CC BY
29
УДК 697.1
СОЗДАНИЕ КОМФОРТНОСТИ В ПОМЕЩЕНИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ «ТЕПЛЫЕ ПОЛЫ»
П.В. Корниенко
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Бвлмеде жанга жайлы болу ушш температураныц оцтайлы таралуы керек - твменг1 жацта аяк,к,а жылы. жогарыда, бас жацта 2-3 градуск,а одан твмендеу болуга muic. Осы мэселеш шешу уийн жылу шыгынын дэл ecxepin, орнын толтырып отыратын «жылы еден» электрм кабельд1 жуйеш к,олданады.
Комфортное состояние помещений может быть получено при оптимальном перераспределении температур по высоте, когда ноги всегда в тепле, а на уровне головы температура на 2-3 градуса ниже. Эта задача решается использованием электрической кабельной системы «теплые полы», которая точно учитывает и компенсирует все теплопотери.
Rooms ' comfort condition nught be receired under the redistribution of temperatures on height when legs are always in warm condition and head lerel temperature is 2-3 grade below. This task solres with usage of electric cable system "warm floors" idemnifies for all heat losses.
Теплые полы были известны в глубокой древности. Ими пользовались в греческих и турецких банях. Новое рождение теплых полов относят к 50 годам 20 века, но применяли их в исключительных случаях из-за высокой стоимости и большой трудоемкости монтажа таких систем.
Появление полимерных и метал-лопластиковых труб с большой надеж-
ностью в эксплуатации позволили обогревать полы с использованием горячей воды. Существенно изменилось представление о теплых полах, когда в европейских странах появились полы с электрическим обогревом, что позволило снизить стоимость и сделать их более доступными.
В СНГ и Казахстане теплые полы начали внедряться с организации «ев-
роремонта» девяностых годов и были доступными только для состоятельных заказчиков. В настоящее время многие фирмы занимаются электрическими кабельными системами отопления, находят заказчиков во многих странах.
При традиционном отоплении помещений с использованием радиаторов водяного отопления потоки горячего воздуха поднимаются к потолку, остыв у противоположной стены, они опускаются вниз и у пола перемещаются к радиаторам, создавая сквозняки. Теплые полы греют иначе. Тепло равномерно распределяется по поверхности пола, поднимается вверх равномерным потоком у источника тепла (пола) температура более высокая, чем под потолком. Это создает ощущение комфорта несмотря на то, что общая температура помещения стала несколько меньше, что незамедлительно сказывается на экономии энергии. Рассматривая конструктивные особенности «теплых полов», следует отметить (при различных вариантах) они занимают по высоте 2-8 см, позволяя лучше использовать объем помещения. «Теплые полы» можно использовать в комбинации с традиционными системами отопления, в этом случае повышается комфортность. Такую систему целесообразно применять в детских комнатах, а также в помещениях с плиточными полами ( кухня, ванная, туалет). Второе направление - когда «теплые полы» являются основным видом отопления.
«Теплые полы», полученные в результате использования электрических кабельных систем, являются отоплением третьего тысячелетия. Все большую популярность в мире производства «теплых полов» завоевывает фирма DEVI (Дания). Система отопления, представленная фирмой, состоит из нагревательного кабеля и терморегулятора.
Остановимся более подробно на характеристике этих составляющих. Кабели могут быть двухжильные, экранированные DTIP-18 (18 Вт/погон. м.) и DTIP-10.
В поперечном сечении конструкция этих кабелей представлена двумя нагревательными жилами, каждая в специальной оболочке из модифицированного полиэтилена высокого давления (РЕХ), которые соединяются в конце. Сверху оболочки наложена медная экранирующая оплётка и поверх неё внешняя изоляция из поливинил-хлорида (PVC). Одножильный экранированный кабель DSIG-20 (мощность 20 Вт/погон.м.) применяется, как правило, в нежилых помещениях, для системы снегостаивания, антиобледенения и др.
