![]() | |
![]() ![]() |
На главную Энергоучет Теория и практика напольного лучистого отопления Отопление и горячее водоснабжение
так же за 100 лет до нашей эры корейцы использовали дым очага как средство обогрева каменного пола. Дым от кухонного огня отводился под массивным каменным полом к противоположной стене, а затем поднимался вверх по внутренней полости стены, игравшей роль дымовой трубы. массив пола служил аккумулятором теплоты. Примерно в это же время римляне пользовались аналогичным типом отопления.
Архитектор F. L. Wright впервые применил напольное отопление в США в 1930х годах. Теплоносителем была горячая вода, пропускаемая по стальным трубам.
В течение 1950–60 годов установки напольного отопления со стальными или медными трубами появились в Западной Европе. К сожалению, в то время теплоизоляция зданий была несовершенной, поэтому для обогрева требовалась чересчур высокая температура пола, что привело к дискредитации этих систем. К концу 1970х годов по мере усовершенствования теплозащиты зданий напольное отопление получает все более широкое распространение, в частности, в Германии, Швейцарии, Австрии и скандинавских странах. В настоящее время используются в основном полиэтиленовые трубы [1].
Напольное отопление применяется главным образом в жилых зданиях. но в Европе оно также широко используется для коммерческих и промышленных зданий. В настоящей аналитической статье анализируется ряд вопросов, связанных с напольным отоплением, и обсуждается принцип. возможность использования этих систем для лучистого охлаждения помещений.
Тепловой комфорт
Температурная обстановка в помещении
Для систем лучистого отопления важным фактором является угловой k (телесный угол) излучающей поверхности по отношению к человеку. Этот k зависит от расстояния м. человеком и излучающей поверхностью и от площади поверхности. Центр фигуры сидящего человека находится на высоте 0,6 м от пола, в то время как расстояние до потолка составляет от 1,8 до 2,1 м. Поэтому k «облученности» людей со стороны пола имеет наибольшее значение по сравнению с остальными поверхностями (стены, потолок, окна).
Для человека, находящегося посередине комнаты размером 6х6 м, угловой k со стороны пола составляет 0,4 для положения сидя и 0,37 для положения стоя. Если температура пола изменяется на 5 К, а температура остальных поверхностей подразумевается постоянной, средняя радиационная температура изменится на 2 К, рабочая температура при этом изменится на 1 К. Другими словами, изменение температуры пола на 5 К даст тот же эффект, что и изменение температуры воздуха на 2 К.
Для сравнения: угловой k со стороны потолка составляет от 0,15 до 0, Это означает, что изменение температуры пола на 1 градус окажет в 2,5 раза большее воздействие на среднюю радиационную температуру (и рабочую температуру), чем изменение температуры потолка [5].
По сравнению со 100%м конвективным отоплением (подача нагретого воздуха) напольное лучистое отопление может обеспечить заданное значение рабочей температуры при более низкой температуре воздуха в помещении ( 1 [5]). Трансмиссионные теплопотери помещения зависят частично от конвективного теплообмена м. воздухом помещения и наружными ограждающими конструкциями, частично от лучистого теплообмена м. наружными ограждениями и другими поверхностями помещения. Расчетная температура для определения трансмиссионных теплопотерь ближе к рабочей температуре, чем к температуре воздуха помещения. существенного снижения трансмиссионных теплопотерь не произойдет. но в результате снижения температуры воздуха в помещении снизится расход тепла на вентиляцию. В помещениях с большими объемами вентиляции, например в производственных зданиях, ангарах и т. п., это окажет значительное влияние на энергозатраты и послужит обоснованием для применения лучистого отопления. В современных жилых зданиях с хорошей теплоизоляцией и плотностью ограждений этот эффект незначителен, т. к. средняя радиационная температура мало отличается от температуры воздуха.
Были исследованы различия м. несколькими типами отопительных систем [6, 7, 8]. В целом результаты исследований показали, что большинство систем могут обеспечить нормальный уровень теплового комфорта. При улучшении теплоизоляции зданий и, соответственно, при снижении нагрузки на отопление различие м. системами уменьшается.
Температура поверхности пола
(В соответствии со СниП 2.04.0591 п. 3.16 для помещений с постоянным пребыванием людей средняя температура поверхности строительных конструкций со встроенными нагревательными элементами следует принимать не выше 26 °C, для полов с паркетом – не выше 25 °C – прим. науч. ред.)
Вертикальный градиент температуры воздуха
напольного лучистого отопления;
низкотемпературных подоконных отопительных панелей;
плинтусных подоконных отопительных приборов;
воздушного отопления с подачей воздуха со стороны задней стены ( .
