Инерционность водяного теплого пола

Основные показатели инерционности водяного теплого пола

Для эксплуатации водяных теплых полов их инерционность одновременно является как недостатком, так и достоинством. Инерционностью называется состояние, при котором окружающая среда стремится сохранить определенные условия (собственную температуру), что и влияет на процесс нагрева помещений. В этой связи возможно два сценария работы отопления:

• Запуск – в холодной среде требуется определенное время для выхода системы отопления на рабочие параметры. Для этого необходимо нагреть непосредственно сам теплоноситель, который далее транспортирует тепловую энергию по всей площади, с которой контактирует теплый пол. 
• Остановка нагрева – даже при полной остановке котельного оборудования, теплоноситель в трубах, а также окружающая среда смогли аккумулировать тепло, что и приводит к более длительному остыванию.

Следует разделять инерционность непосредственно водяного теплого пола (теплоносителя в нем), и теплоемкость окружающей среды (бетонной стяжки, керамического покрытия, подушки). 

На скорость нагрева и остывания также влияют такие свойства, как коэффициент теплопроводности и коэффициент теплообмена. К примеру, если теплый пол смонтирован правильно на изолирующую подложку, которая отсекает распределение тепла ниже монтажной плоскости, то больше энергии пойдет на обогрев помещения внутри, соответственно, сократится время выхода на рабочие показатели. 

Второй пример – различная толщина бетонной стяжки. Поскольку материал, окружающий трубы, имеет разную теплоемкость при толщине 50 мм и 100 мм, то и на обогрев будет тратиться разное время. 

Выход системы водяного теплого пола в стационарный (рабочий) режим

Существует тепловой график выхода системы отопления на базе водяных теплых полов в рабочий режим. Он состоит из следующих этапов (участков):

1. Разгон, прогрев отопительной системы – сюда входит насыщение тепловой энергией теплоносителя и абсолютно всех контактирующих с ним элементов: трубы, фитинги, коллекторы, распределительные узлы, циркуляционные насосы, термостаты. Кратковременно температура в помещении практически не меняется даже на максимальной мощности работы котельного оборудования, поскольку тепло поглощается техническими узлами.
2. Нагрев помещения – теплопроводность стяжки, керамического или другого покрытия позволяет перераспределяться энергии от теплоносителя далее во всем объеме помещения. Температура в помещении начинает резко повышаться.
3. Рабочий режим – как только контролирующая автоматика дает сигнал о прекращении нагрева теплоносителя, его циркуляция не прекращается, но начинается поддержание устоявшегося режима. Кратковременно из-за инерционности водяного теплого пола температура в комнате может даже незначительно превысить установленное значение, после чего диапазон колебаний уменьшается до технически возможных.

На первом этапе скорость разогрева определяется следующими параметрами системы:

• Емкость теплоносителя – чем его больше, тем больше времени нужно на циркуляцию и последующий обмен.
• Качество и параметры теплоизоляции в местах, где тепло распределяется неэффективно.
• Элементарный состав системы отопления – количество фитингов, запорной арматуры, размеры коллекторов, длина труб.

Немаловажным фактором, влияющим на скорость нагрева теплоносителя, является его первоначальная температура. Поскольку источник тепла обычно низкотемпературный (срабатывает автоматика, предотвращающая нагрев жидкости более 55°С), замедляется темп нагрева.

Второй этап характеризуется экспоненциальным ростом, а не линейным, поскольку та часть энергии, которая тратилась на «разгон» гидравлической части и прогрев непосредственно системы отопления, перераспределяется сразу в окружающую среду (стяжку, керамическое покрытие, воздух в помещении).

На третьем этапе срабатывает автоматика (комнатные термостаты, терморегуляторы по температуре теплоносителя, программаторы), которые отсекают котельное оборудование, но при этом циркуляция теплоносителя продолжается. В результате такой схемы работы могут возникать незначительные колебания температуры по любому из параметров с последующим выравниванием благодаря запуску котла. За короткий промежуток времени система водяного пола выходит полностью на рабочий режим, где дельта колебаний будет находиться в пределах, установленных техническим обеспечением. Проще говоря, температура начнет колебаться в пользовательском диапазоне в зависимости от чувствительности датчиков. 

Общая формула, описывающая работу водяного теплого пола и темп нагрева:

где:

• С – теплоемкость водяного теплого пола;

• t – температура теплоносителя, пропорционально к окружающей среде;
• R – общее сопротивление теплообмену.

На практике точные формулы и сложные расчеты практически не используются, поскольку для достаточно точного и простого расчета инерционности водяного теплого пола применяются натуральные показатели выхода на рабочую мощность. Это кривые, в которых отражена зависимость между толщиной бетонной стяжки и температурой нагрева. Они могут учитывать также декоративные и отделочные материалы. 

Рис.1. – Нагрев пола на l этапе, натуральные показатели

К примеру:

• Среднестатистическое время разгона водяного теплого пола при толщине стяжки 50 мм составляет около 24 часов. 
• Увеличение толщины стяжки до 100 мм увеличивает время выхода на рабочую температуру до 36 часов, если стяжка 150 мм, водяной теплый пол будет «разгоняться» 48 часов. 
• Наличие паркета или ламината поверх базовой стяжки увеличивает срок обогрева с 24 часов до 30-34 часов. 
• Чем меньше разница между начальной и требуемой температурой, тем быстрее будут достигнуты рабочие параметры. 

Обращаем внимание, что скорость прогрева помещения определяется также и теплопотерями всего здания. Если комнаты имеют большой объем, не установлены энергоэффективные окна, неправильно работает вентиляция, много тепловой энергии будет теряться, соответственно, темп выхода на рабочие характеристики снижается.

Диффузия тепла в обогрев помещений

Время, затрачиваемое на нагрев помещений до расчетной температуры, зависит от соотношения обогреваемой площади и всей площади комнат, теплопотерь, скорости и объема циркуляции теплоносителя.

Рис.2 – Нагрев помещения на ll этапе, натуральные показатели

Как видно из (рис.2) изменение теплопотерь с 40 Вт/м2 до 60 Вт/м2 существенно замедляет темп нагрева (с 44 часов до 54 часов). Если же теплопотери около 100 Вт/м2 потребуется более 70 часов для выхода на рабочие параметры системы отопления. 

Экспериментально установлено, что крутизна наклонной шкалы определяется сочетанием более интенсивных и менее интенсивных тепловых потерь. К интенсивным теплопотерям могут относиться неизолированные перекрытия, несущие конструкции, открываемы двери или окна, объекты с большой теплоемкостью. К «медленным» теплопотерям относятся объекты с небольшой теплоемкостью, ограждающие конструкции с качественной изоляцией, проще говоря – во время терморегуляции не возникает импульсного теплообмена.

После того, когда температура достигла установленного пользовательского значения, начинается процесс стабилизации с затуханием колебаний. Частота и дельта колебаний определяется следующими факторами:

• Кратковременный рост теплопотерь – например, после открывания дверей или окон;
• Погодными условиями;
• Качеством и точностью измерительных приборов;
• Скоростью и объемом циркуляции теплоносителя.

Современные технологии, устройства автоматизации и строительство энергоэффективных зданий позволили практически полностью стабилизировать температуру при грамотном проектировании и качественном монтаже водяного теплого пола. Частота включения котельного оборудования может снижаться, благодаря аккумуляции тепла непосредственно теплоносителем. Чем его будет больше, тем больше будет инертность теплого пола на первом этапе, но тем реже будут включаться отопительные приборы. 

Экстремумы инертности водяного теплого пола – на что они влияют?

Небольшая инертность характеризуется такими свойствами:

• Быстро прогревается вся система водяного теплого пола;
• Быстро начинается прогрев «рабочей плиты»;
• Быстро остывает пол после прекращения работы теплового оборудования;
• Уменьшается общая теплоемкость жидкости, поскольку инертность имеет прямую зависимость от объема теплоносителя, соответственно, это влияет и на теплообмен.

Большая инертность:

• Дольше нагревается система, уменьшается темп «разгона» отопления;
• Дольше остывает рабочая плита в случае отключения котла или при резком изменении погодных условий;
• Реже включается котельное оборудование;
• Увеличивается износ насосного оборудования из-за большего объема перекачиваемой жидкости;
• Увеличиваются расходы при использовании специализированных теплоносителей (не воды), требуются большие капитальные расходы на закупку комплектующих.

Инертность водяного теплого пола играет важную роль при проектировании и эксплуатации жилых и промышленных зданий. Она влияет на общие эксплуатационные расходы, монтаж, стоимость комплектующих, энергетическую устойчивость и безопасность зданий. Однако, нужно находить баланс между большой и небольшой инертностью с учетом особенностей зданий, сооружений, планировки помещения и прочих факторов. К примеру, даже небольшая техногенная авария может повлечь за собой отключение системы отопления. Большая инертность поможет существовать в комфортных условиях дольше. Обратная сторона – чрезмерная производительность, повышенная емкость теплоносителя, более мощные циркуляционные насосы. Они существенно удорожают смету по монтажным работам, а также по обслуживанию системы отопления. 

Отопление с помощью водяного теплого пола имеет высокий процент лучевого распределения тепла (около 49 %) и лишь 61 % энергии передается с помощью конвекции. Для сравнения радиаторное отопление имеет соотношение 80-99% конвекции и лишь 1-20% лучевой. Это важно в случаях, когда теплоснабжение организовано с прерываниями, периодическим включением котельного оборудования невысокой интенсивности. Радиаторы быстро отдают тепло, однако не могут «сгладить» колебания температуры при изменении условий внешней среды. Водяной теплый пол имеет тепловую устойчивость, благодаря чему повышается комфорт во время изменения погоды, нерегулярной работе котла, а также в критических ситуациях (отсутствие электроснабжения, газоснабжения, остановка системы отопления).