Системы напольного отопления

Л. М. Махов, канд. техн. наук, профессор кафедры отопления и вентиляции (ОиВ) Московского государственного строительного университета (МГСУ);

О. Д. Самарин, канд. техн. наук, доцент кафедры ОиВ МГСУ

Основное достоинство таких систем заключается в том, что при их использовании не занимается полезная площадь помещений, снижается расход металла, уменьшается температура греющих поверхностей по сравнению с обычными радиаторными и конвекторными системами, а также выравнивается температура воздуха по высоте обогреваемых помещений [1]. При этом в соответствии с российскими нормами средняя температура обогреваемого пола по санитарно-гигиеническим соображениям (п. 3.16 [2]) не должна превышать 26 °C, кроме дорожек бассейнов, где допускается температура 31 °C (непосредственно над трубами до 35 °C). Исходя из этого, а также для предотвращения обезвоживания и разрушения бетона температура нагретой воды в подающем теплопроводе ограничивается величиной 40–45 °C, в обратном – до 30 °C.

Из имеющегося в настоящее время на рынке оборудования для устройства напольного отопления распространение получили трубы из сшитого полиэтилена типа РЕХ с покрытием из этиленвинилового спирта EVON (фирма «Wirsbo», Швеция) наружным диаметром 20 мм и толщиной стенки 2 мм. Трубы поставляются в бухтах длиной 480 м, что позволяет (по условиям допустимых гидравлических потерь) прокладывать трубные участки длиной до 120 м. Максимально допустимая температура воды для таких труб 55 °C. При необходимости можно применять трубы диаметром 16 мм и длиной до 80 м.

Аналогичные по конструкции трубы размером 12 x 2, 17 x 2, 20 x 2, 25 x 2,3 и 32 x 2,9 мм выпускаются фирмой «Rehau» (Германия). Трубы соединяются методом холодной запрессовки, что позволяет размещать трубную систему в монолитной стяжке. Кроме того, система данной фирмы способна функционировать и в теплый период года в качестве системы охлаждения. В этом случае в трубы подается охлажденная вода с температурой 10–15 °C. Следует только иметь в виду, что допустимая разность температуры между поверхностью пола и воздухом в этом случае ограничена величиной 2 °C, что затрудняет теплосъем (максимально достижимый тепловой поток ~4 Вт/м²). Тем не менее такая система способна снизить холодильную нагрузку на приточную вентустановку, поэтому ее использование для охлаждения может быть целесообразно, в том числе с точки зрения непрерывности функционирования оборудования в течение года.

Фирма «Гента-сервис» (Россия) предлагает напольные системы из металлополимерных труб производства фирмы «Гента». В качестве полимера используется гидроизолированный пенополистирол. Фирма «Oventrop» (Дания) производит для этих же целей металлопластиковые трубы типа Copipe из сшитого полиэтилена с алюминиевой прослойкой размерами 14 x 2, 16 x 2,25, 20 x 2,5, 26 x 3 и 32 x 3 мм. Российская фирма «Акватерм» предлагает системы напольного отопления из полипропилена (трубы 16 x 2 и 17 x 2 мм) и полибутена (17 x 2 и 18 x 2,5 мм) с кислородонепроницаемым покрытием из этиленвинилового спирта EVON. Все указанные фирмы предлагают также необходимую запорно-регулирующую арматуру, соединительные и крепежные приспособления.

Действующие ограничения на максимально допустимую температуру поверхности теплого пола приводят к тому, что далеко не во всех случаях такие системы способны в условиях России полностью компенсировать теплопотери отапливаемых помещений. Дело здесь в первую очередь в том, что низкая температура поверхности пола не позволяет существенно усилить теплоотдачу с 1 м² его поверхности. Поэтому нужно увеличивать площадь обогреваемого пола, но она не может быть больше геометрической площади всего пола в помещении, и при определенных условиях система напольного отопления не справляется со своими функциями.

