методика расчета теплого пола

Теплые полы

Теория и практика

Технология теплых полов в последнее время существенно модернизировалась. Теплый пол теперь обеспечивает максимальный комфорт в помещении, поскольку современная технология позволяет значительно уменьшить конвективные процессы, объемы перемещаемых загрязняющих веществ и масштаб теплового воздействия в отношении человека, а также – что не менее важно – сократить габариты такой системы отопления и улучшить параметры относительной влажности в помещении.

Настоящий прорыв в развитии систем отопления, расположенных под полом, состоялся в начале 1980-х годов, когда изменился подход к оценке тепловой изоляции ограждающих конструкций здания в сторону сокращения теплопотерь. Сегодня тепло, излучаемое теплым полом, имеет тот оптимальный уровень, с помощью которого обеспечивается эффективное отопление жилых помещений, когда нет нужды дополнять такие системы отопительными радиаторами – при этом температура поверхности не создает людям дискомфортных ощущений. Кроме того, влажность, имеющая тенденцию к недостаточности в самую холодную погоду, теперь существенно более благоприятна, чем прежде, поскольку при лучистом отоплении при равной результирующей температуре она коррелируется с более низкой температурой воздуха. Приведем пример. Предположим, нам требуется обеспечить в помещении при помощи системы теплого пола активную температуру 20 °С. Температура поверхности пола составит 26 °С, при этом из каждой геометрической точки во всех направлениях испускаются инфракрасные лучи, как показано на рис. 1. Лучи попадают в стены, потолок и все твердые тела, находящиеся в помещении. В свою очередь сами нагреваемые таким образом поверхности из каждой своей геометрической точки во всех направлениях тоже испускают инфракрасные лучи, так что собственная температура всех ограждающих конструкций всегда выше температуры воздуха. В нашем примере, показанном на рис. 1, если мы примем как данность, что все ограждения имеют однородный характер, следует, что их средняя температура составляет 23 °С. Для получения требуемой результирующей температуры воздух в помещении нагревается до уровня 17 °С, определяемого экранированным термометром. При такой температуре воздух при равных значениях абсолютной влажности будет иметь более высокую относительную влажность по сравнению с воздухом помещения, отапливаемого системой воздушного отопления, где, чтобы получить ту же самую результирующую температуру 20 °С, потребуется нагреть воздух до 23 °С при средней температуре ограждений 17 °С.

Температурный режим. При использовании в качестве отопительной системы теплого пола все окружающие предметы и поверхности в отапливаемом помещении, включая людей внутри него, дают определенный излучающий и реизлучающий эффект, в силу которого их собственная температура всегда выше температуры воздуха. Из каждой геометрической точки во всех направлениях испускаются инфракрасные лучи. В нашем, весьма условном, примере показан температурный режим поверхности ограждающих конструкций. Из примера, если мы примем как данность, что все перекрытия имеют однородный характер, следует, что их средняя температура составляет 23 °С. Для получения требуемой результирующей температуры воздух в помещении нагревается до уровня 17 °С, определяемого экранированным термометром

В этой связи представляет интерес психрометрический график, на котором влагосодержание порядка 6 г/кг при 17 °С дает оптимальный уровень относительной влажности 50 %.

При той же абсолютной влажности при температуре 23 °С относительная влажность снижается до 35 %, вследствие чего воздух в таком помещении будет излишне сухим. К тому же и расход тепла на нагрев инфильтрирующегося воздуха снижается.

* В частности, UNI-EN 1264 от октября 1999 года оптимальный комфорт (рис. 2) в жилых помещениях предусматривает ограничение излучающей способности теплого пола так, чтобы температура его поверхности не превышала 28 °С, что обеспечивается точным расчетом температуры теплоносителя и конфигурации змеевиков, а также применением надежной и точной системы теплорегуляции.

Ощущение комфорта – зависимость числа людей, ощущающих дискомфорт, от температуры пола

Излучающая эффективность теплого пола и комфорт в помещении

Эффективность системы отопления данного типа теоретически составляет 100 %, поскольку теплообмен осуществляется посредством излучения напрямую без промежуточных теплоносителей. В отличие от голой теории, на практике чем выше температура стен, тем больше тепла уходит наружу.

Потери эти обусловлены следующими факторами:

• Конфигурация отапливаемого помещения, наличие наружных стен, неотапливаемых арочных галерей, неотапливаемого нижнего этажа.

