Опалення та охолодження приміщень за допомогою підлоги

Успішна розробка систем «теплого/холодної підлоги» вимагає розуміння фізичної сторони функціонування подібних систем і вміння застосовувати потужні програмні засоби проектування. Поведінка теплоактивных плит не піддається простому аналізу, так як процеси променистого опалення/охолодження і температурне розшарування повітря мають складний характер. Окрім того, кожен об'єкт володіє унікальними геометричними і тепловими характеристиками, так що механізми моделювання і аналізу поведінки системи відіграють дуже важливу роль на етапі проектування. Однак існує безліч інструментів для моделювання, що дозволяють переконатися у здатності проектованої системи підтримувати комфортну температуру, працювати енергоефективно і запобігати утворенню конденсату.

Схема роботи системи променевого опалення/охолодження

Система «теплої/холодної підлоги» є замкнутим контуром, підключеним через теплообмінники до джерел тепла/холоду, і реалізує теплообмін з навколишнім простором за допомогою труб, вмонтованих у підлогові плити.

Ізоляція контуру дозволяє уникнути попадання бруду і сміття з головних контурів системи опалення/охолодження будівлі в труби малого діаметру, що розміщуються під підлогою і використовуються протягом всього терміну функціонування будівлі. На мал. 1 приведена типова схема роботи «теплої/холодної підлоги».

Мал. 1. Схема роботи системи променевого опалення/охолодження.

Для проектування багатозонної плити «теплої/холодної підлоги» найчастіше використовується схема з постійною температурою (для режимів опалення та охолодження) і змінним потоком води. Залежно від рівня нахилу підлоги і від механізму використання простору регулювальні вентилі будуть розташовуватися або на кожному контурі, або на кожній розподільній трубі. Якщо кожен контур використовує власний вентиль, типова схема передбачає використання двохпозиційного вентиля з плавним регулюванням.

У разі менш детального розбиття на зони двопозиційний вентиль з плавним регулюванням встановлюється на розподільну трубу, що може обслуговувати до 10 контурів. Зонний контроль продуктивності важливий у режимі охолодження для зміни параметрів підлоги у відповідь на переміщення сонячних променів.

Область підлоги, що знаходиться під прямим сонцем, буде вимагати серйозного охолодження, у той час як область, що знаходиться у тіні, потребує порівняно невеликого потоку охолоджувальної рідини для підтримання температури підлоги на рівні 20°C. Циркуляційний насос у такій системі оснащується приводом із змінною швидкістю обертання і байпасом для регулювання рівня тиску, що дозволяє працювати при зниженому навантаженні.

У водяному контурі можуть використовуватися два окремих тепло­обмінника для опалення та охолодження або єдиний теплообмінник на чотири трубки. Контроль над температуою рідини, що надходить, у вторинному контурі теплообмінника досягається за рахунок використання в первинному контурі двостороннього вентиля, контрольованого температурним датчиком. Він розташованим на виході вторинного контуру теплообмінника.

Рекомендується використовувати поліетиленові труби високої щільності. Діаметр труб обирається, виходячи з рекомендованої швидкості потоку рідини в контурі (від 0,6 до 0,8 м/с).

Відзначимо, що зростання довжини контуру призводить до зниження ефективності його роботи (у середньому на 8–10% на кожні 200 метрів довжини). Менша довжина контуру є більш придатною для систем зі складною конфігурацією. Розподільні труби повинні бути розташовані якомога ближче до області, що обслуговується. Загалом, вибір місця прокладання розподільних труб на ранній стадії проектування дозволяє спростити їх подальше розміщення. Для встановлення розподільної труби на 10 контурів у стіні необхідно зробити нішу глибиною приблизно 150 мм, висотою 500 мм і шириною близько 1 м. Конфігурація зони з розташованим у центрі температурним датчиком повинна враховувати прилеглі об'єкти і характер сонячного освітлення протягом дня.

Вибір циркуляційних насосів для контуру необхідно здійснювати, виходячи з максимальної швидкості течії рідини для систем опалення та охолодження. Підтримка максимальної температури підлоги на рівні 27°C в режимі опалення може бути досягнута при швидкості течії води 0,25 м/с, якщо температура води становить 33°C.

Втім, при використанні вказаних вище значень, вимоги до температурного режиму в різних зонах, ймовірно, не будуть суттєво відрізнятися. У режимі максимального охолодження вимоги різних зон, швидше за все, будуть значно відрізнятися: для охолодження ділянок на сонці потрібна збільшена швидкість течії рідини, у той час як для ділянок у тіні буде достатньо і 0,1 м/с для підтримки температури підлоги на рівні 20°C.

Залежно від орієнтації засклених поверхонь і товщини підлоги різниця в охолодженні різних зон може бути в межах 50%. Кращим методом визначення необхідної потужності циркуляційних насосів є наступна послідовність дій: спочатку необхідно вивчити характер розподілу сонячного освітлення в різні дні з метою визначення максимальної площі освітлюваної сонцем поверхні підлоги протягом року, потім потрібно обчислити різницю в рівні охолодження окремих зон при максимальній швидкості течії рідини і порівняти отриманий результат з режимом опалення, рівномірним по всіх зонах при максимальній швидкості течії рідини.

Проектування систем променевого опалення/охолодження

Розробка «теплих/холодних підлог» відрізняється від розробки традиційних систем опалення, вентиляції та кондиціонування тим, що поведінку системи не можна описати за допомогою простих арифметичних дій. Необхідно враховувати двовимірний розподіл тепла між використовуваною в трубах робочою рідиною, підлогою і облицюванням підлоги з подальшим розсіюванням в навколишньому просторі. А також вплив короткохвильового сонячного випромінювання на температуру підлоги.

Аналіз системи повинен також враховувати загальні параметри робочого простору, в тому числі довгохвильовий теплообмін між поверхнями в приміщенні, температурне розшарування повітря і розподіл сонячного випромінювання по активними та неактивними поверхням приміщення. Нарешті, необхідно виконати гігрометричний аналіз навколишнього простору для забезпечення комфортного температурного режиму та запобігання випаданню конденсату.

Використання програмних засобів

Досвід зарубіжних фахівців передбачає використання відразу п'яти різних інструментів, кожний з яких призначений для оцінки певної сторони продуктивності системи.

Першим інструментом є простий калькулятор, вбудований програмний пакет EES (Engineering Equation Solver), що використовує стандартні алгоритми теплообміну. Цей інструмент є заміною складної електронної таблиці, що вимагала виконання безлічі ітерацій для визначення робочих характеристик системи: граничного коефіцієнта тепловіддачі, параметрів теплообміну між підлогою і повітрям, параметрів теплообміну між трубами і підлогою, а також швидкості течії рідини в трубах, що згодом дозволяло розрахувати загальну продуктивність.

EES визначає граничний коефіцієнт і обчислює загальну продуктивність за допомогою зручного у використанні інтерфейсу. Система дає змогу досліджувати різні значення провідності облицювання підлоги, товщини верхніх підлогових плит, довжини водяного контуру і його центрування, а також швидкості течії і температури води в трубах для різних комбінацій кімнатної температури і поглинутого підлогою сонячного випромінювання. На підставі цих даних система обчислює температуру води на виході з підлоги, продуктивність «теплої/холодної підлоги» на одиницю площі та температуру поверхні підлоги (мал. 2).

Мал. 2. Інструмент для аналізу системи променевого опалення/охолодження.

Другий інструмент дозволяє обчислити характер сонячного освітлення поверхонь будівлі в різні пори року, у тому числі затінення будівлі та оптичні характеристики скління. Даний інструмент розраховує параметри поглинутого сонячного випромінювання, що використовуються як вхідні дані для вбудованого в EES механізму моделювання підлоги. Параметри поглиненого випромінювання і кількість сонячного тепла, поглиненого склом і розсіяного в атмосферу, використовуються інструментом обчислювальної гідродинаміки (CFD).

Інструмент обчислювальної гідродинаміки виробляє оцінку характеру теплообміну в приміщенні, включаючи наступні параметри: довгохвильовий теплообмін між поверхнями приміщення, конвективний теплообмін, підйомну силу повітря у приміщенні, кумулятивний ефект, який сонячне випромінювання надає активним і неактивним поверхням в приміщенні, а також вплив використовуваного в системі вентиляції повітря на просторовий розподіл температури (мал. 3). Поглинання сонячного тепла розраховується як для випромінюючих, так і для конвективних компонентів для більш точного опису повітряних шарів, що утворюються за рахунок конвекції.

Мал. 3. Розподіл температури в приміщенні. Аналіз виконаний за допомогою обчислювальної гідродинаміки.

Четвертий інструмент виконує оцінку гігрометричного балансу у навколишньому просторі. Дану оцінку можна отримати за допомогою програми CFD шляхом перерахування усіх джерел вологості і зазначення характеристик вологості вентиляційного повітря і повітря, що надходить з вулиці. Іншим способом є обчислення балансу мас вологості, що поглинається, повітряного потоку і повітря, яке надходить з вулиці, для розрахунку об'ємної вологості в просторі. Такий підхід може застосовуватися для різних проектів, оскільки стратегія запобігання випадання конденсату в кожному випадку є унікальною.

П'ятим інструментом є стандартна платформа для моделювання енергоспоживання в будинку. Для виконання симуляції використовується спрощена версія випромінюючої плити «теплої/холодної підлоги», в програмі враховуються потужність насоса і продуктивність системи опалення/охолодження. Залежно від використовуваної платформи для отримання параметрів зміни продуктивності системи у відповідь на поглинання сонячного тепла може знадобитися застосування хитрих обхідних шляхів. Основною метою використання інструменту є оцінка економії електроенергії за рахунок зниження витрат на переміщення повітря та кондиціонування.

Результат проектування

За підсумками проектування буде отримана конфігурація підлоги з поділом на зони відповідно до характеру сонячного освітлення. Розташування водяного контуру буде відповідати максимальному навантаженню на систему опалення/охолодження, а повітря, що використовується для вентиляції, буде мати рівень вологості, необхідний для нейтралізації конденсату.

Для роботи з додатковим навантаженням (такої, що перевищує продуктивність «теплої/холодної підлоги») будуть використані додаткові джерела опалення/охолодження. Окрім аналізу роботи при піковому навантаженні, необхідно також перевірити роботу при середньому рівні навантаження. Тут необхідно проаналізувати високу вологість, низький рівень питомої теплоти повітря, високий рівень сонячного випромінювання, низьку температуру вуличного повітря, а також роботу при максимальному і мінімальному числі людей у приміщенні.

І хоча дані випробування, швидше за все, не матимуть впливу на фізичну конфігурацію системи променистого охолодження, вони можуть бути корисними для розробки системи контролю, що дозволяє забезпечити комфортний температурний режим і запобігти утворенню конденсату.

Останньою важливою частиною процесу проектування є облік теплових характеристик різних елементів простору.

Тут важливо взяти до уваги тепловий опір облицювання підлоги. Матеріали з високим рівнем теплового опору викличуть зростання різниці температур між водою в контурі і поверхнею підлоги. Ідеальними матеріалами є неглазуровані плити, керамічні плити і плити terrazzo. Можливе також використання матеріалів зі щільної деревини (бамбукова фанера), лінолеума та полімерних покриттів. На мал. 4 можна побачити приклад використання бамбукової фанери для облицювання підлоги в будівлі. У цьому будинку встановлено більш ніж 4600 м2 систем «теплої/холодної підлоги».

Мал. 4. Облицювання підлоги бамбуковою фанерою поверх системи «теплої/холодної підлоги».

Товсті пористі матеріали, такі як пробка або килимове покриття, небажані. Тепловий опір верхніх підлогових плит також повинен враховуватися з метою максимізації теплообміну усередині підлоги. Верхні плити повинні бути зроблені з бетону з мінімальною щільністю 1925 кг/м3. Легкий бетон володіє більш високим тепловим опором з причини високої пористості. В ході проектування необхідно розробити шлях з найменшим опором для забезпечення тепло­обміну між водою в трубах і навколишнім простором. Характеристики підлоги, а також показники продуктивності покриттів з високою і низькою теплопровідністю наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Продуктивність системи в залежності від матеріалу облицювання.

Нейтралізація конденсату

Для виключення можливості появи конденсату необхідно грамотне проектування системи, а в подальшому — якісний контроль за її функціонування. Правильно спроектована система виключає виникнення конденсату навіть у кліматичних зонах з високим рівнем вологості.

Методи нейтралізації конденсату повинні враховувати режим використання проектованої системи та її мікроклімат, а також умови пікової вологості. Скажімо, під час шторму може статися затоплення нагрітої сонцем парковки, розташованої поруч з будівлею, що призведе до підвищення температури конденсації всередині будівлі, наприклад, до 26°C. Ще одним можливим сценарієм є знаходження в приміщенні великого числа людей в мокрому одязі. Для обліку негативних наслідків подібних ситуацій необхідно застосовувати суворі заходи безпеки. Нижче наведено кілька стратегій, що дозволяють запобігти випаданню конденсату.

Найбільш важливим методом запобігання випаданню конденсату на поверхні підлоги або всередині нього є подача в контур охолодженої води з температурою, що перевищує температуру конденсації навколишнього повітря. Як правило, використовується вода з температурою близько 16°C. У той же час температура конденсації (точка роси) для навколишнього повітря з температурою 24°C при відносній вологості 50% становить 12,8°C. Різниця температур в 3,2°C між водою в контурі і температурою конденсації дозволяє змінювати мікроклімат в приміщенні в широких межах без виникнення конденсату.

Безумовно, використання охолодженої води з настільки високою температурою негативно позначається на продуктивності системи охолодження, однак набагато важливіше запобігти випаданню конденсату. В табл. 2 наведено порівняння продуктивності систем при температурі охолодженої води на рівні 16,1 і 14,4°C.

Таблиця 2. Порівняння продуктивності системи при різних вхідних температурах води в контурі

Ще одним важливим фактором для запобігання випаданню конденсату є низька водопроникність обшивки будівлі. Високий рівень проникнення вологи через обшивку може призвести до виникнення усередині приміщень будівлі локального мікроклімату з високою точкою роси, що, в свою чергу, викличе випадіння конденсату, незважаючи на наявність у приміщенні датчиків рівня вологості.

Проникнення вологи також призведе до зростання пасивного навантаження на систему опалення/охолодження і до підвищення температури конденсації навколишнього повітря, що викличе скорочення діапазону безпечної зміни температурних параметрів. Високий рівень вологості в приміщенні завжди належить до негативних чинників, але для систем «теплої підлоги» він становить ще більшу небезпеку.

Ефективною стратегією для боротьби з проникненням у приміщення повітря з високим рівнем вологості є заповнення простору безпосередньо біля входу в будівлю холодним сухим повітрям.

Додатковим механізмом для запобігання випаданню конденсату є відсутність труб опалення/охолодження в області підлоги, прилеглої до входів. Це дозволяє вологому повітрю змішуватися з повітрям в приміщенні ще до того, як він увійде в контакт з «холодною підлогою». У регіонах з континентальним кліматом, де спостерігається високе навантаження на систему опалення та осушення повітря, труби можуть використовуватися безпосередньо біля входів. Однак систему контролю слід налаштувати на закриття всіх контрольних вентилів у прилеглій до входів області, коли підлога працює в режимі охолодження.

Окім того, з урахуванням нейтралізації конденсату повинна бути спроектована і система вентиляції/осушення повітря. Температура конденсації обладнання системи повинна бути істотно нижче вхідної температури охолодженої води в контурі «холодної підлоги». У приміщеннях з високою щільністю розміщення людей різниця температур може досягати 5–6°C.

Схема подачі повітря повинна забезпечувати рівномірний розподіл повітря по всій області кондиціонування. Незважаючи на те, що рівномірність розподілу в даному випадку є менш критичною порівняно з системами повністю повітряного кондиціонування, запобігання виникнення областей підвищеної вологості є важливим чинником для запобігання випаданню конденсату. У випадку систем з високим пасивним навантаженням або будівель з постійно відчиненими дверима моделювання потоків сухого повітря і водяної пари дозволить оцінити ризик випадання конденсату.

Для багатьох приміщень, в яких можна ефективно реалізувати систему «теплої/холодної підлоги», рекомендується встановлення водяного нагрівального обладнання. Водяне обладнання, особливо розпилювачі, може використовуватися як випарних зволожувачів для навколишнього повітря, що підвищують різницю між рівнем вологості повітря, яке надходить в систему, та умовами навколишнього середовища в приміщенні. Це, з одного боку, негативно позначається на роботі системи.

Однак водяне обладнання може перетворитися із негативного в позитивний фактор за рахунок використання охолодженої води, у випадку, коли система працює в режимі охолодження. Зниження робочої температури води на кілька градусів у порівнянні зі вхідною температурою охолодженої води в трубах «холодної підлоги» значно знижує рівень випаровування з боку водяного обладнання і дозволяє знизити рівень вологості в приміщенні.

Якщо температура конденсації навколишнього повітря піднімається вище температури конденсації води у водяному обладнанні, обладнання автоматично забезпечує зниження рівня вологості в приміщенні. Так, наприклад, на одному з об'єктів система охолодження у вигляді «холодної підлоги» доповнюється водяним обладнанням під назвою «Водоспад», встановленим поряд з ескалаторами на рівні нижнього входу в будівлю (мал. 5).

Мал. 5. Приміщення, де встановлено «теплі / холодні підлоги» (в центрі знизу) і водяне обладнання з охолодженою водою (лівий нижній кут).

Для запобігання випаданню конденсату в процесі експлуатації використовуються порівняно прості контрольні процедури. Вентиляційні системи, що регулюють рівень вентиляції залежно від поточних робочих умов, підвищують рівень повітряного потоку у відповідь на збільшення числа людей в приміщенні, що викликає зростання продуктивності системи осушення повітря у зв'язку з підвищенням пасивного навантаження.

Як додатковий захід вихідна температура повітря в системі вентиляції/осушення може бути знижена у відповідь на підвищення температури конденсації навколишнього повітря. Як запобіжний захід необхідно реалізувати механізм аварійного відключення циркуляційного насоса «теплої/холодної підлоги» у відповідь на перевищення допустимої температури конденсації навколишнього повітря. Допустима межа повинна визначатися з урахуванням можливої нерівномірності розподілу пасивного навантаження в приміщенні. Приміщення з високим місцевим пасивним навантаженням, наприклад, області розташування черг, повинні володіти більш високою допустимою межею.

Важливими функціями системи контролю є відстеження і контроль зростання рівня вологості в періоди відсутності людей у приміщенні. Проникнення вологи в приміщення у такі періоди часу може призвести до зростання температури конденсації повітря всередині будівлі, що істотно перевищить вхідну температуру охолодженої води в системі.

Наявність рідини на облицюванні підлоги може призвести до виникнення рівноваги тиску пари і вологого повітря в періоди відсутності людей у приміщенні. Активація «теплої/холодної підлоги» може привести до появи конденсату. Наявність рідкої води в приміщенні може викликати зростання цвілі і грибка.

Для усунення цієї проблеми система контролю над температурою конденсації повітря повинна активувати систему кондиціювання в режимі осушення, у випадку якщо температура конденсації навколишнього повітря наближається до вхідної температури охолодженої води в системі.

Якщо під час відсутності людей в приміщенні спостерігається висока температура конденсації, для підготовки навколишнього повітря перед запуском «холодної підлоги» необхідно виконати процес ранкового осушення повітря.

Не тільки підлоги

Сьогодні розроблено ряд рішень з термоактивними будівельними конструкціями, причому мова йде не лише про підлогу, але й про стелю, стіни. При цьому використовується теплова маса бетонних конструкцій за рахунок прокладених в них труб. Як результат, стелі, підлоги і стіни сприяють відведенню тепла при охолодженні, а також беруть участь в опаленні приміщень.

Такі системи досить енерго­ефективні. Температура води в трубах становить 20–26°C, а це дозволяє істотно знизити вартість кіловата холоду або тепла. Більш того, помітно розширюються можливості використання відновлюваних джерел енергії та джерел природного охолодження (зовнішнє повітря, земля, підземні води та ін.).

Зокрема, за даними компанії Uponor, загальні річні витрати на електроенергію для кліматичних систем будівлі можуть бути знижені втричі в порівнянні з більш звичними чилерними або мультизональними рішеннями при використанні геотермальних джерел енергії та теплового насоса (мал. 6).

Мал. 6. Порівняння річного енергоспоживання різних архітектур кліматичних систем будівлі.

Висновок

Моделювання та оптимізація складного процесу функціонування відносно простої системи променевого опалення та охолодження вимагають застосування потужних програмних засобів. У процесі проектування необхідно врахувати конфігурацію робочого простору і оцінити вплив різних змінних, таких як центрування труб, швидкість течії робочої рідини, теплопровідність поверхні підлоги, схема прокладки труб, та інших. Однак вплив навколишнього середовища на продуктивність системи може бути розрахований лише на рівні загальної моделі.

Критично важливою умовою для успішної роботи систем променистого охолодження є запобігання випаданню конденсату. Ця мета може бути досягнута за рахунок дотримання факторів безпеки в ході визначення контрольних температур, використання процедур контролю для відключення системи у разі можливого утворення конденсату, а також конфігурування схеми підлоги для ізоляції охолоджуючих поверхонь від джерел вологості.

Правила використання матеріалів сайту