Напольное лучистое отопление и подоконные панели с большой поверхностью нагрева обеспечивают равномерный профиль температур. Системы с большей долей конвективной теплоотдачи создают более значительный градиент. Базисной точкой при измерениях была рабочая температура 22 °C на высоте 1,1 м.
График на 1 демонстрирует, что при лучистом отоплении рабочая температура 22 °C достигалась при более низкой температуре воздуха – на 1–1,5 `К ниже по сравнению с другими системами. Измерения проводились при тепловой мощности отопления 50 Вт/м Для систем с большей долей конвекции в теплоотдаче неравномерность температурного профиля увеличивается. В помещениях большой высоты (типа промышленных цехов, ангаров, атриумов и др.) большой градиент температуры по высоте существенно увеличивает теплопотери, т. к. увеличивается средняя температура помещения.
Асимметрия радиационной температуры
(В России условия теплового комфорта регламентируются ГОСТом 3049496 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» – прим. науч. ред.)
Дутье
Качество воздуха помещения
Системы лучистого отопления в меньшей степени способствуют переносу пыли по сравнению с конвективными. К тому же не нужно мыть отопительные приборы. При напольном отоплении становятся ненужными ковры, что также уменьшает источники загрязнения воздуха. Это особенно важно для людей, страдающих аллергией [13, 14].
Мощность отопления и охлаждения
интенсивности теплообмена м. поверхностью пола и помещением (коэффициентов лучистого и конвективного теплообмена);
передачи тепла от труб к поверхности пола (материала пола, типа бетона, конструктивного исполнения и толщины панели пола, расстояния м. трубами);
теплоотдачи потока воды в трубах (расхода воды, перепада температур в подающей и обратной линии).
В справочнике ASHRAE «Системы и оборудование ОВК» и в Европейском стандарте по напольному отоплению [9] приведена методика расчета тепловой мощности систем напольного отопления. k теплообмена для расчетных условий составляет 11 Вт/м2•К. При уменьшении разности температур м. поверхностью пола и помещением эта величина уменьшается до 9 Вт/м2•К. Доля лучистой теплоотдачи в общей превышает 50 % (~5,5 Вт/м2•К.) Максимальная тепловая мощность в зоне пребывания людей примерно 100 Вт/м2 (при температуре пола 29 °C и температуре помещения 20 °C). Как было отмечено выше, более высокая температура пола (до 35 °C) может быть использована в пределах зоны шириной 1 м вдоль наружных ограждений. При этом температура помещения 20 °C обеспечивается при теплоотдаче 165 Вт/м Если обычная глубина помещения 4 м, средняя тепловая мощность составляет 116 Вт/м2 ([165+3x100]/ . Эта максимальная тепловая мощность не зависит от типа покрытия пола (кафель, дерево, ковер). но требуемая температура воды для обеспечения максимальной тепловой мощности зависит от сопротивления теплопередаче покрытия пола, и от других факторов – типа системы, расстояния м. трубами. В стандарте приводится перечень коэффициентов для учета этих параметров. (На русском языке методика расчета приведена в книгах: Богословский В. Н. Строительная теплофизика; Сканави А. Н. Отопление. – прим. науч. ред.)
В таблице на с. 48 показано влияние материала покрытия пола на требуемую температуру воды при различных отопительных нагрузках. Эти величины – для напольных систем с трубами, заделанными в штукатурку. Для других систем, с более высоким термическим сопротивлением слоя м. трубами и поверхностью пола, температура воды должна быть повышена.
k теплообмена при напольном охлаждении составляет только 7 Вт/м2•К. В большинстве зданий максимальная мощность системы охлаждения помещения при температуре помещения 26 °C и температуре пола 20 °C составит в этом случае 42 Вт/м Прямое солнечное освещение пола (как в атриумах, аэропортах, вестибюлях) может вызвать возрастание требуемой мощности охлаждения до 100 Вт/м2 [16, 17].
Проектирование
Для обеспечения максимальной теплоотдачи следует избегать покрытий пола с большим термическим сопротивлением (тяжелые ковровые покрытия «от стены до стены»). Это может привести к необходимости значительного повышения температуры воды и, как следствие, к увеличению теплопотерь в грунт или в необогреваемое соседнее помещение. Кроме того, повышение температуры воды приводит к снижению эфф. источников тепла (таких как конденсационные котлы, тепловые насосы).
Регулирование
Изменения температуры наружного воздуха регистрируются датчиком температуры, передающим сигнал системе регулирования отопления. В случае напольного отопления регулирование обычно осуществляется путем изменения температуры воды (среднее значение температуры в подающей и обратной линии), в соответствии с наружной температурой и отопительным графиком. Для эффективного регулирования по наружной температуре необходимо, чтобы отопительный график был составлен с учетом типа здания (массивности, теплопотерь) и распределения тепловой нагрузки по помещениям. Солнечное освещение и внутренние тепловыделения могут оказывать значительное воздействие на температуру помещения, требуя увеличения или уменьшения мощности отопления.