Рассмотрим определение области возможного применения теплых полов на примере отопления жилых зданий современной постройки, теплозащитные свойства которых удовлетворяют требованиям табл. 1Б [3]. Расчетный анализ проведем для наиболее выгодного варианта с точки зрения возможности компенсации теплопотерь – для рядовых помещений на промежуточных этажах, поскольку здесь отношение площади теплотеряющих ограждений к отапливаемой площади будет наименьшим. Легко видеть, что в других случаях зона применимости теплых полов будет еще более ограниченной.

Прежде всего определим удельную теплоотдачу q_пл с 1 м² теплого пола при предельной температуре его поверхности t_пл, равной 26 °C, в зависимости от принятой температуры воздуха в помещении t_в. В прил. 4 [4] и табл. 3.1 [5] в качестве основного значения t_в принята температура 20 °C (ранее 18 °C), а в некоторых случаях до 22 °C. В прил. 1 [2] указан допустимый диапазон 18–22 °C. Для большей наглядности результатов будем ориентироваться на интервал 18–23 °C.

Рисунок 1. (подробнее) Зависимость коэффициентов конвективного и лучистого теплообмена на поверхности теплого пола от температуры внутреннего воздуха отапливаемого помещения

Теплоотдача с поверхности теплого пола складывается из лучистой и конвективной составляющих. На рис. 1 показаны зависимости коэффициентов конвективного (a_к, кривая 1 на графике) и лучистого (a_л, кривая 2) теплообмена, Вт/(м²•К), на поверхности пола в зависимости от величины t_в. Коэффициенты вычислялись в соответствии с рекомендациями [6]. При этом учитывалась допустимая подвижность воздуха в помещениях 0,2 м/с для холодного периода года (прил. 1 [2]), а также характерное для жилых зданий соотношение площадей пола, наружной стены и окна, которое обычно составляет, соответственно, примерно 2 : 2/3 : 1/3. Кроме того, принималось во внимание, что температура на внутренней поверхности наружной стены и особенно окна в холодный период года будет ниже, чем t_в, что приводит к некоторому увеличению лучистой составляющей теплообмена за счет излучения пола на эти охлажденные поверхности.

Рисунок 2. (подробнее) Зависимость удельной теплоотдачи теплого пола от температуры внутреннего воздуха отапливаемого помещения

Легко видеть, что с ростом t_в величина aл несколько повышается, в основном за счет усиления эффекта от излучения на наружную стену и окно, а a_к, наоборот, падает из-за уменьшения разности (t_пл - t_в), причем aк падает быстрее, чем растет a_л. График зависимости общей удельной теплоотдачи q_пл, Вт/м², от величины t_в показан на рис. 2. Видно, что при характерных значениях t_в в интервале 20–22 °C величина q_пл действительно не превышает 40–60 Вт/м², причем при увеличении t_в она быстро снижается.

Определим требуемую удельную мощность системы отопления q_от для жилого помещения, отнесенную к 1 м² площади его пола. В соответствии с [2], эта мощность складывается из потерь теплоты через ограждающие конструкции (в данном случае – наружную стену и окно), а также из теплозатрат на нагревание инфильтрующегося наружного воздуха или воздуха, требуемого для компенсации действия естественной вентиляции, за вычетом бытовых тепловыделений. Последние будем принимать по нормативам в размере 10 Вт/м² (п. 3.1.г [2]). Кроме того, будем считать, что вентиляционный воздухообмен в жилых помещениях, равный 3 м³/ч на 1 м² жилой площади (прил. 19 [2]), всегда больше инфильтрационного.

Используя указанные выше условия по соотношению площадей ограждений, а также приняв характерную долю жилой площади в общей площади квартир равной примерно 0,7, можно составить уравнение теплового баланса, отнесенное к единице площади пола помещения. При этом сопротивление теплопередаче наружных ограждений следует принять по табл. 1Б [3] в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП). Чтобы получить уравнение с одним независимым параметром, целесообразно выразить расчетную разность температуры (t_в - t_н,Б) также через ГСОП. При использовании вероятностно-статистической модели наружного климата [7] получим, что:

(t_в - t_н,Б) = 0,683 (ГСОП)^1/2, (1)

где t_н,Б – температура наружного воздуха в районе строительства в холодный период года по параметрам «Б» (прил. 8 [2]).

Заметим, что возможное изменение величины t_в при этом не учитывается, но погрешность при ее колебаниях в пределах ±2 °C не превышает 3–5 %, что заведомо меньше, чем ошибки от других допущений, принятых в данном расчете. График осредненной зависимости q_от от величины ГСОП приведен на рис. 3.

Рисунок 3. (подробнее) Зависимость требуемой удельной мощности системы напольного отопления от градусосуток отопительного периода в жилых зданиях современной постройки

Сопоставляя требуемую удельную мощность системы отопления с теплоотдачей 1 м² теплого пола, можно найти область значений ГСОП, при которых q_от будет меньше, чем q_пл, и, следовательно, теплый пол в состоянии полностью компенсировать теплопотери помещения. График зависимости максимального значения ГСОП от принятого уровня t_в приведен на рис. 4. Для наглядности график экстраполирован до значений ГСОП, равных 15 500. Из графика видно, что с ростом t_в область применения теплого пола резко сужается. Заметим к тому же, что в соответствии с прил. 4 [4] при t_н,Б, равной -31 °C и менее, что соответствует ГСОП около 5 500, т. е. практически на всех территориях к северо-востоку от Москвы, значение t_в следует увеличивать на 2 °C. Но рис. 4 показывает, что для t_в = 22 °C предельное значение ГСОП составляет всего 3 000.

Рисунок 4. (подробнее) Зависимость максимального значения градусо-суток отопительного периода для системы напольного отопления от температуры внутреннего воздуха отапливаемого помещения

Таким образом, на большей части территории России даже в условиях рядовых помещений на промежуточных этажах жилых зданий при действующих ограничениях на величину t_пл теплые полы не в состоянии полностью компенсировать теплопотери помещения. Поэтому применение систем напольного отопления в нашей стране 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 [3] часто игнорируются. В частности, может потребоваться дополнительное увеличение теплозащиты наружных ограждений здания или другие решения с целью уменьшения требуемой мощности системы отопления.

Основной особенностью системы напольного отопления является пониженные, по сравнению с обычной системой, расчетные значения температуры подаваемого теплоносителя (не выше 45 °C) и перепада температуры воды в системе (не более 15 °C). Расчетный расход воды при этом непосредственно в отопительном контуре увеличивается на 25 %, но ее количество, поступающее от теплоисточника, снижается на ~65 %.

Рисунок 5. (подробнее) Изменение температурных параметров теплоносителя и коэффициента смешения в системе напольного отопления в течение холодного периода года

Обеспечение требуемой температуры подаваемого в систему теплоносителя t_г,т.п (рис. 5, на графике прямая 3) обычно осуществляется путем подмешивания к воде, подаваемой от системы теплоснабжения здания с расходом G_г и температурой t_г (прямые 1 или 2), охлажденной воды на выходе из системы напольного отопления в количестве G_охл с температурой t_о,т.п (прямая 4). Для примера на рис. 5 расчетные значения температурных параметров (при t_н = t_н,Б= -30 °C) приняты t_г = 95, t_г,т.п = 45 и t_о,т.п= = 30 °C, а расчетная температура воздуха t_в в отапливаемом помещении для построения графика качественного регулирования задана 20 °C.

Следует отметить, что, как правило, в системе теплоснабжения (централизованной или автономной, с собственным теплогенератором) регулирование температуры подаваемого теплоносителя осуществляется именно по такому графику, т. е. t_г = f(t_н) (прямая 2 на графике). Однако, особенно в автономной системе, эта температура в отдельные промежутки времени может автоматически повышаться до t_г = max (например, при необходимости в форсированном режиме нагреть воду в емкостном водо-водяном подогревателе системы горячего водоснабжения). Более того, в сложной схеме автономного теплоснабжения с большим количеством разнообразных теплопотребителей (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение, подогрев воды в бассейне) эта температура может быть задана постоянной, т. е. t_г = max = const (прямая 1). В схеме с зависимым присоединением к наружной тепловой сети потребляющих теплоту систем эта температура, как известно, не опускается ниже 70 °C.