Электрические нагревательные кабели применяют в самых различных ситуациях, возникающих при строительстве и эксплуатации жилых и промышленных зданий и сооружений. Кроме обогрева полов в зданиях любого типа, их можно использовать в крышах зданий при защите от наледи, в обогре-
ве подъездных площадок, в морозильных камерах, для подогрева грунта в теплицах при защите от промерзания ворот и дверей, в отоплении складских помещений, при защите от замерзания жидкостей в резервуарах и др.
Кабель весьма надежен в эксплуатации, но если произошел обрыв, например, при выполнении других строительных работ, то используя прибор с!еуЦестог, который точно определяет место обрыва, то достаточно вскрыть площадку размером 10x10 см и с помощью специальных ремонтных комплектов полностью восстановить его работоспособность.
Управление процессом нагрева и эксплуатацией пола осуществляют терморегуляторами ёе\чге§, которые рассчитаны на широкий диапазон рабочих температур в различных температурных и влажностных условиях.
Электронные терморегуляторы выпускают нескольких видов, от простых и дешёвых до сложных, снабженных программным управлением, и способных обеспечить надёжную и экономичную работу пола.
Аргументами использования кабельных систем отопления являются:
1. Идеальный комфортный обогрев. Это когда температу ра на уровне ног на три градуса выше, чем на уровне головы. Ходьба по полу с температурой 22 °С, что регулируется точным терморегулятором, дает приятное ощущение оптимального комфорта.
2. Экономия, благодаря оптимальному распределению тепла по высоте помещения в результате медленного подъёма тепла от пола к вверху. Снижение температуры на уровне головы натри градуса обеспечивает снижение энергопотребления до 15% в сравнении с конвективными системами отопления.
3. Исключается циркуляция пыли и сквозняков, нет изменения цвета стен, вызываемого радиаторами. Эта система не занимает место под трубы и радиаторы, и помещение абсолютно свободно для разработки желаемого интерьера.
4. Эта система отопления обладает гибкостью, её можно установить на существующий пол (бетонный или деревянный) с любым типом покрытия (плитка, мрамор, деревянный пол, паркет, ковровое покрытие и т.д.), как на больших площадях, так и на малых (ванная, кухня).
5. Все компоненты системы имеют гигиенические и пожарные сертификаты соответствия. Защитное заземление, выполненное согласно «Правила устройства электроустановок», обеспечивает полную безопасность работы. Оболочка кабеля, концевая и соединительная муфты водонепроницаемы. Их систематически проверяют в процессе производства, (погружая кабель под напряжением 10000 В в ванную с водой). Применение реле-тока утечки обеспечивает безопасную работу.
Электробезопасность современного жилого дома - проблема комплексная. Она определяется общим состоянием электропроводки, наличием контура защитного заземления и устройства защитного отключения. Нагревательный кабель с защитным заземленным экраном и замурованный в бетон не более опасен. чем скрытая электропроводка.
В последнее время много говорят о влиянии на здоровье магнитного и электрических полей, которые возникают при работе любого электрического кабеля. Бороться с электрическим полем очень просто - достаточно заземлить тот же защитный экран кабеля, поэтому в жилых помещениях не стоит использовать неэкранированные кабели.
Магнитное поле экранировать гораздо труднее, для этого необходим ферромагнитный экран с толщиной в несколько сантиметров. Однако о степени влияния магнитного поля нагревательных кабелей целесообразно судить по величине тока, протекающего по ним (по мощности кабеля) и по расстоянию между кабелем и точкой измерения. Если даже взять достаточно мощные секции кабеля 2 кВт, рассчитанные на отопление комнаты 15-20 м2, то ток в этом случае близок к 10 А, а величина индукции магнитного поля составит на расстоянии 10см - 20 мкТл; для сравнения магнитное поле Земли - 50 мкТл. (измерения в микротеслах). Эти показатели для одножильного кабеля
на расстоянии от 5 до 50 см - 1 составляют 15...45; для двухжильного на расстоянии от 5 до 50 см изменяется в интервале 0,03...2,7.
Поэтому кампания DEVI с самого начала своей деятельности на казахстанском рынке рекомендует использовать в помещениях постоянного пребывания людей (спальни, рабочие кабинеты, детские комнаты и др) только двухжильные экранированные кабели. Схема его расположения может быть организована согласно рисунка 1.
При укладке кабеля змейкой с чередующимся направлением токов, возникает эффект ослабления магнитного поля на расстояниях, сравнимых с шагом укладки, но даже в худшем случае магнитное поле кабельной системы существенно ниже фонового значения магнитного поля земли.
Двухжильный экранированный кабель вообще не изменяет существующего естественного поля Земли в помещении, где он установлен в связи с тем, что токи в конструкции двухжильного кабеля проходят по близко расположенным проводам в противоположных направлениях и магнитные поля их взаимно уничтожаются. Фирма выпускает кабель, как законченное (готовое) изделие различной длины, его нельзя укорачивать и удлинять, но ассортимент его таков, что можно подобрать и сделать теплый пол на любой площади.
Основы расчета теплых полов
Бетонный пол в ванной
Деревянный пол
Тонкий пол на существующем бетонном
Тонкий пол на ----------------деревянном
1. Чистый пол кафель или др. покрытие
2. Гидроизоляционный слой
3. Датчик
4. Стяжка 30-50 мм
5. Нагревательный кабель с!еу1Пех
6. Монт. лента с1еу1Газ1
7. Теплоизоляция
8. Бетонное основание (перекрытие, пол)
9. Почва
10. Металлическая сетка
11. Существующий пол
12. Стяжка 20-25 мм
13. Несгораемый слой
Рисунок
целесообразно рассматривать в зависимости от вида отопления (комфортное или основное).
Для комфортного отопления, когда в помещении присутствуют основные источники тепла (радиаторы, конвекторы и др), то согласно рекомендациям [1,2], используют кабель мощностью 80...100Вт на 1 м 2 . Терморегулятор в этом случае ставится с датчиком температуры пола, который также, как кабель, закладывается в стяжку (рис. 2,3).Датчик устанавливается в гоф-
рированную трубку , чтобы при ремонте его без труда можно было заменить. Если перед укладкой кабеля сделать теплоизоляцию пола (ке-рамзитобетон, пенопласт, пенопо-листерол, пробка и др.) для минимизации ухода тепла вниз (через перекрытие), то это позволит экономить 10... 12% потребляемой энергии.
При пользовании кабельной системой в качестве основного отопления выбираемая мощность должна соответствовать теплопотерям помещения и, в конечном итоге, зави-
сит от качества строительных материалов, обычно это 130... 170 Вт на 1м2 . Кабели для основного отопления назначаются всегда после расчета теплопотерь, а для управления его работой применяют терморегуляторы с датчиком температуры воздуха. Ниже в статье приведен пример расчета теплопотерь. Если же исходить из рекомендаций выбора средней мощности на 1м2 [2], то по полученной общей мощности, (как произведения свободной площади на среднюю мощность на 1м2) выбирают кабель определенной длины, из числа выпускаемых фирмой (чаще с небольшим запасом мощности). Расстояние (шаг) между линиями кабеля (см), определяется делением общей (требуемой) мощности кабеля на длину кабеля. При подборке кабеля и терморегулятора необходимо использовать данные, приведенные в таблице [2].
Для равномерного распределения тепла по поверхности пола толщина бетонной стяжки над кабелем должна быть не менее 3 см. Оптимальная высота слоя 3...5 см. Но если нет возможности поднять пол, то используя кабель ОТ1Р - 10 можно организовать теплый пол с толщиной стяжки всего до 1,5 см, которая достаточна, чтобы закрыть кабель и приклеить, например, керамическую плитку. Организация теплых полов показана на рисунках 2, 3.
Остановимся более подробно на вопросах определения теплопотерь. Теплопотери отдельно взятых помещений фактически определяют мощность системы теплых полов, следовательно этому вопросу уделяют особое внимание.
