Водяной «теплый пол» – комфортное тепло

М. Гусалов
Водяные «теплые полы» приобретают все большую и заслуженную популярность благодаря своим особенностям. При выборе такой системы обогрева помещений нужно понимать, как она работает.
Мягкое тепло

Принцип действия отопления с помощью «теплого пола» полностью соответствует известной поговорке: «Держи голову в холоде, а ноги – в тепле». Главное отличие «теплых полов» от обычных радиаторных систем обогрева, прежде всего, в том, как формируются потоки воздуха в отапливаемом помещении (рис. 1).Ris_1

Рис. 1. Температура воздушных потоков в помещении: а) с радиаторным отоплением; б) с «теплым полом»

Системы «теплого пола» могут использоваться как в качестве полноценной системы отопления помещений, так и в качестве дополнительной – в целях создания комфорта. В первом случае, температура на поверхности напольного покрытия будет выше, укладка труб производится с более частым шагом – для большей отдачи тепла. Кроме того, обустраивается система регулирования «теплого пола» с контролем по температуре воздуха в отапливаемом помещении.

При обустройстве «теплого пола» в целях повышения комфорта, температура на поверхности напольного покрытия будет ниже, а шаг укладки труб меньше. В таких системах также контролируется температура пола. В то же время, для обеспечения полноценного отопления, они комбинируются с дополнительными приборами. В качестве их могут использоваться, например, радиаторы, фэнкойлы или конвекторы.

В целом, при выборе «теплого пола» для полноценного отопления, он обеспечивает более равномерный градиент температур, чем нагревательные системы других типов, причем с убыванием снизу вверх по высоте помещения. Это выгодно отличает его от «точечного» обогрева с помощью традиционных отопительных приборов. При традиционном отоплении самая теплая зона находится вверху комнаты, а внизу, возле пола, формируются направленные потоки, с температурой ниже комфортных значений. Следует обратить внимание, что на датчик комнатной температуры при радиаторном отоплении может попадать воздушный поток, температура которого мало характеризует ощущаемое тепло в помещении. Поэтому он может давать показания с отклонениями, как в «плюс», так и в «минус».

«Теплый пол» принято причислять к «излучающим» отопительным системам, хотя это не вполне верно. Механизм обогрева от водяного пола включает в себя все три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Рассмотрим, как работает механизм переноса тепла на примере системы водяного «теплого пола», смонтированного «мокрым способом», в которой трубопроводы интегрированы в теплоинерционное перекрытие (рис. 2). «Теплые полы» используют т. н. низкопотенциальное тепло с температурой до 45–55ºС, и энергия, передаваемая при этом собственно тепловым излучением, невелика. Лучистая энергия, прежде всего, нагревает прилегающий к трубе материал. За счет теплопередачи тепло, в итоге, поступает к поверхности пола и нагревает прилежащие к нему слои воздуха. Из-за этого формируются многочисленные конвекционные струйки циркулирующего воздуха, которые переносят тепло от напольного покрытия снизу вверх. Площадь нагрева у «теплого пола» очень большая, поэтому на его поверхности достаточно поддерживать температуру на уровне 27–28ºС.Ris_2

Рис. 2. Передачи тепла в системе «теплый пол»: а) излучение; б) конвекция

На рис. 2, а) представлено тепловизионное фото интенсивности теплового (инфракрасного) излучения пола вскоре после его включения. На этом этапе тепловая картина неравномерна – виден максимальный нагрев в местах прокладки труб с теплоносителем. Когда перепад температур между теплоносителем и помещением наибольший, то передача тепла в большей мере происходит за счет теплового излучения. По мере прогрева массивного пола тепловая картина выравнивается, доля передачи тепла лучистой энергией уменьшается, и возрастают вклады от теплопереноса с поверхности пола к нагреваемому воздуху и от конвекции.

Итак, в «теплых полах» задействованы все три физических механизма передачи тепла. При этом важно учитывать, что для формирования микроклимата помещения большая роль отводится конвекционной микроциркуляции воздуха (рис. 2, б). Поэтому такие полы, намного эффективнее в комнатах, не заставленных мебелью, с большой площадью открытой поверхности пола.

Водяные системы «теплого пола» приобрели заслуженную популярность в условиях умеренного климата нашей страны благодаря комфорту и достаточной экономичности, которые они обеспечивают. Однако следует помнить, что энергоэффективность такого отопления напрямую связана с тем, насколько хорошо утеплено само здание. Необходимая тепловая мощность пола, в зависимости от свойств теплоизоляции дома, может снизиться в разы – от 120 до 50 Вт/м2. Исследования показали, что потери тепла через перекрытия пропорциональны периметру здания и приведенному сопротивлению теплопередаче наружных стен, особенно в местах расположения межэтажных перекрытий. Особое внимание нужно уделить также утеплению пола первого этажа.

«Сухие» и «мокрые» системы

Водяные «теплые полы» подразделяется на два типа по способу монтажа: «сухие» и «мокрые».

Монтаж системы с бетонной стяжкой принято называть «мокрым». Если теплоизлучающие элементы смонтированы без заливки цементным раствором, то этот способ монтажа и сами такие системы называют «сухими». В «мокрых» водяных системах трубы встраиваются в цельный многослойный «пирог» с большой теплоемкостью. Это традиционная схема (рис. 3). Ее применяют уже многие десятилетия. Сейчас предлагаются также облегченные решения с «тонкой стяжкой». Это дает возможность значительно уменьшить вес строительных конструкций и снизить нагрузку на перекрытие. Во всяком случае, при использовании «мокрого» монтажа при реконструкции нужно обязательно проконсультироваться с профессиональным инженером-строителем и выяснить, достаточна ли несущая способность и жесткость имеющегося межэтажного перекрытия для применения «мокрого» «теплого пола».Ris_3

Рис. 3. Схема напольного «пирога» для «мокрой» системы водяного «теплого пола»

В большинстве домов современной постройки есть возможность обустройства систем «теплого пола» способом мокрой укладки для эксплуатации, как в целях отопления, так и для повышения комфорта. Для удобства и ускорения монтажа «мокрым» способом сейчас предлагаются различные системы крепления труб и теплоизолирующие профилированные подкладки (рис. 4), фиксирующие трубы перед заливкой. Также производители предлагают специальные маты с предварительно изогнутыми и уже прикрепленными к ним трубами, которые разворачиваются прямо на месте производства работ.Ris_44

Рис. 4. Укладка труб водяного «теплого пола» перед заливкой бетонным раствором

В последнее время, наряду с усовершенствованием «мокрых» схем монтажа, применяются т. н. «сухие» системы. Основная причина – их быстрый и относительно недорогой монтаж. Такие конструкции значительно легче по общему весу. «Сухие» системы менее инертны и быстрее выходят на установившийся тепловой режим, но, по сравнению с «мокрыми» системами, обладают меньшей теплоаккумулирующей способностью. В то же время, поскольку в них между нагревательными элементами и собственно нагреваемым полом имеется воздушная прослойка, то «сухие» системы монтажа характеризуются более высокой температурой теплоизлучающих элементов.

Как правило, в «сухих» полах используются различные профилированные подкладки. Их применение несколько увеличивает стоимость, но улучшает передачу тепла, теплоизоляцию от перекрытия, шумоизоляцию, а изготовление пола становится существенно менее трудоемким.

Таким образом, применение «сухой» укладки более удобно, чем «мокрой». Однако минусом таких систем является меньшая тепловая мощность. Поэтому и применяются «сухие» «теплые полы» больше в целях повышения комфорта. Например, широкое распространение они получили в кухнях и санузлах новостроек.

Подвод теплоносителя

В водяную систему «теплого пола» нагретый теплоноситель подается из источника тепла (водонагревательные котлы, тепловые насосы, солнечные коллекторы и т. п.). Регулирование подачи тепла к контурам теплого пола осуществляется изменением объемной подачи насосов, дросселированием обратной линии, временным отключением циркуляции в контуре, подмешиванием более холодного теплоносителя (крайне редко), прочее. Сигнал управления для регулирующей и распределительной арматуры формируется по температуре теплоносителя; по температуре воздуха в помещении; одновременно по этим двум параметрам; по данным датчиков наружной и внутрикомнатной температуры; настройкам термостатов; по заранее запрограммированному режиму времени или совместным управлением по оптимизированным алгоритмам. Гибкий подход позволяет удовлетворить индивидуальным требованиям или компенсировать особенности той или иной конкретной схемы.

Затраты на установку водяного «теплого пола» варьируются в довольно широких пределах. Они зависят от размера дома, типа монтажа, числа контуров, схемы трубной разводки (см. рис. 5), длины и сечения используемых труб, характеристик арматуры, общей производительности насосов, вида напольного покрытия, удаленности участка, стоимости рабочей силы и т. д. На устанавливаемую мощность системы и, следовательно, на общие затраты очень влияет уровень утепленности здания.Ris_5

Рис. 5. Распределительный коллектор «теплого пола»

Водяной «теплый пол» можно устроить не только в коттедже, но и в квартире многоэтажного здания. Особенно, если дом возведен по проекту, где такая возможность заранее предусмотрена. Следует понимать, что в сооружениях старой постройки такие системы нельзя напрямую подключать к системе централизованного радиаторного отопления без существенной реконструкции схемы подвода тепла. Это может разбалансировать тепловую схему всего дома и просто отнимет тепло у соседей. Также ни в коем случае нельзя подключать «теплый пол» к общей линии ГВС.

Нужно учитывать, что тепловая инерционность поверхностных систем обогрева, особенно выполненных способом «мокрого» монтажа, определяет их медленный выход на постоянный тепловой режим. Это препятствует оперативному реагированию на изменение температуры наружного воздуха даже в системах с погодозависимым управлением. В этом плане системы требуют индивидуального подхода в расчетах и подборе, в зависимости от особенностей объекта. Не каждый дом можно отопить только «теплыми полами», но зачастую это возможно.

Как свидетельствует опыт применения, при толщине стяжки 3–4 см над трубой (минимальная высота для водяного «теплого пола»), время реакции на изменения температуры системы составляет 3–4 часа. Современная автоматика способна управлять такими изменениями: предсказывать пики производительности и сглаживать их.

Для компенсации значительных температурных колебаний (например, в сильные морозы) можно дополнительно применять системы отопления других типов, имеющих существенно меньшее время отклика на регулирование (фэнкойлы, радиаторы, локальные электрообогреватели и пр.). В этом случае также требуется расчеты и уточнения в зависимости от объекта.

Теплый пол и ВИЭ

Водяные «теплые полы» используют низкопотенциальное тепло и очень хорошо подходят для работы в системах с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). К примеру, они хорошо сочетаются с солнечными коллекторами, которые имеют периодичный характер генерации тепла. Слой бетона долго нагревается и также долго остывает, что выравнивает непостоянство подачи тепла от солнечной энергии.

Тепловые насосы – другой источник низкопотенциального тепла – также отлично подходят для работы с водяными полами. Они характеризуются меньшей неравномерностью выработки тепла в течение суток, чем гелиоколлекторы.

Таким образом, применение «теплых полов» соответствует общему направлению развития комбинированных систем отопления. Производители предлагают всё больше комплексных решений, рассчитанных на работу водогрейных котлов вместе с тепловыми насосами, солнечными коллекторами и поверхностными системами отопления (подробнее см. статью «Комбинированные системы отопления: рекомендовано производителями», журнал AW-Therm, № 2, март–апрель 2016 – примеч. ред.). Например, на рис. 6 показана схема для использования теплового насоса, бака-аккумулятора и работающего на три разных контура «теплого пола» в разных помещениях. Использование буферной емкости исключает частые включения/отключения (тактование) теплового насоса, таким образом, увеличивается срок службы оборудования.Ris_6

Рис. 6. Система с водяными полами и тепловым насосом

Для регулирования температуры в контурах «теплого пола» в схеме применяются датчик наружной температуры и сигналы от регуляторов температуры в каждом помещении. Регулирование подачи тепла по этой схеме осуществляется с помощью изменения подачи насосов и путем подмешивания теплоносителя из обратной линии через трехходовой управляемый клапан. Погодозависимое управление существенно повышает энергоэффективность всей системы и позволяет избежать перегрева при оттепели и, наоборот, быстро отреагировать и подать больше тепла в помещения при снижении температуры.

Водяной пол для охлаждения

Важная особенность и неоспоримое преимущество водяных «теплых полов», по сравнению с электрическими, – возможность использования для охлаждения в жаркое время года. Если через трубный контур пропускать не горячую, а холодную воду, то перекрытие будет так же хорошо держать прохладу летом, как и тепло зимой. Огромная теплоемкость пола позволяет ему исполнять роль аккумулятора и, таким образом, стабилизировать температуру в помещении круглый год. Это существенно экономит средства на кондиционирование помещений. Есть комплектные решения, предполагающие использовать для охлаждения и обогрева не только пол, но и стены.

Реверсивные модели тепловые насосов (см. статью «И зимой, и летом», журнал AW-Therm, № 3, май – июнь 2016 – примеч. ред.) можно использовать не только для обогрева с помощью теплых полов в отопительный сезон, но и для охлаждения помещений в жаркое время года.

Выводы

Таким образом, водяной «теплый пол» – это более комфортная система отопления, по сравнению с традиционными системами. С учетом того, что она адаптирована к использованию низкопотенциального тепла от возобновляемых источников энергии, она также является экономной и экологичной.

В то же время, «теплый пол» – это сложная инженерная система, обустройство которой является капитальной инвестицией в недвижимость. Её проектирование требует тщательного теплового расчета. Исходя из тепловой мощности, определяются параметры гидросистемы, подбираются подходящие сечение и длина труб контуров, давление и подача насосов, типоразмеры арматуры и регуляторов. В том числе, учитывается максимальная скорость потока в трубах, что сказывается на шумности системы (допустимый уровень – не более 40 дБА).

Параметры систем «теплого пола» очень индивидуальны. Практически не может быть двух одинаковых решений. Поэтому расчет и подбор их элементов должны осуществлять специалисты с опытом работы.

Стоит также помнить, что некачественные материалы и трубы или неправильный монтаж оставляют возможность появления трудноустранимых протечек. Поэтому экономия на более дешевых, но менее долговечных компонентах системы, материалах и на уровне выполнения монтажных работ, как говорится, может впоследствии обойтись «себе дороже».



Оставьте комментарий