• Теплоизоляция ограждающих конструкций – в первую очередь на участке укладки отопительных змеевиков и низа стен.

• Теплообмен со стенами и потолочным перекрытием, вызванный более высокой поверхностной температурой поверхности греющей системы и более низким общим поверхностным теплообменом вследствие более низкой конвекции.

Различаются три основных типа теплого пола (рис. 3):

• Тип А – отопительный змеевик укладывается в опорный слой.

• Тип В – отопительный змеевик укладывается под опорный слой в слой теплоизоляции.

• Тип С – отопительный змеевик укладывается под опорный слой в так называемый нивелирный слой.

Укладка теплого пола

Технология теплых полов возникла вместе с изобретением железобетона: цемент и металл имеют сходный коэффициент линейного расширения, и поэтому если металлическую арматуру заменить высококачественной стальной трубкой и пропустить через нее горячую воду, то получится однородно расширяющаяся напольная греющая панель, с помощью которой можно отапливать помещения. Конечно, по-хорошему надо, чтобы нагрев цементной массы был однородным и постоянным, поскольку система в принципе предназначена для непрерывной работы, а вовсе не для прерывистой, как теперь принято, с плавными, а не внезапными колебаниями теплового режима. Именно поэтому фундаментальное значение имеет заливка бетона и схватывание цемента с металлом, которые образуют в итоге единое тело. В 1970-х годах в излучающих панелях использовали медную трубку, имеющую отличный от цемента коэффициент линейного расширения. После целого ряда неудачных проектов от этой технологии отказались.

Укладка отопительного змеевика теплого пола на отражающие панели. Физическое пространство по толщине, необходимое для укладки теплого пола, составляет не менее 95 мм, к которым следует добавить окончательное покрытие (предпочтительно, не слишком толстое, например напольную плитку)

В настоящее время стали применять пластмассовую трубку, причем год от года материалы совершенствуются, их надежность повышается. Они отличаются умеренным линейным расширением, гибкостью и одновременно устойчивостью приданной при укладке формы, не говоря о свойственных всем пластмассам стойкости к коррозии и долговечности. К примеру, трубка, используемая сегодня для укладки теплого пола, многослойная и имеет следующий состав:

• Внутренняя пластмассовая трубка из полиэтилена средней плотности, например сополимера этилен-октана, чрезвычайно стойкого к воздействию умеренно высокой температуры (максимальная рабочая температура до 95 °С), с клейким покрытием.

• Промежуточная алюминиевая трубка минимальной толщины, например 0,2 мм, придающая жест-кость, также с клейким покрытием.

• Специальная внешняя трубка из полиэтилена высокой плотности, стойкого к воздействию ультрафиолетовых лучей.

Перед заливкой бетона змеевик проверяется на герметичность теплоносителем с рабочим давлением согласно данным изготовителя (как правило, 6 бар). Заливка производится при наличии в трубке жидкости теплоносителя с давлением 3 бара. Змеевик укладывают чаще всего на слой различного рода теплоизоляции. На рис. 5 это теплоотражающие алюминиевые панели, равномерно распределяющие тепло, передаваемое теплоносителем цементной массе отопительной панели.

Формованное изолирующее покрытие, используемое в качестве подложки под змеевики для упрощения процесса укладки

Достаточно часто применяются формованные изолирующие покрытия, используемые в качестве подложки под змеевики для упрощения процесса укладки (рис. 6). Сварная арматура обеспечивает лучшее распределение постоянной весовой нагрузки на готовом полу в помещениях промышленного назначения, объектов сферы обслуживания или мест большого скопления посетителей (рис. 7). Змеевик ни в коем случае не должен соприкасаться с арматурой, для чего необходимо обеспечить расстояние от трубки до арматуры не менее 15 мм. Цементная стяжка выполняется методом монолитной заливки бетоном, имеющим высокую механическую стойкость и теплопроводность (например, l = 1,4 Вт/м К), а также текучесть, чтобы полностью заполнить все уголки подложки, и особенно трубок змеевика. Обычно в бетон закладываются специальные разжижающие добавки, придающие стяжке не только текучесть при заливке, но и стойкость к компрессии. Классы стойкости цементной стяжки приведены в табл. 1.

Используемый цемент должен быть сертифицирован, иметь низкий коэффициент гидрометрической усадки. Цемент смешивается с инертным наполнителем, состоящим на 50 % из песка зернистостью 0–4 мм и на 50 % гравия зернистостью 4–8 мм.

