Отопление и охлаждение пола — это форма центрального отопления и охлаждения , которая обеспечивает контроль климата в помещении для теплового комфорта с помощью гидравлических или электрических нагревательных элементов, встроенных в пол. Отопление достигается за счет теплопроводности , излучения и конвекции . Использование напольного отопления восходит к неогляциальному и неолитическому периодам.
Напольное отопление имеет долгую историю, уходящую в неогляциальный и неолитический периоды. Археологические раскопки в Азии и на Алеутских островах Аляски показывают, как жители вытягивали дым от костров через покрытые камнем траншеи, которые были вырыты в полах их подземных жилищ. Горячий дым нагревал камни пола, а затем тепло излучалось в жилые помещения. Эти ранние формы превратились в современные системы, использующие заполненные жидкостью трубы или электрические кабели и маты. Ниже приведен хронологический обзор напольного отопления со всего мира.
Современные системы напольного отопления используют либо электрические резистивные элементы («электрические системы»), либо жидкость, текущую по трубам (« гидравлические системы»), чтобы нагреть пол. Любой из типов может быть установлен как основная система отопления всего здания или как локализованное напольное отопление для теплового комфорта. Некоторые системы позволяют отапливать отдельные комнаты, когда они являются частью более крупной многокомнатной системы, избегая потерь тепла. Электрическое сопротивление может использоваться только для отопления; когда также требуется охлаждение помещения, необходимо использовать гидравлические системы. Другие области применения, для которых подходят как электрические, так и гидравлические системы, включают таяние снега/льда на пешеходных дорожках, подъездных путях и посадочных площадках, кондиционирование газона футбольных полей и предотвращение замерзания в морозильных камерах и катках. Доступен ряд систем и конструкций напольного отопления для различных типов напольных покрытий. [22] Некоторые системы напольного отопления предназначены для укладки в конструкцию пола с трубопроводом, встроенным в стяжку под напольным покрытием, что обычно используется в расширениях или новых постройках, в то время как другие системы напольного отопления могут быть установлены непосредственно поверх существующего пола (при условии, что он ровный и устойчивый) с использованием самоклеящихся панелей, в которые укладываются трубопроводы и заливается самовыравнивающаяся стяжка, что является популярным решением для проектов по модернизации. [23]
Электрические нагревательные элементы или гидравлические трубопроводы могут быть залиты в бетонную плиту пола («система заливного пола» или «мокрая система»). Их также можно разместить под напольным покрытием («сухая система») или прикрепить непосредственно к деревянному черному полу («система подпола» или «сухая система»).
Некоторые коммерческие здания спроектированы так, чтобы использовать преимущества тепловой массы , которая нагревается или охлаждается в часы пониженной нагрузки, когда тарифы на коммунальные услуги ниже. При выключенной системе отопления/охлаждения в течение дня бетонная масса и температура в помещении дрейфуют вверх или вниз в пределах желаемого комфортного диапазона. Такие системы известны как термически активируемые строительные системы или TABS. [24] [25]
Термины «лучистое отопление» и «лучистое охлаждение» обычно используются для описания этого подхода, поскольку излучение отвечает за значительную часть получаемого теплового комфорта, но такое использование технически правильно только тогда, когда излучение составляет более 50% теплообмена между полом и остальной частью пространства. [26]
В гидравлических системах в качестве теплоносителя в «замкнутом контуре» используется вода или смесь воды и антифриза, например, пропиленгликоля [27], который циркулирует между полом и котлом.
Различные типы труб доступны специально для систем водяного напольного отопления и охлаждения и обычно изготавливаются из полиэтилена, включая PEX , PEX-Al-PEX и PERT. Более старые материалы, такие как полибутилен (PB) и медные или стальные трубы, все еще используются в некоторых местах или для специальных применений.
Гидронные системы требуют опытных проектировщиков и рабочих, знакомых с котлами, циркуляционными насосами, элементами управления, давлением жидкости и температурой. Использование современных заводских подстанций, используемых в основном в централизованном отоплении и охлаждении , может значительно упростить требования к проектированию и сократить время установки и ввода в эксплуатацию гидронных систем.