Необходимо учитывать прямые теплопотери через ограждающие конструкции.,пол, потолок и стены, если они разделяют комнаты, где внутренняя температура по разности более 3 °С, а также добавочные, связанные с ориентацией помещений по отношению к странам света, с продуваемостью помещений с двумя наружными стенами, с расчетной температурой наружного воздуха, с подогревом врывающегося холодного воздуха через двери, ворота. Отдельно подсчитывают затраты тепла на нагрев инфильтруюшегося воздуха. Целесообразным (снижающим расход теплопотерь) является учет теплопоступлений в помещениях от бытовых источников от солнечной радиации [3]. Однако при организации устройства теплых полов достаточным является выполнение подсчета теплопотерь, согласно СНиП II - 3 - 79 «Строительная теплотехника». Используя показатель термического сопротивления (Я), м2 °С/Вт, который устанавливает взаимосвязь между толщиной одного слоя многослойной ограждающей конструкции или одно-
Пример укладки кабеля в помещении
1. Питающий кабель
2. Концевая мыуфта
3. Греющий кабель
4. Расстояние между линиями
метается в гофротрубу
6. Соединительная муфта холодного конца и греющего
7. Холодный конец кабеля
кабеля рассчитывается по формуле (стандартная длина 2,5 м)
5. Датчик температуры пола по-
8. Терморегулятор
Рисунок 2 Варианты схем укладки кабелей
слойной конструкции и коэффициентом теплопроводности материала по формуле:
яЛ
Я1
где 5 - толщина слоя, м;
Рисунок 3
X - коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м °С) принимаемый по прил.З*. СНиП II - 3 - 79.
- Передача тепла через ограждающую конструкцию представляет собой сложный теплообмен, состоящий как бы из трех этапов: теплоотдача от нагретой среды к левой по-
(1)
верхности стенки, теплопроводности через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде. Температура наружного воздуха I .
Сопротивление теплопередаче Я(у (м2 С)/Вт, ограждающей конструкции следует определять по формуле:
к а * (2) ав аи
Як = +Я2 +......+Яп> (3)
где ав,ан - коэффициенты теплоотдачи соответственно внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции Вт/(м: • °С), принимаем по табл. 6 [4];
Як - термическое сопротивление ограждающей конструкции, (м2 • °С)/ Вт, определяемой по формуле (1), как для однослойной конструкции или по формуле (3), как многослойной конструкции.
Знание величины сопротивления теплопередачи (Я0) ограждающей конструкции позволяет определить количество теплоты требуемого для отопления помещния используя основную формулу:
(4)
где 1/Яп - коэффициент теплопередачи;
Б - площадь ограждающей конструкции, м2;
Ки~ 1ииР ~ разность температур согласно норм проектирования.
В качестве примера произведем расчет теплопотерь гостиной (комнаты), в частном коттедже. Численные значения взяты из СН и П. 11-3-79". Температура наружная взята равной -37°С, температура внутри равна + 20°С.
Наружная стена выполнена из силикатного кирпича толщиной ($) равной 640 мм, Я =0,87; 11=0,74; 8=10,9; Д=8,7.
Требуемое сопротивление теплопередаче, определили по формуле:
вн. ^нар.)
~ТР _ "Квн. 'нар
0 = Ы"-ав (5)
Подставляя значения (п = 1; /к( = 20°С; Д/и = -37°С; / = 6; а = 8,7),
«II ни/1 II й
получим Я= 1,09 (м2 0С)/Вт.
Характеристики материалов в ограждающей конструкции приведены в таблице 1. Таблица 1
Теплотехнические характеристики
Строительные материалы Плотность у, кг/м'1 Толщина, <5, м Коэффициент теплопроводности Я, Вт/(м2 •°С) Тепло-усвоение Вт/(м2 •°С) Сопротивление R, (м2-°С)/ Вт Тепловая инерция, "Д"
1. Цементно-песчаный раствор 1800 0,02 0,93 11,09 0,022 0,244
2. Кладка силикатного кирпича 1800 0,64 0,87 10,9 0,74 8,018
3. Сложный раствор (цемент+песок + известь) 1700 0,02 0,87 10,42 0,023 0,24
Фактическое сопротивление теплопередаче наружной стеной: = 0,115 + 0,022 + 0.74 + 0,023 + 0.043 = 0,943 (м2 • °С)/Вт; К = \/R ф = 1,06
При значениях R'1' < возможно возникновение конденсата на поверхности ограждающей конструкции.