принцип. возможность регулирования системы отопления до некоторой степени зависит от тепловой массивности как самой системы, так и здания. Для низкотемпературных систем, таких как напольное отопление, характерно явление, которое можно назвать «саморегулированием», вызванное весьма небольшой разностью температур м. греющей поверхностью и помещением. Незначительное повышение температуры помещения существенно уменьшает указанную разность температур и, соответственно, теплоотдачу системы отопления. Точность регулирования повышается путем использования комнатных термостатов, которые по температуре помещения регулируют подачу теплоносителя. Саморегулирование зависит от разности температур м. помещением и поверхностью пола и м. помещением и теплоносителем. В таблице показано процентное уменьшение теплоотдачи от пола при увеличении температуры помещения на 1 К. В теплозащищенных зданиях отопительная нагрузка в холодный период года составляет от 10 до 20 Вт/м2, для такого типа зданий саморегулирование систем отопления возможно в пределах от 30 до 90 % ( табл.). (Следует иметь в виду, что для Москвы эта нагрузка составляет 50–100 Вт/м2 – прим. науч. ред.)
В экспериментальных исследованиях [18] возможности регулирования стандартной системы напольного отопления с трубами, заделанными в бетон, сравнивались с возможностями низкотемпературной системы радиаторного отопления. Испытательная камера с низкой тепловой массивностью подвергалась воздействию различных температур наружного воздуха, переменных внутренних тепловыделений и солнечного освещения ( . Колебания внутренних тепловыделений достигали 30 % от теплопотерь испытательной камеры. Результаты испытаний показали, что при той и другой системе отопления удается поддерживать температуру помещения в допустимых пределах. Не обнаружилось никакого различия м. двумя системами. но такое саморегулирование возможно только для систем отопления с жидкостным теплоносителем, а не для полов с электроподогревом.
В широкомасштабных исследованиях, выполняемых для обоснования Немецкого энергетического стандарта для строительства, возможности регулирования систем отопления различных типов подробно изучались с помощью компьютерного моделирования. Результаты этих исследований в настоящее время включены в новый стандарт (DIN 47011 для определения производительности систем отопления и в руководство VDITGA [19]. График на 4 демонстрирует преимущество регулирования средней температуры воды (подающейобратной) по сравнению с регулированием температуры воды в подающей линии. Что более важно, график демонстрирует энергетическую эффективность использования индивидуального регулирования по помещениям. Исследования показали принцип. возможность экономичности энергии при индивидуальном регулировании в пределах 15–30 % по сравнению с централизованным регулированием. «Избыточное» энергопотребление на 4 представлено как k энергозатрат по отношению к идеальной системе, не обладающей тепловой инерцией. На графике эти избыточные энергозатраты представлены в зависимости от соотношения м. расчетным значением тепловой нагрузки и потребностью в обогреве. Малые значения этого соотношения (~0,0 соответствуют зданиям с малой потребностью в обогреве, где внутренние тепловыделения от людей, освещения и солнечное облуч. в значительной мере компенсируют нагрузку на отопление. Существующие здания характеризуются значением этого коэффициента более 0,2.
График на 4 также демонстрирует, что производительность напольного отопления не хуже (или даже лучше) радиаторной системы, регулируемой с помощью термостатических вентилей [20].
Если в системе напольного отопления используется ночное снижение мощности, то в период восстановления режима по утрам рек. использовать усиленный прогрев. Восстановление дневного режима при напольном отоплении должно начинаться раньше, чем при использовании воздушного отопления, но зато напольное отопление вечером можно раньше отключить.
Поскольку индивидуальное регулирование по помещениям обеспечивает более высокий уровень комфорта и энергосбережения, рек. установка комнатных термостатов. Во множественных европейских странах индивидуальное регулирование по помещениям предусматривается для всех типов отопления.
Помимо энергетической эфф. для теплового комфорта людей важно иметь принцип. возможность настройки температуры в зависимости от потребностей каждого помещения. Энергосбережение от ночного снижения мощности в новых теплозащищенных зданиях не столь значительно.
При регулировании напольных систем охлаждения необходимо принимать в расчет температуру точки росы в помещении [20].
Энергия
Напольная система охлаждения может работать в сочетании с воздушным охлаждением. При этом напольная система компенсирует явные теплоизбытки, а воздушная система отводит скрытое тепло. Одновременно температура точки росы в помещении может быть снижена, что даст принцип. возможность увеличить мощность напольной системы охлаждения. К тому же высокая температура обратной воды в напольной системе (от 18 до 20°C) способствует увеличению эфф. холодильной машины.
Монтаж и стоимость систем
По вопросам оценки стоимостных показателей систем публикаций немного. В ходе последних исследований в Германии нескольким монтажным организациям было предложено составить смету на радиаторное и напольное отопление для проекта жилого здания. В целом разница в стоимости не превышала 10 %, но некоторые фирмы для напольного отопления ввели более высокие накладные расходы, т. к. они считают возможным выставить на продажу эту систему как более комфортабельную и энергоэффективную.
Выводы
В помещениях с напольной системой лучистого отопления требуемая рабочая температура обеспечивается при более низкой температуре воздуха. Это позволяет снизить расход тепла на вентиляцию (по сравнению с помещениями, оборудованными системами отопления конвективного типа). Трансмиссионные теплопотери, отнесенные к рабочей температуре помещения, более или менее одинаковы при использовании лучистых и конвективных систем отопления. (Этот вывод можно сделать только после определения температуры поверхности ограждения – прим. науч. ред.)
В зданиях с хорошей теплоизоляцией при колебаниях внутренних тепловыделений от людей, освещения, прямого солнечного облучения необходимо эффективное регулирование систем отопления. Сочетание саморегулирования систем напольного отопления и комнатных термостатов обеспечивает надежное регулирование при колебаниях тепловой нагрузки даже для теплозащищенных зданий.
Применение напольного отопления позволяет повысить эффективность теплогенераторов, т. к. эта система работает в низкотемпературном режиме.
Система водяного напольного охлаждения обеспечивает отвод явных теплоизбытков помещения без шума и сквозняков.
Максимальная холодопроизводительность для большинства помещений не превышает 50 Вт/м В помещениях с прямым солнечным облучением пола требуемая холодопроизводительность значительно выше.
Примечание научного редактора
Следует отметить следующие недостатки систем напольного отопления:
В климатических условиях России даже при теплозащите зданий, принятой по 2му этапу, теплового потока от системы напольного отопления может быть не достаточно. Если необходимо прокладывать дополнительную систему отопления, например с подоконными нагревательными приборами, то первая (напольное отопление) теряет смысл.
При нагретой поверхности пола интенсивнее размножаются бактерии, образуется пыль.
Система не ремонтопригодна, слив воды затруднен.
Система инерционна, недостаточно хорошо регулируется.
Литература
ISO Standard 773 Moderate thermal environments — determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. Geneva: International Organization for Standardization. 1994.
ASHRAE Handbook – Fundamentals. Chapter 8.
ANSI/ASHRAE Standard 55199 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
Olesen B. W. A simplified calculation method for checking the indoor climate // ASHRAE Transactions 98(2B). 198 P. 710–723.
Olesen B. W. et al. Thermal comfort in a room heated by different methods // ASHRAE Transactions 86(l). 198 P. 34–48.
Lebrun J., Marret D. Heat losses of buildings with different heating systems // Proceedings of the International Conference on Energy Use Management. 1977.
Lebrun J., Marret D. Thermal comfort and energy consumption in winter conditions – continuation of the experimental study // ASHRAE Transactions 85( . 197 P. 190–204.
CEN (199 EN 126 Floor Heating – Systems and Components. European Committee for Standardization.
1 Olesen B. W. Thermal comfort requirements for floors occupied by people with bare feet // ASHRAE Transactions 83( . 197 P. 41–57.
1 Heiselberg P. Stratified flow in rooms with a cold vertical wall // ASHRAE Transactions 100( . 199 P. 1155–1162.
1 Fang L., Clausen G., Fanger P. O. Impact of temperature and humidity on the perception of indoor air quality // Indoor Air 8( . 199 P. 80–90.
1 Deutscher Allergic und Asthmabund: HausstaubmilbenAllergie. Merkblatt, Mo..nchengladbach.
1 Sugawara F., Nobushisa M., Miyazawa H. Comparison of miteallergen and fungal colonies in floor dust in Seoul (Korea) and Koriyama (Japan) dwellings. J. Archil. Plann. Environ. Eng. 482( . 199 P. 35–42.
1 ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment.
1 Borresen B. Floor heating and cooling of an atrium. Internationaler VeltaKongreb. Arlberg/St. Christoph. 1994.
1 Olesen B. W. Possibilities and limitations of radiant floor cooling // ASHRAE Transactions 103( . 199 P. 42–48.
1 Olesen B. W. Comparative experimental study of performance of radiant floor heating system under dynamic conditions // ASHRAE
![]() ![]() ![]() ![]() На главную Энергоучет 0.0028 |
|