -22°С, был получен на расстоянии до 1 метра от
окна. В качестве напольного покрытия использовался матовый глазурованный керамогранит с металлизированной поверхностью, при других покрытиях это значение находилось в рамках от 7 до 10 Вт/м2 °С. В центре помещения, где отсутствует лучистое воздействие ограждающих конструкций, значение находилось в рамках от 3,4 до 4,7 Вт/м2 °С. Испытания проводились в водяных системах «теплый пол», изготовленных из полимерных труб, замоноличенных в бетонную конструкцию, и в системах с использованием греющего кабеля. В качестве испытуемых объектов была использована серия коттеджей, построенных предприятием ЗАО «Иркутсклесстрой» в районе деревни Хомутово. Измеренный коэффициент полезного действия [3,4]составил: для водяных систем 47-52%, для кабельного обогрева 64-69%. Кроме этого, необходимо учитывать, что не всю поверхность пола можно использовать для обогрева, обычно не менее 30% жилой площади используется под установку мебели. Причем, обычно мебель устанавливается как раз в тех местах, где система «теплый пол» работает с наибольшей эффективностью. Подставляя полученные значения в формулу (1), можно увидеть, что напольное отопление может обеспечить тепловой энергией жилые помещения на 25-40%. Поэтому применение систем «теплые полы» в нашем регионе следует производить с большой осторожностью и максимальным учетом климатических условий района строительства. Особенно это относится к индивидуальным жилым домам, поскольку у них отношение площади наружных ограждений к отапливаемой площади бывает значительно больше, чем в многоквартирных зданиях, а действующие нормы теплозащиты [4] часто игнорируются. В частности, может потребоваться дополнительное увеличение теплозащиты наружных ограждений здания или другие решения с целью уменьшения требуемой мощности системы отопления.
При выборе системы подогрева пола для своей квартиры или дома необходимо учесть множество факторов: необходимо учитывать то, что в нашем регионе такая система не может быть основной системой отопления, а также - имеется ли в достаточном количестве электрическая мощность, насколько «умный» термостат необходим, какова толщина пола в помещении. Также необходимо учитывать особенности помещения: первые и последние этажи здания, помещения с большим остеклением и с недостаточной теплоизоляцией (зимние сады, балконы, лоджии), комнаты, пол которых покрыт специальными материалами с большой толщиной или высокой теплоёмкостью (толстые плиты мрамора, гранита и т.п.) нуждаются в установке электрической системы подогрева большей мощности.
Для подогрева пола используются два основных вида: водяной и электрический. Водяной тип подогрева осуществляется или от централизованного источника или от автономного. В свою очередь, электрический вид подразделяется на кабельный и пленочный, так называемый, сверхтонкий теплый пол. Исходя из особенностей нашего региона, преимущественно используется электрический вид. Общая структура ка-
бельных теплых полов показана на рис. 1, где 1 - перекрытие, 2 - теплоизоляция, 3 - нагревательный кабель, 4 - цементно-песчаная стяжка, толщина которой не менее 30 мм, 5 - декоративное покрытие. Сверхтонкий тёплый пол укладывается без стяжки и клея, толщина при этом не более 3 мм. Электрическую систему подогрева пола обычно укладывают под кафельной плиткой, поскольку поверхность плитки воспринимается человеком как холодная, при этом плитка обеспечивает отличную теплопередачу. Также тёплый пол укладывается под мрамор, керамогранит. Деревянные полы и ковровые покрытия обладают значительно меньшей теплопроводностью, поэтому обычно не нуждаются в подогреве. К тому же дерево и ковры не подходят из-за того, что плохо передают тепло от нагревательного элемента в помещение, при этом могут возникать негативные эффекты (рассыхание дерева, выделение синтетическими коврами вредных веществ и т.д.).
