Системы лучистого отопления и охлаждения

В последнее время в связи со строительством офисов больших площадей со свободной планировкой рабочих пространств появилась необходимость в применении систем отопления и охлаждения помещений, позволяющих трансформировать системы обеспечения микроклимата так же свободно, как и изменять планировку офиса. Появление современных стеклопакетов с высоким сопротивлением теплопередаче позволило убрать отопительные приборы из-под оконных проемов; требования к качеству микроклимата помещения и к энергосбережению возросли. Системы лучистого отопления и охлаждения получили новый виток развития. Теплые полы и излучающие панели, охлаждающие потолки и «балки» – все это не только современная альтернатива традиционным системам отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха, но и оборудование, имеющее в своей основе иной принцип обеспечения комфорта в помещении, когда нагрев или охлаждение воздуха происходит за счет не только конвекции, но и излучения.

Достаточно распространенные в странах Северной Европы системы лучистого отопления и охлаждения обозначили отход от традиционных водяных и воздушных систем и сегодня представляют оригинальную европейскую методику. Хотя у данных систем тоже есть свои недостатки, они обеспечивают комфорт, в большей степени соответствующий характеру теплообмена человека.

Имеющиеся сегодня инженерные решения на основе систем лучистого отопления и охлаждения позволяют более рационально, по сравнению с традиционными, выстраивать архитектурный облик здания и интерьеры помещений. Теплоноситель (как правило, вода), используемый в таких системах, имеет умеренную температуру как для отопления, так и для охлаждения, отсюда оптимальные условия для работы конденсационных котлов и тепловых насосов, солнечных коллекторов, высокий уровень энергетической эффективности и экологической безопасности.

Часть 1. Отопление излучающими панелями

При использовании систем лучистого отопления средняя температура в помещении обычно выше, чем температура воздуха, т. к. передача тепла осуществляется нагретыми поверхностями пола, потолка, стен большой площади либо их сочетанием.

Вследствие большой площади теплоотдающих поверхностей их температура близка к требуемой температуре в помещении и нет необходимости использовать воздух в качестве дополнительного способа нагрева помещения. Равные условия комфорта в помещении можно обеспечить при более низкой температуре воздуха, сократив расход тепла на подогрев вентиляционного воздуха. Основное отличие между традиционным и лучистым отоплением как раз и состоит в температуре воздуха. В жилом помещении с лучистым отоплением она всегда ниже в среднем на 2 °C: понижение температуры всего на 1 °C позволяет снизить потребление энергоресурсов в среднем до 7 %. При этом должно быть понятно, что величина экономии растет пропорционально отапливаемым объемам. То есть в помещениях очень большой площади – соборах, музеях и пр. – экономия энергии достигает 40–50 %. Если к тому же системы лучистого отопления использовать в комбинации с современными генераторами тепла, результаты по параметрам сезонной производительности просто потрясающие.

Что касается материалов, применяемых для изготовления излучающих панелей, на первом месте стоит медь – по показателям теплопроводности, меньшей высоте прокладки, высокой термостойкости и отсутствию проблем с осмосом. Пластмассовые материалы (полиэтилен, полибутилен и др.), в свою очередь, очень технологичны при монтаже, что позволяет значительно снизить его стоимость.

Рисунок 1. Вертикальное распределение температуры от теплого пола близко к идеальному

Отопление теплыми полами

Отопление теплым полом обеспечивает практически безградиентное распределение температуры по высоте человека, при этом к ногам поступает тепла чуть больше, чем к голове.

Основным параметром при проектировании систем с теплым полом является температура его поверхности: известно, что при превышении определенных значений вероятно возникновение проблем физиологического характера, касающихся кровообращения нижних конечностей. По этой причине международными стандартами установлена максимальная температура теплого пола 29 °C при температуре внутреннего воздуха 20 °C. Для участков пола, где нахождение людей маловероятно, допускается максимальная температура поверхности пола 35 °C, в туалетных и ванных комнатах эта температура не может превышать 33 °C при температуре внутреннего воздуха 24 °C.

Рисунок 2. Теплоотдача теплого пола. В целях предотвращения проблем с кровообращением нижних конечностей человека температура поверхности теплого пола не может превышать 29 °C

Теплоотдача пола с постоянной равномерной температурой рассчитывается по следующей формуле:

q = 8,92 х (t_п – t_в )^1,1,

где q – тепловой поток поверхности пола, Вт/м²;

t_п – средняя температура поверхности пола, °C;

t_в – средняя температура воздуха, °C.

Если t_п = 29 °C и t_в = 20 °C, тепловой поток составит:

q = 8,92 х (29 – 20)^1,1 = 100 Вт/м².

Рисунок 3. (подробнее) Схема регулирования температуры воды на подаче в контур излучающей панели. Рекомендуется для систем малой и средней площади

Одной из причин, по которым в 1950-е и 1960-е годы отопление теплым полом было признано недостаточно надежным, были проблемы с регулированием, обусловленные, главным образом, высокой тепловой инерцией системы, что плохо подходило для обеспечения регулирования температуры воздуха.

Рисунок 4. Теплоотдача излучающей панели в стене. Поскольку пользователи здесь непосредственно не контактируют с излучающей поверхностью панели, допускается более высокий уровень температуры поверхности, чем у теплого пола

Сегодня в результате улучшения теплозащиты зданий, оптимизации геометрической раскладки труб и практически повсеместного наличия теплоизоляции под цементной стяжкой обогревающие полы могут давать очень неплохие результаты по обеспечению регулирования температуры воздуха, вполне сопоставимые с параметрами других систем отопления.

Рисунок 5. Модульная панель, выполненная из меди, для установки под штукатурку. Система практична и монтируется в кратчайшие сроки

Для организации эффективного регулирования обогревающих полов необходим грамотный расчет циркуляционных колец, при котором в каждую излучающую панель (циркуляционное кольцо) должен поступать расчетный расход теплоносителя. Как правило, регулирование температуры теплого пола состоит в регулировании температуры воды на подаче в контур в зависимости от температуры наружного воздуха. Такое регулирование далеко не всегда может обеспечить комфортные условия в отдельных помещениях, поскольку центральное регулирование по датчику температуры наружного воздуха не позволяет учесть внутренние тепловыделения в отдельных помещениях. Более эффективно сочетание центрального регулирования с местными термоэлектрическими клапанами, устанавливаемыми на каждую панель и получающими сигнал от комнатного термостата. В этом случае центральное регулирование обеспечивает подачу теплоносителя с оптимальной, в соответствии с погодными условиями, температурой, а комнатные термостаты обеспечивают комфортные условия в каждом помещении с учетом внутренних тепловыделений.

Рисунок 6. Теплоотдача потолочных излучающих панелей. Для жилых помещений рекомендуется перепад 10 °C между поверхностью активных элементов и температурой воздуха в помещении. Рабочие параметры и ограничения аналогичны параметрам теплых полов

Излучающие панели в стенах

Излучающие панели в стенах применяются, как правило, дополнительно к другим системам отопления, но могут использоваться и в качестве самостоятельной системы.

Поскольку пользователи не имеют непосредственного контакта с нагретой поверхностью панели, действующие европейские нормативы допускают температуру поверхности более 30 °C. Теплоотдача панелей выше, чем у обогревающих полов, и варьируется от 160 до 200 Вт/м².

Монтаж панелей

Монтаж под штукатурку

Модульные блоки змеевика панелей монтируются непосредственно на стену обычным крепежом и покрывают штукатуркой слоем толщиной около 3,5 см.

Монтаж под облицовочные панели

Модульные блоки змеевика панелей монтируются на стену и закрываются гипсокартоном либо иной жесткой облицовкой.

Блоки змеевика крепятся посредством вертикальных либо горизонтальных осевых опорных штанг на слой теплоизолирующего материала, покрытого, как правило, алюминиевым листом.

Заделка в армированные бетонные панели

Модульные блоки змеевика крепятся к металлической арматуре, затем заливаются бетоном по традиционному методу. Готовая панель оставляется открытой либо штукатурится.

Температурная динамика в помещениях, оборудованных обогревающими панелями в стенах, достаточно плавная. Установлено, что при средней температуре 40 °C подаваемой в змеевик воды и температуре воздуха в помещении в пределах 19–20 °C доля излучения в теплоотдаче панелей составляет 80–85 %, доля конвекции – 15–20 %.

Другая особенность панелей в стенах – низкая тепловая инерция, которая (будучи обусловленной особенностями установки) в любом случае оказывается ниже, чем у теплых полов. Это обстоятельство приобретает особое значение для объектов, где теплоснабжение работает в переменном режиме. Следует, однако, признать, что в этом вопросе есть одна немаловажная особенность, которая оказывает влияние на выбор в пользу того или иного решения – в жилых помещениях, обставленных мебелью, эффективность обогревающих панелей в стенах существенно снижается.

Потолочные излучающие панели

Первые излучающие панели, которые появились на рынке отопительных систем, были потолочными.

В силу отсутствия прямого контакта излучающих панелей с человеком для них (как и для обогревающих панелей в стенах) допустимы более высокие значения температуры поверхности, нежели для теплых полов, что позволяет обеспечить достаточно высокую теплоотдачу, не создавая особого дискомфорта для пользователей.

Очевидно, что допустимые максимальные значения температуры поверхности для потолочных панелей в значительной степени обусловлены высотой потолков. Для жилых помещений со стандартной высотой потолков рекомендуется перепад 10 °C между температурой поверхности панели и температурой воздуха в помещении.

Высокая тепловая инерция самых первых отопительных систем этого типа была вызвана тем обстоятельством, что панели встраивались в бетонные междуэтажные перекрытия. Подвесные излучающие потолки модульного типа отличаются низкой тепловой инерцией, простотой установки и – что немаловажно – чрезвычайной легкостью и безопасностью доступа для обслуживания.

Распределение температуры по вертикали в режиме отопления показывает, что излучающие потолки подходят скорее для охлаждения помещений в летний период. Как бы там ни было, системы такого рода представляют собой добротный функциональный компромисс между летним охлаждением и зимним отоплением и особенно подходят для предприятий сферы услуг, где модульность подвесных потолочных конструкций обеспечивает:

- неплохую гибкость, поскольку используемые соединения позволяют без труда реконструировать систему в случае перепланировки помещений;

- возможность интеграции других типов систем (освещения, противопожарной системы и пр.) без изменения внешнего вида и нарушения функциональности установленных панелей.

Заключение

В прошлом негативное влияние определенных факторов, а точнее поверхностный подход к решению функциональных проблем, свойственным излучающим панелям, приводило к известному скептицизму в отношении систем лучистого отопления. Однако сегодня – в связи с улучшением теплоизоляции зданий и системы регулирования температуры воздуха – системы лучистого отопления переживают второе рождение.

Большие поверхности систем лучистого отопления, нагреваемые до невысоких температур, обладают целым рядом преимуществ, среди которых выделяются:

- высокий тепловой комфорт;

- лучшее качество воздуха;

- высокая гигиеничность;

- практически полное отсутствие воздействия на окружающую среду;

- экономия энергоресурсов.

То обстоятельство, что монтаж таких систем осуществляется, как правило, специализированными организациями, которые гарантируют функциональные проектные параметры, является залогом непрерывного роста числа излучающих панелей в сдаваемых объектах жилищного строительства.

В статье использованы материалы:

1. G. Redondi. Il riscaldamento a pannelli radianti // Costruire Impianti. 2003. № 1.

2. Ф. А. Миссенар. Лучистое отопление и охлаждение. М.: ГСИ, 1961.

3. В. Н. Богословский. Строительная теплофизика. М.: ВШ, 1970.

Тепловой комфорт и энергетический баланс человека

Системой обогрева – охлаждения в помещении должна быть создана благоприятная для человека тепловая обстановка. Самочувствие и работоспособность человека зависят от состояния физиологической системы терморегуляции организма, которая нормально функционирует при температуре около 36,6 °C. Для поддержания постоянной температуры организм человека непрерывно вырабатывает тепло, которое отдается окружающей среде. В зависимости от физиологического и эмоционального состояния человека, его одежды, возраста, вида выполняемой работы и индивидуальных особенностей организма количество тепла, выделяемого в окружающую среду, может быть различным. Рисунок 1 Общий тепловой (энергетический) баланс человека (Вт) характеризуется следующим уравнением: DQч = Qч – Qpч – Qкч – Qлч – Qтч – Qич – Qфч , где DQч – избыток (накопление) или недостаток тепла в организме; Qч – теплопродукция организма (общее количество энергии, вырабатываемой организмом); Qpч – расход тепла (энергии) на механическую работу; Qкч – составляющая теплообмена человека конвекцией; Qлч – составляющая теплообмена человека излучением; Qтч – тепловая энергия, обусловленная теплообменом со средой посредством теплопроводности; Qич – составляющая теплообмена человека за счет затрат тепла на испарение влаги; Qфч – тепло, затрачиваемое на физиологические процессы (нагрев вдыхаемого воздуха, естественный обмен веществ и пр.). Рисунок 2 Основным способом передачи тепла является теплообмен между кожными покровами человека и окружающей средой посредством теплопроводности, конвекции, излучения и потоотделения (поскольку впоследствии пот испаряется). Посредством теплопроводности тепла передается настолько мало, что в общем расчете теплового баланса его можно не учитывать, поскольку такие поверхности тела человека, как ладони рук или ступни ног, чрезвычайно малы по сравнению с общей площадью тела, а в тех случаях, когда температура поверхности в точке контакта существенно отличается от температуры тела человека, как правило, используются защитные предметы одежды. Общая теплопродукция организма Qч в основном зависит от степени тяжести выполняемой человеком работы. Рисунок 3 Расход тепла на механическую работу Qpч обычно составляет от 5 до 35 % от дополнительных тепловыделений, связанных с выполнением физической или умственной работы. Например, для работы средней тяжести, выполняемой стоя (Qч = 300 Вт), этот процент равен 20 и Qpч = 0,2 (Qч – 100) = 40, где 100 Вт – тепловыделение в покое. Тепло, затрачиваемое на физиологические процессы, Qфч не превосходит 11,6 Вт, и в расчетах его можно не учитывать. Если теплопродукция организма и потери тепла не сбалансированы, то в организме может наблюдаться накопление тепла DQч, связанное с повышением температуры, или его дефицит, приводящий к переохлаждению организма. Система терморегуляции организма позволяет в определенных пределах обеспечивать баланс продуцируемого и теряемого теплом тела. Однако возможности терморегуляции весьма ограничены. Значения коэффициента А в зависимости от скорости движения воздуха Скорость воздуха, м/с А ≤ 0,2 0,5 0,2 – 0,6 0,6 0,6 – 1,0 0,7 В пределах значений температуры среды, соответствующих комфортным условиям, теплообмен происходит главным образом конвекцией и излучением. В условиях теплового комфорта теплообмен человека происходит посредством: - скрытого тепла (потоотделения и дыхания) – 21 %; - конвекции – 33 %; - излучения – 46 %. Таким образом, основными параметрами среды в определении тепловлажностного комфорта являются: температура, влажность, подвижность воздуха и средняя температура окружающих поверхностей помещения. Человек ощущает не столько температуру воздуха, сколько совокупность температур воздуха Тв и радиационную температуру помещения TR, что иначе называется «температура помещения» Tп. В умеренной тепловой среде или при температуре (TR – Tв) < 4 °C показатель Tп составит среднее арифметическое Tв и TR. Точнее значение Tп определяется следующей зависимостью: Tп = А Tв + (1 – А) TR , где коэффициент А имеет значения, приведенные в таблице. Таким образом, определенная «температура помещения» может быть получена двумя способами: - повышением прежде всего радиационной температуры TR всех или части поверхностей помещения; - повышением температуры Tв воздуха помещения.