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):

Время нагрева теплого пола

В последнее время большую популярность у населения приобрели тёплые полы. Нагрев пола осуществляется тремя видами отопления основания помещения.

Это системы водяного тёплого пола, электрического кабеля и плёночных покрытий инфракрасного излучения.

Такие устройства способны создать комфортные условия для пребывания человека в помещении в любое время года. Немаловажное свойство отопительных систем – время прогрева напольного покрытия. Многих людей интересует вопрос о том, сколько нагревается тёплый пол. Рассмотрим факторы, влияющие на время нагрева пола.

Виды тёплых полов

На сегодня наиболее известны три типа тёплых полов:

• тёплые водяные полы;
• кабельный нагрев пола;
• плёночный инфракрасный нагрев.

Тёплые водяные полы

Водяные полы представляют собой систему трубопроводов, подключённую к газовому котлу через коллекторный блок. Котёл путём подачи горячей воды «заставляет» греться напольные покрытия.

Трубы для водной системы используют из сшитого полиэтилена, полиуретана, металлопластика и меди. Наибольшей популярностью пользуются трубы из сшитого полиэтилена. Полиуретановые изделия требуют для монтажа применения специального сварочного оборудования.

Самые лучшие по качественным характеристикам медные трубы. В то же время это самые дорогие трубопроводы.

Тёплые водяные полы скрыты цементной стяжкой. Как долго будут прогреваться напольные покрытия, во многом зависит от толщины цементной стяжки. Трубы для тёплых полов применяют обычно диаметром 16 мм. Такой размер, подтверждённый накопленным опытом эксплуатации, определён на основе теплотехнических расчётов.

Быстрее всего тепло начинает отдавать медный трубопровод

Через коллекторный узел горячей водой нагреваются определенное количество отопительных контуров, расположенных в нескольких помещениях.

Теплотехники рекомендуют делать длину 1-го контура около 70 м при диаметре труб 16 мм. Высоту стяжки советуют выполнять не более 50 мм. В таком случае толщина стяжки над проложенными трубами составит около 30 мм.

Необходимую температуру полы наберут не раньше, чем через полдня

Сколько прогревается тёплый пол при первом включении при таких условиях?

Практика показывает, что время нагрева тёплого пола при первом включении может длиться от 12 часов до полутора суток.

Для этого воду, выходящую из котла, доводят до температуры 90 о С.

После того, как пол прогреется, начальную температуру теплоносителя понижают до 70 о С.

Если пол долго нагревается, то причину надо искать в неправильном монтаже и подключении отопительных контуров или оборудование было включено при «сырой» стяжке.

Кабельный нагрев пола

Прокладку кабеля выполняют в виде спирали и змейки. Форму спирали используют на небольших площадях (до 20 м 2 ). На больших по размеру основаниях кабель закрепляют в форме змейки.

Электрический нагревательный элемент быстро нагреется и начнёт отдавать тепло в тело пола. Толщина стяжки 70 мм и более значительно повысит инертность бетона. Пол в этом случае насколько будет дольше нагреваться, настолько будет медленно остывать. Вместе с тем, значительно возрастёт расход электроэнергии.

Для первого нагрева необходимо от 6 до 8 ч

Сколько прогреваются тёплые полы при первом включении кабеля, во многом зависит от мощности провода.

При правильном монтаже электрического обогрева и соблюдении строительных норм при укладке стяжки, время первого прогрева основания помещения может составлять от 6 до 8 часов.

Когда укладывают кабель, покрытый битумной обмазочной мастикой, под плиточный слой из керамики, время нагрева напольного покрытия значительно сокращается.

Плёночный инфракрасный нагрев

Всё большое внимание потребителей привлекают плёночные инфракрасные тёплые полы. В полимерном слое плёнки впаяна электродная сетка, которая под воздействием электрического тока излучает тепловые лучи в инфракрасном диапазоне.

Многие люди интересуются, как быстро нагревается напольное покрытие от ИК плёнки. На этот вопрос нельзя однозначно ответить. Всё зависит от площади покрытия, технических показателей ИК плёнки, способа укладки схемы подключения к электрической сети. Но можно утверждать одно, что там, где грелся пол под ИК покрытием, время первого нагрева составило 2 – 3 часа.

Благодаря своей конструктивной особенности, ИК покрытия легко и быстро монтируются под любое напольное покрытие, кроме керамической плитки. Исключение составляет устройство ИК обогрева под плиткой. Подробнее о подключении и нагреве пола смотрите в этом видео:

Пример устройства ИК обогрева под ламинатный паркет

Устройство тёплого пола такого типа состоит из нескольких этапов:

1. На готовое основание пола стелют пароизоляцию из толстой полиэтиленовой плёнки.
2. Затем укладывают теплоизоляцию из плит полиуретана, пенопласта либо другого аналогичного материала.
3. В некоторых случаях теплоизоляцию покрывают слоем битумной обмазочной мастики.
4. Поверх слоя мастики или теплоизоляции стелют фольгированную подложку, которую укладывают отражающей поверхностью, направленной вверх.
5. Рулоны ИК плёнки раскатывают по поверхности подложки. Фрагменты ИК покрытия соединяют между собой контактными клипсами.
6. Устанавливают термодатчик.
7. Подсоединяют ИК обогрев к электросети через блок управления, оснащённый дисплеем.
8. Проводят испытания. Выявленные дефекты устраняют. Испытание повторяют.
9. Сверху ИК покрытия расстилают мягкую подложку.
10. На подложку укладывают паркет из ламината. Подробный монтаж пленки на пол можете посмотреть в этом видео:

Отразим в таблице примеры потребности во времени до полного нагрева систем тёплых полов при первом включении:

№	Система обогрева пола	Время до полного нагрева
1	Водяные тёплые полы	12 часов и более
2	Кабельный обогрев	6 – 8 часов
3	ИК плёночные покрытия	2 – 3 часа

Особенности нагрева пола при первом включении

Почему делается акцент на выражении «первое включение»? Ответ на этот вопрос несложен. Когда система тёплого пола нагрелась до нужного уровня температуры, обогрев основания помещения по мере потребности не выключают полностью, а поддерживают минимум уровня нагрева.

Это делают для того, чтобы в любой момент достичь максимального уровня прогрева пола за короткий промежуток времени.

Первое включение тёплого пола требует значительно больше затрат энергии, чем в процессе эксплуатации. Следовательно, на это потребуется много времени. Дополнительная энергия и время нужны для преодоления инертности стяжки.

Следует отметить, что для ИК обогрева проблемы преодоления инертности структуры пола не существуют.