Гидронные системы могут использовать один источник или комбинацию источников энергии для управления расходами на энергию. Варианты источников энергии для гидронных систем:
Подогрев пола особенно подходит, когда источником энергии является тепловой насос, поскольку при подогреве пола используется вода при более низких температурах, чем в системах с радиаторами , что повышает эффективность теплового насоса. [28]
Электрические системы используются только для отопления и используют некорродирующие, гибкие нагревательные элементы, включая кабели, предварительно сформированные кабельные маты, бронзовую сетку и углеродные пленки. Благодаря своему низкому профилю они могут быть установлены в тепловой массе или непосредственно под напольным покрытием. Электрические системы также могут использовать преимущества учета электроэнергии по времени использования и часто используются в качестве ковровых обогревателей, переносных обогревателей под ковром, обогревателей под ламинированным полом, обогревателей под плиткой, обогревателей под деревянным полом и систем подогрева пола, включая подогрев пола под душем и сиденья. Большие электрические системы также требуют квалифицированных проектировщиков и мастеров, но это в меньшей степени касается небольших систем подогрева пола. Электрические системы используют меньше компонентов и их проще устанавливать и вводить в эксплуатацию, чем гидравлические системы. Некоторые электрические системы используют технологию линейного напряжения, в то время как другие используют технологию низкого напряжения. Потребляемая мощность электрической системы основана не на напряжении, а на выходной мощности, вырабатываемой нагревательным элементом.
Согласно определению Стандарта ANSI/ASHRAE 55 – Тепловые условия окружающей среды для человеческого проживания, тепловой комфорт – это «состояние ума, которое выражает удовлетворение тепловой средой и оценивается субъективной оценкой». Что касается конкретно напольного отопления, тепловой комфорт зависит от температуры поверхности пола и связанных с ней элементов, таких как асимметрия излучения, средняя температура излучения и оперативная температура . Исследования Невинса, Рохлеса, Гагге, П. Оле Фангера и др. показывают, что люди в состоянии покоя в одежде, типичной для легкого офисного и домашнего ношения, обмениваются более чем 50% своего явного тепла посредством излучения .
Подогрев пола влияет на лучистый обмен, нагревая внутренние поверхности. Нагрев поверхностей подавляет потерю тепла телом, что приводит к восприятию теплового комфорта. Это общее ощущение комфорта дополнительно усиливается за счет проводимости (ноги на полу) и за счет конвекции за счет влияния поверхности на плотность воздуха . Охлаждение пола работает за счет поглощения как коротковолнового , так и длинноволнового излучения, что приводит к охлаждению внутренних поверхностей. Эти прохладные поверхности способствуют потере тепла телом, что приводит к восприятию теплового комфорта. Локальный дискомфорт из-за холодных и теплых полов при ношении обычной обуви и носков рассматривается в стандартах ISO 7730 и ASHRAE 55 и в справочниках по основам ASHRAE и может быть исправлен или отрегулирован с помощью систем напольного отопления и охлаждения.
Подогрев пола может оказать положительное влияние на качество воздуха в помещении , облегчая выбор в противном случае воспринимаемых холодных материалов для пола, таких как плитка, сланец, терраццо и бетон. Эти каменные поверхности обычно имеют очень низкие выбросы ЛОС ( летучих органических соединений ) по сравнению с другими вариантами напольных покрытий . В сочетании с контролем влажности подогрев пола также устанавливает температурные условия, которые менее благоприятны для поддержки плесени , бактерий , вирусов и пылевых клещей . [29] [30] Убирая ощутимую нагрузку на отопление из общей нагрузки HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха), вентиляция , фильтрация и осушение поступающего воздуха могут быть достигнуты с помощью специальных систем наружного воздуха, имеющих меньший объемный оборот для смягчения распространения загрязнений в воздухе. Медицинское сообщество признает преимущества подогрева пола, особенно в том, что касается аллергенов. [31] [32]
Системы отопления под полом оцениваются на предмет устойчивости с помощью принципов эффективности , энтропии , эксергии [33] и действенности . В сочетании с высокопроизводительными зданиями системы отопления под полом работают с низкими температурами при отоплении и высокими температурами при охлаждении [34] в диапазонах, обычно встречающихся в геотермальных [35] и солнечных тепловых системах. В сочетании с этими негорючими, возобновляемыми источниками энергии преимущества устойчивости включают сокращение или устранение сгорания и парниковых газов, производимых котлами и выработкой электроэнергии для тепловых насосов [36] и охладителей , а также снижение спроса на невозобновляемые источники энергии и увеличение запасов для будущих поколений. Это было подтверждено с помощью оценок моделирования [37] [38] [39] [40] и с помощью исследований, финансируемых Министерством энергетики США, [41] [42] Канадской ипотечной и жилищной корпорацией, [43] Институтом Фраунгофера ISE [44], а также ASHRAE. [45]
Низкотемпературный подогрев пола встраивается в пол или размещается под напольным покрытием. Таким образом, он не занимает места на стене и не создает опасности ожогов , а также не представляет опасности физических травм из-за случайного контакта, приводящего к спотыканию и падению. Это упоминается как положительная черта в медицинских учреждениях, включая те, которые обслуживают пожилых клиентов и людей с деменцией . [46] [47] [48] Как ни странно, в аналогичных условиях окружающей среды подогрев пола ускоряет испарение мокрых полов (душ, уборка и разливы). Кроме того, подогрев пола с помощью труб, заполненных жидкостью, полезен для обогрева и охлаждения взрывобезопасных сред, где горючее и электрическое оборудование может быть расположено удаленно от взрывоопасной среды.
Существует вероятность того, что подогрев пола может способствовать выделению газов и возникновению синдрома «больного здания» в помещении, особенно когда в качестве напольного покрытия используется ковер. [ необходима цитата ]
Электрические системы подогрева пола создают низкочастотные магнитные поля (в диапазоне 50–60 Гц), старые однопроводные системы гораздо сильнее, чем современные двухпроводные. [49] [50] Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицировало статические и низкочастотные магнитные поля как потенциально канцерогенные (группа 2B). [51]
Техническое обслуживание и ремонт оборудования такие же, как и для других систем HVAC на основе воды или электричества , за исключением случаев, когда трубы, кабели или маты встроены в пол. Ранние испытания (например, дома, построенные Левиттом и Эйхлером, около 1940–1970-х годов) выявили отказы в системах встроенных медных и стальных трубопроводов, а также отказы, назначенные судами Shell, Goodyear и другим компаниям за полибутилен и EPDM материалы. [52] [53] Также было несколько опубликованных исков о неисправных электрических нагреваемых гипсовых панелях с середины 1990-х годов. [54]
Неудачи, связанные с большинством установок, связаны с небрежностью на рабочем месте, ошибками при установке и неправильным обращением с продуктом, таким как воздействие ультрафиолетового излучения. Испытания под давлением перед заливкой, требуемые стандартами установки бетона [55] и руководствами по надлежащей практике [56] для проектирования, строительства, эксплуатации и ремонта систем лучистого отопления и охлаждения, смягчают проблемы, возникающие из-за неправильной установки и эксплуатации.
Системы на основе жидкости, использующие сшитый полиэтилен (PEX), продукт, разработанный в 1930-х годах, и его различные производные, такие как PE-rt, продемонстрировали надежную долгосрочную работу в суровых условиях холодного климата, таких как мостовые настилы, перроны авиационных ангаров и посадочные площадки. PEX стал популярным и надежным вариантом для использования в домашних условиях для строительства новых бетонных плит и строительства новых балок под полом, а также для модернизации (балок). Поскольку материалы производятся из полиэтилена, а его связи сшиты, он обладает высокой устойчивостью к коррозии или температурным и давящим напряжениям, связанным с типичными жидкостными системами HVAC. [57] Для надежности PEX процедуры установки должны быть точными (особенно на стыках), а спецификации производителей по максимальной температуре воды или жидкости и т. д. должны тщательно соблюдаться.
Проектирование систем охлаждения и отопления под полом регулируется отраслевыми стандартами и рекомендациями. [58] [59] [примечания 2]
Количество тепла, передаваемого от системы отопления под полом или в нее, рассчитывается на основе комбинированных коэффициентов лучистого и конвективного теплообмена .