Покрытие состоит:
1. Железобетонная плита (R = 0,16 (м2°С)/Вт).
2. Утеплитель: минеральная вата £ = 50 мм; у0 = 100 кг/м3; Я = 0,06 Вт/ (м-°С).
3. Керамзитовый гравий § = 200 мм; у0 = 550 кг/м3; Я =0,16 Вт/(м-°С).
Окна. Гостиная имеет 2 окна размером 1,5x1,2м общей площадью S=3,6 м2, двойное остекление в деревянных спаренных переплетах Яф = 0,39 (м2-°С)/ Вт;
К — М Я'7'=2,56
Пол. Устройство пола:
1. Многопустотная плита (R=0,16 (м2 °С)/ Вт);
2. Толщина изоляции, минеральные полужесткие плиты у0 =100 кг/ м\ S = 50 мм, Я = 0,07 Вт/(м-°С); R = 0,714; S = 0,73; Д= 0,52.
3. Цементный раствор (стяжка) д = 0,04 м; л = 0,93 Вт/(м °С); Я = 0,043;
= 0,115 + 0,16 + 0,714 + 0,068 + 0,043 = 1,1 (м2-°С)/ Вт;
К - Яф =0,91
Полученные расчетные данные сводим в таблицу 2.
В результате проведенных расчетов количество теплопотерь с 1м2 площади помещения составляют 112 Вт/м2. Теплозатраты на нагрев инфильт-рующего воздуха в помещения можно определить, согласно рекомендациям, приведенным в СНиП 2.04.05-86, по формуле:
0„=О,28 1СМ-С •(/«-'»)•*• <6>
где Х^п " Расх°Д инфильтрующегося воздуха, кг/ч;
С - удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДжДкгс);
г
1вЬ1}{ - расчетные температуры воздуха в помещении и с наружи, с учетом холодного периода (параметр Б);
к - коэффициент, учитывающий встречные потоки воздуха (через стык
к - 0,7; для окон к - 0,8 и т.д.).
Таблица 2
Теплопотери помещений
Помещения Бп^А'В Строны света Наименован огражд Ограждение т, °С К Добавки со" г" с. и н о с о <=: с V Н
№ А В м2 С О м2 Стороны света Угловые помещ. Ветер Наружные двери Сумма
Всего 37 4159
1 6,6 5,6 37 3 НС 6,2 3,2 19,84 57 1,06 0,05 0,05 0,05 0,15 1368
Гостиница С НС 5,6 3,2 17,92 57 1,06 0,1 0,05 0,05 0,2 1287
С о1+1 1,5 1,2 3,6 57 1,5 0.1 0,05 0,15 339
пк 6,72 5,72 38,4 57 0,42 • 920
Пп 6,72 5,72 38,4 4 7 0,91 245
Как правило, теплопотери на инфильтрацию и вентиляцию составляют примерно 30% от расчетных теплопотерь, приведенных в таблице2. В жилых зданиях следует учитывать тепловой поток, поступающий в комнаты и кухни в виде бытовых тепловыделений, согласно СНиП 2.04.05-86 составляют 21 Вт на 1м2 площади пола, т.е.
О)
где - площадь пола, рассматриваемого отапливаемого помещения. м2.
В административных и производственных зданиях источниками дополнительных теплопоступлений могут быть: люди, искусственное освещение, электрооборудование, технологическое оборудование, нагретые материалы, солнечная радиация и прочее.
Выбор оборудования. Площадь обогрева всегда меньше общей
площади помещения, т.к. кабель укладывают на расстоянии 10...20 см от стен и его не укладывают под оборудованием, шкафами, стелажами. Для величины 15 см - площадь необогре-ваемая составит (6,6х2+5,6х2)=3,7м2 (см. таблицу 2), следовательно, площадь для установки кабеля будет равна 33,3м2.
С учетом величин теплопотерь на инфильтрацию и вентиляцию, а
также поступлений тепла определенных по формуле 7, необходимо установить 124,бВт^!2, т.е. на площадь гостиной (33,3м2) потребуется 4149Вт. Выбираем двухжильный кабель ДТ1Р-18 длиной 130м, каждый мощностью 2100Вт, что обеспечивает требуемую мощность.
В качестве терморегулятора выбираем с!еу1ге§ 550-универсальный с комбинацией датчиков и встроенным таймером. Шаг между линиями кабеля рассчитывается, как произведение свободной площади на 100 и поделенное на общую длину кабеля, в нашем случае 34-100/260 = 13,1 см. Стоимость комплекта включает стоимость кабеля, терморегулятора, крепежной ленты. Стоимость монтажа составляет 20% стоимости комплекта.
Элементы выполнения работ при устройстве теплых полов в данной статье не рассматриваются.
О целесообразности использования теплых полов можно судить по данным приведенных в таблице 3.Кабельные теплые полы являются одним из трех направлений (электроконвекторы, инфрокрасные длинноволновые обогреватели) прямого стационарного электрического отопления [5]. Снижение температуры в помещение с 22 до 20°С, позволяет снизить теплопотери на 20%, при этом комфортность оптимальная за счет перераспределения температур по высоте помещения.
Таблица 3
Капитальные затраты на оборудование отопительной системы
дома площадью 300м2
Оборудование Традиционное отопление (импортное) Традиционное отопление (Россия) Прямое электрическое отопление.
Котел (электрический, газовый, твердое или жидкое топливо ) 730...3500 110...600 -
Радиаторы, электроконвекторы, другое оборудование. 1400...3200 1200...2200 1900...3000
Антифриз "Норт" 300... 1000 300...1000 -
Монтаж 1000...2500 800... 1200 70...400
Итого 3430... 10200 2410...5000 1970...3400
Стоимость 11,4..34 8...16,6 6,7...11,3
Эксплуатационные затраты отопительных систем дома с площадью 300 м2, представлены в таблице 4.
Таблица 4
Эксплуатационные затраты отопительных систем*
Затраты за год Газ Солярка Уголь Элетро-котел Прямое элек-тро отопление
Профилактика 150...200 50...100 - 20...40 -
Расход топлива 90... 120 370...450 150...300 390...970 300...750
Обслуживание - - 200...300 - -
Возможная экономия до 30% до 30% до 30% до 30% до 80%
Итого 240...370 400...550 570...750 410...1010 300...750
* - все цены приведены в услов
Кабельные теплые полы являются одним из трех направлений (электроконвекторы, инфрокрасные длинноволновые обогреватели) прямого стационарного электрического отопления [5]. Снижение температуры в помещение с 22 до 20°С, позволяет снизить теп-лопотери на 20%, при этом комфортность оптимальная за счет перераспределения температур по высоте помещения.
[X единицах.
Установка системы «с1еу111еа1» обходится на 40% дешевле, чем установка традиционных отопительных систем. По долговечности нагревательные кабели будут служить так долго, как и само здание, в котором они установлены, без какого-либо технического обслуживания.
Срок эксплуатации электронных приборов (терморегуляторов) отвечает современному уровню
№3, 2002г.
179
электроники, необходимость их замены можно ожидать с периодичностью, как замена нагревательных элементов в традиционном котле. В тоже время замена терморегуляторов через 10 лет несравненно дешев-
ле, чем замена всей системы отопления с радиаторами, котлом и др.
Точный контроль потребления электроэнергии за счет теплового эффекта и электронных регуляторов позволяет экономить ее на 20%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Материалы семинара « Электрические кабельные системы отопления DEVI «, Алматы, 2001г.
2. Пособие по кабельным системам отопления. Часть 1: deviheat, 2001 г
3. Тихомиров К.В.,Сергеенко Э.
С. Теплотехника, тепло-газоснабжение и вентеляция. М.5 1991г.
4. СН и П. 1 1-3-79.** Нормы проектирования. Строительная теплотехника. М., 1986г.
5. Дыбенко."Электроотопле-ние-друг вашего дома. Камины и отопление." 2001г. №7.
