Инерционность систем водяных тёплых полов

Инерционность систем ВТП проявляется в моменты запуска и выхода системы в рабочий отопительный режим. Основной характеристикой инерционности является скорость (время) выхода. Задача расчёта данной величины должна учитывать большое количество параметров, но в рамки данной статьи не входит раскладка профессионального расчёта, мы остановимся на определении инерционности без решения конкретных внешних, внутренних и краевых задач. График выхода системы ВТП в рабочий режим представлен на рисунке ниже.

Как видно из графика, процесс выхода системы водяных теплых полов в рабочий режим состоит из трёх этапов. Рассмотрим каждый из них подробнее.

— разогрев отопительной панели. Особенностью данного этапа является то, что в процессе нагрева мощность источника тепла используется по максимуму, а температура помещения при этом изменяется очень незначительно.

Скорость разогрева отопительной панели зависит от её теплоёмкости, температуры теплоносителя и начальной температуры панели. Поэтому, чем больше теплоёмкость материалов панели, тем больше время разогрева, чем выше температура теплоносителя, тем меньше время разгона, и чем ниже начальная температура панели, тем дольше она будет разогреваться. На практике температура теплоносителя ограничена, а максимально разрешённой является температура 55°С.

Также следует понимать, что изменение температуры помещения на первом этапе происходит по экспоненциальному закону.

— прогрев помещения. На этом этапе отопительная панель начинает интенсивно отдавать тепло в окружающую среду. При этом скорость прогрева воздуха до температуры рабочего режима зависит от площади отопительной панели, теплопотерь помещения и величины отношения площади панели к площади всех ограждающих конструкций, через которые и происходят теплопотери.

В начале данного этапа температура воздуха растёт быстрее, чем в конце, т.к. с ростом температуры увеличивается и тепловой напор, а, следовательно, теплопотери помещения.

На графиках выделены два сектора: А и В (см. рис. выше), в которых температура и мощность превышают расчётные значения. Это прежде всего связано с инерционностью самой системы ВТП и с запаздыванием аппаратуры контроля и управления системой.

Ниже на рисунке представлены графики выхода системы на рабочий режим (нагрев воздуха в помещении до 20°С), отражающие реальные события испытаний, проводимые при разных значениях удельных теплопотерь помещения. Данные соответствуют следующим параметрам: толщина бетонной стяжки 50 мм, покрытие пола из керамической плитки толщиной 15 мм, начальная температура нагревательной панели и воздуха в помещении 0°С, температура теплоносителя 50°С.

Как видно из графиков, время выхода системы ВТП на рабочий режим при удельных теплопотерях помещения 40 Вт/м² составляет 44 ч, при теплопотерях 60 Вт/м² — 54 ч, при теплопотерях 100 Вт/м² — 72-84 ч.

— поддержание температуры воздуха в помещении в диапазоне рабочего режима. На графике кривая температуры совершает колебательное движение относительно прямой расчётной температуры. Частота этих колебаний зависит от изменения температуры снаружи помещения, а амплитуда — от инерционности системы ВТП и управляющей аппаратуры.

На этом этапе задействование нагревающей панели происходит в импульсном режиме (см. на первом рис. сектор С). Частота включения/выключения совпадает с частотой колебаний температуры, а длительность зависит от теплопотерь помещения и инерционности системы ВТП.

Современная аппаратура способна измерять не только фактическую температуру, а и градиент (динамику изменения) температуры в одну и в другую сторону. При проектировании систем ВТП необходимо решать задачу её энергоэффективности в комплексе с применением индивидуальных термостатов в каждом помещении.

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.

Инерционность системы водяной теплый пол

Водяной теплый пол является инерционной системой.

Давайте разделим понятие «инерционность системы водяной теплый пол» на два аспекта: инерционность при запуске системы и выходе ее на расчетный отопительный режим и, второй – инерционность системы водяной теплый пол при охлаждении помещения.

Основным показателем инерционности системы водяной теплый пол при нагреве помещения является скорость (время) выхода системы на режим от момента ее запуска до нагрева температуры воздуха помещения до расчетной.

По большому счету, необходимо рассматривать раздельно иррегулярные (неупорядоченные) и регулярные (установившиеся) режимы изменения температуры не только во времени, но и для различных тепловых процессов: нагревание и охлаждение (плиты греющей панели) с бесконечно большой теплопроводностью (внешняя задача). То же, но с бесконечно большим теплообменом (внутренняя задача), в нашем случае – воздух помещения. То же, с небольшими значениями коэффициента теплопроводности и теплообмена (краевая задача), в нашем случае – теплопотери через ограждающие конструкции.

В целом, без решения конкретных внутренних, внешних и краевых задач, график выхода системы водяной теплый пол в стационарный (установившийся режим) выглядит следующим образом (рис. 1):
1.	«Разгон непосредственно самой отопительной панели». Характеризуется малым изменением температуры в помещении при максимальном использовании мощности источника тепла
2.	«Нагрев помещения». Характеризуется ростом температуры в помещении до расчетной величины
3.	«Установившийся режим отопления». Характеризуется поддержанием температуры в диапазоне расчетной с некоторым

Рис. 1. График выхода системы водяной теплый пол на режим.

На первом этапе скорость разогрева греющей панели зависит, прежде всего, от теплоемкости панели, температуры в момент начала разогрева и температуры теплоносителя:
—	чем больше теплоемкость панели, тем дольше процесс ее нагрева. Таким образом, длительность процесса разгона зависит от теплоемкости материалов панели и их толщины;
—	чем ниже температура в момент начала разогрева, тем больше времени требуется на разогрев панели;
—	чем выше температура теплоносителя, тем меньше времени затрачивается на разогрев панели. Однако, на практике, температура теплоносителя имеет ограничения, определяемые либо самим источником тепла (использование низкотемпературного источника), либо максимально разрешенной температурой теплоносителя для системы водяной теплый пол (не более 55°С).

Темп разогрева отопительной панели протекает не по линейному, а по экспоненциальному закону.

Полное количество тепла Q, полученное панелью за первые z часов, равно:
где:
– теплоемкость каждого из слоев греющей панели;
– температура панели по отношению к температуре окружающей среды в рассматриваемый период времени ;
– критерий гомохронности (подобия), являющийся обобщенной пространственно-временной характеристикой процесса нагрева панели.

где:
— общее сопротивление теплообмену на всей площади поверхности греющей панели;
– произвольный (рассматриваемый) момент времени от начала разогрева системы.

В практике применения систем водяной теплый пол нами получены следующие результаты (рис. 2). За базовую кривую принято время разогрева греющей панели с толщиной бетонной стяжки 50мм и чистовым покрытием из керамической плитки толщиной 15мм, при температуре теплоносителя на подаче 50°С, начальной температуре плиты и воздуха в помещении 0°С, теплопотерях помещения 60Вт/м2. Для анализа выбраны точки пересечения линии температур +5°С. Это связано с тем, что при данной температуре можно с достаточной степенью уверенности установить факт, что «плита разогрелась и начался процесс теплообмена» и, второе, при данной температуре наблюдается более-менее равномерный прогрев всей плиты, т.е. вся плита становится греющей панелью с выровненным полем температур.

Среднее статистическое время разгона системы водяной теплый пол расматриваемой нами «базовой панели» до температуры +5°С составляет 24 часа. При этом для аналогичных условий, но для панели с толщиной 100 и 150 мм время разгона составляет 36 и 48 часов соответственно.

Если в качестве чистового покрытия используется паркет толщиной 16 мм, то время разгона системы водяной теплый пол с толщиной стяжки 50 мм увеличивается с 24 до 30 часов (кривая 1).

Если начальная температура отопительной панели на 2-3 градуса выше 0°С, то время выхода системы на отметку «температура +5°С» сокращается практически в 2 раза, до 12 часов (кривая 2).

Рис. 2. Натурные показатели темпа выхода на режим панели водяной теплый пол на I этапе.

На втором этапе происходит теплообмен между поверхностью греющей панели и воздухом в помещении. При этом длительность этапа до достижения расчетной температуры зависит от теплопотерь помещения и площади отопительной панели по отношению к площади (фактор формы) ограждающих конструкций, через которые происходят основные теплопотери. Если учесть, что система водяной теплый пол проектируется на 100% площади пола, то второй этап полностью зависит от теплопотерь помещения. Причем, сначала температура в помещении достаточно быстро растет, затем темп роста замедляется, т.к. с ростом температуры в помещении увеличивается тепловой напор и, следовательно, теплопотери через ограждающие конструкции.

Превышение (рис. 1) температуры (сектор А) и мощности (сектор В) над расчетными на конечных участках второго этапа связано, прежде всего, с инерционностью системы и «транспортным» запаздыванием органов контроля и регулирования параметрами теплоснабжения. На практике (рис. 3) время выхода системы на режим (нагрев воздуха в помещении до 20°С) при удельных теплопотерях 40 Вт/м2 составляет порядка 44 часов, при теплопотерях 60 Вт/м2 – до 54 часов, при 100 Вт/м2 – 72-84 часа. Данные приведены для греющей панели с толщиной бетонной стяжки 50 мм и чистовым покрытием из керамической плитки толщиной 15 мм, при температуре теплоносителя на подаче 50°С, начальной температуре плиты и воздуха в помещении 0°С.