Конвективная теплопередача в системах с подогревом пола намного больше, когда система работает в режиме отопления, а не охлаждения. [60] Обычно при подогреве пола конвективная составляющая составляет почти 50% от общей теплопередачи, а при охлаждении пола конвективная составляющая составляет менее 10%. [61]
Когда нагреваемые и охлаждаемые трубы или нагревательные кабели находятся в тех же помещениях, что и другие компоненты здания, может возникнуть паразитная передача тепла между холодильными приборами, холодильными камерами, линиями бытового холодного водоснабжения, системами кондиционирования воздуха и вентиляции. Чтобы контролировать это, трубы, кабели и другие компоненты здания должны быть хорошо изолированы.
При напольном охлаждении на поверхности пола может собираться конденсат. Чтобы предотвратить это, влажность воздуха поддерживается на низком уровне, ниже 50%, а температура пола поддерживается выше точки росы , 19 °C (66F). [62]
Системы напольного отопления и охлаждения могут иметь несколько точек управления, включая управление:
На рисунке представлена упрощенная механическая схема напольного отопления и охлаждения для обеспечения теплового комфорта [67] с отдельной системой обработки воздуха для обеспечения качества воздуха в помещении . [68] [69] В высокоэффективных жилых домах среднего размера (например, менее 3000 футов 2 (278 м 2 ) общей кондиционируемой площади пола) эта система, использующая промышленные приборы гидравлического управления, займет примерно столько же места, сколько ванная комната из трех или четырех предметов.
Моделирование моделей лучистых трубопроводов (также труб или петель) с помощью конечноэлементного анализа (FEA) прогнозирует тепловые диффузии и качество температуры поверхности или эффективность различных схем петель. Характеристики модели (левое изображение ниже) и изображение справа полезны для понимания взаимосвязей между сопротивлениями пола, проводимостью окружающей массы, расстоянием между трубами, глубиной и температурой жидкости. Как и во всех симуляциях FEA, они отображают моментальный снимок во времени для конкретной сборки и могут не быть репрезентативными для всех сборок пола или для системы, которая работала в течение значительного времени в устойчивом состоянии. Практическое применение FEA для инженера заключается в возможности оценить каждую конструкцию на предмет температуры жидкости, обратных потерь и качества температуры поверхности. С помощью нескольких итераций можно оптимизировать конструкцию для самой низкой температуры жидкости при нагреве и самой высокой температуры жидкости при охлаждении, что позволяет оборудованию для сжигания и сжатия достичь максимальной номинальной эффективности.
Существует широкий диапазон цен на системы под полом, основанный на региональных различиях, материалах, применении и сложности проекта. Он широко принят в странах Северной Европы , Азии и Европы . Следовательно, рынок является более зрелым, а системы относительно более доступными, чем менее развитые рынки, такие как Северная Америка , где доля рынка систем на основе жидкости остается между 3% и 7% систем HVAC (см. Статистическое управление Канады и Бюро переписи населения США ).
В энергоэффективных зданиях, таких как Passive House , R-2000 или Net Zero Energy , простые термостатические радиаторные клапаны могут быть установлены вместе с одним компактным циркуляционным насосом и небольшим конденсационным нагревателем, управляемым без или с базовым сбросом горячей воды [70] . Экономичные системы на основе электрического сопротивления также полезны в небольших зонах, таких как ванные комнаты и кухни, но также и для целых зданий, где отопительные нагрузки очень низкие. Более крупным конструкциям потребуются более сложные системы для удовлетворения потребностей в охлаждении и отоплении, и часто требуются системы управления зданием для регулирования потребления энергии и контроля общей внутренней среды.
Низкотемпературные лучистые системы отопления и высокотемпературные лучистые системы охлаждения хорошо подходят для районных энергетических систем (систем на базе сообщества) из-за разницы температур между установкой и зданиями, что позволяет использовать изолированные распределительные сети малого диаметра и низкие требования к мощности насосов. Низкие температуры возврата при отоплении и высокие температуры возврата при охлаждении позволяют районной энергетической установке достигать максимальной эффективности. Принципы, лежащие в основе районной энергетики с системами под полом, также могут применяться для отдельных многоэтажных зданий с теми же преимуществами. [71] Кроме того, системы под полом идеально подходят для возобновляемых источников энергии, включая геотермальные и солнечные тепловые системы или любые системы, в которых отработанное тепло может быть восстановлено.
В глобальном стремлении к устойчивости долгосрочная экономика поддерживает необходимость устранения, где это возможно, сжатия для охлаждения и сгорания для нагрева. Тогда необходимо будет использовать низкокачественные источники тепла, для которых хорошо подходит лучистое напольное отопление и охлаждение. [ уточнить ] [ необходима цитата ]
Анализ эффективности системы и использования энергии учитывает производительность ограждения здания, эффективность отопительной и охлаждающей установки, элементы управления системой и проводимость, характеристики поверхности, расстояние между трубками/элементами и глубину излучающей панели, температуру рабочей жидкости и эффективность циркуляционных насосов по отношению к воде. [72] Эффективность в электрических системах анализируется с помощью аналогичных процессов и включает эффективность выработки электроэнергии .
Хотя эффективность систем лучистого отопления постоянно обсуждается, и нет недостатка в отдельных заявлениях и научных работах, представляющих обе стороны, низкие температуры обратной жидкости при отоплении и высокие температуры обратной жидкости при охлаждении позволяют конденсационным котлам, [73] охладителям [74] и тепловым насосам [75] работать на максимальном или близком к нему уровне производительности . [76] [77] Более высокая эффективность потока «провод-вода» по сравнению с потоком «провод-воздух» из-за значительно большей теплоемкости воды делает системы на основе жидкости более предпочтительными, чем на основе воздуха. [78] Как полевые исследования, так и исследования по моделированию продемонстрировали значительную экономию электроэнергии с помощью систем лучистого охлаждения и выделенных систем наружного воздуха, частично основанных на ранее отмеченных принципах. [79] [80]
В пассивных домах , домах R-2000 или зданиях с нулевым потреблением энергии низкие температуры систем лучистого отопления и охлаждения представляют значительные возможности для использования эксергии . [81]
На эффективность системы также влияет напольное покрытие, служащее в качестве радиационного пограничного слоя между массой пола и жильцами и другим содержимым кондиционируемого пространства. Например, ковровое покрытие имеет большее сопротивление или меньшую проводимость , чем плитка. Таким образом, ковровые покрытия должны работать при более высоких внутренних температурах, чем плитка, что может создавать более низкую эффективность для котлов и тепловых насосов. Однако, когда напольное покрытие известно на момент установки системы, то внутренняя температура пола, необходимая для данного покрытия, может быть достигнута за счет надлежащего расстояния между трубами без ущерба для эффективности установки (хотя более высокие внутренние температуры пола могут привести к увеличению потерь тепла с поверхностей пола, не находящихся в помещении). [82]
Излучательная способность , отражательная способность и поглощающая способность поверхности пола являются критическими факторами, определяющими ее теплообмен с жильцами и комнатой. Неполированные материалы и обработки поверхности пола имеют очень высокую излучательную способность (от 0,85 до 0,95) и поэтому являются хорошими радиаторами тепла . [83]
При напольном отоплении и охлаждении («обратимые полы») наиболее желательны напольные покрытия с высокой поглощающей и излучающей способностью и низкой отражательной способностью .
Термография — полезный инструмент для оценки фактической тепловой эффективности системы отопления под полом с момента ее запуска (как показано) до ее рабочих условий. При запуске легко определить местоположение трубки, но сложнее, когда система переходит в устойчивое состояние . Важно правильно интерпретировать термографические изображения. Как и в случае с конечно-элементным анализом (FEA), то, что видно, отражает условия на момент получения изображения и может не соответствовать устойчивым условиям. Например, поверхности, видимые на показанных изображениях, могут казаться «горячими», но в действительности они ниже номинальной температуры кожи и внутренней температуры человеческого тела , а способность «видеть» трубы не равнозначна способности «чувствовать» трубы. Термография также может указать на недостатки в ограждающих конструкциях здания (левое изображение, деталь углового пересечения), тепловые мостики (правое изображение, стойки) и потери тепла, связанные с наружными дверями (центральное изображение).
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )