Как устроен теплый пол?
Как устроен теплый пол?
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. 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.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.
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.
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.
Различаются три основных типа теплого пола
• 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.
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.
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.
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 . 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.
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.
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
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. 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.
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.
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 DqС 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 DqС 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.