Рис. 1
Применение плоских нагревательных элементов (ПНЭ) на полиамидной, стеклотекстолитовой или кар-боновой основе показало, что конструкции сверхтонких теплых полов работают эффективней. Несмотря на то что из-за небольшой массы конструкции измеренный по стандартным методикам КПД варьируется в пределах от 74 до 82%, коэффициент эффективности значительно превосходит все имеющиеся аналоги. Обоснование эффективности показано на рис.2. Кроме этого, обычные системы обогрева пола не могут корректно работать [5] с напольным покрытием типа ламинированный паркет по причине укладки ламината на специальную подложку, которая затрудняет теплопередачу кабельной системы обогрева. Вследствие
этого во много раз повышается непроизводительный расход электроэнергии. Для таких конструкций по разработанной нами технологии возможно изготовление специальных нагревательных систем, где греющий слой изготавливается на основе пластичных материалов. При использовании этой методики нагревательная система является одновременно и подложкой.
На рис. 2 изображены принципиальные конструкции электрических систем теплых полов - традиционные [6] на основе греющего кабеля и на основе ПНЭ, -где обозначено: t1,t2,t3,t4 - температуры поверхностей; d1,d2 - толщины теплопроводных слоев; F1 - площади теплопередающих слоев; q1,q2 - количество тепла (тепловой поток); m1 - тепловоспринимающая масса (человек).
Из рис.2 видно, что часть параметров удовлетворяет условию: F1=F1'; t1=t1'; t2=t2'; m1=m1'. Соответственно из условия однозначности температуры, материала, формы и площади греющих поверхностей количество тепла q1 =q1 '.
Для соблюдения этого условия к поверхности F1 и F1' должно поступать эквивалентное количество тепла. Используя уравнение (1), находим необходимое количество тепла:
Q1 = A1/ß1(t4-t1)F1 (Q1' = A1'/ß1'(t4'-t1')F1'), А/6 - термическое сопротивление, где А - коэффициент теплопроводности Вт/м°С; 6 -толщина слоя, м; соответственно имеем A1/61(t4-t1) = A1'/61'(t4'-t1), А1, А1' - теплопроводность теплоизоляции и напольного покрытия, где
А1/61 = 1/0,03 = 33,33; А1'/61' = 1/0,003 = 333,33, следовательно, À1/d1 = 0,1A1'/ß1' для сохранения равенства теплового потока при минимальном значении (t4'-t1') = 3 ^ (t4-t1) = 30. Температура поверхности ограничена значением 26°С, соответственно температура греющего слоя равна: t1 = t1', t4' = 29°С; t4 = 56°С, средняя температура конструкции составляет tcp = (56+26)/2 = 41°С; tcp' = (29+26)/2 = 27°С.
Имея прямую зависимость расхода электроэнергии от температуры, N1/N1' = tcp/t'cp = 1,5, что составляет уменьшение расхода электроэнергии на 33%.
Для сравнения потерь тепла в окружающую среду (воздух) принимаем потери тепла q2 и q'2 (по большей поверхности)
Q2 = ((t4 - tвозд)/I A/ß + 1/À2)F.
Рис. 2
При равных условиях по теплоизоляции I A/ß2 = I Ä/ß'2, коэффициенте теплопередачи A2 в окружающую среду и температуре воздуха tB = -20°С получим следующее приблизительное соотношение потерь: q2/q'2 = (t4-te)/( t'4-tв) = (56+20)/29+20) = 1,55, т.е. потери тепла в окружающую среду снижаются в 1,5 раза. Учитывая, что потери тепла составляют min 20% - это еще снижение расхода энергии на 7%. Приблизительное сравнение показывает, что применение
Библиограф
1. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1998.
2. СНиП 41.01 -2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2004.
3. ГОСТ Р МЭК 335-1 -94. Безопасность бытовых и аналогичных приборов. Общие требования и методы испытаний.
ПНЭ в электрических системах «теплый пол» снижает расход электроэнергии на 40% (33+7).
При натурных испытаниях в однозначных условиях получены результаты того же порядка, кроме этого, установлено, что система отличается низкой инерционностью, что существенно сказывается на параметрах микроклимата. По сравнению с однотипными системами себестоимость конструкций с ПНЭ снижается более чем в 3 раза.
ский список
4. ГОСТ Р МЭК 60335-2-30-99. Безопасность бытовых и аналогичных приборов. Дополнительные требования к комнатным обогревателям и методы испытаний.
5. СНиП 2.08.01 -89*. Жилые здания / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1999.
6. Богословский В.Н. Строительная теплофизика: учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.