В помещениях промышленного назначения, на объектах сферы обслуживания, где предполагается высокая заполняемость людьми, применяется сварная арматура, обеспечивающая лучшее распределение постоянной весовой нагрузки на готовом полу

Оригинальная методика укладки теплого пола – не требуется цементная стяжка, поскольку змеевик укладывается «насухую» посредством сборных элементов, выполненных из специального материала на основе предварительно-напряженного бетона и пластмассовых волокон

Воду надо брать чистую, сопоставимую по качеству с питьевой, без хлорсодержащих добавок, которые отрицательно сказываются и на стяжке, и на ее содержимом. Всю информацию о марке цемента, теплопроводности, составе инертного наполнителя, связывающих и разжижающих добавках следует сохранить. Толщина заливки в каждой точке должна быть не менее 45 мм. Толщина измеряется от верхнего теплогенерирующего слоя трубки змеевика. Следует помнить, что по периметру стяжки обязательно предварительно укладывается теплоизоляционная лента, которая в будущем будет выполнять роль компенсатора теплового расширения между панелью и стеновыми перегородками, а также тепло- и звукоизолятора излучающей панели. Оригинальная методика укладки теплого пола показана на рис. 8. Здесь нет цементной стяжки. Змеевик укладывается «насухую» посредством сборных элементов, выполненных из специального материала на основе предварительно-напряженного бетона и пластмассовых волокон. В таких элементах имеются пазы для укладки змеевика, представляющего собой многослойную трубку малого диаметра, специально разработанную для данного типа применения.

Таблица 1 Классы стойкости цементной стяжки в зависимости от движущейся нагрузки

Значение движущейся нагрузки (кН/м 2 ) Стойкость цементной стяжки к компрессии (не ранее, чем через 28 дней после заливки) (МПа) минимальная средняя 2 20 25 3 30 35 4 35 40

Таблица 2 Максимально допустимые значения температуры поверхности пола в зависимости от типа помещения

Тип помещения Максимальная температура поверхности пола, °С Примечания Помещение, где люди большую часть времени находятся в сидячем положении 29 непосредственно занимаемая зона Помещение, где люди большую часть времени стоят или ходят 28 непосредственно занимаемая зона Ванная комната, туалет или бассейн 33 Участки помещения вне непосред- ственно занимаемой зоны 35

Расчет параметров теплого пола

После того как выбран тип теплого пола (тип теплоизолятора и подложки, тип трубопровода, толщина излучающей стяжки и вид окончательной отделки), весь расчет сводится к определению четырех основных параметров, а именно:

• температуры поверхности пола в корреляции с температурой воздуха, °С;

• межосевого расстояния между трубками змеевика, см;

• излучающей способности, Вт/м 2 ;

• теплового перепада между средней температурой теплоносителя и температурой воздуха, К.

Следует обратить внимание на номограмму на рис. 9, относящуюся к системе теплого пола с нижним алюминиевым отражающим слоем по полистирену толщиной 30 мм и стяжкой l = 1,4 Вт/м (К) толщиной 45 мм над змеевиком.

Расчет верен при условии, что температура воздуха на улице не опускается ниже –15 °С, а ограждающие конструкции отвечают требованиям соответствующих регламентов по теплоизоляции.

Пример расчета:

• берем перепад Dq С между средней температурой воды в змеевике 32 °С и температурой воздуха q 20 °С, равный 12 К;

• на пересечении линий определяем точку Р, соответствующую межосевому расстоянию между витками змеевика в пределах от 15 до 20 см.

Теперь можно перейти к поиску точки Р1, отличной от Р, к примеру, увеличив межосевое расстояние между витками до 25 см, если, допустим, средняя температура воды в змеевике будет 40,5 °С.

Получаем перепад Dq С между средней температурой воды в змеевике и температурой воздуха, равный 20,5 К, который, например, соответствует воде на входе 43 °С и выходе – 38 °С с Dq циркулирующей воды 5 К.

Достаточно большие межосевые расстояния между витками змеевика (в пределах от 20 до 30 см) позволяют не только уменьшить затраты на приобретение труб и оплату работ по укладке, но и иметь умеренную потерю давления с меньшими затратами на насос, не говоря о снижении шума и меньших эксплуатационных расходах.

