Радиаторы в низкотемпературных системах отопления

Радиаторы традиционно считаются атрибутами систем отопления с высокими температурными параметрами (в литературе термины «высокотемпературный» и «радиаторный» нередко даже используются как синонимы, в частности, когда речь идет о контурах отопительных систем). Но постулаты, на которых базировалась такая точка зрения, устарели. Экономия металла и строительной теплоизоляции не ставится сегодня выше экономии энергоресурсов. А технические характеристики современных радиаторов позволяют говорить не только о возможности их применения в низкотемпературных системах, но и о преимуществах такого решения. Это доказывают научные исследования, в течение двух лет осуществлявшиеся по инициативе компании Rettig ICC, владельца брендов Purmo, Radson, Vogel&Noot, Finimetal, Myson.

Снижение температуры теплоносителя – основная тенденция развития отопительной техники последних десятилетий в европейских странах. Это становилось возможным по мере улучшения теплоизоляции зданий, совершенствовании отопительных приборов. В 1980-х стандартные параметры были снижены до 75/65 ºC (подача/«обратка»). Основной выгодой от этого стало уменьшение потерь при выработке, транспортировке и распределении тепла, а также бóльшая безопасность для пользователей.

С ростом популярности напольного и других видов панельного отопления в системах, где они применяются, температура подачи уменьшена до уровня 55 ºC, что учтено конструкторами теплогенераторов, регулирующей арматуры и т.д.

Сегодня температура подачи в высокотехнологичных системах отопления может составлять 45 и даже 35 ºC. Стимул к достижению указанных параметров – возможность наиболее эффективно использовать такие источники тепла, как тепловые насосы и конденсационные котлы. При температуре теплоносителя вторичного контура 55/45 ºC коэффициент эффективности COP для теплового насоса типа «грунт–вода» составляет 3,6, а при 35/28 ºC уже – 4,6 (при работе только на обогрев). А эксплуатация котлов в конденсационном режиме, требующая охлаждения дымовых газов водой обратной линии ниже «точки росы» (при сжигании жидкого топлива – 47 ºC), дает выигрыш в КПД порядка 15 % и более. Таким образом, снижение температуры теплоносителя обеспечивает существенную экономию энергоресурсов, и, соответственно, сокращение выбросов углекислого газа в атмосферу.

До сих пор основным решением, обеспечивающим обогрев помещений при низкой температуре теплоносителя, считались «теплый пол» и конвекторы с медно-алюминиевыми теплообменниками. Инициированные Rettig ICC исследования позволили добавить в этот ряд стальные панельные радиаторы. (Впрочем, практика в данном случае идет впереди теории, и такие отопительные приборы достаточно давно используются в составе низкотемператруных систем в Швеции, рис. 1).

Рис. 1.

При участии нескольких научных организаций, включая университеты Хельсинки и Дрездена, радиаторы были протестированы в различных контролируемых условиях. К «доказательной базе» приобщены и результаты других работ по изучению функционирования современных систем отопления.

В конце января 2011 г. материалы исследований представлены журналистам ведущих специализированных изданий Европы на семинаре, состоявшемся в учебном центре Purmo–Radson в Эрпфендорфе (Австрия). С докладами выступили профессор Брюссельского университета (Vrije Universitet Brussels, VUB) Лин Питерс и глава Департамента энергетических систем Института строительной физики им. Фраунгофера (Fraunhofer-Institute for Building Physics, IBP) Дитрих Шмидт.

В докладе Лин Питерс рассматривались вопросы термического комфорта, точности и быстроты реагирования системы отопления на изменение условий, тепловых потерь.

В частности отмечалось, что причинами местного температурного дискомфорта являются: радиационная температурная ассиметрия (зависит от теплоотдающей поверхности и ориентации теплового потока); температура поверхности пола (когда она выходит из диапазона от 19 до 27 ºC); температурный перепад по вертикали (разность температур воздуха – от лодыжки до головы стоящего человека – не должна превышать 4 ºC).

При этом наиболее комфортны для человека не статичные, а «движущиеся» температурные условия (вывод Университета Калифорнии, 2003 г.). Внутреннее пространство с зонами, имеющими незначительный перепад температур, повышает ощущение комфорта. Но большие температурные изменения – причина дискомфорта. По мнению Л. Питерс, для обеспечения теплового комфорта наиболее подходят именно радиаторы, передающие тепло как конвекцией, так и излучением.

Современные здания все больше становятся термически чувствительными – благодаря улучшению их теплоизоляции. Внешнее и внутреннее тепловые возмущения (от солнечного света, бытовой техники, присутствия людей) способны сильно воздействовать на климат в помещении. И радиаторы реагируют на эти тепловые изменения точнее, чем панельные системы отопления.

Как известно, «теплый пол», особенно устроенный в бетонной стяжке, – система с большой теплоемкостью, медленно реагирующая на регулирующие воздействия.

Даже если «теплый пол» управляется термостатами, быстрая реакция на подвод стороннего тепла невозможна. При укладке греющих труб в бетонную стяжку время реагирования напольного отопления на изменение количества поступающего тепла составляет около двух часов.

Быстро среагировавший на поступление стороннего тепла комнатный термостат отключает напольное отопление, которое продолжает отдавать тепло еще примерно в течение двух часов. При прекращении поступления стороннего тепла и открытии термостатического клапана полное прогревание пола достигается только спустя такое же время. В этих условиях действенным оказывается только эффект саморегулирования.

Саморегулирование – сложный динамический процесс. На практике он означает, что подача тепла от нагревателя регулируется естественным путем благодаря двум следующим закономерностям: 1) тепло всегда распространяется от более нагретой зоны к более холодной; 2) величина теплового потока определяется разностью температур. Понять суть этого позволяет известное (оно широко используется при выборе отопительных приборов) уравнение:

Q = Qном. ∙ (ΔT/ΔTном.)n,

где Q – теплоотдача нагревателя; ΔT – разница температуры нагревателя и воздуха в помещении; Qном. – теплоотдача при номинальных условиях; ΔTном. – разница температуры нагревателя и воздуха в помещении при номинальных условиях; n – экспонента нагревателя.

Саморегулирование характерно как для напольного отопления, так и для радиаторов. При этом для «теплого пола» значение n составляет 1,1, а для радиатора – порядка 1,3 (точные значения приводятся в каталогах). То есть реагирование на изменение ΔT во втором случае будет более «выраженным», и восстановление заданного температурного режима произойдет быстрее.

Важен с точки зрения регулирования и тот факт, что температура поверхности радиатора примерно равна температуре теплоносителя, а в случае с напольным отоплением это совсем не так.

При кратковременных интенсивных поступлениях стороннего тепла система регулирования «теплого пола» не справляется с работой, вследствие чего имеют место колебания температуры помещения и пола. Некоторые технические решения позволяют их снизить, но не устранить.

На рис. 2 показаны графики изменения оперативной температуры в смоделированных условиях индивидуального дома при его обогреве регулируемыми высоко-, низкотемпературными радиаторами и «теплым полом» (исследовательская работа Л. Питерс и Й. Ван дер Векена). Дом рассчитан на проживание четырех человек и оснащен естественной вентиляцией. Источниками сторонних поступлений тепла являются люди и бытовая техника. В качестве комфортной задана оперативная температура 21 ºC. На графиках рассматривается два варианта ее поддержания: без перехода на энергосберегающий (ночной) режим и с ним.

Рис. 2.

Отметим: оперативная температура – показатель, характеризующий комбинированное воздействие на человека температуры воздуха, радиационной температуры и скорости движения окружающего воздуха.

Опыты подтвердили, что радиаторы явно быстрее, чем «теплый пол», реагируют на колебания температуры, обеспечивая меньшие ее отклонения.

Следующий довод в пользу радиаторов, приведенный на семинаре, – более комфортный и эффективный с точки зрения использования энергии температурный профиль внутри помещения.

В 2008 г. Джон Ар Майхрен и Стюр Холмберг опубликовали в международном журнале Energy and Buildings работу «Распределение температуры и тепловой комфорт в комнате с панельным радиатором, напольным и настенным отоплением» (F low patterns and thermal comfort in a room with panel, floor and wall heating). В ней, в частности, сравнивается вертикальное распределение температуры в одинаковых по площади и планировке помещениях (без мебели и людей), обогреваемых радиатором и «теплым полом» (рис. 3). Температура наружного воздуха составляла –5 ºC. Кратность воздухообмена – 0,8.

Рис. 3.

Комментируя результаты этого и ряда других исследований, Л. Питерс отметила, что установленный под окном низкотемпературный радиатор обеспечивает наиболее равномерное распределение температуры, перекрывая поступление в комнату холодного воздуха. Но при выборе конкретного решения следует принимать во внимание качество остекления, расположение мебели, другие особенности объекта.

Касательно тепловых потерь на семинаре были приведены следующие цифры. Для «теплого пола», в зависимости от толщины теплоизоляции (100–300 мм), они составляют 5–15 % (в нижнем направлении, при температуре воздуха – 21, бетонного основания – 10 ºС). Для высокотемпературного радиатора потери через заднюю стену составляют примерно 4 %, для низкотемпературного – только 1 % (при условии, что тепловая защита здания соответствует действующим европейским нормативам).

Каким же должен быть стальной панельный радиатор, способный покрыть теплопотери индивидуального дома при температуре теплоносителя на подаче 45 ºС? Ответить на этот вопрос позволяют расчеты, проведенные для модели трехкомнатного коттеджа в условиях трех городов Центральной и Северной Европы – Брюсселя (расчетная температура для него –8 ºС), Амстердама (–10 ºС) и Хельсинки (–25 ºС).

Поверхность пола и потолка здания – 42, остекления – 10, дверей – 2, наружных стен – 50,4 м2. Теплопроводность пола – 0,4, потолка – 0,24, окон – 1,3, стен – 0,24 Вт/м2 ∙ К. Кратность воздухообмена – 0,6. Планировка здания показана на рис. 3. Результаты расчетов сведены в табл. 1, 2.

Правила использования материалов сайта