Расчет потолочных систем охлаждения и обогрева помещений

Н. Копылов

Системы охлаждения и отопления поверхностью уже не являются диковинкой в Украине. Применяются для этого и специальные панели, которые удобно навешивать на потолок как в новых, так и в реконструируемых зданиях. При этом наибольшей эффективностью обладают так называемые активные модули, имеющие тепловые рассеиватели. Расчет необходимого количества таких панелей и представлен в данном материале

Расчет тепловой нагрузки для панелей производится согласно графика (рис. 1), полученного опытным путем. Данный график приводится производителем. В частности, предполагается, что панели, в зависимости от варианта монтажа могут занимать до 75–80% всей площади потолка.

Рис. 1. Зависимость теплоотдачи (теплосъема) от разницы температур воздуха и панели

Немецкий стандарт DIN 4715 рекомендует следующие формулы для расчета теплоотдачи/теплосъема:
q_н= C_н · ΔT^nн, (Вт/м²) для режима отопления;
q_с = C_с ΔT^nc, для режима охлаждения.

где C_н, C_с, n_н, n_с – коэффициенты, приводимые производителем, а ΔT – разница температур воздуха и теплоносителя, которая рассчитывается по формуле:

где Т_а – температура воздуха в помещении;
T_m – температуры воды на подаче;
Т_r – температуры воды в обратной линии.

Что касается температуры воды на подаче, то она не должна быть ниже 15°С летом и выше 35°С зимой. Кроме того, рекомендуется ограничивать разницу температур между прямой и обратной линиями в пределах 2–3°С. Согласно стандарту, рекомендуемая температура воздуха в помещениях: зимой – 20°С, летом – 26°С. В связи с этим, можно приблизительно узнать и рекомендуемую температуру в подающей и обратной линиях (таблица 1).

Таблица 1. Значения проектных параметров системы в зависимости от времени года

Параметр	Летний период	Зимний период
Tm, °C	16	36
Tr, °C	19	33
Ta, °C	26	20
ΔT, К	8,5	,5

Как следует из графика, при ΔT=8,5 К теплосъем будет около 90 Вт/м².

Чтобы определить необходимое количество панелей, необходимо знать их площадь, прежде всего площадь активной поверхности SА, от которой напрямую зависит теплоотдача. Этот показатель указывается производителем в технической документации. К примеру, для активных потолочных панелей GK60 итальянской компании Giacomini, при размерах 600×1200 мм и общей площади 0,720 м² площадь активной поверхности составляет 0,375 м².
Таким образом, производительность панели Q составит:

Q_н = q_н·S_А, в режиме обогрева;
Q_с = q_с·S_А, в режиме охлаждения.

Корректирующие факторы

Ранее указанные формулы действительны для стандартных условий эксплуатации. Например, для высоты потолка от 2,6 до 2,7 м. Однако данное значение не всегда таково. Поэтому при проектировании необходимо учитывать корректирующие факторы.

Фактор высоты F_a рассчитывается как:

F_a = A - B·H,

где:
H – реальная высота установки, м;
А – постоянный коэффициент равный 1,117;
В – постоянный коэффициент равный 0,045.

Данная формула справедлива для установки панелей на высоту до 5 м.

Кроме того, на эффективность работы панелей сильное влияние оказывает фактор вентиляции F_v. Если в помещении предусмотрена механическая вентиляция, то его следует принимать равным 1,15 ÷ 1,05, в зависимости от скорости воздушного потока у потолка. Если помещение не проветривается или вентиляция не имеет взаимодействия с подвесным потолком, F_v = 1.

На эффективность работы панельных систем большое влияние оказывает также площадь остекления, особенно, при работе в режиме охлаждения. Поэтому в случае больших проемов окон рекомендуется учитывать коэффициент F_f в пределах 1,05 ÷ 1,2. То есть активная площадь панелей должна быть увеличена еще на 20%.

Количество излучающих панелей PR, необходимых для удовлетворения потребностей в охлаждении помещения летом составит:
где:
Qs _max – максимальная тепловая нагрузка, Вт;
q_с – удельная мощность при работе в режиме охлаждения (Вт/м²).

При этом нужно учитывать, что температура поверхности панели во избежание риска выпадения конденсата не должна быть равной или граничить с температурой точки росы (разница должна составлять не менее 1,5 К). Излучающие панели должны быть равномерно распределены, а при необходимости – с более высокой плотностью вблизи наружных стен и окон.

Количество необходимых излучающих панелей в зимний период при работе на обогрев рассчитывают по схожей формуле:
где:
Q_Imax – пик зимней нагрузки (Вт);
q_н – удельная мощность при работе в режиме отопления (Вт/м²).

Если предполагается эксплуатация системы, как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения, необходимо ориентироваться на максимальную нагрузку в один из сезонов, а затем определить оптимальные условия работы системы с тем же количеством панелей в другой сезон.

Гидравлическая часть

Общий необходимый объем воды для работы системы рассчитывается по формуле:

Q_circuit= Q·n,

где:
n – количество излучающих панелей;
Q – емкость панели, л.

Расход воды (л/час) рассчитывается по формуле:

где:
Δt – разность температур на входе и выходе из системы (T_m - T_r).

Расход воды должен соизмеряться со скоростью потока. Поэтому для каждой модели панелей производитель задает минимальный рекомендуемый расход.

Расчет потери давления осуществляется с помощью коэффициента K_v, который также приводится производителем в техдокументации. Исходя из расхода воды G и количества панелей n, потеря давления (мм водяного столба) определяется по формуле:

Обычно рекомендуется не превышать потери давления 2500–2800 мм водяного столба в одном ряду.

Пример расчета потолочных систем

В качестве примера рассмотрим расчет системы потолочного отопления для помещения вестибюля размером 10×12 м (площадь – 120 м²) с высотой потолка 3,2 м (объем – 384 м³).

Для оснащения выбраны активные панели серии GK60. Всего возможно размещение 144 секций подвесного потолка, 12 из которых занимают осветительные приборы (рис. 2).

Рис. 2. Расположение элементов подвесного потолка, включая излучающие панели и осветительные приборы

Необходимые тепловые нагрузки:

– лето (Т_а = 26 °C) – 5 300 Вт;
– зима (Т_а = 20 °C) – 5 600 Вт.

Предполагаются следующие корректирующие факторы: F_a – 0,973; F_f – 1,05; F_v – 1,1.

В данных условиях, согласно графику производительности, получаем следующие результаты:

q_с (ΔT = 8,5 К) = 103,93 Вт/м²;
q_н (ΔT = 14,5 К) = 129,16 Вт/м².

С учетом корректирующих факторов, панели должны иметь мощность:

Q_c = q_с·S_A·F_a·F_v·F_f = 43,8 Вт/панели;
Q_н = q_н·S_A·F_a·F_v·F_f = 54,4 Вт/панели.

Отсюда следует, что для получения общей требуемой мощности зимой необходимы 103 активных панели, а летом – 121. Следовательно, их количество должно быть равным максимальному – 121. Исходя из общего возможного количества – 132 модуля – ясно, что рассчитанным числом панелей можно покрыть необходимые нагрузки. Остающиеся секции выполняются из неактивных панелей, выполняющих лишь эстетическую функцию.

Исходя из максимально необходимого количества панелей равного 121, можно пересмотреть условия эксплуатации системы зимой. Если учитывать, что QH = 46,3 Вт/панель, то, согласно графику, это соответствует ΔT = 12,5 K, поэтому температуру воды в подающей линии можно снизить до 34°С.

Перейдем к определению объема теплоносителя и потери давления. При этом расчет осуществляется в режиме охлаждения, как наиболее востребованном. Общая пропускная способность системы равна 1 519 л/час.
Исходя из рекомендаций производителя, необходимо подключать последовательно не более 12 панелей в один ряд. В нашем случае целесообразно подключение по 8 штук. Таким образом, расход воды для каждого из таких контуров будет равен 100,4 л/час.

Потеря давления в каждом ряду составит 1088 мм водяного столба. С учетом потерь давления в подводящих трубах (из полибутена, размер 16×1,5 мм, максимальная длина – 15 м), необходимо добавить к этому еще 150 мм водяного столба. Таким образом, полная потеря давления составит около 1250 мм водяного столба, что не превышает допустимых значений.

Монтаж и эксплуатация потолочных систем

В целом, инсталляция потолочной системы состоит из тех же этапов, что и установка обычного подвесного потолка. Вертикальные подвесные крепления из уголков и планок располагаются в соответствии с положением панелей. Следующей операцией является навешивание несущих направляющих.

Затем монтируется гидравлическая часть: панели объединяются в серии с помощью полиэтиленовых труб и пресс-фитингов (рис. 3), например, Giacomini RC (Италия). Также можно использовать коллекторы. На заключительном этапе первая и последняя панель соединяются с подающим и обратным трубопроводом.

Рис. 3. Схема подсоединения панелей в группы

После сборки каркаса на панели устанавливаются фиксирующие пружины (рис. 4). Теперь можно навешивать панели в соответствии с направлением открытия, как показано в проекте установки.

Рис. 4. Пружинные клипсы для панелей

Панели могут открываться так, чтобы тыльная сторона была развернута для осмотра (рис. 5), что необходимо для монтажа и последующего обслуживания, которое может производиться без отключения системы отопления или охлаждения.

Рис. 5. Готовая потолочная система

Потолочные системы можно сочетать с другими инженерными коммуникациями: вентиляцией, осветительными приборами, громкоговорителями, противопожарной системой. Несущие рамы могут использоваться и для прокладки электрических кабелей, а над навесным потолком возможно проложить слой звуко- или теплоизоляционного материала.
Для увеличения эффективности работы потолочных систем охлаждения/отопления помещений рекомендуется предусмотреть применение датчиков и термостатов.
Система контроля температуры может включать:

- датчик температуры наружного воздуха;
- датчик температуры рабочей среды;
- датчик влажности.

Поддержание температуры в помещении обычно обеспечивается зонными трех- илидвухходовыми клапанами с электроприводом, установленными на основном трубопроводе (рис. 6).

Рис. 6. Подключение комнатного термостата

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

Переглянуто: 3 001