Расчет параметров теплого пола. Номограмма расчета параметров теплого пола. Излучающая способность рассчитывается по значениям температуры воздуха, температуры поверхности пола и средней температуры воды в змеевике в зависимости от межосевого расстояния между витками змеевика, как показано в описанном примере. Номограмма составляется под определенный тип изделия и предоставляется изготовителем или импортером

q °С Температура поверхности пола 18 20,5 21,5 22,5 23,0 24,0 25,0 25,7 26,7 27,5 28,3 29,2 30,0 30,8 31,8 32,5 20 22,5 23,5 24,5 25,0 26,0 27,0 27,7 28,7 29,5 30,3 31,2 32,0 32,8 33,8 34,5 22 24,5 25,5 26,5 27,0 28,0 29,0 29,7 30,7 31,5 32,3 33,2 34,0 34,8 35,8 36,5 24 26,5 27,5 28,5 29,0 30,0 31,0 31,7 32,7 33,5 34,3 35,2 36,0 36,8 37,8 38,5

Отсюда ясна бесполезность малых межосевых расстояний витков. Наша рекомендация – отдавать предпочтение более редким и более коротким змеевикам с умеренной пропускной способностью.

Перепечатано с сокращениями из журнала «RCI».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено С. Н. Хоревым, главным инженером проекта по специальности отопление и вентиляция.

Источник

Расчет теплоотдачи теплого водяного пола и мощности

Сегодня для многих эквивалентом уюта и комфорта в помещении стал теплый водяной пол. Расчет его, как залог эффективной работы, зависит в основном от схемы, по которой система будет работать. Как известно, водяной пол может стать источником основного обогрева дома либо вспомогательным, чтобы обеспечить больший комфорт в помещении.

Напольное отопление дает возможность теплу одинаково распределяться по помещению – от пола до потолка, причем разница в температуре, как правило, составляет 2-4⁰С. Какой вариант отопления не предполагалось установить, необходим точный расчет теплого пола. Это связано с тем, что любая ошибка, допущенная при проектировании может обернуться массой неудобств и значительной потерей времени, так как непременно придется вскрывать стяжку.

Расчет тепловых потерь помещения

Работа любой системы отопления направлена на поддержание комфортной температуры в помещении. Поэтому на первом этапе необходимо рассчитать тепловые потери комнаты (здания). При этом учитывается наличие основной системы отопления.

Правильная методика расчета теплого пола основана на определении тепловых потерь через наружные конструкции — стены и окна. Для предварительного расчета будут взяты именно они. Для этого понадобится значение коэффициента сопротивления теплопередачи материалов, из которых изготовлены конструкции.

Предположим, что необходимо поддерживать температуру в помещении 25°С с учетом максимально низкой на улице – 35 °С. Наружная стена изготовлена из кирпича и ее толщина составляет 0,38 м. Тепловые потери рассчитываются по следующей формуле:

Где q – тепловые потери, Вт.

S – площадь отапливаемого помещения, м².

tв tн — температура в помещении и на улице, °С.

R – коэффициент сопротивления теплопередачи, м²*К/Вт.

Для комнаты общим объемом 50 м³ они составят:

При наличии основного радиаторного отопления большая часть этих потерь будет компенсироваться им – порядка 60%. Следовательно, для комнаты площадью 20 м² необходим расчет теплоотдачи теплого пола с минимальным показателем 1290*0,4= 516 Вт. Учитывая среднюю теплоемкость 80 Вт/м², можно вычислить, что для поддержания требуемой температуры нужно установить трубы на площадь около 6 м².

Методика расчета

Схематически данную конструкцию можно описать, как магистраль трубопровода, помещенную между черновым полом и его покрытием. Таким образом, создание подобной конструкции сводится к укладке между основой и финишным покрытием трубной магистрали, по которой циркулирует теплоноситель. Она состоит из ряда компонентов:

теплоизоляционного слоя; нагревательных труб; коллекторов и шкафа; запорной арматуры; дополнительных элементов, используемых при присоединении конструкции к центральному отоплению, типа фитингов и крепежей.

Для расчета теплоотдачи должны быть собраны необходимые данные, в том числе о помещении. В частности, это касается:

вида и площади помещения; запланированной температуры; уровня теплопотерь; типа покрытия пола.

Есть также несколько факторов, которые, возможно, могут показаться незначимыми, тем не менее они способны существенно отразиться на итоговых результатах расчетов, то есть теплоотдача водяного теплого пола окажется недостаточной. В расчетах принимают во внимание

этажность помещения – находится ли помещение на первом или и последнем этаже; объем застекления, например, – эркер, балкона или эркера; степень теплоизоляции – балкон, помещение с тонкими стенами; некоторые особенности напольного материала – достаточная толщина либо высокий уровень теплоемкости.

