Водяной теплый пол

История систем напольного отопления

Напольное отопление (или теплый пол, как многие его называют) изобретено не сегодня. Древние римляне применяли подобную систему, она называлась «гипокауст». Теплый воздух поднимался вверх по каналам из центральной топки, нагревая внутреннюю поверхность пола. То есть уже до н.э. системы подогрева полов являлись не только «обыденным» делом, а, даже, обязательным при устройстве знаменитых римских терм (бань).

В середине XVIII века шведский изобретатель Кристофер Польгем сделал чертёж отопительной системы с воздушными каналами, расположенными под полом. В 1825 в журнале «Mechanics Magazine» была опубликована статья, повествующая о том, что китайцы начали интересоваться отопительными системами, сходными с древнеримской.

Возможно, напольное отопление было изобретено и не в Древнем Риме, а на территории современной Швеции - уже в каменном веке, 6000 лет назад. В Воуллериме были найдены остатки примитивной системы обогрева пола, в которой теплый воздух поднимался по каналам к поверхности земли туда, где спали люди. Система напольного отопления развивалась, таким образом, со времён каменного века.

В 20-х годах прошлого века были обнаружены старинные британские и французские системы, напоминающие современное водяное напольное отопление.

Таким образом, зародившись в древние времена, как система комфорта, подогрев пола стал бурно развиваться, как полноценная и самостоятельная система отопления, только с середины прошлого века. Это стало возможным благодаря появлению пластиковых труб, развитию систем контроля и автоматизации управления температурой, широкому применению источников тепла на возобновляемых ресурсах.

С 60-х годов ХХ века в Скандинавии водяной теплый пол начал стремительно вытеснять традиционные (прежде всего, радиаторные) системы отопления, и уже сегодня, в Швеции, например, является самой распространенной отопительной системой (более 85% нового жилья строятся именно с системами отопления водяной теплый пол).

Благодаря многочисленным техническим и эксплуатационным преимуществам по сравнению с высокотемпературными (воздушные, радиаторы, конвекторы и т.п.), системы, построенные на принципах «водяной теплый пол», все шире применяются и в других областях: снеготаяния и антиоблединения, подогрев кровель, автомобильных дорог, стадионов, спортивных площадок и т.п.

Новые решения, в которых используется частично или полностью регенерируемая энергия (ветрогенераторы, тепловые насосы, солнечные коллекторы и т.п.), находят эффективное применение сегодня, как правило, только совместно с системами водяного теплого пола. Применяемые сегодня элементы и узлы водяных теплых полов прослужат не менее 50 лет. Водяной тёплый пол, таким образом, может по праву называться отопительной системой будущего.

При этом водяной теплый пол сегодня – это полноценная система отопления, полностью заменяющая радиаторы, а не дополнительная система комфорта, как многие считают.

Системы и технологии водяного теплого пола эффективно применяются для любых типов зданий и сооружений, в том числе для жилых комплексов, офисных и торговых центров, деревянных домов, стадионов и спортивных площадок, автомобильных дорог, подъездных путей и стоянок, плоских кровель. Водяные теплые полы можно организовать как в отдельной квартире или частном коттедже, так и в многоэтажном доме и помещениях большой площади. Универсальность систем «Sanpol» позволяет монтировать их как при строительстве, так и уже на возведенном объекте. При этом возможно как подключение к теплоцентрали, так и полностью автономное использование, в том числе с тепловыми насосами

Основные принципы устройства и работы системы водяной теплый пол

Концепция водяного теплого пола «Sanpol», вкратце, сводится к монтажу между полом и напольным покрытием сети мини трубопроводов, по которым циркулирует  нагретая жидкость (вода, антифриза и т.п.).

Чтобы тепло не шло вниз, укладывается слой теплоизоляции  «Sanpol», как правило, из полистирола. Толщина слоя теплоизоляции от 20 до 300 мм в зависимости от типа системы водяного теплого пола и отопительной нагрузки.

От нагретой поверхности пола тепло поднимается вверх, отапливая всё помещение.

Благодаря обширной теплоотдающей поверхности возрастает количество излучаемого тепла, которое, в отличие от конвекции при радиаторном отоплении, немедленно распространяет тепло к окружающим предметам, обеспечивая таким образом более равномерное горизонтальное и вертикальное распределение тепла. При использовании водяного теплого пола отсутствуют холодные и перегретые зоны, как при отоплении радиаторами (конвекторами, воздушными системами).

При радиаторном отоплении доля теплоотдачи за счет конвекции составляет 80-100%. Т.е. создаются условия, при которых перегретый воздух поднимается вверх и, остывая, опускается вниз. Т.о. за счет циркуляции воздуха достигается средняя комфортная температура в помещении. Лучистая составляющая в радиаторной системе отопления, как правило, незначительна.

Поскольку люди чувствуют себя более комфортно при прохладном воздухе на уровне головы и теплом у ног, водяной теплый пол представляет собой систему идеального равномерного распределения тепла.

«Применение в помещении плоских греющих поверхностей, отдающих значительное количество тепла излучением, где бы они ни располагались, всегда будет создавать более благоприятный микроклимат, чем при обогреве помещений чисто конвективными приборами».

«Держи ноги в тепле, а голову в холоде» [народная мудрость]

Температура в помещении может быть снижена на 1-2 градуса без потери человеком ощущения комфорта. Например, если при радиаторной системе отопления человек чувствует себя комфортно при температуре 20-22°С, то при отоплении системе водяной теплый пол комфортной для него будет температура 18-20°С. Снижение температуры на 2°С обеспечивает около 12% сбережения потребляемой энергии.

Но, необходимо помнить (!), что температура комфорта является исключительно индивидуальной характеристикой человека (для одного это будет 17°С, для другого 22°С и т.д.). В процессе эксплуатации системы водяной теплый пол пользователь сам находит для себя наиболее комфортный диапазон температур, а зональная (покомнатная) автоматика призвана поддерживать эту температуру постоянной. Отсюда и вытекает большое значение комнатных термостатов, которыми некоторые проектировщики или потребители пренебрегают.

Равномерное распределение тепла и обширность поверхности нагрева, помимо комфорта, позволяет использовать в системы водяной теплый пол более низкие температуры теплоносителя. Т.о. водяной теплый пол является низкотемпературной системой отопления, где температура теплоносителя составляет 30-50°С (для сравнения, в радиаторной системе – 70-95°С).

В зависимости от применяемых схем и технических решений можно достичь экономии тепла (энергоресурсов) от 10% до 50% (складывается в совокупности из экономии на следующих участках):

• экономия в сетях и магистральных трубопроводах из-за снижения потерь за счет передачи теплоносителя более низкой температуры. Фактическая экономия зависит от длины магистральных трубопроводов и сетей, а также условий их прокладки. Как следствие, дополнительная экономия на толщине теплоизоляционных материалов;
• экономия за счет снижения и управления температурой в помещениях (см. выше). Дополнительно (до 20%) может быть достигнута экономия за счет применения автоматики с погодной компенсацией (управление температурой теплоносителя и (или) температурой в помещении в зависимости от температуры на улице). Например, система снеготаяния и антиобледенения экономичнее на 70% и более при использовании с контроллером управления, чем система без него;
• снижение (следовательно, экономия около 6-8% затрат) теплопотерь через ограждающие конструкции из-за отсутствия зон;
• существенная экономия при использовании совместно с источниками тепла типа «тепловой насос», где до 80% тепла извлекается из окружающей среды. При этом наибольший коэффициент преобразования в подобных установках достигается при выработке температуры теплоносителя до 35°С. При необходимости получения теплоносителя температурой 50-60°С эффективность теплового насоса снижается в несколько раз. Для температур более 60°С (радиаторы, конвекторы, воздушное отопление) применение тепловых насосов не эффективно;
• экономия из-за возникновения эффекта саморегуляции (см. ниже описание эффекта). Экономия может достигать 8-15% в зависимости от теплопотерь помещения, количества и типа тепловыделяющих предметов в помещении и интенсивности их использования.

Основные достоинства систем отопления на основе системы водяной теплый пол «Sanpol»:

1. Комфорт. Поддержание температуры в комфортном для человека диапазоне. Отсутствие перегретых и переохлажденных зон.
2. Уют. Равномерное распределение температуры по всему объему помещения (вертикально и горизонтально).
3. Современный дизайн. Скрытность систем, на виду только термостаты.
4. Надежность. Системы напольного отопления имеют продолжительный срок службы (десятилетия), но не требуют дорогостоящего и высококвалифицированного обслуживания.
5. Экономичность. Снижение теплопотерь при применении напольного отопления по сравнению с радиаторными системами, которое, в первую очередь, достигается за счет более низкого значения температуры воздуха в помещениях, при котором обеспечивается тепловой комфорт.
6. Рациональность. Увеличение пропускной способности тепловых сетей за счет использования теплоносителя более низкой температуры.
7. Перспективность. Системы напольного отопления удачно сочетаются с теплонасосными установками (резко повышается коэффициент эффективности ТНУ), которые всё больше применяются в современном строительстве.

Теплоизоляционный слой

Основное назначение – препятствие тепловым потерям вниз. Тепло должно идти вверх, в обогреваемое помещение. Может выполняться из любых материалов нашего производства.

Термическое сопротивление слоя теплоизоляции должно быть больше суммарного термического сопротивления греющих слоев (в том числе чистового покрытия) при максимальной тепловой нагрузке на водяной теплый пол.

Чем больше отопительная нагрузка, тем толще слой теплоизоляции.

Чем выше термическое сопротивление чистового покрытия, тем толще слой теплоизоляции.

Наиболее распространенными теплоизоляционными материалами в современном строительстве являются теплоизоляционные фольгированные маты с разметкой на пенополистирольной основе. Рекомендуется применять полистирол плотностью не менее 15 кг/м³. Полистирол меньшей плотности не устойчив к механическим нагрузкам, разрушается при неаккуратном использовании и теряет свои механические и теплоизоляционные свойства, особенно, когда на фоне продолжающихся общестроительных работ проходит продолжительное время от окончания монтажа труб контуров водяного теплого пола до заливки их стяжкой. Полистирол плотностью 50 кг/м³, а также экструзионный, применяется в системах с большими механическими нагрузками (автоцентры, складские комплексы с тяжелыми погрузчиками, подогрев дорог и т.п.).     

Полистирольная система - самая легкая (по весу) на сегодняшний день система

1. Ограничена высота помещений. Решение об устройстве системы водяной теплый пол принято на этапе, когда устройство бетонной системы невозможно из-за высоты помещения (готовые архитектурные чертежи; объект уже построен без учета запаса высот; используется типовой проект, в котором не предусмотрена система отопления водяной теплый пол; применены другие отделочные материалы, инженерные устройства и коммуникации, сократившие полезную высоту помещений и т.п.).
2. Ограничена нагрузка на перекрытия. Решение об устройстве системы водяной теплый пол принято на этапе или для объекта, когда межэтажные перекрытия не могут выдержать вес бетонной системы отопления водяной теплый пол (при толщине стяжки 50 мм вес бетонной системы отопления водяной теплый пол составляет 250-300 кг/м²).
3. Устройство бетонной стяжки для бетонной системы отопления водяной теплый пол организационно не возможно (например: квартира на высоком этаже в многоэтажном доме; объект достаточно удален для возможности доставки готового бетона; на объекте не имеется возможности приготовления раствора для бетонной стяжки и т.п.)
4. При реконструкции старой системы отопления. В этом случае могут «встречаются» два, а иногда и все три, «фактора ограничения» применения бетонной системы водяной теплый пол: «ограничена высота», «ограничена весовая нагрузка», «организационные ограничения».
5. Полистирольная система универсальна в применении и может монтироваться как на бетонное основание, так и на черновой (дощатый) пол, уложенный на деревянные лаги. Необходимо учитывать только особенности монтажа таких систем.

На рынке Украины производятся готовые элементы с толщиной полистирола 10/20/ 30/50 мм, применяемых в зависимости от требуемой толщины слоя теплоизоляции. Как базовая, используется система толщиной 30 мм. При необходимости большей толщины слоя теплоизоляции перед укладкой полистирольной системы монтируется дополнительный слой из пенополистирола. Суммарная толщина теплоизоляционного слоя (дополнительный полистирол + полистирол настильной системы) должна соответствовать расчетному термическому сопротивлению, рассчитываемому в ходе проектирования для данного объекта.

Паркет или ламинат возможно укладывать непосредственно на полистирольную систему.

Для укладки керамических, ковровых или пластиковых напольных покрытий предварительно на полистирольную систему монтируется сборная стяжка из гипсо - волокнистых, цементно-стружечных плит или листов ДСП (влагостойкой фанеры).

В помещениях с влажным режимом система заливается слоем самовыравнивающейся массы для обеспечения уклонов к трапу.

Важные особенности применения полистирольной системы отопления водяной теплый пол «Sanpol». К исходной поверхности, на которую укладывается полистирольная система, предъявляются очень жесткие требования. Т.к. все элементы имеют чёткие геометрические размеры, то система повторяет все шероховатости и неровности основы, на которую она монтируется. Не допускаются перепады высот более 2мм/м, подвижность основания более 2мм при расчетной нагрузке, наличие строительного мусора в помещении. Исходная поверхность должна быть тщательно выровнена и убрана перед началом монтажа.

Раскладка элементов производится четко по чертежам. Данный тип системы не допускает подхода «на выпуклый глаз», т.к. состоит из элементов определенных геометрических размеров, которые должным образом размещены по поверхности инженером-проектировщиком в ходе выполнения проекта. Процесс укладки полистирольной системы аналогичен процедуре изготовления большой мозаичной картины: один упущенный элемент – и всё мозаичное панно необходимо переделывать.

Полистирольная система не должна длительное время оставаться «открытой» (на поверхности видны трубы,  полистирол и т.п.). Либо сразу должна быть смонтирована сборная стяжка (ГВЛ, ЦСП и т.п.), предусмотренная проектом, либо (если укладывается паркет или ламинат непосредственно на алюминиевые пластины) система временно должна быть накрыта листовыми материалами (фанера, ГВЛ, ДСП, ЦСП и т.д.). Дело в том, что полистирол, являющийся основой системы, хорошо выдерживает распределенные нагрузки, но легко проминается при точечных нагрузках (каблуки обуви, поставленные на ребро массивные предметы, упавший инструмент и т.п.).

Особая внимательность и мастерство монтажа требуется в месте сбора всех контуров водяного теплого пола «Sanpol» у коллектора: необходимо равномерно распределить между трубами полистирол так, чтобы было достаточно опоры для покрытия, которое затем укладывается сверху.

Демпферная лента «Sanpol»

Демпферная лента укладывается по периметру помещений до заливки бетоном. Служит компенсатором теплового расширения бетонной стяжки при нагреве. Изготавливается, как правило, из вспененного полиэтилена шириной 100- 120 мм и толщиной 8 - 10 мм.

Трубы

Трубы контуров водяного теплого пола укладываются в соответствии с чертежом (проектом водяного теплого пола). Количество метров трубы документируется и заносится в таблицу балансировки коллектора, прилагаемую к проекту. На основании фактических данных монтажа инженером - проектировщиком принимается решение о необходимости корректировки настроечной (балансировочной) таблицы. Как правило, при отличии фактической длины труб от проектной в пределах до 10%, поправка балансировки коллектора не требуется.

Гидравлические испытания

Перед заливкой контуров водяного теплого пола бетоном рекомендуется проверить систему на герметичность. Проверка системы проводится в соответствии с национальными строительными нормативами. Как правило, система проверяется давлением 3-4 бар в течение 24 часов.

При заполнении системы теплоносителем последовательным открытием-закрытием контуров добейтесь полного удаления воздуха из трубопроводов и оборудования.

Рекомендуется оставить систему водяной теплый пол под давлением на весь ход оставшихся общестроительных работ (устройство стяжки, монтаж чистового покрытия), периодически контролируя уровень давления, чтобы на любом этапе быть уверенным, что в ходе производства иных работ не нарушена герметичность системы.

Бетонная стяжка

Самая распространенная на сегодняшний день система, в которой трубы контуров теплого пола заливаются бетоном и дополнительных распределителей тепла не требуется.

Заливка бетона осуществляется после монтажа контуров водяного теплого пола и проведения гидравлических испытаний. Толщина стяжки должна быть не менее 30 мм над трубой, марка бетона рекомендуется не ниже М-300 (В-22,5). В особых случаях (большие весовые и/или тепловые нагрузки на греющую плиту и т.п.) толщина стяжки и марка бетона рассчитывается конструкторами, исходя из особенностей объекта (при этом обязательно производится отдельный расчет отопительной панели). Минимальная толщина стяжки (30 мм над трубой) обусловлена в первую очередь не прочностными характеристиками, а для достижения равномерности распределения температуры на поверхности греющей панели.

При толщине стяжки более 150мм требуется отдельные расчеты теплового режима отопительной панели с вводом специальных поправочных коэффициентов.

Чем больше толщина стяжки тем больше требуется времени для вывода ее на стабильный отопительный режим от момента включения.

Чем толще стяжка, тем больше инерционность системы.

Чем меньше теплопроводность стяжки, тем выше требуется температура теплоносителя.

Если, в связи с большой протяженностью греющей панели, она делится (каждые 15 метров) на участки компенсационными швами, то труба, пересекающая компенсационный шов, прокладывается в защитной гофрированной трубе (по 300 мм влево - вправо от шва расширения). Рекомендуется укладывать отопительные контуры целыми в пределах одного компенсационного участка, т.е. швы расширения должны пересекать только напорный и обратный трубопроводы контура.

Система водяной теплый допускает применение любых пластификаторов в бетон. Широкое распространение в современном строительстве получило устройство стяжки с полипропиленовой фиброй.

Добавки в бетон

• пластификатор «Sanpol»  применяется для улучшения теплофизических и механических свойств бетонной стяжки. Применяется для повышения теплопроводности тяжки и придания ей большей пластичности в системах теплых водяных полов.  Расход – 2% от массы цемента на 1м³
• Фибра полипропиленовая применяется для микроармирования бетонной стяжки. Расход – 0,6 кг . на 1м³ 

Чтобы ускорить процесс сушки бетонной плиты, который обычно занимает примерно 3-4 недели, и достигнуть приемлемого уровня относительной влажности, можно подключить систему водяной теплый пол к источнику тепла (в том числе по временной схеме). Рекомендуемая температура теплоносителя в этом случае не должна превышать 30°С. Практика применения систем водяного теплого пола с использованием режима «сушка» показала много примеров сокращения сроков строительства, особенно на объектах с большими площадями.

Относительная влажность бетона не должна превышать 85%. В случае укладки паркета или иного деревянного покрытия, относительная влажность не должна превышать 60%. Во всяком случае, следует выполнять указания производителей и поставщиков материалов, а также соблюдать технологии строительства и производства работ. Т.о., как правило, требуется 2-4 недели от момента заливки бетонной стяжки до начала укладки чистового покрытия.

Конструкция бетонного типа водяного теплого пола соответствует СНиП 2.03.13-88 и чертежам типовых деталей полов 2.144-1/88 (узлы 63, 69, 75, 81, 87), 2-244-1 (узлы 140,147,149, 160, 161).

Эффект саморегулирования

В соответствии с законами физики, температура передается от более теплого предмета более холодному. Если в помещении существуют другие источники низкопотенциального тепла (солнечное излучение, большое скопление народа, компьютеры, интенсивное освещение и т.п.), они отдают свое тепло в окружающую среду. Т.к. температура поверхности пола очень мало отличается от температуры в помещении, то низкопотенциальные источники становятся «участниками» отопительного процесса, т.е. часть тепла получается (компенсируется) от этих низкопотенциальных источников. При повышении температуры воздуха в помещении уменьшается отбор тепла от системы напольного отопления. Это происходит, практически, «самопроизвольно», «автоматически», поэтому и получило название «эффекта саморегулирования».

Радиаторы, конечно, работают по такому же физическому принципу «от теплого к холодному». Но, разница температур между поверхностью радиатора и воздухом в помещении (а также теплом низкопотенциальных источников) столь велика, что эффекта саморегулирования («учета» тепла низкопотенциальных источников) не возникает. (Скорее низкопотенциальный источник сам нагреется от радиатора, чем станет полноправным «партнером» радиатора в тепловом балансе данного помещения).

Вывод (очень важный!):

• теплоотдача от пола снижается, когда температура в помещении приближается к температуре поверхности пола
• теплоотдача с поверхности пола увеличивается, когда снижается температура в помещении
• или другими словами: чем больше потери тепла помещением, тем больше требуется тепла и тем выше температура поверхности пола

Кроме того, есть целый ряд важных понятий, вытекающих из выше сказанного:

• Чем больше разность температур между поверхностью пола и температурой в помещении, тем больше теплоотдача с поверхности пола. Т.о. мощность системы водяной теплый пол напрямую зависит от разности этих температур.
• Максимальная температура поверхности покрытия ограничена медицинскими нормами, характеристикой материала изготовления и т.п. Существуют аналогичные ограничения и температуры воздуха в помещении в зависимости от его назначения. Следовательно: требуется профессиональный теплотехнический расчет системы водяной теплый пол, существуют границы возможности применения систем водяной теплый пол.
• При устройстве комбинированных систем (высокотемпературные отопительные приборы + водяной теплый пол) в одном помещении возможно возникновение «конфликтов» между системами. Поэтому в таких случаях требуется очень тщательно подходить к выбору и построению раздельных систем управления этими приборами.
• Существуют принципиальные моменты, понятия и определения, которые существенно влияют на долговечность, корректную работоспособность и надежность системы водяной теплый пол.

Инерционность системы водяной теплый пол

Водяной теплый пол является инерционной системой.

Разделим понятие «инерционности 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 в ходе охлаждения 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 тела (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:

1. «Разгон непосредственно самой отопительной панели». Характеризуется малым изменением температуры в помещении при максимальном использовании мощности источника тепла
2. «Натоп помещения». Характеризуется ростом температуры в помещении до расчетной
3. «Установившийся режим отопления». Характеризуется поддержанием температуры в диапазоне расчетной с некоторым.