CC BY
115
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 697
СОВРЕМЕННЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ОТОПИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОГО ПОЛА
© 2013 г. И.Л. Верховинский, Е.Ю. Яблонский, А.В. Бундикое
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Статья посвящена решению задачи энергосбережения путем применения теплого пола в качестве основного элемента отопления помещений. Рассмотрены виды и структуры отоплений теплым полом. Приведены и обоснованы преимущества теплого пола над традиционным радиаторным отоплением.
Ключевые слова: теплый пол; водяной теплый пол; электрические отопительные системы пола; радиаторные системы; коэффициент теплоотдачи; гидравлическое сопротивление.
The article is devoted to the solving a problem of the power saving by means of application of the heat-insulated floor as the basic component in the heating of premises. The kinds of heating by the heat-insulated floor and it's structure are examined. The advantage of the heat-insulated floor over the traditional radiator heating are resulted and substantiated. The power efficiency of it is demonstrated.
Keywords: heat-insulated floor; water floor heating; electric floor heating systems; radiator systems; heat emission coefficient; flow resistance.
Проблема энергосбережения сегодня актуальна во всех российских регионах. Пристальное внимание потребителей к теме энергосбережения или экономии энергоносителей обусловлено постоянным ростом цен на все виды энергоресурсов. Поэтому создание наиболее энергоэффективной системы отопления является одной из приоритетных задач, возможным решением которой будет применение теплого пола в современных системах отопления.
На сегодняшний день традиционные радиаторные системы отопления малоэффективны и имеют ряд недостатков:
- обладают высокой неравномерностью распределения тепла, вследствие чего могут доставлять дополнительные неудобства человеку;
- чрезмерные потери тепла в помещениях с высоким уровнем потолка;
- являются высокотемпературными, вследствие чего воздух насыщается положительными ионами;
- имеют высокий уровень конвекционного теплообмена, что приводит к запыленности помещений;
- не позволяют в полной мере использовать полезную площадь помещения.
Применение теплого пола в качестве основного отопления позволяет устранить вышеуказанные недостатки и более эффективно использовать имеющееся котельное оборудование.
Пользуясь законом Ньютона - Рихмана, можно определить теплопередачу возможных поверхностей нагрева в помещении:
0 = ШFт,
где а - коэффициент теплоотдачи, ——; At = tн - tс-
м К
температурный напор, К; F - площадь поверхности, м2; г - единица времени при единичном температурном напоре, с.
Функция процесса теплоотдачи а - расчетная величина, определяемая экспериментальным путем, которая зависит от следующих критериев:
- вида теплоносителя и его температуры;
- температурного напора, вида конвекции и режима течения;
- состояния поверхности и направления обтекания;
- геометрии тела.
Коэффициент теплоотдачи для поверхностей помещения различен: для пола а = 1Н13 Вт/(м2К), для потолка а = 8^9 Вт/(м2К), для стен а = 10^11 Вт/(м2К). Площадь пола в помещении соизмерима с его размерами, следовательно, температура обогрева от отопления теплым полом распределяется равномерно.
Согласно СНиП 41-01-2003, п. 6.5.12, средняя температура поверхности теплого пола должна составлять [1]:
- для помещений с постоянным пребыванием людей - 26 °С;
- для помещений с временным пребыванием людей и обходных дорожек плавательных бассейнов - 31 °С;
- температура поверхности пола по оси нагревательного элемента в детских учреждениях, жилых зданиях и плавательных бассейнах не должна превышать 35 °С;
- перепад температуры на отдельных участках пола не должен превышать 10 °С (оптимально 5 °С). Температура теплоносителя в системе теплых полов не должна быть больше 55 °С.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что температура в комнате может быть снижена на 2-3 °С по сравнению с традиционными радиаторами, без изменения в ощущении тепла человеком. Снижение температуры на 2 - 3 °С обеспечивает сбережение потребляемой энергии для пользователя около 12 - 15 %, а в помещениях с высокими (более 3 м) потолками - до 50 % и выше.
На сегодня существует два основных вида теплых полов: водяной и электрический.
