Укладка труб при монтаже водяного «теплого пола» – принцип МВ-модуляции

К. Семаков, С. Моисеенко

Важное свойство любой отопительной системы – способность создавать для обитателей в отапливаемом помещении равномерное тепло, комфортное для обитателей. Этому критерию наиболее всего отвечают системы «теплый пол», однако здесь необходимо приложить немало усилий и владеть необходимыми знаниями. Немецкая компания Multibeton провела ряд экспериментальных исследований и выработала свою систему укладки труб «теплого пола», обеспечивающую наиболее равномерный градиент температур в помещении

Тепловая модуляция Multibeton

Под руководством профессоров А. Колмара и А. Файста в Кельнском политехническом институте, Германия, был изучен характер распределения температур в помещениях при разных способах отопления, см. рис. 1. В результате были выработаны рекомендации для достижения особого способа укладки труб с переменным шагом, который приводит к наиболее равномерному поступлению тепла, что ощущается обитателем как самое комфортное. Этот запатентованный способ называется «тепловая модуляция Multibeton» и он имеет ряд особенностей.

Рис. 1. Диаграммы Колмара–Файста распределения тепла по высоте помещения при разных видах отопления

Принцип тепловой модуляции Multibeton (или МВ-модуляции) основан на ряде экспериментов, проведенных специалистами компании для изучения влияния различных методов монтажа водяного теплого пола и способов обогрева на распределение температуры воздуха в помещении.

Для изучения тепловых процессов в исследовательском центре Multibeton был построен макет специальной испытательной комнаты внутри изолированной термокамеры. Таким образом, задавая определенную температуру в камере (например, с помощью мощных кондиционеров), можно было имитировать изменение «наружных» атмосферных условий. В данном случае внешними (охлаждаемыми) были одна стена с окном и потолок (крыша), а остальные стены и пол считались внутренними. Под полом располагалась система обогрева водяным «теплым полом» Multibeton, причем схема расположения трубы (конфигурация и шаг укладки) могла меняться. Для достоверности измерений по всему объему помещения равномерно были расположены многочисленные температурные датчики.

Первоначально температура воздуха на уровне головы человека внутри комнаты площадью 20 м²везде поддерживалась постоянной и составляла +20°С, которая признана наиболее комфортной для человека (рис. 2).

Рис. 2. Исходные предпосылки к анализу принципов монтажа водяного «теплого пола» и первоначальное распределение температур в охлаждаемом помещении

Затем температуру снаружи понижали до минус 10°С и в течение трех часов поддерживали такой режим охлаждения. По истечении этого времени были произведены замеры температуры, представленные на рис. 3.

Рис. 3. Распределение температур в помещении при понижении внешней температуры до -10 °С

Можно видеть, что температура воздуха в комнате минимальна возле окна у наружной стены и составляет +12°С, плавно повышаясь до +18°С у противоположной (внутренней) стены. Температура пола меняется не столь заметно: от +12°С у наружной до +18°С у внутренней, и, тем не менее, теплопотери, которые условно можно характеризовать площадью, ограниченной «идеальным» и «реальным» распределением температур, весьма значительны. Для компенсации этих теплопотерь, в простейшем случае, график распределения теплоподачи (например, от «теплого пола») в помещении должен представлять из себя зеркальное отображение распределения теплопотерь (рис. 4).

Рис. 4. Компенсация теплопотерь при обогреве водяным «теплым полом» (укладка «змейкой»)

Здесь показано, что для достижения компенсации необходимо укладывать трубы с переменным шагом – плотнее к окну.

Укладка трубы при монтаже водяного «теплого пола»

На основании вышеизложенного была произведена укладка трубы «теплого пола» двумя способами: так называемой «змейкой» (или «меандром»), когда витки трубы укладываются параллельно, и «улиткой» (труба укладывается спиралью). Схематически эти два вида укладки показаны на рис.5 (вид сверху). В обоих случаях использовалась цельная труба, без соединений. Особенность укладки способом «змейка» состоит в том, что труба укладывается в нагретом состоянии (при температуре теплоносителя около 80°С) для обеспечения нужных радиусов изгиба и компенсации эффекта «молекулярной усталости». Холодная труба при укладке «не запоминает» форму, и при подаче горячего теплоносителя стремится деформироваться (распрямление, скручивание) и выскочить из креплений либо разорвать их. Следует особо отметить, что в случае «змейки» шаг укладки менялся: с наименьшим шагом (и максимальной температурой подачи) труба укладывалась под окном с постепенным увеличением шага по мере удаления от окна. При этом температура воздуха в помещении уменьшается как за счет теплопотерь, так и за счет охлаждения воды в трубе.

Укладка способом «улитка» (спираль) не имеет столь малых радиусов изгиба, как «змейка»; на рис. 5 показаны два способа – обычный и модифицированный, с уменьшением шага к наружной стене.

Замеры температуры воды в трубе (рис. 5) показали, что при температуре подачи +40°С температура воды на выходе системы (перед тем, как она поступает обратно в котел и снова нагревается) для обоих способов укладки примерно одинакова (порядка +30°С). В то же время распределение температуры в комнате в случае укладки «улиткой» весьма далеко от равномерного (красная кривая на рис. 6), поскольку при этом чередуются участки большего и меньшего нагрева.

Рис. 5. Способы укладки водяного «теплого пола»:
«змейкой» с переменным шагом; обычная «улитка»; модифицированная «улитка» (с уменьшением шага к наружной стене)

Укладка «улиткой» имеет особенность, что рядом с участком с горячим теплоносителем (подача) обязательно оказывается участок с более охлажденным (возврат). Таким образом, если рассматривать поперечное сечение укладки, то горячие и холодные участки трубы чередуются, как показано на рис. 5, справа, и рис. 6, верхняя схема. Это отличительная особенность способа укладки по спирали по сравнению с укладкой меандром («змейкой»).

Рис. 6. Распределение температур при укладке водяного «теплого пола» «улиткой»

Такой способ укладки приводит к недостаточной теплоподаче у окна (внешняя стена) и избыточной теплоподаче у внутренней стены, что иллюстрируется графиками компенсации теплопотерь, показанными на рис. 6. На этом рисунке видно, что теплоподача компенсирует теплопотери только в центре комнаты, где графики пересекаются, и там образуется небольшая зона действительно комфортного пребывания (синим цветом показаны зоны недогрева, красным – перегрева). При этом возникают ощутимые конвективные потоки, что приводят к тому, что человек ощущает температуру в комнате как более низкую. Другими словами, чтобы устранить дискомфорт от этого, потребуется увеличить температуру на 1–2 °С. Однако это увеличивает расход энергии – известно, что уменьшение температуры в помещении на 1°С ведет к экономии энергоресурсов на 6%. Укладка трубы «теплого пола» модифицированной «улиткой», см. рис. 5, справа, мало влияет на ситуацию – не удается добиться полной компенсации теплопотерь, как показано на рис. 4 (укладка «змейкой» с переменным шагом).

Помимо перегрева у внутренней стены и недогрева у внешней, в случае укладки «улиткой», имеются перепады температур до 10°С на сравнительно небольших участках пола (сравнимых по размеру, например, со ступней человека), что также не способствует комфорту пребывания в таком помещении и вносит дополнительную неравномерность в распределение температур. Способ «змейка» с переменным шагом выгодно отличается от «улитки» с постоянным или с переменным шагом, поскольку им можно максимально точно, если не полностью, скомпенсировать кривую теплопотерь, см. рис. 7.

Рис. 7. Неравномерность нагрева (модуляция) водяного «теплого пола» при монтаже способом «змейка» (слева) и «улитка» (справа)

Уплотнение «улитки» под окном и разрежение с противоположной стороны (модифицированная «улитка», рис. 5 справа) или применение различных комбинаций из нескольких контуров нагрева, уложенных спиралью с разным шагом, также принципиально не улучшает ситуацию с точностью компенсации теплопотерь (рис. 8).

Рис. 8. Монтаж водяного «теплого пола» «улиткой» (двойной контур) и характер распределения температур на стыке контуров

Укладка «улиткой» (хоть одинарным, хоть двойным контуром) приводит к резкому увеличению длины уложенной трубы по сравнению с укладкой меандром («змейкой») с переменным шагом. Даже при наличии двух или нескольких спиральных контуров у «улитки» по-прежнему сохраняется неравномерное распределение температуры, имеется существенная конвекция, а для преодоления дискомфорта потребуется затратить дополнительную энергию. Кроме того, как видно из рис. 8, справа, возникает дополнительный «переходный» участок, где имеется неравномерность температур в зоне примыкания спиральных контуров друг к другу.

Таким образом, налицо явное преимущество способа монтажа трубы водяного «теплого пола», предложенного специалистами компании Multibeton на основании специальных экспериментальных исследований. Этот способ получил название «монтаж по принципу тепловой модуляции» (или просто «МВ-модуляция»).

Принцип тепловой модуляции

Кратко этот принцип формулируется так: «Параллельная укладка трубы с переменным, но строго рассчитанным шагом, при которой тепло в помещении подается именно туда, куда необходимо, с целью избежания перерасхода тепловой энергии или обогрева лишних элементов конструкции (например, потолка), а также максимальной экономии нагревательной трубы».

Общие выводы из исследования компании Multibeton приведены на рис. 9.

Рис. 9. Выводы сравнительного исследования компании Multibeton по распределению температур теплого пола в зависимости от способа укладки труб

Максимальную компенсацию теплопотерь, устранение неравномерности температуры на поверхности пола и дискомфортных конвекционных потоков, что приводит к дополнительному расходу энергии, можно достичь укладкой меандром («змейкой») с переменным шагом, уплотненным в сторону максимальных теплопотерь (например, в сторону оконного проема).

Тепловая модуляция способом, предложенным компанией Multibeton, корректно работает и в случае применения «теплого пола» в качестве системы поверхностного охлаждения в жаркое время года, см. рис. 10.

Рис. 10. Тепловая модуляция методом Multibeton используется как для отопления, так и для охлаждения помещений

Параллельная укладка меандром с переменным шагом максимально точно справится с поглощением в жару избыточного тепла, проникающего в помещение через наружную стену со светопрозрачным проемом. Кроме того, MB-модуляция экономит не только энергию, устраняя ощущение дискомфорта и связанное с этим перерегулирование температуры, но и устраняет избыточные затраты на трубу для «теплого пола», сокращая необходимую ее длину в целом, а также уменьшает гидравлическое сопротивление движению теплоносителя.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 9 202