Угол наклона (крутизна) кривой относительно шкалы времени в большой степени зависит от сочетания «быстрых» и «медленных теплопотерь» («медленные теплопотери» — теплопотери через теплоемкие ограждения (стены, перекрытия), характеризующиеся большой степенью затухания, т.е. значительным уменьшением амплитуды и сдвигом фазы тепловой волны). При наличии в ограждающих конструкциях больших нетеплоемких включений (окна, сплошное остекление, двери) помещение имеет не только высокую эксплуатационную нагрузку, но и значительное время вывода системы водяной теплый пол на стабильный режим, в том числе при регулировании системы отопления путем импульсного (пуск-останов) использования источника. Эта еще одна из причин, точнее требований, при проектировании теплонасосных установок за рубежом: теплопотери должны быть не более 60 Вт/м2.

Рис. 3. Натурные показатели темпа выхода на режим панели водяной теплый пол на II этапе.

На третьем этапе (стабильный отопительный режим) кривая фактических температур совершает колебательный процесс относительно кривой расчетных температур. Частота этих колебаний целиком зависит от колебания наружной температуры, длительность колебательных процессов – от продолжительности изменения наружной температуры и инерционности системы водяной теплый пол, а амплитуда колебаний – от инерционности системы водяной теплый пол и применяемых систем и методов автоматизации системы теплоснабжения.

Современное развитие микроэлектроники позволяют сегодня измерять не столько фактическую температуру в помещении, сколько динамику (градиент) ее изменения как в отрицательную сторону (снижение температуры в помещении за счет внешних факторов), так и в положительную сторону (прирост температуры в помещении за период от включения источника отопления). Решение этой задачи (автоматически – решение задачи энергоэффективности) рассматривается современными проектировщиками только в комплексе с применением индивидуальных термостатов по помещениям в системах водяной теплый пол.

При этом, задействование источника тепла с системами водяной теплый пол происходит в импульсном режиме (сектор С на рис. 1): частота включения источника тепла в отопительный процесс совпадает с частотой колебаний (в сторону уменьшения) фактической температуры от расчетной, а длительность – от теплопотерь и инерционности системы.

Инерционность отопления на основе систем водяной теплый пол играет еще одну важную роль — уже в вопросах энергетической устойчивости и безопасности здания. И роль эта, безусловно, положительная. В связи с серьезным износом отечественных сетей, энергоперегруженностью и моральным старением технических схем подключения потребителей любая, даже малая, техногенная авария переходит в нашей стране в каскад одновременно или последовательно (в короткий промежуток времени) лишения потребителя всех, в том числе резервных, источников энергоснабжения.

Т.е. в современных условиях на один из главных рубежей выдвигается условие длительной устойчивости здания (в нашем вопросе тепловой) при длительных перерывах энерго- и, в частности, теплоснабжения.

Отключение системы можно рассматривать как прерывистое прекращение подачи тепла. Процесс охлаждения можно рассчитать по методике прерывистых подач тепла. Такой расчет достаточно сложен, т.к. в начале происходит неупорядоченное изменение температур (в первую очередь температурный градиент зависит от объема нетеплоъемких включений), которое затем сменяется регулярным понижением температуры. Массивные же ограждения в этот период начинают частично отдавать помещению свое тепло. Кроме того, лучистое тепло в результате многократного отражения распределяется по всем поверхностям помещения. Задача теплоустойчивости помещения была решена А.М. Шкловером в режиме прерывистых теплопоступлений только лучистого или только конвективного тепла. Прерывистая подача тепла может быть математически представлена в форме ряда Фурье – суммы гармоник, имеющих разные амплитуды и периоды. Для ряда в целом, как и для слагаемых гармоник, справедливы общие закономерности процесса охлаждения. Напомним, что радиаторная система отопления является на 80-100% конвективной, а теплый пол — на 49% лучистой и на 61% конвективной. Таким образом, при «линейном» (не гармоническом, и не по закону затухающих процессов) рассмотрении вопроса устойчивости: система отопления на базе системы водяной теплый пол в двое более устойчива, чем на базе конвективных систем (радиаторов, конвекторов, вентиляции).

На практике нами получены следующие данные (данные отобраны из критических ситуаций, т.е. отключения электро- или газоснабжения при температурах наружного воздуха в диапазоне -25÷-32°С):