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).

Инерционность систем отопления

Инерционность системы отопления — это характеристика, определяющая насколько быстро система может нагреваться и охлаждаться. Инерционность системы зависит от количества теплоносителя, его качественных характеристик (вода или спец теплоноситель), входящего в систему, от типа и количества труб и от размеров отопительных приборов, а так же от количества углов поворота в системе, правильно выбранный котловой коллектор или распределительная гребенка Например инерционной системой является гравитационная система основанная на чугунном котле, имеющая большой диаметр стальных труб, чугунные батареи, вмещающие большое количество воды, и дополнительно аккумулирующий бак, содержащий свыше 1 м3 воды.

Примером динамичной системы является система на газовом котле с циркуляционным насосом, разводка из металлопластиковых труб, легкие алюминиевые радиаторы. Котел оборудован автоматикой, определяющей температуру по комнатам, и на улице и выдающей строго определенную температуру воды на выходе.

Обычно люди, занимающиеся установкой систем отопления считают, что система должна быть максимально динамична. Конечно, динамичная система обладает многими достоинствами. Динамичная система позволяет с большой точностью регулировать температуру в помещениях; правильно и быстро реагировать на резкие изменения температуры (например, открыли форточку, солнце светит в окно). Однако, за эти достоинства приходится платить.

Одним из минусов (или точнее конструкционных особенностей) является то, что динамичная система должна быть основана на котле, поддающимся автоматизации, т.е. газом, дизельном или, на худой конец, на котле на пеллетах. Динамичная система должна обладать хорошей системой автоматизации, чтобы правильно реагировать на изменения среды, а это значит что она стоит денег.

Наконец, динамичная система жизненно необходима только тогда, когда существуют резкие возмущения температуры в помещении, т.е. если сам дом обладает низкой тепловой инерцией. Наиболее яркий пример — каркасный дом, стены в котором не сохраняют тепло в общем смысле, а только теплоизолируют внутренний воздух от внешнего, т.е. если открыть форточку и заменить воздух в комнате на наружный холодный воздух, стены не смогут его прогреть и, в этом случае, действительно, система отопления должна быстро среагировать и нагреть свежий воздух в помещении. В каменном доме достоинства динамичной системы теряются, поскольку на охлаждение стен комнаты понадобиться значительное время и резкие изменения температуры в комнате невозможны.

Часто нагреть или остановить нагрев (например, при солнечной погоде) в определенной комнате не регулируя температуру возда в других не представляется возможным. Обычно это промахи проектирования или выбора системы или даже выбора составляющих системы: диаметра и длины трубопровода, маленький аккумуляторный или расширительный бак, не правильно подобран коллектор отопительный котловой. Поэтому правильно всегда после изучения возможных систем отопления всегда обращаться к специалистам. Это исключит многие будущие хлопоты.

В каменных домах инерционная система работает на равне с динамичной, однако существуют ситуации в которых требуется высокая инерционность системы. Эта ситуация возникает при наличии твердотопливного котла.

Твердотопливный котел в отличии от газового работает прерывисто, от топки до топки и, соответственно, температура теплоносителя то растет то убывает. Наиболее действенным способом справиться с этими скачками температуры является повышение инерционности системы в основном за счет увеличения количества теплоносителя, поэтому производители твердотопливных котлов рекомендуют устанавливать аккумулирующие баки, что позволяет не только снизить амплитуду колебания температуры воды, но и увеличить время между топками.