Рисунок 6. (подробнее) Рисунок 6. Схема узла подключения системы напольного отопления к общей схеме теплоснабжения здания

Все это необходимо учитывать при выборе оборудования (циркуляционного насоса (ЦН), трехходового смесителя (ТС) и ручного вентиля (РВ) (рис. 6)) и диаметра труб узла присоединения системы напольного отопления к общей схеме теплоснабжения (от ее распределительного коллектора (РК) до сборного коллектора (СК)).

Для оценки работоспособности данного узла прежде всего необходимо определить необходимое количество подмешиваемой воды G_охл. Это можно сделать, вычислив требуемый коэффициент смешения u по формуле [1]:

u = G_охл / G_г = (t_г – t_г,т.п) / (t_г,т.п – t_о,т.п). (2)

Из графиков на рис. 5 видно, что при использовании качественного регулирования в системе теплоснабжения (прямая 2 на графике) требуемый коэффициент смешения теоретически остается постоянным (прямая 5). Но в том случае, если система теплоснабжения работает в режиме t_г = const (прямая 1), требуемое значение u резко возрастает (кривая 6) от (в нашем примере) 3,33 в расчетных температурных условиях до величины порядка 20 в начале/конце отопительного сезона.

Последний факт в значительной мере осложняет выбор трехходового смесителя и идущей к нему подмешивающей перемычки, т. к. в течение отопительного сезона расход и скорость воды в них могут изменяться почти в 6 раз, а гидравлические потери давления, соответственно, в 36 раз. При этом будет меняться требуемый напор циркуляционного насоса для обеспечения постоянства расхода теплоносителя в системе напольного отопления.

Стабилизировать режим работы узла присоединения и частично «разгрузить» трехходовый смеситель помогает устройство дополнительной смесительной перемычки с ручным регулировочным вентилем (РВ) (рис. 6). Если установить в ходе наладки системы ручной регулировочный вентиль в положение, при котором расход воды в этой перемычке будет равен расчетному значению G_охл, в режиме качественного регулирования системы теплоснабжения (t_г = f(t_н)) необходимость в управляемом трехходовом смесителе вообще отпадает. Но это только теоретически, т. к. в действительности он все равно необходим из-за большой тепловой и гидравлической инерционности при работе современной системы теплоснабжения. Но роль трехходового смесителя в этом случае только подстроечная, корректирующая требуемое зачение температуры t_г,т.п = f(t_н). Сложность подобной схемы заключается только в том, что для установки требуемого положения ручного регулировочного вентиля необходима достаточная квалификация наладчиков.

Вызывает удивление недопонимание еще одного важного аспекта со стороны некоторых фирм, рекомендующих в качестве регулятора теплоотдачи для рассматриваемых систем автоматический термоклапан, установленный в отапливаемом помещении. Расход воды в системе напольного отопления следует стремиться сохранять постоянным, т. к. количественное регулирование (путем уменьшения расхода) может привести к существенной неравномерности прогрева площади пола (при любом способе укладки теплопроводов в бетон – змеевиковой или улиткообразной) и к значительному снижению долговечности его конструкции. Исходя из этого, регулирование теплоотдачи с поверхности нагретого пола должно быть только качественным, т. е. путем изменения температуры подаваемого теплоносителя.

Литература

1. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление: Учебник для вузов. М.: Изд-во АСВ, 2002.

2. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000.

3. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1998.

4. СНиП 2.08.01-89*. Жилые здания / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1999.

5. МГСН 2.01-99. Энергосбережение в зданиях. М.: Москомархитектура, 1999.

6. Богословский В. Н. Строительная теплофизика: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982.

7. Самарин О. Д. О вероятностно-статистическом моделировании взаимосвязи расчетных параметров наружного климата / Сб. докл. конф. НИИСФ. М.: НИИСФ, 2001.

Тел. (095) 188-3607