Сравнение эффективности различных систем отопления

Статья эта писалась очень долго и тяжело. Не потому, что приходилось что-то придумывать, а лишь из-за того, что объяснить простыми понятными для большинства словами в чем преимущества, например, водяного теплого пола перед радиаторным отоплением в энерго-сберегающем отношении оказалось не такой уж и простой задачей. Без введения специальных физических терминов и определений это попросту невозможно. Пришлось как-то обмусоливать эти аспекты и объяснять их более привычным для нас с вами языком.

Итак, многие наверняка уже слышали о том, что отопление водяным теплым полом эффективнее радиаторного отопления. Эффективнее радиаторов и отопление теплым плинтусом. Но вот в чем же кроется эта самая эффективность, выражающаяся в конечном итоге в ежемесяных коммунальных платах, наверное понимают не все. Попробуем разобраться.

Отопление при помощи радиаторов в принципе ведет свою историю из далекого 1875 года, когда в России да и во всей Европе появилась первая квартира с водяным отоплением. В роли радиаторов в те времена выступали достаточно громоздкие пилястры. До этого отопление было преимущественно печным. Проблема состояла в том, что для больших, многокомнатных помещений система печного отопления не подходила, т.к. в комнате, в которой непосредственно находилась печь, создавались комфортные условия за счет лучистого теплообмена, а остальные оставались за конвективной теплопередачей. Ввиду низкой эффективности последней приходилось топить печи значительно сильнее, что увеличивало и без того немалый расход топлива.

Ввиду того, что теплофизические свойства воды, такие как теплоемкость и теплопроводность на несколько порядков превосходят в этом отношении воздух, система радиаторного отопления позволила значительно повысить эффектиность обогрева зданий и снизить расход дров и угля.

Прошло уже почти 140 лет с тех пор. Конструкция радиаторов совершенствовалась, в результате чего увеличился теплосъем с единицы поверхности этих приборов, но вот основного и главного недостатка эти усовершенствования не устранили.

Дело в том, что по сравнению с площадью помещения поверхность радиаторов сравнительно мала. Это создает необходимость нагрева подаваемого теплоносителя, до высоких температур (70-90 о С). А имея такую высокую температуру, радиатор по-сути перестает быть радиатором, т.е. главным способом передачи тепла становится уже не излучение, а конвекция.

Поле температур же при таком способе выглядит так: нагретый от радиатора воздух естественным способом устремляется вверх под потолок, где первоначально имея температуру порядка + 30 о С, охлаждаясь воздух опускается вниз, постепенно теряя свою температуру. В районе ступней температура воздуха составляет 17-20 о С. Температура пола при этом – 16-17 о С. На рисунке наглядно видно, что в помещении постоянно поддерживается циркуляция воздуха, которая во-первых переносит пыль и взвешенные частицы, а во-вторых, что немаловажно, на циркуляцию затрачивается определенная тепловая работа. То есть радиаторы не просто нагревают воздух, но и придают ему энергию движения. Ничего не появляется из ниоткуда и на циркуляцию воздушной массы затрачивается дополнительно от 4 до 7% всей тепловой энергии.

Самым же главным недостатком радиаторов, как Вы вероятно успели заметить из схемы, является то, что вне полезного объема помещения температуры сравнительно высоки (до 30 о С), что не имеет никакого бытового смысла (какая Вам разница, сколько градусов в 1 метре над вашей макушкой. ), а при этом наоборот значительно увеличивает потери тепла через потолок и на вентиляцию.

Короче говоря, отопление радиаторами требует прогрева всего объема помещения определенным образом. Температуры помещения по высоте в среднем располагаются так: 1,5 метра над уровнем пола (60% объема помещения) – средняя температура около + 20 о С, уровень пола от 1,5 м до 2,5 м (40% помещения) – средняя температура около +26 о С. Таким образом, средняя фактифеская температура в помещении объемом V определится по уравнению:

Т_ср рад. = (0,6 x 22 +0,4 x 26) = 24 о С.

Заметим, что чем выше температура в помещении тем естественным образом выше и его тепловые потери.

Для того, чтобы начать рассматривать системы лучистого отопления, к коим относятся система теплого водяного пола и система теплого плинтуса, необходимо ввести еще один важный физический термин – коэффициент облученности. Не прибегая к замысловатым формулировкам из физики и тригонометрии поясним. Коэффициент облученности – это та порция тепловой энергии, которая способна излучаться на Ваше тело с какой либо поверхности. Так, как человек существо чаще всего прямоходящее, располагающееся по меньшей мере 16 часов в день в вертикальной плоскости, то очевидно, что с поверхности пола излучить тепло на наше тело сложнее чем с поверхности стен. Так и получается физически. Справочные значения коэффициентов облученности на поверхность тела человека будут составлять: от пола

Читайте также:  Под чем не делают теплые полы

0,130, с поверхности стены

0,240. Дальше по порядку.

Если например мощность системы теплого пола в помещении составляет 500 Вт, то при ее работе на тело человека будет нарямую излучаться порядка 65 Вт (восполняя около 60% всех тепловых потерь организма), остальное тепло передается посредством теплопередачи через стопы (смотри статью «Водяной теплый пол АВАНТЭН. Принципы снижения эксплуатационных затрат») и конвекцией. Распределение температур воздуха по помещению достаточно ровное (см. рисунок) и в среднем составляет около 20 о С. Циркуляция воздуха отсутствует, тепло между воздушными слоями передается преимущественно диффузионно.

Отопление теплым плинтусом – это посути комбинированное отопление теплыми стенами и теплым полом. Плинтус не работает по-другому (смотри статью «Физический аспект эффективности плинтусного отопления зданий»). При этом, благодаря еще большей лучистой составляющей в таком виде отопления (коэффициент облученности 0,240) человек себя достаточно комфортно ощущает в помещении даже если температуа воздуха в нем установлена на уровне +18 о С, благодаря достаточно равномерному ее распределению по объему. Среднюю температуру с небольшим приближением можно принять порядка 19 о С. Отопление теплым плинтусом не напряму нагревает поверхность пола и стен, а в основном за счет конвекции небольшого объема воздуха, струящегося вдоль их поверхностей. При этом на тепловую работу тратится в лучшем случае около 1% тепловой энергии.

Таким образом по соотношению средних температур в помещениях несложным будет посчитать в цифрах сравнительную эффективность той или иной системы отопления.

Физический смысл цифр приведенных в таблице сводится к тому, что если одно и тоже помещение отапливать , так чтобы человеку, находящемуся в нем было комфортно, попеременно тремя разными системами, то самые большие потери тепла будут у помещения с радиаторами, помещение с водяным теплым полом потребует на 21% энергии меньше, помещение же с теплым плинтусом позволит на 24% уменьшить потребность в теплоте . И, все это благодаря, главным образом, более рациональному распределению тепла по объему здания.

Считаем необходимым отметить, что как видно из материала статьи расчетный пример показан для здания со стандартной (квартирной) высотой потолков . С увеличением высоты помещения, разница в энерго-эффективности между радиаторами и излучательными системами отопления (водяным теплым полом и теплыми плинтусами) будет только увеличиваться .

Какой теплый пол лучше: электрический или водяной

Как только человек задумывается сделать свое жилище более комфортным и теплым, он решает сделать «теплый пол» . Есть 2 вида теплых полов:

1. электрический теплый пол.
2. водяной теплый пол.

Из названий думаю ясно, что в электрических теплых полах источником энергии является электричество. А в водяных теплых пола теплоносителем служит вода, которую уже можно нагреть любым источником энергии, даже таким как солнце. Но об этом позже.

КПД теплого пола

КПД электрических теплых полов выше чем водяных, так как электрический теплый пол расположен в стяжке и при прохождении электрического тока нагревается специальный нагревательный элемент (кабель), который в свою очередь нагревает стяжку. В водяном теплом полу есть дополнительное звено: нагрев воды. Водяной теплый пол — труба расположенная в стяжке по которой течет вода, но прежде она должна быть нагрета, например в котле.

Сложности водяных теплых полов.

Электрический теплый пол намного проще чем водяной. Для того, чтобы сделать электрический теплый пол необходимо 2 вещи: сам теплый пол, который продается готовым изделием и терморегулятор для контроля температуры пола. Для водяного теплого пола необходимо гораздо больше: нагревательный котел, электрический насос, распределительная гребенка, труба, фитинги и т. д.

Мы уже видим, что если хотим сделать теплый пол в маленьком помещении, то экономически выгодно сделать электрический теплый пол.

Кроме экономической составляющей есть еще 2 недостатка водяного теплого пола:

• высокий уровень поднятия пола. Трубу необходимо залить раствором 5-10 см.
• существует вероятность затопить соседей снизу. Бывают случаи что труба дает течь и чтобы найти место протечки придется разломать весь пол и заменить всю трубу.

Поэтому, если вы живете в квартире в панельном/кирпичном/монолитном доме и хотите сделать теплый пол, то лучше сделать электрический теплый пол.

Выбор теплого пола при загородном строительстве.

Гораздо сложней сделать выбор какой теплый пол установить водяной или электрический если речь идет о загородном строительстве. Однозначного ответа здесь нет. Но давайте попробуем разобраться.

Если в квартире не стоит вопрос отопления помещения, то при строительстве загородного дома в первую очередь надо решить вопрос отопления дома. Не редко под котельную отводится отдельное помещение. Мы не будем останавливаться на выборе котельного оборудования и каким топливом вы будете кормить свой котел. Нам важно понимать , что воду мы уже нагрели для отопления и горячей воды. Так почему бы не положить трубу на пол, залить ее стяжкой и пустить по ней теплую воду. Все недостатки водяного теплого пола, которые были в квартире, в загородном доме теряют свою актуальность. Кроме одного: труба может дать течь и тогда придется ломать пол площадью примерно 10 м2.

Электрический теплый пол.

В поддержку электрического теплого пола скажу: это надежная и безопасная система. Температура регулируется в каждом помещении отдельным терморегулятором. Если что-то произойдет с электрическим теплым полом, то вам не придется вскрывать весь пол, а можно найти конкретное место повреждения теплого пола, вскрыть всего одну плитку и отремонтировать кабель теплого пола.

Важен вопрос какой в вашем загородном доме источник энергии? Электричество или электричество + газ. Если есть газ, то целесообразней применить водяной теплый пол. А вот если только электричество, то спорить о том, что лучше электрический теплый пол или водяной, можно до бесконечности. Что касается лично моего мнения, то с небольшим перевесом побеждает электрический теплый пол.

Сравнение энергоэффективности
радиаторного отопления и теплых полов

Анализ достоинств и недостатков, имитационная модель, выбор системы

В последнее время появилось немало статей со сравнениями различных систем отопления. В частности, много рассуждений о том, что эффективнее — радиаторное отопление или теплые полы. Казалось бы, все сходятся во мнении, что теплые полы экономичнее, удобнее и практичнее, однако в подтверждение приводятся лишь расхожие фразы маркетологов и поверхностные теплотехнические выкладки. Например, распространенное утверждение что теплые полы на 30% эффективнее радиаторного отопления. Цифра эта взята из статьи в википедии. А между тем, текст статьи таков : «Водяные тёплые полы — это система отопления, которая может, частично (до 30%), разгрузить систему радиаторного отопления или полностью её заменить, если тепловой мощности теплого пола будет достаточно для компенсации теплопотерь помещения.». И немного ниже поясняется, что за счет понижения общей температуры воздуха, теплые полы обеспечивают снижение энергопотребления на 12%. Согласитесь, не совсем то же самое.

