Инерционность системы водяной теплый пол

• 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 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 тееплый 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. 
• - 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):