Инерционность тёплых водяных полов. Оптимизация времени работы газового котла в массивном (теплоинерционном) доме.

Перепечатка статей, равно как и их отдельных частей, запрещена. Мы хотим оставить за собой право на эксклюзивное размещение данного материала на нашем сайте . Здесь мы делимся знаниями и опытом, наработанными нашей командой за годы работы в сфере проектирования и монтажа инженерных систем.

Инерционность теплых водяных полов
Использование инерционности теплых водяных полов для отопления зданий с низкими общими теплопотерями

Инерционность теплых водяных полов наверх

Следует выделить два различных вопроса, которые возникают при устройстве водяных теплых полов. Часто их путают и смешивают:

1. Тепловая инерционность водяного обогреваемого пола: трудность быстрого изменения температуры, как самого пола, так и воздуха в помещении, обогреваемом только теплым полом.
2. Точность поддержания температуры воздуха в помещении, отапливаемом только ТП.

Рассмотрим их отдельно.

1. Теплоинерционность теплого водяного пола.
Теплоинерционность теплого водяного пола при тяжелой (бетонной) конструкции, несомненно, присутствует. Невозможно быстро охладить или нагреть около 120кг бетона, приходящегося на каждый квадратный метр пола помещения с водяным теплым полом. Однако следует для справедливости отметить, что такая потребность возникает редко и актуальна лишь для зданий с периодической эксплуатацией (дачи). Именно на даче бывает необходимо быстро нагреть помещение (скажем, с 10°С до 20°С) во время приезда на выходные. Однако, и в легком (каркасном или деревянном доме), отапливаемом например конвекторами/радиаторами, это тоже не так просто как кажется. Можно быстро прогреть воздух, но стены, полы, потолки и все окружающие предметы еще долго будут иметь низкую температуру, снижая такой параметр, как средняя радиационная температура в помещении, и соответственно комфорт, см. статью Тепловой комфорт (Indoor Thermal Quality).

Немного математики. Для простого повышения температуры массы бетона в полу на 1°С за время в необходима мощность около , что сравнимо со средней мощностью отопления в нормально утепленном здании . Для дома площадью необходима мощность отопления порядка только для того чтобы начать увеличивать температуру стяжки пола с не такой уж и большой скоростью (). Следует заметить, что при этом рост температуры воздуха в этом помещении будет отставать от роста температуры поверхности пола хотя бы из-за наличия массы и теплоемкости у стен, потолков, мебели и самого воздуха; одновременно с этим мощность системы отопления будет тратиться и на компенсацию возрастающих теплопотерь на улицу через оболочку здания.

В общем, для возможности динамичного прогрева массивного здания после пониженной температуры в нем, в любом случае требуется завышенная мощность отопительного котла (на порядка 50%). Это, конечно, является перебором с точки зрения эффективной работы отопительного котла в нормальном режиме эксплуатации. Однако, в некоторых случаях массивность здания может быть даже полезна для согласования завышенной мощности котла с отопительной нагрузкой здания (см. далее).

2. Точность поддержания температуры воздуха.
Якобы низкая точность поддержания температуры воздуха в помещении при отоплении только теплым полом стала крылатым выражением. Мол, при отключении нагрева теплым полом разогретая стяжка продолжает «жарить» и перегревает воздух существенно выше нормы, а включившийся нагрев не может быстро увеличить температуру воздуха и она снижается существенно ниже нормы. Короче, американские горки какие-то. Но так ли это на самом деле? В нашем исследовании Суточные колебания температуры воздуха и пола в помещении, обогреваемом водяным теплым полом ответ скорее отрицательный: точность поддержания температуры воздуха составила около ±0,5°С в течение суток (даже с учетом работы отопительного котла менее 50% времени), а среднесуточная температура воздуха и вовсе была одинакова с точностью в 0,1°С для всех трех дней эксперимента.

На наш взгляд, причина неточного поддержания температуры воздуха при отоплении теплым водяным полом может заключаться в следующих причинах:

1. Полное отсутствие автоматического регулирования температуры воздуха. Сюда же отнесем и ручное регулирование температурой подачи теплоносителя, которое просто не может успевать за изменениями наружных и внутренних условий (пользователь подходит к котлу/автоматике и изменяет температуру теплоносителя вслед за изменением погоды на улице или своими ощущениями комфорта).
2. Использование неподходящих методов автоматического регулирования: только погодозависимое регулирование температурой подачи теплоносителя без учета тепловой инерции здания, внутренних теплопоступлений и без контроля внутренней температуры. При этом не удается учитывать такие факторы, как сила ветра, солнечное излучение, работа мощных электроприборов и т.п.
3. Использование аналоговых термостатов или термостатов с большим гистерезисом (вплоть до ±2°С) при покомнатном регулировании температуры воздуха. Тут понятно: нельзя получить точность регулирования в 1°С, если термостат включает нагрев помещения при 18°С и отключает при достижении температуры в 22°С.

Использование инерционности теплыхводяных полов для отопления зданий с низкими общими теплопотерями наверх

Возьмем для примера дом площадью с удельными теплопотерями около . Кто-то скажет, что это слишком хороший показатель для здания. Однако, он достаточно легко достижим при соответствующем подходе к строительству. Также рассуждения ниже можно применить и к обычному зданию с теплопотерями порядка , но с отапливаемой площадью порядка , и к зданию с теплопотерями площадью около и т.д.

Для отопления таких энергоэффективных или обычных но небольших зданий максимальная требуемая мощность котла в режиме отопления при -24°С на улице составит около . При средней для отопительного периода температуре на улице около 0°С потребуется мощность всего около , при средней температуре на улице +5°С — порядка .

Такие малые мощности доступны лишь в конденсационных котлах, у которых модуляция начинается от порядка (и далеко не у всех). При использовании обычных котлов, минимальная мощность составляет порядка .

Что это значит? Это значит, что работа котлов в системе отопления таких зданий будет приличную часть времени отопительного сезона происходить в режиме старт-стоп. Т.е.: работа на минимально возможной мощности котла с последующей остановкой горелки, выжиданием времени защиты горелки от тактования (от единиц до десятков минут) и последующим её запуском и т.д. Не очень эффективное использование ресурса оборудования и снижение среднегодового коэффициента полезного действия. Ведь, как известно, максимальный КПД для отопительного котла достигается при постоянной работе при непрерывной модуляции пламени (езда на автомобиле по шоссе, а не от светофора к светофору).

Правильное чередование периодов поддержания комфортной и пониженной температуры воздуха в помещениях дома приводит к незначительным колебаниям температуры воздуха в массивном здании, снижает общее время работы отопительного оборудования и одновременно повышает среднюю мощность котла при нагреве.

Что можно предпринять? Используя свойство высокой тепловой инерции здания, отапливаемого теплым водяным полом, можно проделать следующий фокус. Задать с использованием программируемого комнатного термостата или таймера автоматики регулирования теплого пола временные интервалы, в которых требуется поддержание нормальной и пониженной (на несколько градусов) комнатной температуры. Интервалы с комфортной и экономной температурой в помещениях следует чередовать между собой таким образом, чтобы решить следующие задачи:

1. Колебания температуры воздуха во время пребывания людей (например, с 7:00 до 23:00) не должны быть больше, скажем ±1°С, чтобы не ухудшать комфорт жильцов.
2. Интервалы работы и простоя котла должны приводить к работе горелки котла в разрешенное время в режиме не менее минимальной ее мощности и снижать количество тактований горелки. Т.е. если каждые три часа котел переходит в режим поддержания комфортной температуры в помещении (22,0°С) после поддержания экономичной температуры (18,0°С) также в течение трех часов, то средняя мощность горелки во время работы котла увеличивается примерно в 2 раза. И для нашего примера при 0°С на улице составит около . Тактования котла при этом сократятся до 4-х в сутки! Конечно, временные интервалы работы и простоя котла (поддержания комфортной и пониженной/экономной температуры в помещении) следует подбирать индивидуально для каждого здания с учетом его специфики.

Использование массивности здания для накопления тепловой энергии при отоплении электричеством в ночном тарифе. Для сдерживания чрезмерного снижения температуры воздуха в доме может потребоваться включение нагрева в дневное время всего на несколько часов.

Для повышения тепловой инерции здания может использование толщины стяжки теплого пола до значений около , использование тяжелых внутренних перегородок и стен, оштукатуренных тяжелыми составами и открытых массивных перекрытий.

Если вам необходимо осуществить проектирование и монтаж инженерных систем для вашего дома в Минске и Минском районе; вы хотите получить консультации и выполнить монтаж системы отопления, водоснабжения, канализации, вентиляции, встроенного пылесоса, выполнить электромонтажные работы; сделать необходимые расчеты и подобрать оборудование; либо вы столкнулись с трудностями при реализации ваших идей — мы будем рады вам помочь.

Тепловая инерционность здания

Тепловая инерционность здания — характеристика определяющая скорость с которой будет прогреваться или остывать здание. Тепловая инерционность напрямую зависит от материала из которого здание сделано.

Значительная способность аккумулировать тепло, а затем постепенно отдавать его, имеется у бетона и кирпича. Но у дерева тепловая инерционность меньше во много раз.