Водяной теплый пол обладает следующей структурой: первым идет гидро- и теплоизолирующий слой, укладываемый на ровное основание, поверх которого проложены прочные пластиковые или металлопласти-ковые трубы, не подвергающиеся коррозии, для подачи теплоносителя, залитые сверху бетонной стяжкой.
В настоящее время разработаны легкие сборные системы водяного напольного отопления, не требующие заливки бетоном. Укладка труб может быть различной конфигурации, но главной ее задачей является равномерное покрытие нужной поверхности пола. Расстояние между трубами греющего контура определяется требуемой температурой в помещении. В квартирах применение водяного теплого пола допустимо при подключении через теплообменные узлы, которые специально рассчитываются таким образом, чтобы не нарушать гидравлическую целостность центральной системы отопления. Нужные параметры системы необходимо определять на основании теплотехнических расчетов. Температура в помещении регулируется с помощью автоматических термостатов, получающих команды от датчиков температуры пола или воздуха в помещении.
В электрических отопительных системах нагревательным элементом служит многослойный кабель высокого сопротивления. В качестве изоляции и одновременно нагревающей поверхности применяется ПВХ-материал, устойчивый к температуре более +100 °С, когда максимальная температура электропроводника составляет +65 °С и средняя температура такого теплого пола не превышает +25-30 °С, что исключает опасность пожаров или травмирования людей. В помещении с повышенной влажностью необходимо использовать экранированный кабель, в котором экраном служит обычная медная или стальная пленка, обеспечивающая безопасность системы в случае повреждения, так как заземленный экран принимает на себя удар тока и предотвращает возгорание строительных материалов, поражение человека и т.д., гасит электромагнитные излучения, неминуемо возникающие в любом электропроводе.
Основные различия между отоплением водяными теплыми полами и электрическим теплым полом состоит в следующих характеристиках систем:
1. Более высокая стоимость обогрева небольших помещений площадью менее 50 м2 водяным теплым
полом в связи со значительным влиянием стоимости распределительного коллектора и котла. Поэтому в помещениях малой площадью более целесообразно использовать электрический теплый пол.
2. На финансовые затраты отопления помещений большой площадью в большей мере начинает влиять стоимость потребляемых энергоресурсов, среди которых природный газ является более дешевым ресурсом, поэтому более экономично использовать водяной способ отопления теплым полом.
3. Для водяных теплых полов необходимо минимальное электроснабжение, возможна временная работа от аккумуляторов. Электрические полы в этом случае более капризны, так как при отсутствии электричества такая система отопления работать не будет.
4. Установка электрического пола требует использования датчика (термостата) внутри помещения. Водяные теплые полы не требуют установки такого датчика, но в то же время требуется дополнительное место для котла, насосов и распределительных коллекторов.
5. Существует вероятность поражения электрическим током от электрического теплого пола при повреждении участка одной из линий, отключение всей системы, ее ремонта и замены поверхности пола до десяти квадратных метров. Повреждение водяных теплых полов приводит к утечке теплоносителя, которое устраняется отключением поврежденного контура и заменой небольшого фрагмента пола 15 - 30 см2.
Работа системы отопления теплым полом напрямую зависит от напольного покрытия. Она используется практически с любым видом покрытия, за исключением теплоизоляционных материалов, таких как пробка и утепленный линолеум, так как они имеют слишком маленькую теплопроводность, но при невысоких отопительных нагрузках возможно применение и вышеуказанных материалов. Для чистового настила пола рекомендуется использовать материалы с высокой теплопроводностью, которые приведены в таблице.
Теплопроводность различных покрытий тёплого пола
Настил Теплопроводность, Вт/(м-К) Рекомендуемая температура эксплуатации, °С
Бетон 1,7 33
Кафельная плитка 2,0 33
Ламинат 0,29 27
Паркет 0,17 27
Линолеум 0,23 27
Фанера 0,13 27
Пенополистирол 0,04 32
Картон строительный многослойный 0,13 32
Пенобетон 0,30 32
Утепленный линолеум 0,38 35
Пробка 0,045 35
Средняя температура теплоносителя в контуре тёплых полов определяется согласно методике [3], которая не учитывает теплопотери в стенках трубы и на её внутренней поверхности:
Тср Тпл + 2 <
7 ^сл),
где Тпл - средняя температура поверхности пола, оС; q - удельная тепловая нагрузка (тепловой поток), Вт/м2; 5сл - толщина слоя каждого слоя над трубой, м;
- коэффициент теплопроводности материала каждого слоя, Вт/(м-К).
Получив среднюю температуру теплоносителя с помощью приведённого ниже графика (рисунок), можно подобрать оптимальное расстояние (шаг) между трубами и предварительный диаметр труб.
таллопластиковые, полипропиленовые, медные) трубопроводы. Для определения линейных потерь давления найденное значение умножаем на длину трубы контура.
Потери на местные сопротивления в контуре определяются по формуле
АР = pZv2 / 2,
где Z - коэффициент, который определяется как произведение количества отводов (поворотов трубы) на коэффициент местного сопротивления отвода, равный 0,5. Сложив две вышеуказанных составляющих, получим полные гидравлические потери контура.
ШАГ 300 ШАГ250 ШАГ 200
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Y.K' 1Ы1Ы11 К'П.ЮПОП ноюк, Вт/м'
100 110 120 130 140 150 160
2
График зависимости удельного теплового потока от средней температуры теплоносителя (при толщине стяжки 70 мм, температуре воздуха в помещении 18 оС, при покрытии пола керамической плиткой)
Температура в подающем и обратном трубопроводах контура тёплого пола определяется по уравнению
Тп = Тф ± Д/2 ,
где Д1 - перепад температур подающего и обратного трубопроводов.
Определение расхода теплоносителя в контуре тёплого пола рассчитывается по формуле
G = 0 / (4187ДГ),
где 0 - полная, либо частичная (в варианте совмещённой системы отопления) тепловая нагрузка помещений.
Скорость движения потока теплоносителя в контуре:
V = 1,274 G
' (^вн2р),
где G - расход теплоносителя в контуре тёплого пола, кг/с; dвн - внутренний диаметр трубопровода, м; р -плотность теплоносителя при требуемой температуре, кг/м3.
Линейные потери давления определяются в зависимости от скорости теплоносителя и диаметра трубопровода по номограммам потерь давления [2]. Обычно производители предоставляют технические данные на производимые ими трубопроводы, в состав которых входят номограммы потерь давления. В настоящее время часто используют схожие по типу (ме-
Полученное значение не должно превышать 20 кПа, что позволит избежать эффекта, когда увеличение производительности насоса системы тёплых полов пропорционально увеличивает гидравлические потери в контуре.
В случае, когда тёплые полы устраиваются в нескольких помещениях, для расчёта средней температуры теплоносителя берётся помещение с наибольшей удельной тепловой нагрузкой. Другие помещения рассчитываются уже с заданной средней температурой теплоносителя.
Для снижения гидравлического сопротивления контура за счёт сокращения длины можно один контур разбить на несколько контуров. При анализе длины трубопроводов контуров следует учитывать длину трубы в упаковке во избежание больших остатков трубы. Желательно, чтобы потери напора в контурах не сильно отличались.
Максимальный шаг трубы не должен превышать 0,3 м. При превышении этой величины появляется так называемый эффект полосатости пола, когда разница температур над трубой и в середине шага труб заметно отличается. Неравномерность прогрева поверхности пола сильно выражена.
Выводы
1. Проведен анализ различных систем отопления пола.
сл
2. На основании расчетов приведен график зависимости удельного теплового потока от средней температуры теплоносителя, расстояния между трубами и предварительного диаметра труб.
3. Приведены рекомендации по выбору различных материалов при покрытии теплого пола, в зависимости от назначения помещения.
Литература
1. СНиП 41-01-2003, п. 6.5.12. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой России. М., 2003.
2. СП 41-102-98 п. 3.5а. Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металло-полимерных труб. М., 1993.
Поступила в редакцию 9 октября 2012 г.
Верховинский Иван Леонидович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 55-4-22.
Яблонский Евгений Юрьевич - студент, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (863-52) 55-2-18.
Бундиков Александр Викторович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 55-2-18.
Verkhovinskij Ivan Leonidovich - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 55-4-22.
Jablonskij Eugenij Viktorovich - student department «Thermal Power Stations and Thermal Engineering» South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (863-52) 55-2-18.
Bundikov Alexander Viktorovich - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 55-2-18.