При выборе типа отопления своего дома хотелось бы получить более весомый аргумент в пользу того или иного выбора. Мы же попробуем разобраться в этом вопросе белее детально, сделать сравнение и провести моделирование процессов отопления, выявив слабые и сильные стороны обоих подходов.

Итак, выберем для сравнения самые распространенные варианты: традиционное радиаторное отопление и водяные теплые полы.

Впервые в России система водяного отопления с естественной циркуляцией появилась в 1834 году, это система горного инженера, профессора П. Г. Соболевского. А в 1875 году появилась первая не только в России, но и в Западной Европе квартира с отдельной системой водяного отопления с использованием плоских отопительных приборов, сделанных в виде пилястр. Подогрев воды происходил в небольшом нагревателе, установленном в кухонном очаге. Как видим, радиаторное отопление весьма традиционно.
Теплые полы — изобретение гораздо более позднее, это плод композиционных материалов и популярность свою они получили лишь в последние 15-20 лет. Есть и еще более молодой тип теплого пола — электрический. Однако, он по всем параметрам, кроме цены, проигрывает водяному теплому полу. Мы коснемся его особенностей при подведении итогов.

Давайте разберем плюсы и минусы.

Для начала, оценим достоинства радиаторного отопления:

Ремонтопригодность. Можно провести демонтаж, перенос, изменить мощность (увеличить или уменьшить количество секций), заменить на более своременные радиаторы.

А теперь — о недостатках, их тоже хватает:

• Теплый воздух поднимается к потолку. Да, это недостаток. Температура комфорта для человека определяется на высоте 1 метр от пола. А, следовательно, более половины объема комнаты разогреты избыточно, на 3-4 градуса больше нормы. И это главный недостаток радиаторов с точки зрения энергоэффективности. Но даже при этом, температура воздуха у пола может быть на 2-3 градуса меньше, что некомфортно. А с увеличением высоты потолков, разница катастрофически растет.
• Сильное движение воздуха (конвекция). Является причиной большей концентрации взвешенной в воздухе пыли.
• Само наличие радиаторов. Радиаторы занимают место, требуют открытого пространства перед собой. Кстати, согласно СНиП, радиаторы должны занимать место под окном и занимать не менее 75% окна (в детских и лечебных учреждениях). Мы еще вернемся к этому правилу.
  Впрочем, последний недостаток имеет много способов решения, начиная от маскировки батарей, и заканчивая установкой стильных современных панелей, способных украсить интерьер. Имеются даже радиаторы, встраиваемые в пол и стены. Между прочим, в нашем магазине Вы найдете весьма широкий выбор различных радиаторов на любой вкус: это и чугунные, и стальные, и алюминиевые, и биметаллические радиаторы. По невысоким ценам :). Но сейчас разговор не об этом.

С радиаторным отоплением разобрались.
Попробуем теперь рассмотреть поближе водяные теплые полы.

Достоинства теплого пола

Недостатки теплого пола

Анализ радиаторного отопления и теплых полов

А теперь — переходим к самому главному. Попробуем проанализировать процессы теплообмена в обоих системах отопления. Для начала рассмотрим типичную схему радиаторного отопления, радиатор установлен в подоконном пространстве.

На рисунке тепловая карта для радиаторной системы в установившемся режиме работы. Сразу обращает на себя внимание мощный восходящий теплый поток от радиатора. Он является своего рода тепловой завесой, отделяющей нас от холодного окна. Однако, этот факт приводит нас к выводу об очевидной низкой эффективности такого подхода.

Обратите внимание на мощный нисходящий поток холодного воздуха от окна. Именно он и является причиной рекомендаций установки радиаторов в подоконном пространстве. Это делается не в угоду эффективности, а для компенсации этого самого потока. Радиаторы вешают в самое холодное место в комнате, чтобы они своим неравномерных распределением тепла не усугубили разброс температур и не дали холодному воздуху от окна осесть на пол.

В нижней части окна можно увидеть небольшой воздушный вихрь. Этот вихрь и делает нижнюю часть окна самой холодной. Мало того, что часть воздуха постоянно возвращается к холодному стеклу, охлаждаясь все больше — свершу к ней приходят уже охлажденные потоки воздуха, неспособные сколько-нибудь существенно нагреть его. Этот эффект и приводит к обледенениям в нижней части окна.
Установка радиатора под окном нисколько не снижает потери тепла наружу, на самом деле она ускоряет потери тепла через окно, поскольку увеличивается эффективная разность температур между теплым внутренним воздухом и холодным наружным. Изоляционная тепловая пленка, хотя и не обладает высокой тепловой эффективностью, но вносит свой вклад в тепловую защиту окна, но при условии полной или минимальной подвижности воздушной пленки. Неподвижный воздух обеспечивает максимальную величину термического сопротивления, что происходит при отсутствии или сдвиге радиатора под окном. Как только возникает конвективный поток, при наличии радиатора под окном, он уменьшает эффективную толщину пленки и вследствие этого возрастает теплопередача через окно. Чем выше разница температур, тем больше тепла теряется через окно.

Согласно выводам из второго закона термодинамики, чем выше разность температур между телами, тем более интенсивный теплообмен между ними будет происходить. И зависимость этого теплообмена зависит от разности температур в четвертой степени. Подчеркну, при увеличении разности вдвое — потери возрастут в 16 раз.

Ранее проведенные расчеты показывают, что температура внутренней поверхности стекла в окне с двухкамерным стеклопакетом составляет примерно 10 градусов, при -30 на улице и +20 внутри (при радиаторном отоплении). Из схемы видно, что температура соприкасающегося воздуха в среднем составляет 27-30 градусов. Это означает, что разность температур составит до 20 градусов. В системах теплого пола эта разница принципиально не способна перешагнуть отметку в 15 градусов, учитывая, что температура стекла будет порядка 5-8 градусов, а температура воздуха на уровне окна — не более 20 (Обе системы отрегулированы исходя из требования 20 градусов на отметке 1 метр от пола). Более подробно о теплообмене в стеклопакетах читайте в следующих выпусках на нашем сайте.
Отопительная система на основе теплого пола:

Как видно, температура в этом случае гораздо более однородна. Несмотря на то, что температурная карта показывает холодные пятна, общий разброс куда меньше и температура этих пятен отличается от средней в пределах 1 градуса. Таким образом, в различных конфигурациях помещения и отопительных приборов экономия энергии от использования теплых полов может составлять от 20 до 40%. Похоже, что цифра, приведенная мною в начале статьи, достаточно близка к истине.

Теперь, настало время подвести итоги. Как показал анализ, правильно спроектированная и установленная система теплых полов является хорошей альтернативой радиаторному отоплению. Недостатков у нее совсем немного, в основном, это цена и необходимость тщательных расчетов отопления специалистами. Зато целый спектр различных достоинств, главные из которых — энергосбережение, комфортность и практичность.

Например, среднего размера коттедж с традиционным радиаторным отоплением потребляет газа порядка на 24 тысячи в год (примерно 3 т.р. в месяц, отопительный период 8 месяцев). Исходя из этого, экономия составит порядка 7 тысяч рублей в год. Это без дополнительных усилий по энергосбережению, которые снижают расходы еще больше. Отсюда следует, что окупаемость теплых полов составляет порядка 15-20 лет. И тут дело не в сроке, а в самом факте окупаемости. Получается, что все те плюсы, которые дает система отопления на основе теплого пола в итоге мы получаем бесплатно.

Компания Свой Сантехник
Герасимов А.Н.