Дом с бетонными стенами медленно нагревается, а затем при выключенном отоплении медленно остывает, отдавая тепло от стен воздуху внутри помещения.
В каркасной конструкции, помимо дерева значительную часть стены составляет утеплитель, который тепло не накапливает почти совсем. Каркасный дом быстро нагревается, но и быстро остывает.

Низкая или высокая тепловая инерционность не является положительным или отрицательным свойством, но ее нужно учитывать.

Здание с высокой тепловой инерционностью сглаживают суточные колебания температуры. И даже сглаживает влияние быстрой смены погоды. Разогретый летним солнцем большой железобетонный дом будет спасением от внезапно наступивших холодов еще дней 5 – 7, даже если отопление внутри не включено.

В низкоинерционном каркасном доме даже суточные колебания температуры будут заметно выражены.
Поэтому для зимнего отопления каркасного строения нужна динамичная система отопления, которая могла бы быстро нагреваться при включении и остывать при выключении, что больше присуще электрическим системам.

В целом же, низкая тепловая инерционность обычно вносит некоторый дискомфорт, но в то же время от низкоэнерционной стены никогда не будет веять холодом и сыростью.

Тепловую инерционность здания из дерева можно повысить путем применения массивного железобетонного фундамента и более массивной отделки внутри помещения (например, 2 листа гипсокартона вместо одного).

Инертность системы отопления что это такое

Для поддержания постоянной температуры воздуха в помещении необходимо непрерывно, в соответствии с изменением внешних условий, изменять тепловой поток отопительных приборов системы отопления. Однако мгновенному изменению теплового потока отопительных приборов препятствует его тепловая инерция. Возможно мгновенно изменить расход поступающей в отопительный прибор горячей воды, но для соответствующего изменения его теплового потока потребуется некоторое время.

Для изменения температуры воздуха в помещении путем увеличения или сокращения количества тепловой энергии, рассеиваемой помещением в окружающую среду, также требуется определенное время.

Оба процесса «запаздывания» (изменение теплового потока отопительного прибора и расход тепловой энергии помещений) — переходные процессы от одного установившегося значения до другого — происходят одновременно, но имеют разную длительность.

Терморегулятор, как элемент системы отопления, изменяет расход теплоносителя, поступающего в отопительный прибор, в зависимости от изменения температуры воздуха в помещении. Отопительные приборы безынерционные и средней инерционности быстрее нагреваются и охлаждаются при изменении расхода и температуры теплоносителя, проходящего через них, что при эксплуатации систем отопления с терморегуляторами является более эффективным, чем использование инерционных приборов 4.

В связи с этим возникает необходимость исследования инерционных свойств различных отопительных приборов.

Динамика изменения теплового потока отопительных приборов при прерывистой подаче теплоносителя

Если для анализа динамики процесса изменения теплового потока отопительного прибора при скачкообразном изменении расхода теплоносителя принять, что отопительный прибор представляет собой однородное тело с одинаковой температурой во всех его точках, а помещение бесконечно большое, то переходные процессы нагревания и охлаждения отопительного прибора можно описать уравнением экспоненты [2]:

, °С, (1)

, °С, (2)

где — постоянная времени прибора;

, (3)

здесь — масса прибора, кг; — удельная массовая теплоемкость прибора; кДж/(кг·°С); — коэффициент теплопередачи отопительного прибора, Вт/(м2·°С); — площадь поверхности отопительного прибора, м2;

— температурный напор, °С;

, °С, (4)

здесь — установившийся температурный напор в конце переходного периода, °С;

, °С, (5)

Практически будет достигнуто примерно через , а при температурный напор .

Таким образом, переходные процессы нагревания и охлаждения отопительного прибора зависят от объема, массы и физических свойств материалов приборов и ограждающих конструкций обогреваемого помещения. График процесса нагревания прибора изображен на рис. 1. Из уравнения (2) следует, что охлаждение нагревательного прибора описывается уравнением экспоненты с той же постоянной времени , что и при нагревании (рис. 1).

Рис. 1. Графики процессов нагревания и охлаждения отопительного прибора:

1 – процесс нагревания; 2 – процесс охлаждения; 3 – постоянная времени прибора — .

При выводе уравнений, описывающих переходные процессы изменения теплового потока при нагревании и охлаждении отопительных приборов, вызванные скачкообразным изменением расхода теплоносителя, допущение об однородности нагревательного прибора привело к тому, что постоянные времени прибора при нагревании и охлаждении получились одинаковыми.

Реальные процессы нагревания и охлаждения отопительных приборов водяной системы отопления значительно отличаются от идеальных. В действительности масса приборов для водяной системы отопления (с отопительными приборами конвекторами и радиаторами) состоит из составляющих:

, кг, (6)

где — масса материалов, из которых изготовлен отопительный прибор, кг;

— масса воды, содержащейся в отопительном приборе, кг.

Когда прибор нагрет до , то все его составляющие имеют свою установившуюся температуру, от которой начинается охлаждение прибора. При нагревании прибора горячая вода в этом процессе не участвует, так как подается она в прибор практически мгновенно с температурой .

График реальных процессов нагревания и охлаждения радиатора представлен на рис. 2.

Рис. 2. Графики реальных процессов нагревания (1) и охлаждения (2) отопительных приборов системы водяного отопления.

Из зависимостей (1) и (2) видно, что процесс регулирования теплового потока отопительного прибора зависит от его постоянной времени , которая для каждой конструкции прибора будет разной. Чем больше масса и теплоемкость прибора, тем больше будет у него постоянная времени. Например, у радиатора постоянная времени больше, чем у конвектора.

Из изложенного следует:

1) переходный процесс при количественном регулировании теплового потока отопительного прибора является функцией его постоянной времени — чем больше постоянная времени , тем медленнее изменяется температура прибора соответственно количеству поступающей в него горячей воды;

2) чем меньше масса воды в приборе по отношению к массе материалов, из которых он изготовлен, тем ближе по величине постоянная времени нагревания к его постоянной охлаждения, их равенство будет достигнуто при отношении

; (7)

3) процесс регулирования теплового потока приборов зависит от конструкции приборов, вида и массы материалов, из которых они изготовлены.

Значительное влияние на работу приборов оказывает скорость протекания через них воды. Чем больше скорость, тем интенсивнее теплообмен в приборе, быстрее происходит замена в приборе охлажденной воды на горячую, сокращается время чистого запаздывания, и, следовательно, можно быстрее изменить его тепловой поток в процессе регулирования. Поэтому отопительные приборы дополнительно классифицируются [2]:

— по величине тепловой инерции (по их постоянной времени) на инерционные — с ч; средней инерционности — с Т ч и безынерционные – с ч;

— по скорости движения в них воды на скоростные и емкостные приборы.

Результаты исследования отопительных приборов в условиях прерывистой подачи теплоносителя

Для оценки инерционности отопительных приборов проведены измерения на экспериментальном стенде в режиме прерывистой подачи теплоносителя в отопительные приборы (конвектор и радиатор). Исследованы конвектор типа Atoll (ПКН 310) производства ОАО «Фирма Изотерм» (Санкт-Петербург, Россия) и панельный радиатор типа Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) производства фирмы Kermi (Германия).

Результаты измерений для конвектора типа Atoll (ПКН 310) представлены на рис. 3, а для панельного радиатора типа Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) – на рис. 4. При прерывистой подаче измерялись следующие параметры:

— T1 – температура теплоносителя на входе в отопительный прибор, °С;

— T2 – температура теплоносителя на выходе из отопительного прибора, °С;

— T3 – температура воздуха на выходе из отопительного прибора, °С.

Для определения и сравнения инерционных характеристик приборов результаты измерений представлены в виде зависимости относительной температуры воздуха на выходе из отопительных приборов от времени (рис. 5):

;

. (8)

Постоянные времени отопительных приборов:

— в режиме нагревания: конвектора Atoll (ПКН 310) — мин; панельного радиатора Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) — мин;

— в режиме охлаждения: конвектора Atoll (ПКН 310) — мин; панельного радиатора Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) — мин.

Рис. 3. Результаты измерений для конвектора типа Atoll (ПКН 310) при прерывистой подаче теплоносителя.

Рис. 4. Результаты измерений для панельного радиатора типа Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) при прерывистой подаче теплоносителя.

Рис. 5. Изменение безразмерной температуры воздуха на выходе из отопительного прибора: а) режим нагрева; б) режим охлаждения.

Заключение

1. Процесс регулирования теплового потока отопительных приборов зависит от конструкции приборов, вида и массы материалов, из которых они изготовлены.

2. По результатам испытаний отопительных приборов установлено:

— конвектор Atoll (ПКН 310) производства ОАО «Фирма Изотерм» (Санкт-Петербург) в режиме нагрева по величине тепловой инерции (по постоянной времени) относится к безынерционным отопительным приборам – мин; в режиме охлаждения — также к безынерционным отопительным приборам – мин;

— панельный радиатор Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) производства фирмы Kermi (Германия) в режиме нагрева по величине тепловой инерции (по постоянной времени) относится к безынерционным отопительным приборам – мин; в режиме охлаждения – к приборам средней инерционности — мин.

Рецензенты:

Гримитлин А.М., д.т.н., профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПОУ «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург;

Анисимов С.М., д.т.н., профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПОУ «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург.