Подогрев и охлаждение пола — это форма центрального отопления и охлаждения , которая обеспечивает климат-контроль в помещении для обеспечения теплового комфорта с помощью водяных или электрических нагревательных элементов, встроенных в пол. Нагрев достигается за счет проводимости , излучения и конвекции . Использование полов с подогревом восходит к неогляциальному и неолитическому периодам.
Напольное отопление имеет долгую историю, уходящую в периоды неогляциала и неолита . Археологические раскопки в Азии и на Алеутских островах Аляски показывают, как жители вытягивали дым от пожаров через покрытые камнем траншеи, вырытые в полу их подземных жилищ. Горячий дым нагревал камни пола, а затем тепло распространялось в жилые помещения. Эти ранние формы превратились в современные системы, в которых используются заполненные жидкостью трубы или электрические кабели и маты. Ниже приведен хронологический обзор систем подогрева полов со всего мира.
В современных системах подогрева пола для обогрева пола используются либо элементы электрического сопротивления («электрические системы»), либо жидкость, текущая в трубах (« водяные системы»). Любой тип может быть установлен в качестве основной системы отопления всего здания или в качестве локального подогрева пола для обеспечения теплового комфорта. Некоторые системы позволяют отапливать отдельные помещения, когда они являются частью более крупной многокомнатной системы, что позволяет избежать потерь тепла. Электрическое сопротивление можно использовать только для нагрева; когда также требуется охлаждение помещения, необходимо использовать гидравлические системы. Другие области применения, для которых подходят электрические или гидравлические системы, включают растапливание снега/льда на пешеходных дорожках, подъездных дорогах и посадочных площадках, кондиционирование газона на футбольных и футбольных полях, а также предотвращение замерзания в морозильных камерах и катках. Доступен широкий выбор систем и конструкций теплого пола, подходящих для разных типов полов. [22]
Электрические нагревательные элементы или гидравлические трубопроводы могут быть залиты в бетонную плиту перекрытия («система наливного пола» или «мокрая система»). Их также можно разместить под напольным покрытием («сухая система») или прикрепить непосредственно к деревянному черновому полу («система черного пола» или «сухая система»).
Некоторые коммерческие здания спроектированы таким образом, чтобы использовать тепловую массу , которая нагревается или охлаждается в непиковые часы, когда тарифы на коммунальные услуги ниже. Когда система отопления/охлаждения отключена в течение дня, масса бетона и температура в помещении колеблются вверх или вниз в пределах желаемого комфортного диапазона. Такие системы известны как термически активируемые строительные системы или TABS. [23] [24]
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 полом. остальное пространство. [25]
В гидравлических системах в качестве теплоносителя в «замкнутом контуре», который рециркулирует между полом и котлом, используется вода или смесь воды и антифриза, например пропиленгликоль [26] .
Специально для водяных систем напольного отопления и охлаждения доступны различные типы труб, которые обычно изготавливаются из полиэтилена, включая PEX , PEX-Al-PEX и PERT. Старые материалы, такие как полибутилен (ПБ) и медные или стальные трубы, все еще используются в некоторых регионах или для специализированных целей.
Для гидравлических систем требуются квалифицированные проектировщики и специалисты, знакомые с котлами, циркуляционными насосами, средствами управления, давлением и температурой жидкости. Использование современных подстанций заводской сборки, используемых в основном в системах централизованного теплоснабжения и охлаждения , может значительно упростить требования к проектированию и сократить время установки и ввода в эксплуатацию гидравлических систем.
Гидравлические системы могут использовать один источник или комбинацию источников энергии , чтобы помочь управлять затратами на электроэнергию. Варианты источников энергии гидравлической системы :
Электрические системы используются только для отопления и используют некоррозионные гибкие нагревательные элементы, включая кабели, предварительно сформированные кабельные маты, бронзовую сетку и углеродные пленки. Благодаря низкому профилю их можно устанавливать в термомассе или непосредственно под отделкой пола. Электрические системы также могут использовать преимущества учета электроэнергии по времени использования и часто используются в качестве обогревателей для ковров, портативных обогревателей под ковриками, обогревателей под ламинатом, подогрева плитки, подогрева деревянного пола и систем подогрева пола, в том числе под душем. подогрев пола и сидений. Большие электрические системы также требуют квалифицированных проектировщиков и специалистов, но в меньшей степени это касается небольших систем подогрева пола. В электрических системах используется меньше компонентов, их проще устанавливать и вводить в эксплуатацию, чем гидравлические системы. В некоторых электрических системах используется технология линейного напряжения, в то время как в других используется технология низкого напряжения. Потребляемая мощность электрической системы зависит не от напряжения, а от мощности, вырабатываемой нагревательным элементом.
Согласно определению Стандарта 55 ANSI/ASHRAE «Термические условия окружающей среды для пребывания людей», тепловой комфорт — это «то душевное состояние, которое выражает удовлетворенность тепловой средой и оценивается путем субъективной оценки». Что касается напольного отопления, тепловой комфорт зависит от температуры поверхности пола и связанных с ней элементов, таких как асимметрия излучения, средняя температура излучения и рабочая температура . Исследования Невинса, Ролеса, Гагге, П. Оле Фангера и др. показывают, что люди, находящиеся в состоянии покоя в одежде, типичной для легкой офисной и домашней одежды, обменивают более 50% своего явного тепла через излучение .
Подогрев пола влияет на лучистый обмен, нагревая внутренние поверхности. Нагрев поверхностей подавляет потерю тепла телом, создавая ощущение комфорта при обогреве. Это общее ощущение комфорта дополнительно усиливается за счет проводимости (ноги на полу) и конвекции под влиянием поверхности на плотность воздуха . Охлаждение пола работает путем поглощения как коротковолнового , так и длинноволнового излучения, в результате чего внутренние поверхности становятся прохладными. Эти прохладные поверхности способствуют потере тепла телом, что создает ощущение комфорта при охлаждении. Локальный дискомфорт, возникающий из-за холодных и теплых полов при ношении обычной обуви и носков, рассматривается в стандартах ISO 7730 и ASHRAE 55, а также в руководствах по основам ASHRAE и может быть исправлен или отрегулирован с помощью систем подогрева и охлаждения пола.
Пол с подогревом может оказать положительное влияние на качество воздуха в помещении, облегчая выбор материалов для пола, которые иначе воспринимаются как холодные, таких как плитка, шифер, терраццо и бетон. Эти каменные поверхности обычно имеют очень низкий уровень выбросов ЛОС ( летучих органических соединений ) по сравнению с другими вариантами напольных покрытий . В сочетании с контролем влажности напольное отопление также создает температурные условия, которые менее благоприятны для развития плесени , бактерий , вирусов и пылевых клещей . [27] [28] Убрав явную тепловую нагрузку из общей нагрузки HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха), вентиляцию , фильтрацию и осушение входящего воздуха можно выполнить с помощью специальных систем наружного воздуха , имеющих меньший объемный оборот для уменьшения распределения. загрязнений воздуха. Медицинское сообщество признает преимущества подогрева пола, особенно в отношении аллергенов. [29] [30]
Лучистые системы под полом оцениваются на предмет устойчивости с помощью принципов эффективности , энтропии , эксергии [31] и результативности . В сочетании с высокоэффективными зданиями системы теплых полов работают при низких температурах отопления и высоких температурах охлаждения [32] в диапазонах, обычно встречающихся в геотермальных [33] и солнечных тепловых системах. В сочетании с этими негорючими возобновляемыми источниками энергии преимущества устойчивости включают сокращение или устранение сжигания и парниковых газов, образующихся в котлах и выработке электроэнергии для тепловых насосов [34] и холодильных машин , а также снижение спроса на невозобновляемые источники энергии и увеличение запасов. для будущих поколений. Это было подтверждено оценками моделирования [35] [36] [37] [38] и исследованиями, финансируемыми Министерством энергетики США, [39] [40] Канадской ипотечной и жилищной корпорацией, [41] Институтом Фраунгофера ISE [42 ] ] , а также ASHRAE. [43]
Низкотемпературный теплый пол 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 для физических травм из-за случайного контакта, приводящего к спотыканию и падению. Это считается положительной особенностью медицинских учреждений, в том числе тех, которые обслуживают пожилых клиентов и людей с деменцией . [44] [45] [46] Как ни странно, в аналогичных условиях окружающей среды полы с подогревом ускоряют испарение мокрых полов (при принятии душа, уборке и разливах). Кроме того, полы с подогревом с трубами, заполненными жидкостью, полезны для обогрева и охлаждения взрывобезопасных сред, где оборудование для горения и электрическое оборудование могут быть расположены удаленно от взрывоопасной среды.
Существует вероятность того, что пол с подогревом может усилить выделение газов и синдром больного здания в окружающей среде, особенно когда в качестве напольного покрытия используется ковер. [ нужна цитата ]
Электрические системы подогрева пола создают низкочастотные магнитные поля (в диапазоне 50–60 Гц), причем старые однопроводные системы в гораздо большей степени, чем современные двухпроводные системы. [47] [48] Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицировало статические и низкочастотные магнитные поля как потенциально канцерогенные (Группа 2B). [49]
Техническое обслуживание и ремонт оборудования такие же, как и для других водяных или электрических систем отопления, вентиляции и кондиционирования, за исключением случаев, когда трубы, кабели или маты заделаны в пол. Первые испытания (например, дома, построенные Левиттом и Эйхлером в 1940–1970-х годах) выявили отказы встроенных систем медных и стальных трубопроводов, а также отказы, назначенные судами компаниям Shell, Goodyear и другим, в отношении полибутилена и материалов EPDM . [50] [51] Также было несколько опубликованных заявлений о неудачных гипсовых панелях с электрическим подогревом с середины 1990-х годов. [52]
Неисправности, связанные с большинством установок, связаны с небрежным отношением к месту проведения работ, ошибками при установке и неправильным обращением с продуктом, например, воздействием ультрафиолетового излучения. Испытания под давлением перед заливкой, требуемые стандартами укладки бетона [53] и рекомендациями по передовой практике [54] для проектирования, строительства, эксплуатации и ремонта систем лучистого отопления и охлаждения, уменьшают проблемы, возникающие в результате неправильной установки и эксплуатации.
Жидкостные системы с использованием сшитого полиэтилена (PEX), продукта, разработанного в 1930-х годах, и его различных производных, таких как PE-rt, продемонстрировали надежную долгосрочную работу в суровых условиях холодного климата, таких как настилы мостов, перроны авиационных ангаров и посадочные площадки. . PEX стал популярным и надежным вариантом использования в домашних условиях для строительства новых бетонных плит, строительства новых балок пола, а также модернизации (балок). Поскольку материалы производятся из полиэтилена, а его связи сшиты, он обладает высокой устойчивостью к коррозии, а также к температурным нагрузкам и нагрузкам, связанным с типичными жидкостными системами HVAC. [55] Для обеспечения надежности PEX процедуры установки должны быть точными (особенно в местах соединений), а также необходимо тщательно соблюдать спецификации производителя по максимальной температуре воды или жидкости и т. д.
Проектирование систем охлаждения и отопления полов регулируется отраслевыми стандартами и рекомендациями. [56] [57] [примечания 2]
Количество тепла, передаваемого от или к системе пола, основано на комбинированных коэффициентах лучистой и конвективной теплопередачи .
Конвективная теплопередача в системах напольного отопления намного выше, когда система работает в режиме обогрева, а не в режиме охлаждения. [58] Обычно при напольном отоплении конвективная составляющая составляет почти 50% от общей теплопередачи, а при охлаждении пола конвективная составляющая составляет менее 10%. [59]
Когда нагреваемые и охлаждаемые трубы или нагревательные кабели занимают одно и то же пространство с другими компонентами здания, может происходить паразитная передача тепла между холодильными приборами, холодильными складами, линиями бытовой холодной воды, кондиционерами и вентиляционными каналами. Чтобы контролировать это, трубы, кабели и другие компоненты здания должны быть хорошо изолированы.
При охлаждении пола 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). [60]
Системы напольного отопления и охлаждения могут иметь несколько точек управления, включая управление:
На иллюстрации представлена упрощенная механическая схема системы напольного отопления и охлаждения для обеспечения теплового комфорта [65] с отдельной системой обработки воздуха для обеспечения качества воздуха в помещении . [66] [67] В жилых домах с высокими эксплуатационными характеристиками среднего размера (например, общая площадь кондиционируемого пола менее 3000 футов 2 (278 м 2 )) эта система, использующая промышленные устройства гидравлического управления, будет занимать примерно то же пространство, что и трех- или четырехместная система. кусок ванной комнаты.
Моделирование структуры излучающих труб (также трубок или петель) с помощью анализа методом конечных элементов (FEA) позволяет прогнозировать термодиффузию и температуру поверхности, качество или эффективность различных схем контуров. Характеристики модели (левое изображение внизу) и изображение справа полезны для понимания взаимосвязей между сопротивлением пола, проводимостью окружающей массы, расстоянием между трубами, глубиной и температурой жидкости. Как и во всех моделированиях FEA, они отображают моментальный снимок конкретной сборки и не могут быть репрезентативными ни для всех сборок пола, ни для системы, которая работала в течение длительного времени в установившемся состоянии. Практическое применение FEA для инженера заключается в возможности оценить каждую конструкцию по температуре жидкости, обратным потерям и качеству температуры поверхности. За счет нескольких итераций можно оптимизировать конструкцию для обеспечения самой низкой температуры жидкости при нагреве и самой высокой температуры жидкости при охлаждении, что позволяет оборудованию сгорания и сжатия достичь максимального номинального КПД.
Существует широкий диапазон цен на системы напольного покрытия в зависимости от региональных различий, материалов, применения и сложности проекта. Он широко принят в странах Северной Европы , Азии и Европы . Следовательно, рынок более зрелый, а системы относительно более доступны по цене, чем менее развитые рынки, такие как Северная Америка , где доля рынка жидкостных систем остается между 3% и 7% систем HVAC (см. Статистическое управление Канады и Бюро переписи населения США ).
В энергоэффективных зданиях, таких как пассивный дом , R-2000 или Net Zero Energy , можно установить простые термостатические радиаторные клапаны вместе с одним компактным циркуляционным насосом и небольшим конденсационным нагревателем, управляемым без или с помощью базового управления сбросом горячей воды [68] . Экономичные системы на основе электрического сопротивления также полезны в небольших помещениях, таких как ванные комнаты и кухни, а также во всех зданиях, где отопительные нагрузки очень низкие. Более крупным сооружениям потребуются более сложные системы для удовлетворения потребностей в охлаждении и обогреве, а также часто требуются системы управления зданием для регулирования использования энергии и контроля общей внутренней среды.
Низкотемпературные системы лучистого отопления и высокотемпературные системы лучистого охлаждения хорошо подходят для районных энергетических систем (общественных систем) из-за разницы температур между электростанцией и зданиями, что позволяет использовать изолированные распределительные сети небольшого диаметра и низкие требования к мощности насосов. Низкие температуры обратки при отоплении и высокие температуры обратки при охлаждении позволяют районной электростанции достичь максимальной эффективности. Принципы, лежащие в основе централизованной энергетики с системами теплых полов, также могут быть применены к отдельным многоэтажным зданиям с теми же преимуществами. [69] Кроме того, излучающие системы под полом идеально подходят для возобновляемых источников энергии, включая геотермальные и солнечные тепловые системы или любую систему, в которой отходящее тепло можно восстановить.
В глобальном стремлении к устойчивому развитию долгосрочная экономика поддерживает необходимость устранения, где это возможно, сжатия для охлаждения и сжигания для нагрева. В этом случае необходимо будет использовать источники тепла низкого качества, для которых хорошо подходят лучистые полы с подогревом и охлаждением. [ уточнить ] [ нужна ссылка ]
Анализ эффективности системы и энергопотребления учитывает характеристики ограждения здания, эффективность системы отопления и охлаждения, средства управления системой и проводимость, характеристики поверхности, расстояние между трубами/элементами и глубину излучающей панели, температуру рабочей жидкости и эффективность подключения проводов к воде. циркуляторы. [70] Эффективность электрических систем анализируется аналогичными процессами и включает эффективность производства электроэнергии .
Хотя эффективность излучающих систем является предметом постоянных дискуссий, и нет недостатка в отдельных заявлениях и научных статьях, представляющих обе стороны, низкие температуры возвратной жидкости при отоплении и высокие температуры возвратной жидкости при охлаждении позволяют использовать конденсационные котлы, [71] охладители [72] и системы отопления. насосы [73] для работы с максимальной расчетной производительностью или близкой к ней . [74] [75] Более высокая эффективность потока «провод-вода» по сравнению с потоком «провод-воздух» из-за значительно большей теплоемкости воды дает преимущество системам на основе жидкости по сравнению с системами на основе воздуха. [76] Как полевые исследования, так и исследования по моделированию продемонстрировали значительную экономию электроэнергии за счет лучистого охлаждения и специальных систем наружного воздуха, частично основанных на ранее отмеченных принципах. [77] [78]
В пассивных домах , домах R-2000 или зданиях с нулевой энергией низкие температуры систем лучистого отопления и охлаждения открывают значительные возможности для использования эксергии . [79]
На эффективность системы также влияет покрытие пола, служащее радиационным пограничным слоем между массой пола, жильцами и другим содержимым кондиционируемого помещения. Например, ковровое покрытие имеет большее сопротивление или меньшую проводимость , чем плитка. Таким образом, полы с ковровым покрытием должны работать при более высоких внутренних температурах, чем плиточные, что может привести к снижению эффективности котлов и тепловых насосов. Однако если напольное покрытие известно на момент установки системы, то внутренняя температура пола, необходимая для данного покрытия, может быть достигнута за счет правильного расстояния между трубами без ущерба для эффективности установки (хотя более высокие внутренние температуры пола могут привести к увеличению теплопотерь). от некомнатных поверхностей пола). [80]
Излучательная способность , отражательная способность и поглощающая способность поверхности пола являются важными факторами, определяющими его теплообмен с жильцами и помещением. Неполированные материалы и обработка поверхности пола имеют очень высокий коэффициент излучения (от 0,85 до 0,95) и поэтому являются хорошими радиаторами тепла . [81]
При напольном отоплении и охлаждении («двусторонние полы») наиболее желательны напольные покрытия с высоким поглощением , излучательной способностью и низкой отражательной способностью .
Термография — полезный инструмент, позволяющий увидеть фактическую тепловую эффективность системы под полом от ее запуска (как показано) до условий эксплуатации. При запуске легко определить местоположение трубки, но это становится сложнее по мере того, как система переходит в устойчивое состояние. Важно правильно интерпретировать термографические изображения. Как и в случае с анализом методом конечных элементов (FEA), то, что видно, отражает условия на момент создания изображения и может не отражать устойчивые условия. Например, поверхности, наблюдаемые на показанных изображениях, могут казаться «горячими», но на самом деле их температура ниже номинальной температуры кожи и внутренней температуры человеческого тела , и способность «видеть» трубы не приравнивается к пощупай трубы. Термография также может указать на дефекты ограждений здания (слева, деталь пересечения углов), тепловые мосты (справа, шпильки) 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 в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )