Теория и практика

V. Bearzi

Технология теплых полов в последнее время существенно модернизировалась. Теплый пол теперь обеспечивает максимальный комфорт в помещении, поскольку современная технология позволяет значительно уменьшить конвективные процессы, объемы перемещаемых загрязняющих веществ и масштаб теплового воздействия в отношении человека, а также – что не менее важно – сократить габариты такой системы отопления и улучшить параметры относительной влажности в помещении.

Настоящий прорыв в развитии систем отопления, расположенных под полом, состоялся в начале 1980-х годов, когда изменился подход к оценке тепловой изоляции ограждающих конструкций здания в сторону сокращения теплопотерь. Сегодня тепло, излучаемое теплым полом, имеет тот оптимальный уровень, с помощью которого обеспечивается эффективное отопление жилых помещений, когда нет нужды дополнять такие системы отопительными радиаторами – при этом температура поверхности не создает людям дискомфортных ощущений. Кроме того, влажность, имеющая тенденцию к недостаточности в самую холодную погоду, теперь существенно более благоприятна, чем прежде, поскольку при лучистом отоплении при равной результирующей температуре она коррелируется с более низкой температурой воздуха. Приведем пример. Предположим, нам требуется обеспечить в помещении при помощи системы теплого пола активную температуру 20 °С. Температура поверхности пола составит 26 °С, при этом из каждой геометрической точки во всех направлениях испускаются инфракрасные лучи, как показано на рис. 1. Лучи попадают в стены, потолок и все твердые тела, находящиеся в помещении. В свою очередь сами нагреваемые таким образом поверхности из каждой своей геометрической точки во всех направлениях тоже испускают инфракрасные лучи, так что собственная температура всех ограждающих конструкций всегда выше температуры воздуха. В нашем примере, показанном на рис. 1, если мы примем как данность, что все ограждения имеют однородный характер, следует, что их средняя температура составляет 23 °С. Для получения требуемой результирующей температуры воздух в помещении нагревается до уровня 17 °С, определяемого экранированным термометром. При такой температуре воздух при равных значениях абсолютной влажности будет иметь более высокую относительную влажность по сравнению с воздухом помещения, отапливаемого системой воздушного отопления, где, чтобы получить ту же самую результирующую температуру 20 °С, потребуется нагреть воздух до 23 °С при средней температуре ограждений 17 °С.

Рисунок 1. Температурный режим. При использовании в качестве отопительной системы теплого пола все окружающие предметы и поверхности в отапливаемом помещении, включая людей внутри него, дают определенный излучающий и реизлучающий эффект, в силу которого их собственная температура всегда выше температуры воздуха. Из каждой геометрической точки во всех направлениях испускаются инфракрасные лучи. В нашем, весьма условном, примере показан температурный режим поверхности ограждающих конструкций. Из примера, если мы примем как данность, что все перекрытия имеют однородный характер, следует, что их средняя температура составляет 23 °С. Для получения требуемой результирующей температуры воздух в помещении нагревается до уровня 17 °С, определяемого экранированным термометром

В этой связи представляет интерес психрометрический график, на котором влагосодержание порядка 6 г/кг при 17 °С дает оптимальный уровень относительной влажности 50 %.

При той же абсолютной влажности при температуре 23 °С относительная влажность снижается до 35 %, вследствие чего воздух в таком помещении будет излишне сухим. К тому же и расход тепла на нагрев инфильтрирующегося воздуха снижается.

В расчетном режиме разница тепловой мощности, выделенной на нагрев инфильтрующегося воздуха, обычно варьируется в пределах 5– 10 %, но в течение зимы она может достигать 50 % при том же самом параметре и равном комфорте и определенном снижении внутренних конвективных потоков. Что касается температуры поверхности пола, то при использовании систем теплых полов люди точно не будут жаловаться на замерзшие ноги, что как раз весьма часто случается в помещениях с конвективным отоплением. Но у всего есть предел. Поэтому очень важно соблюдение требований соответствующих регламентов*.

*В частности, UNI-EN 1264 от октября 1999 года оптимальный комфорт (рис. 2) в жилых помещениях предусматривает ограничение излучающей способности теплого пола так, чтобы температура его поверхности не превышала 28 °С, что обеспечивается точным расчетом температуры теплоносителя и конфигурации змеевиков, а также применением надежной и точной системы теплорегуляции.

Рисунок 2. Ощущение комфорта – зависимость числа людей, ощущающих дискомфорт, от температуры пола

Излучающая эффективность теплого пола и комфорт в помещении

Эффективность системы отопления данного типа теоретически составляет 100 %, поскольку теплообмен осуществляется посредством излучения напрямую без промежуточных теплоносителей. В отличие от голой теории, на практике чем выше температура стен, тем больше тепла уходит наружу.

Потери эти обусловлены следующими факторами:

• Конфигурация отапливаемого помещения, наличие наружных стен, неотапливаемых арочных галерей, неотапливаемого нижнего этажа.

• Теплоизоляция ограждающих конструкций – в первую очередь на участке укладки отопительных змеевиков и низа стен.

• Теплообмен со стенами и потолочным перекрытием, вызванный более высокой поверхностной температурой поверхности греющей системы и более низким общим поверхностным теплообменом вследствие более низкой конвекции.

Рисунок 3. (подробнее) Типы теплых полов

Различаются три основных типа теплого пола (рис. 3):

• Тип А – отопительный змеевик укладывается в опорный слой.

• Тип В – отопительный змеевик укладывается под опорный слой в слой теплоизоляции.

• Тип С – отопительный змеевик укладывается под опорный слой в так называемый нивелирный слой.

Расчет параметров теплого пола выполняется с учетом следующих факторов: используемые излучающие панели, диаметр трубки змеевика, межосевые расстояния витков змеевика, тип и плотность теплопередающих и теплоизоляционных материалов, а также температура воды на входе, перепад температуры между входом и выходом на каждом змеевике и температура воздуха в помещении. Базовая характеристика теплого пола представлена на рис. 4. Здесь определяется зависимость излучающей способности пола и средней температуры его поверхности. По абсциссе отложен перепад между средней температурой поверхности пола и температурой воздуха, по ординате – плотность теплового потока, измеряемая в Вт/м². Мощность излучения ограничивается, чтобы температура поверхности пола не превышала предельно установленной температуры 28–29 °С. Для отдельных типов помещений возможны исключения, например, для ванных комнат, коридоров и служебных помещении, а также периферийных участков, где температура поверхности пола может подниматься до 35 °С, однако даже в последнем случае такая температура все-таки не рекомендуется, поскольку это вызовет рост потери тепла по периметру на стыках с внешними стенами.

Рисунок 4. Базовая характеристика теплого пола. По абсциссе отложен перепад температуры между средней температурой поверхности пола и температурой воздуха, по ординате – плотность теплового потока в Вт/м2. При результирующей температуре 20 °С и средней температуре поверхности пола 28 °С средний перепад составит смещение 8 К, а тепловой поток пола – порядка 87 Вт/м2

Укладка теплого пола

Технология теплых полов возникла вместе с изобретением железобетона: цемент и металл имеют сходный коэффициент линейного расширения, и поэтому если металлическую арматуру заменить высококачественной стальной трубкой и пропустить через нее горячую воду, то получится однородно расширяющаяся напольная греющая панель, с помощью которой можно отапливать помещения. Конечно, по-хорошему надо, чтобы нагрев цементной массы был однородным и постоянным, поскольку система в принципе предназначена для непрерывной работы, а вовсе не для прерывистой, как теперь принято, с плавными, а не внезапными колебаниями теплового режима. Именно поэтому фундаментальное значение имеет заливка бетона и схватывание цемента с металлом, которые образуют в итоге единое тело. В 1970-х годах в излучающих панелях использовали медную трубку, имеющую отличный от цемента коэффициент линейного расширения. После целого ряда неудачных проектов от этой технологии отказались.

Рисунок 5. Укладка отопительного змеевика теплого пола на отражающие панели. Физическое пространство по толщине, необходимое для укладки теплого пола, составляет не менее 95 мм, к которым следует добавить окончательное покрытие (предпочтительно, не слишком толстое, например напольную плитку)

В настоящее время стали применять пластмассовую трубку, причем год от года материалы совершенствуются, их надежность повышается. Они отличаются умеренным линейным расширением, гибкостью и одновременно устойчивостью приданной при укладке формы, не говоря о свойственных всем пластмассам стойкости к коррозии и долговечности. К примеру, трубка, используемая сегодня для укладки теплого пола, многослойная и имеет следующий состав:

• Внутренняя пластмассовая трубка из полиэтилена средней плотности, например сополимера этилен-октана, чрезвычайно стойкого к воздействию умеренно высокой температуры (максимальная рабочая температура до 95 °С), с клейким покрытием.

• Промежуточная алюминиевая трубка минимальной толщины, например 0,2 мм, придающая жест-кость, также с клейким покрытием.

• Специальная внешняя трубка из полиэтилена высокой плотности, стойкого к воздействию ультрафиолетовых лучей.

Перед заливкой бетона змеевик проверяется на герметичность теплоносителем с рабочим давлением согласно данным изготовителя (как правило, 6 бар). Заливка производится при наличии в трубке жидкости теплоносителя с давлением 3 бара. Змеевик укладывают чаще всего на слой различного рода теплоизоляции. На рис. 5 это теплоотражающие алюминиевые панели, равномерно распределяющие тепло, передаваемое теплоносителем цементной массе отопительной панели.

Рисунок 6. Формованное изолирующее покрытие, используемое в качестве подложки под змеевики для упрощения процесса укладки

Достаточно часто применяются формованные изолирующие покрытия, используемые в качестве подложки под змеевики для упрощения процесса укладки (рис. 6). Сварная арматура обеспечивает лучшее распределение постоянной весовой нагрузки на готовом полу в помещениях промышленного назначения, объектов сферы обслуживания или мест большого скопления посетителей (рис. 7). Змеевик ни в коем случае не должен соприкасаться с арматурой, для чего необходимо обеспечить расстояние от трубки до арматуры не менее 15 мм. Цементная стяжка выполняется методом монолитной заливки бетоном, имеющим высокую механическую стойкость и теплопроводность (например, l = 1,4 Вт/м К), а также текучесть, чтобы полностью заполнить все уголки подложки, и особенно трубок змеевика. Обычно в бетон закладываются специальные разжижающие добавки, придающие стяжке не только текучесть при заливке, но и стойкость к компрессии. Классы стойкости цементной стяжки приведены в табл. 1.

Используемый цемент должен быть сертифицирован, иметь низкий коэффициент гидрометрической усадки. Цемент смешивается с инертным наполнителем, состоящим на 50 % из песка зернистостью 0–4 мм и на 50 % гравия зернистостью 4–8 мм.

Рисунок 7. В помещениях промышленного назначения, на объектах сферы обслуживания, где предполагается высокая заполняемость людьми, применяется сварная арматура, обеспечивающая лучшее распределение постоянной весовой нагрузки на готовом полу

Рисунок 8. Оригинальная методика укладки теплого пола – не требуется цементная стяжка, поскольку змеевик укладывается «насухую» посредством сборных элементов, выполненных из специального материала на основе предварительно-напряженного бетона и пластмассовых волокон

Воду надо брать чистую, сопоставимую по качеству с питьевой, без хлорсодержащих добавок, которые отрицательно сказываются и на стяжке, и на ее содержимом. Всю информацию о марке цемента, теплопроводности, составе инертного наполнителя, связывающих и разжижающих добавках следует сохранить. Толщина заливки в каждой точке должна быть не менее 45 мм. Толщина измеряется от верхнего теплогенерирующего слоя трубки змеевика. Следует помнить, что по периметру стяжки обязательно предварительно укладывается теплоизоляционная лента, которая в будущем будет выполнять роль компенсатора теплового расширения между панелью и стеновыми перегородками, а также тепло- и звукоизолятора излучающей панели. Оригинальная методика укладки теплого пола показана на рис. 8. Здесь нет цементной стяжки. Змеевик укладывается «насухую» посредством сборных элементов, выполненных из специального материала на основе предварительно-напряженного бетона и пластмассовых волокон. В таких элементах имеются пазы для укладки змеевика, представляющего собой многослойную трубку малого диаметра, специально разработанную для данного типа применения.

Расчет параметров теплого пола

После того как выбран тип теплого пола (тип теплоизолятора и подложки, тип трубопровода, толщина излучающей стяжки и вид окончательной отделки), весь расчет сводится к определению четырех основных параметров, а именно:

• температуры поверхности пола в корреляции с температурой воздуха, °С;

• межосевого расстояния между трубками змеевика, см;

• излучающей способности, Вт/м²;

• теплового перепада между средней температурой теплоносителя и температурой воздуха, К.

Следует обратить внимание на номограмму на рис. 9, относящуюся к системе теплого пола с нижним алюминиевым отражающим слоем по полистирену толщиной 30 мм и стяжкой l = 1,4 Вт/м (К) толщиной 45 мм над змеевиком.

Расчет верен при условии, что температура воздуха на улице не опускается ниже –15 °С, а ограждающие конструкции отвечают требованиям соответствующих регламентов по теплоизоляции.

Пример расчета:

• допустим, для теплого пола требуется излучающая способность 90 Вт/м², проводим вертикальную линию от значения 90 по абсциссе до верхней таблички, где у значения температуры воздуха q 20 °С мы найдем допустимое значение температуры поверхности пола 27,7 °С;

• берем перепад DqС между средней температурой воды в змеевике 32 °С и температурой воздуха q 20 °С, равный 12 К;

• на пересечении линий определяем точку Р, соответствующую межосевому расстоянию между витками змеевика в пределах от 15 до 20 см.

Теперь можно перейти к поиску точки Р1, отличной от Р, к примеру, увеличив межосевое расстояние между витками до 25 см, если, допустим, средняя температура воды в змеевике будет 40,5 °С.

Получаем перепад DqС между средней температурой воды в змеевике и температурой воздуха, равный 20,5 К, который, например, соответствует воде на входе 43 °С и выходе – 38 °С с Dq циркулирующей воды 5 К.

В этом случае температура поверхности пола в штатном режиме остается в допустимых рамках (28,7 °С), а излучающая способность теплого пола составляет 100 Вт/м². Анализ номограммы помогает понять динамику излучающего отопления: при тех же температурных параметрах уменьшение межосевого расстояния между витками змеевика ведет к росту температуры поверхности пола, но для обеспечения такого же комфорта при уменьшении межосевого расстояния между витками змеевика придется понизить температуру теплоносителя, что в итоге не дает никаких плюсов, напротив, одни только минусы – рост стоимости системы, увеличение энергопотребления и теплопотерь. Таким образом, если позволяют обстоятельства, рекомендуемая средняя рабочая температура теплоносителя составляет 40 °С с межосевым расстоянием между витками змеевика 20–30 см с учетом того, что в ванных комнатах, где обычно межосевое расстояние необходимо уменьшить, определенное повышение температуры поверхности пола никому не повредит. В табл. 2 приведены максимально допустимые значения температуры поверхности пола в зависимости от типа помещения и используемой одежды. Указанные значения имеют характер осторожной оценки, поскольку имеется множество переменных факторов, способных повлиять в той или иной степени на рабочие параметры системы, например: окончательная отделка пола (облицовочная плитка, мрамор, дерево, ковролин), назначение помещения (гостиная, туалет, спальня), продолжительность пребывания людей и их положение (сидя, стоя, в движении) и даже тип обуви. Определив по имеющейся номограмме значение общей излучающей способности теплого пола, необходимо сделать пару поправок, соответственно, во-первых, на толщину и теплопроводность окончательной отделки пола (отличная теплопроводность у мрамора, затем в порядке убывания следуют плитка, терракота, деревянный паркет, линолеум и, наконец, различные виды ковролина) и, во-вторых, на толщину цементной стяжки: индекс 1,00 при толщине бетона 45 мм в соответствии с вышеуказанными рекомендациями. Имеются рекомендации и по длине змеевика. Лучше, если все змеевики будут иметь одинаковую общую длину, что обеспечивается аккуратным внимательным расчетом и опытом. Это позволит получить сбалансированную сеть и обойтись без локальной компенсации нагрузки (например, при помощи сужающих отсечных клапанов), что само по себе шумно, да и накладно. Для сохранения требуемого гидравлического баланса можно прибегнуть к трубопроводам разного диаметра. Потери нагрузки рассчитываются на основе данных, предоставляемых изготовителем или импортером, поскольку у разных производителей даже однотипные изделия могут существенно отличаться, например по шероховатости и, соответственно, общему снижению давления.

Достаточно большие межосевые расстояния между витками змеевика (в пределах от 20 до 30 см) позволяют не только уменьшить затраты на приобретение труб и оплату работ по укладке, но и иметь умеренную потерю давления с меньшими затратами на насос, не говоря о снижении шума и меньших эксплуатационных расходах.

Рисунок 9. Расчет параметров теплого пола. Номограмма расчета параметров теплого пола. Излучающая способность рассчитывается по значениям температуры воздуха, температуры поверхности пола и средней температуры воды в змеевике в зависимости от межосевого расстояния между витками змеевика, как показано в описанном примере. Номограмма составляется под определенный тип изделия и предоставляется изготовителем или импортером

Если, к примеру, все змеевики в системе имеют длину порядка 65 м (комната площадью 16 м² с межосевым расстоянием витков 25 см дает примерно такую длину), потеря давления в каждом змеевике на трубке внутренним диаметром 16 мм составит примерно 8 450 Па при скорости воды 0,38 м/с, общей плотностью теплового потока 100 Вт/м² и общей теплопроизводительностью 1 600 Вт/м². Напомним здесь предыдущий пример, где средняя температура циркулирующей воды составляет 40,5 °С с перепадом Dq_С между средней температурой воды в змеевике и температурой воздуха 20,5 К, что соответствует воде на входе 43 °С и выходе – 38 °С с Dq циркулирующей воды 5 К. Расчетная температура поверхности пола – 28,7 °С. Для сравнения можно взять такой же теплый пол с межосевым расстоянием витков 10 см, а не 25 см. Тогда придется снизить температуру воды до среднего уровня 32,5 °С с перепадом Dq_С между средней температурой воды в змеевике и температурой воздуха 12,5 К, что соответствует воде на входе 35 °С и выходе 30 °С с Dq циркулирующей воды 5 К. Расчетная температура поверхности пола в этом случае также 28,7 °С, но длина змеевика увеличивается до 144 м с одновременным ростом потери давления от 8 450 до 18 750 Па. Проектировщику надо теперь увеличить Dq циркулирующей воды до 6 К и выше, что позволит снизить потери давления. Но если слишком увеличить Dq, например до 8 К, температура на выходе из змеевика также может излишне понизиться, в нашем примере до 28,5 °С, т. е. до уровня температуры поверхности теплого пола, иначе говоря, слишком близко к порогу, за которым уже не происходит эффективного теплообмена.

Отсюда ясна бесполезность малых межосевых расстояний витков. Наша рекомендация – отдавать предпочтение более редким и более коротким змеевикам с умеренной пропускной способностью.

Перепечатано с сокращениями из журнала «RCI».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.