Отопление и охлаждение помещений с помощью пола

Успешная разработка систем «теплого/холодного пола» требует понимания физической стороны функционирования подобных систем и умения применять мощные программные средства проектирования. Поведение теплоактивных плит не поддается простому анализу, так как процессы лучистого отопления/охлаждения и температурное расслоение воздуха имеют сложный характер. Кроме того, каждый объект обладает уникальными геометрическими и тепловыми характеристиками, так что механизмы моделирования и анализа поведения системы играют очень важную роль на этапе проектирования. Однако существует множество инструментов для моделирования, которые позволяют убедиться в способности проектируемой системы поддерживать комфортную температуру, работать энергоэффективно и предотвращать образование конденсата.

Схема работы системы лучистого отопления/охлаждения

Система «теплого/холодного пола» представляет собой замкнутый контур, подключенный через теплообменники к источникам тепла/холода, и реализующий теплообмен с окружающим пространством с помощью труб, вмонтированных в напольные плиты.

Изоляция контура позволяет избежать попадания грязи и мусора из главных контуров системы отопления/охлаждения здания в трубы малого диаметра, которые размещаются под полом и используются на протяжении всего срока функционирования здания. На рис. 1 приведена типичная схема работы «теплого/холодного пола».

Рис. 1. Схема работы системы лучистого отопления/охлаждения.

Для проектирования многозонной плиты «теплого/холодного пола» чаще всего используется схема с постоянной температурой (для режимов отопления и охлаждения) и переменным потоком воды. В зависимости от уровня наклона пола и от механизма использования пространства регулирующие вентили будут располагаться либо на каждом контуре, либо на каждой распределительной трубе. Если каждый контур использует собственный вентиль, типичная схема предполагает использование двухпозиционного вентиля с плавным регулированием.

В случае менее детального разбиения на зоны двухпозиционный вентиль с плавным регулированием устанавливается на распределительную трубу, которая может обслуживать до 10 контуров. Зонный контроль производительности важен в режиме охлаждения для изменения параметров пола в ответ на перемещение солнечных лучей.

Область пола, находящаяся под прямым солнцем, будет требовать серьезного охлаждения, в то время как находящаяся в тени область потребует сравнительно небольшого потока охлаждающей жидкости для поддержания температуры пола на уровне 20°C. Циркуляционный насос в такой системе оснащается приводом с переменной скоростью вращения и байпасом для регулирования уровня давления, что позволяет работать при пониженной нагрузке.

В водяном контуре могут использоваться два отдельных тепло­обменника для отопления и охлаждения или единственный теплообменник на четыре трубки. Контроль над температурой поступающей жидкости во вторичном контуре теплообменника достигается за счет использования в первичном контуре двухстороннего вентиля, контролируемого температурным датчиком, расположенным на выходе вторичного контура теплообменника.

Рекомендуется использовать полиэтиленовые трубы высокой плотности. Диаметр труб подбирается, исходя из рекомендуемой скорости потока жидкости в контуре (от 0,6 до 0,8 м/с).

Отметим, что рост длины контура приводит к снижению эффективности его работы (в среднем на 8–10% на каждые 200 метров длины). Меньшая длина контура является более подходящей для систем со сложной конфигурацией. Распределительные трубы должны быть расположены как можно ближе к обслуживаемой области. Вообще говоря, выбор места прокладки распределительных труб на ранней стадии проектирования позволяет упростить их последующее размещение. Для установки распределительной трубы на 10 контуров в стене необходимо сделать нишу глубиной примерно 150 мм, высотой 500 мм и шириной около 1 м. Конфигурация зоны с расположенным в центре температурным датчиком должна учитывать прилегающие объекты и характер солнечного освещения в течение дня.

Выбор циркуляционных насосов для контура необходимо осуществлять, исходя из максимальной скорости течения жидкости для систем отопления и охлаждения. Поддержание максимальной температуры пола на уровне 27°C в режиме отопления может быть достигнуто при скорости течения воды 0,25 м/с, если температура воды составляет 33°C.

Впрочем, при использовании указанных выше значений требования к температурному режиму в различных зонах, вероятно, не будут существенно отличаться. В режиме максимального охлаждения требования различных зон, скорее всего, будут значительно отличаться: для охлаждения находящихся на солнце участков требуется увеличенная скорость течения жидкости, в то время как для участков в тени будет достаточно и 0,1 м/с для поддержания температуры пола на уровне 20°C.

В зависимости от ориентации остекленных поверхностей и толщины пола разница в охлаждении различных зон может быть в пределах 50%. Предпочтительным методом определения требуемой мощности циркуляционных насосов является следующая последовательность действий: сначала необходимо изучить характер распределения солнечного освещения в различные дни с целью определения максимальной площади освещаемой солнцем поверхности пола в течение года, затем нужно вычислить разницу в уровне охлаждения отдельных зон при максимальной скорости течения жидкости и сравнить полученный результат с режимом отопления, равномерным по всем зонам при максимальной скорости течения жидкости.

Проектирование систем лучистого отопления/охлаждения

Разработка «теплых/холодных полов» отличается от разработки традиционных систем отопления, вентиляции и кондиционирования тем, что поведение системы нельзя описать с помощью простых арифметических действий. Необходимо учитывать двухмерное распределение тепла между используемой в трубах рабочей жидкостью, полом и облицовкой пола с последующим рассеиванием в окружающем пространстве, а также влияние коротковолнового солнечного излучения на температуру пола.

Анализ системы должен также учитывать общие параметры рабочего пространства, в том числе длинноволновый теплообмен между поверхностями в помещении, температурное расслоение воздуха и распределение солнечного излучения по активным и неактивным поверхностям помещения. Наконец, необходимо выполнить гигрометрический анализ окружающего пространства для обеспечения комфортного температурного режима и предотвращения выпадения конденсата.

Использование программных средств

Опыт зарубежных специалистов предполагает использование сразу пяти различных инструментов, каждый из которых предназначен для оценки определенной стороны производительности системы.

Первым инструментом является простой калькулятор, встроенный в программный пакет EES (Engineering Equation Solver) и использующий стандартные алгоритмы теплообмена. Данный инструмент служит заменой сложной электронной таблицы, которая требовала выполнения множества итераций для определения рабочих характеристик системы: предельного коэффициента теплоотдачи, параметров теплообмена между полом и воздухом, параметров теплообмена между трубами и полом, а также скорости течения жидкости в трубах, что впоследствии позволяло рассчитать общую производительность.

EES определяет предельный коэффициент и вычисляет общую производительность с помощью удобного в использовании пользовательского интерфейса. Система позволяет исследовать различные значения проводимости облицовки пола, толщины верхних половых плит, длины водяного контура и его центровки, а также скорости течения и температуры воды в трубах для различных комбинаций комнатной температуры и поглощенного полом солнечного излучения. На основании этих данных система вычисляет температуру воды на выходе из пола, производительность «теплого/холодного пола» на единицу площади и температуру поверхности пола (рис. 2).

Рис. 2. Инструмент для анализа системы лучистого отопления/охлаждения.

Второй инструмент позволяет вычислить характер солнечного освещения поверхностей здания в различные времена года, в том числе затенение здания и оптические характеристики остекления. Данный инструмент рассчитывает параметры поглощенного солнечного излучения, используемые в качестве входных данных для встроенного в EES механизма моделирования пола. Параметры поглощенного излучения и количество солнечного тепла, поглощенного стеклом и рассеянного в атмосферу, используются инструментом вычислительной гидродинамики (CFD).

Инструмент вычислительной гидродинамики производит оценку характера теплообмена в помещении, включая следующие параметры: длинноволновый теплообмен между поверхностями помещения, конвективный теплообмен, подъемную силу воздуха в помещении, кумулятивный эффект, оказываемый солнечным излучением на активные и неактивные поверхности в помещении, а также влияние используемого в системе вентиляции воздуха на пространственное распределение температуры (рис. 3). Поглощение солнечного тепла рассчитывается как для излучающих, так и для конвективных компонентов для более точного описания образующихся за счет конвекции воздушных слоев.

Рис. 3. Распределение температуры в помещении. Анализ выполнен с помощью вычислительной гидродинамики.

Четвертый инструмент выполняет оценку гигрометрического баланса в окружающем пространстве. Данную оценку можно получить с помощью программы CFD путем перечисления всех источников влажности и указания характеристик влажности вентиляционного воздуха и воздуха, поступающего с улицы. Другим способом является вычисление баланса масс поглощаемой влажности, воздушного потока и поступающего с улицы воздуха для расчета объемной влажности в пространстве. Последний подход может быть применен для разных проектов, поскольку стратегия по предотвращению выпадения конденсата в каждом случае является уникальной.

Пятым инструментом служит стандартная платформа для моделирования энергопотребления в здании. Для выполнения симуляции используется упрощенная версия излучающей плиты «теплого/холодного пола», в программе учитываются мощность насоса и производительность системы отопления/охлаждения. В зависимости от используемой платформы для получения параметров изменения производительности системы в ответ на поглощение солнечного тепла может потребоваться применение хитрых обходных путей. Основной целью использования инструмента является оценка экономии электроэнергии за счет снижения затрат на перемещение воздуха и кондиционирование.

Результат проектирования

По итогам проектирования будет получена конфигурация пола с разбиением на зоны в соответствии с характером солнечного освещения. Расположение водяного контура будет соответствовать максимальной нагрузке на систему отопления/охлаждения, а используемый для вентиляции воздух будет иметь уровень влажности, необходимый для нейтрализации конденсата.

Для работы с дополнительной нагрузкой (превышающей производительность «теплого/холодного пола») будут использованы добавочные источники отопления/охлаждения. Помимо анализа работы при пиковой нагрузке необходимо также проверить работу при среднем уровне нагрузки. Здесь необходимо проанализировать высокую влажность, низкий уровень удельной теплоты воздуха, высокий уровень солнечного излучения, низкую температуру уличного воздуха, а также работу при максимальном и минимальном числе людей в помещении.

И хотя данные испытания, скорее всего, не окажут влияния на физическую конфигурацию системы лучистого охлаждения, они могут быть полезными для разработки системы контроля, позволяющей обеспечить комфортный температурный режим и предотвращение образования конденсата.

Последней важной частью процесса проектирования служит учет тепловых характеристик различных элементов пространства.

Здесь важно принять во внимание тепловое сопротивление облицовки пола. Материалы с высоким уровнем теплового сопротивления вызовут рост разницы температур между водой в контуре и поверхностью пола. Идеальными материалами являются неглазурованные плиты, керамические плиты и терраццо. Допустимо также использование плотных древесных материалов, таких, как бамбуковая фанера, линолеум и полимерные покрытия. На рис. 4 можно увидеть пример использования бамбуковой фанеры в качестве облицовки пола в здании. В данном здании установлено более чем 4600 м2 систем «теплого/холодного пола».

Рис. 4. Облицовка пола бамбуковой фанерой поверх системы «теплого/холодного пола».

Толстые пористые материалы, такие как пробка или ковровое покрытие, нежелательны. Тепловое сопротивление верхних половых плит также должно учитываться с целью максимизации теплообмена внутри пола. Верхние плиты должны быть сделаны из бетона с минимальной плотностью 1925 кг/м3. Легкий бетон обладает более высоким тепловым сопротивлением по причине высокой пористости. В ходе проектирования необходимо разработать путь с наименьшим сопротивлением для обеспечения тепло­обмена между водой в трубах и окружающим пространством. Характеристики пола, а также показатели производительности покрытий с высокой и низкой теплопроводностью приведены в табл. 1.

Таблица 1. Производительность системы в зависимости от материала облицовки.

Нейтрализация конденсата

Для исключения возможности появления конденсата необходимо грамотное проектирование системы, а в последующем — качественный контроль ее функционирования. Правильно спроектированная система исключает возникновение конденсата даже в климатических зонах с высоким уровнем влажности.

Методы нейтрализации конденсата должны учитывать режим использования проектируемой системы и ее микроклимат, а также условия пиковой влажности. Скажем, во время шторма может произойти затопление нагретой солнцем парковки, расположенной рядом со зданием, что приведет к повышению температуры конденсации внутри здания, например, до 26°C. Еще одним возможным сценарием является нахождение в здании большого числа людей в мокрой одежде. Для учета негативных последствий подобных ситуаций необходимо применять строгие меры безопасности. Ниже приведен ряд стратегий, позволяющих предотвратить выпадение конденсата.

Наиболее важным методом предотвращения выпадения конденсата на поверхности пола или внутри него служит подача в контур охлажденной воды с температурой, превышающей температуру конденсации окружающего воздуха. Как правило, используется вода с температурой около 16°C. В то же время температура конденсации (точка росы) для окружающего воздуха с температурой 24°C при относительной влажности 50% составляет 12,8°C. Разница температур в 3,2°C между водой в контуре и температурой конденсации позволяет менять микроклимат в помещении в широких пределах без возникновения конденсата.

Безусловно, использование охлажденной воды со столь высокой температурой негативно сказывается на производительности системы охлаждения, однако гораздо важнее предотвратить выпадение конденсата. В таб. 2 приведено сравнение производительности систем при температуре охлажденной воды на уровне 16,1 и 14,4°C.

Таблица 2. Сравнение производительности системы при различных входных температурах воды в контуре

Еще одним важным фактором для предотвращения выпадения конденсата служит низкая водопроницаемость обшивки здания. Высокий уровень проникновения влаги через обшивку может привести к возникновению внутри помещений здания локального микроклимата с высокой точкой росы, что, в свою очередь, вызовет выпадение конденсата, несмотря на наличие в помещении датчиков уровня влажности.

Проникновение влаги также приведет к росту пассивной нагрузки на систему отопления/охлаждения и к повышению температуры конденсации окружающего воздуха, что вызовет сокращение диапазона безопасного изменения температурных параметров. Высокий уровень влажности в здании всегда относится к негативным факторам, но для систем «теплого пола» он представляет еще большую опасность.

Эффективной стратегией для борьбы с проникновением в здание воздуха с высоким уровнем влажности служит заполнение холодным сухим воздухом пространства непосредственно возле входа в здание.

Дополнительным механизмом для предотвращения выпадения конденсата является отсутствие труб отопления/охлаждения в области пола, прилегающей к входным проемам. Это позволяет влажному воздуху смешиваться с воздухом в помещении еще до того, как он войдет в контакт с «холодным полом». В регионах с континентальным климатом, где наблюдается высокая нагрузка на систему отопления и осушения воздуха, трубы могут использоваться непосредственно возле входных проемов. Однако систему контроля следует настроить на закрытие всех контрольных вентилей в прилегающей к входам области, когда пол работает в режиме охлаждения.

Кроме того, с учетом нейтрализации конденсата должна быть спроектирована и система вентиляции/осушения воздуха. Температура конденсации оборудования системы должна быть существенно ниже входной температуры охлажденной воды в контуре «холодного пола». В помещениях с высокой плотностью размещения людей разница температур может достигать 5–6°C.

Схема подачи воздуха должна обеспечивать равномерное распределение воздуха по всей области кондиционирования. Несмотря на то что равномерность распределения в данном случае является менее критичной в сравнении с системами полностью воздушного кондиционирования, предотвращение возникновения областей повышенной влажности является важным фактором для предотвращения выпадения конденсата. В случае систем с высокой пассивной нагрузкой или зданий с постоянно открытыми входными проемами моделирование потоков сухого воздуха и водяного пара позволит оценить риск выпадения конденсата.

Для многих помещений, в которых можно эффективно реализовать систему «теплого/холодного пола», рекомендуемым для установки является водяное оборудование. Водяное оборудование, особенно распылители, может использоваться в качестве испарительных увлажнителей для окружающего воздуха, повышающих разницу между уровнем влажности поступающего в систему воздуха и условиями окружающей среды в помещении, что, с одной стороны, негативно сказывается на работе системы.

Однако водяное оборудование может превратиться из отрицательного в положительный фактор за счет использования охлажденной воды, в случае когда система работает в режиме охлаждения. Снижение рабочей температуры воды на несколько градусов в сравнении с входной температурой охлажденной воды в трубах «холодного пола» значительно снижает уровень испарения со стороны водяного оборудования и позволяет снизить уровень влажности в помещении.

Если температура конденсации окружающего воздуха поднимается выше температуры конденсации воды в водяном оборудовании, оборудование автоматически обеспечивает снижение уровня влажности в помещении. Так, например, на одном из объектов система охлаждения в виде «холодного пола» дополняется водяным оборудованием под названием «Водопад», установленным рядом с эскалаторами на уровне нижнего входа в здание (рис. 5).

Рис. 5. Помещение, где установлены «теплые / холодные полы» (в центре снизу) и водяное оборудование с охлажденной водой (левый нижний угол).

Для предотвращения выпадения конденсата в процессе эксплуатации используются сравнительно простые контрольные процедуры. Вентиляционные системы, регулирующие уровень вентиляции в зависимости от текущих рабочих условий, повышают уровень воздушного потока в ответ на увеличение числа людей в помещении, что вызывает рост производительности системы осушения воздуха в связи с повышением пассивной нагрузки.

В качестве дополнительной меры выходная температура воздуха в системе вентиляции/осушения может быть снижена в ответ на повышение температуры конденсации окружающего воздуха. В качестве меры предосторожности необходимо реализовать механизм аварийного отключения циркуляционного насоса «теплого/холодного пола» в ответ на превышение допустимого предела температуры конденсации окружающего воздуха. Допустимый предел должен определяться с учетом возможной неравномерности распределения пассивной нагрузки в помещении. Помещения с высокой местной пассивной нагрузкой, к примеру, области расположения очередей, должны обладать более высоким допустимым пределом.

Важными функциями системы контроля являются отслеживание и контроль роста уровня влажности в периоды отсутствия людей в здании. Проникновение влаги в помещение в данные периоды времени может привести к росту температуры конденсации воздуха внутри здания, которая существенно превысит входную температуру охлажденной воды в системе.

Наличие жидкости на облицовке пола может привести к возникновению равновесия давления пара и влажного воздуха в периоды отсутствия людей в помещении. Активация «теплого/холодного пола» может привести к появлению конденсата. Наличие жидкой воды в помещении может вызывать рост плесени и грибка.

Для устранения данной проблемы система контроля над температурой конденсации воздуха должна активировать систему кондиционирования в режиме осушения, в случае если температура конденсации окружающего воздуха приближается к входной температуре охлажденной воды в системе.

Если во время отсутствия людей в помещении отмечается высокая температура конденсации, для подготовки окружающего воздуха перед запуском «холодного пола» необходимо выполнить процесс утреннего осушения воздуха.

Не только полы

Сегодня разработан ряд решений с термоактивными строительными конструкциями, причем подразумевается не только пол, но и потолок, и стены. При этом используется тепловая масса бетонных конструкций за счет проложенных в них труб. Как результат, потолки, полы и стены способствуют отводу тепла при охлаждении, а также участвуют в отоплении помещений.

Подобные системы весьма энерго­эффективны. Температура воды в трубах составляет 20–26°C, а это позволяет существенно понизить стоимость киловатта холода или тепла. Более того, заметно расширяются возможности использования возобновляемых источников энергии и источников естественного охлаждения (наружный воздух, земля, подземные воды и другие).

В частности, по данным компании Uponor, общие годовые затраты на электроэнергию для климатических систем здания могут быть снижены в 3 раза по сравнению с более привычными чиллерными или мультизональными решениями при использовании геотермальных источников энергии и теплового насоса (рис. 6).

Рис. 6. Сравнение годового энергопотребления различных архитектур климатических систем здания.

Заключение

Моделирование и оптимизация сложного процесса функционирования относительно простой системы лучистого отопления и охлаждения требуют применения мощных программных средств. В ходе проектирования необходимо учесть конфигурацию рабочего пространства и оценить влияние различных переменных, таких, как центровка труб, скорость течения рабочей жидкости, теплопроводность поверхности пола, схема прокладки труб, и других. Однако влияние окружающего пространства на производительность системы может быть рассчитано только на уровне общей модели.

Критически важным условием для успешной работы систем лучистого охлаждения является предотвращение выпадения конденсата. Эта цель может быть достигнута за счет соблюдения факторов безопасности в ходе определения контрольных температур, использования процедур контроля для отключения системы в случае возможного образования конденсата, а также конфигурирования схемы пола для изоляции охлаждающих поверхностей от источников влажности.

Правила использования материалов сайта