Особое внимания требуют помещения с дощатыми либо паркетными полами. Это необходимо из-за низкой теплопроводности древесины в условиях стандартных значений удельной мощности, которая не позволяет получить требуемую температуру поверхности пола.

Выбираем материал изготовления труб, их диаметр

Важным этапом является выбор материала изготовления труб и их диаметр. Чаще всего используют конструкции из сшитого полиэтилена с воздухонепроницаемой защитной оболочкой.

Они обладают хорошим показателем теплопроводности, достаточно прочны и гибки, что немаловажно для монтажа. Диаметр зависит от расчетной теплоемкости – при максимальном размере будет большая теплоотдача. Однако при этом следует учитывать, что теплоноситель будет остывать быстрее, чем в трубах меньшего диаметра. Для средней площади нагрева одного контура 20 м² можно выбрать трубу с сечением 16 мм.

Как рассчитать мощность: инструкция

Расчет мощности начинается с самого простого – подготовки плана помещения, на котором отмечены места расположения дверей и окон.

Шаг и диаметр труб. Максимальный КПД будет обеспечен только при выполнении определенных правил:

Основные участки теплопотерь в помещении находятся в районе окон и дверей. Это обязательно учитывается при размещении трубопровода – трубу, которая отходит от стояка проводят по направлению окна. Далее, необходимо обеспечить отступ проложенных труб от стен на 20–25 см. Шаг, с которым укладывают трубы в контуре варьируется между 35 и 50 см. Выбор конкретного шага зависит от таких параметров, как диаметр и тип трубы. Получить количество требуемых для монтажа труб довольно просто: длину по чертежу перемножают с коэффициентом, переводящим масштабные единицы в реальные. Дополнительно нужно предусмотреть еще 2 м, необходимые для подводки контура к стояку.

Для укладки труб в водяной отопительной системе используют две схемы:

Сегодня для устройства водяной системы подогрева используют пять типов труб :

из пенопропилена – стоят совсем недорого, но имеют низкий уровень теплопроводности; из металлопластика – самые популярные, так как обеспечивают наилучшее соотношение цены и качества; из сшитого полиэтилена – достаточно удачно заменяют металлопластиковые; из меди – наиболее дорогой вариант, но при этом и самые эффективные;

Следующим шагом рассчитывается количество теплоизоляции, чаще всего это фольгированный отражающий утеплитель. Его количество должно соответствовать площади помещения. При сложной поверхности, нужно будет подсчитать суммарную площадь отдельных участков. Рассчитывается также количество песка и цемента, необходимого для заливки стяжки определенной толщины. Их берут в соотношении три к одному.

Программы для расчета характеристик

Специфика проектирования водяных теплых полов заключается не только в вычислении мощности, количества материалов, но и учета параметров теплоносителя. К ним относятся расчетная температура воды в обратной трубе, скорость ее прохождения и гидравлическое давление.

Но для получения верной информации нужно знать исходные данные:

Хорошие онлайн калькуляторы показывают не только технические параметры, но и выполняют расчет стоимости водяного теплого пола.

После того как был произведен расчет мощности водяного теплого пола, можно приступить к выбору управляющих элементов – коллекторов и терморегуляторов.

Управляющие компоненты

Они необходимы для автоматического изменения режимов, согласно выставленным параметрам. Регулировка температуры теплого пола происходит с помощью нескольких элементов – смесительного клапана (двух или трехгодового), датчика температуры и наружного терморегулятора. Они подбираются согласно расчетным параметрам.

Как рассчитать мощность теплого пола, имея минимальный опыт в проведении подобных работ? Рекомендуется обратиться в специализированные компании, которые помимо вычислений смогут предоставить услуги монтажа. Основная проблема онлайн калькуляторов заключается в относительно большой погрешности, так как не учитываются многие сторонние факторы.

Только индивидуальный подход к решению этой проблемы позволит создать по-настоящему эффективный теплый водяной пол. Расчет системы профессионалами и правильный подбор материалов гарантирую безопасность и продолжительное время работы всей конструкции.

Расчет стоимости водяного теплого пола желательно доверить профессионалам, учитывая массу нюансов, которые возможны в каждом индивидуальном случае.

Источник