Водяне підлогове опалення – це інерційна система.
Розділимо поняття "інерція системи підігріву води з підігрівом" на два аспекти: інерція при запуску системи та введення розрахункового режиму опалення, а друга – інерційність системи підлоги з підігрівом води, коли приміщення охолоджене.
Основним показником інерції системи підлоги з підігрівом води, коли опалюється приміщення, є швидкість (час) роботи системи, що досягає режиму з моменту запуску, до температури повітря в приміщенні до розрахункової температури.
За великим рахунком, слід враховувати окремо нерегулярний (невпорядкований) та регулярний (стаціонарний) режими зміни температури не тільки в часі, але й для різних теплових процесів: нагрівання та охолодження (нагрівальні панелі) з нескінченно великою теплопровідністю (зовнішня проблема). Те саме, але з нескінченно великим тепловіддачею (внутрішнє завдання), в нашому випадку, повітря приміщення. Те ж саме, при малих значеннях коефіцієнта теплопровідності та теплопередачі (гранична задача), в нашому випадку втрати тепла через оболонку будівлі.
Рис. 1. Графік роботи системи підлогового опалення води в режимі.
Швидкість нагріву нагрівальної панелі протікає не за лінійним, а за експоненціальним законом.
Загальна кількість теплоти Q, отримана панеллю за перші z години, дорівнює:
Де:
– теплоємність кожного з шарів нагрівальної панелі;
– температура панелі по відношенню до температури навколишнього середовища в розглянутому періоді часу;
– критерій гомохронізму (подібності), що є узагальненою просторово-часовою характеристикою процесу нагріву панелі.
Де:
. загальний опір теплопередачі по всій площі поверхні нагрівальної панелі;
– довільний (розглянутий) момент часу від початку опалення системи.
На практиці використання систем водяного підлогового опалення ми отримали такі результати (рис. 2). Крива базової лінії – це час нагріву панелі опалення з товщиною бетонної стяжки 50 мм та фінішним покриттям керамічної плитки товщиною 15 мм, при температурі теплоносія 50 ° С, початковій температурі печі та повітря в приміщенні при 0 ° C і втрата тепла в приміщенні 60 Вт / м2. Для аналізу були обрані точки перетину температурної лінії 5 ° С. Це пов’язано з тим, що при даній температурі можна з достатньою впевненістю встановити той факт, що «піч прогрілася і почався процес теплообміну», і, по-друге, при цій температурі більш-менш спостерігається рівномірний нагрів всієї печі, тобто вся піч стає нагрівальною панеллю з вирівняним температурним полем.
Середній статистичний час прискорення системи підігріву водою з підігрівом підлоги «базової панелі» до температури 5 ° С становить 24 години. Більше того, для аналогічних умов, але для панелі товщиною 100 і 150 мм час прискорення становить 36 і 48 годин відповідно.
Якщо в якості фінішного покриття використовується паркет товщиною 16 мм, то час прискорення системи – тепла підлога з товщиною стяжки 50 мм збільшується з 24 до 30 годин (крива 1).
Якщо початкова температура нагрівальної панелі на 2–3 градуси перевищує 0 ° С, то час, коли система досягне позначки «температура 5 ° С», скорочується майже в 2 рази, до 12 годин (крива 2).
Рис. 2. Повномасштабні показники швидкості доступу до режиму підлогового опалення панелі на I етапі.
На другому етапі відбувається теплообмін між поверхнею нагрівальної панелі та повітрям у приміщенні. У цьому випадку тривалість етапу до досягнення розрахункової температури залежить від тепловтрат приміщення та площі нагрівальної панелі стосовно площі (фактор форми) оболонки будівлі, через яку проходить основне тепло відбувається втрата. Якщо взяти до уваги, що система теплої підлоги на основі води розрахована на 100% площі підлоги, то другий етап повністю залежить від втрат тепла приміщення. Більше того, спочатку температура в приміщенні піднімається досить швидко, потім швидкість росту сповільнюється, оскільки при збільшенні температури в приміщенні теплова головка збільшується і, отже, втрати тепла через оболонку будівлі.
Перевищення (рис. 1) температури (сектор А) та потужності (сектор В) над розрахунковими на кінцевих ділянках другої стадії пов’язане, перш за все, з інерцією системи та «транспортною» затримкою органів управління та регулювання з параметрами теплопостачання. На практиці (рис. 3) час виходу системи в режим (нагрівання повітря в приміщенні до 20 ° С) при питомих втратах тепла 40 Вт / м2 становить близько 44 годин, при тепловтратах 60 Вт / м2 – до 54 годин, при 100 Вт / м2 – 72-84 години. Дані наводяться для опалювальної панелі товщиною бетонної стяжки 50 мм та фінішним покриттям керамічної плитки товщиною 15 мм, при температурі теплоносія 50 ° С, початковій температурі печі та повітря в приміщенні при 0 ° С.
Нахил (крутизна) кривої відносно шкали часу значною мірою залежить від поєднання "швидкої" та "повільної втрати тепла" ("повільних втрат тепла". Втрати тепла через жаростійкі огорожі (стіни, підлога)). , що характеризується великим ступенем загасання, тобто значним зниженням амплітуди та зсувом фази теплової хвилі). За наявності великих будівельних конструкцій, що не споживають тепла (вікна, безперервне скління, двері), приміщення має не тільки високе експлуатаційне навантаження, але і значний час для системи підведення теплої водяної підлоги до стабільний режим, у тому числі при регулюванні системи опалення імпульсним (пуско-зупинним) використанням джерела. Це ще одна причина, точніше вимоги при проектуванні агрегатів теплового насоса за кордоном: втрати тепла повинні становити не більше 60 Вт / м2.
Рис. 3. Повномасштабні показники швидкості доступу до режиму підлогового опалення панелі на II стадії.
На третьому етапі (стабільний режим нагріву) крива фактичної температури здійснює коливальний процес відносно обчисленої температурної кривої. Частота цих коливань повністю залежить від коливання зовнішньої температури, тривалість коливальних процесів залежить від тривалості зміни зовнішньої температури та інерційності системи теплої водяної підлоги, а амплітуда коливань залежить від інерційність системи підлоги з підігрівом води та системи та методи, що використовуються для автоматизації системи теплопостачання.
Сучасний розвиток мікроелектроніки сьогодні дозволяє виміряти не стільки фактичну температуру в приміщенні, скільки динаміку (градієнт) її зміни як в негативному напрямку (зниження температури в приміщенні через зовнішні фактори), так і в позитивному напрямку (підвищення температури в приміщенні за період від включення джерела опалення). Вирішення цієї проблеми (автоматично – рішення проблеми енергоефективності) сучасні дизайнери розглядають лише в поєднанні з використанням індивідуальних кімнатних термостатів у системах підлоги з підігрівом води.
При цьому використання джерела тепла з системами водяного підлогового опалення відбувається в імпульсному режимі (сектор С на рис. 1): частота включення джерела тепла в процес нагріву збігається з частотою (у напрямку зменшення) фактичної температури від розрахованої та тривалості від втрат тепла та інерції системи.
Інерція нагріву на базі систем опалення водяного підлоги відіграє ще одну важливу роль. вже в питаннях енергозбереження та безпеки будівництва. І ця роль, звичайно, позитивна. Через серйозне погіршення побутових мереж, перевантаженість енергією та моральне старіння технічних схем підключення споживачів будь-яка, навіть невелика, техногенна аварія в нашій країні переходить у каскад одночасно або послідовно (за короткий період) часу) позбавляючи споживача всіх, включаючи резервні джерела живлення.
Ті. в сучасних умовах однією з головних віх є умова довготривалої стійкості будівлі (в нашому питанні тепла) з тривалими перебоями в енергії та, зокрема, теплопостачання.
Відключення системи можна розглядати як переривчасте відключення подачі тепла. Процес охолодження може бути розрахований за допомогою переривчастого теплопостачання. Цей розрахунок є досить складним, оскільки на початку відбувається невпорядкована зміна температури (насамперед, градієнт температури залежить від об’єму нечутливих до тепла включень), який потім замінюється регулярним зниженням температури. Масивні огорожі в цей період починають частково віддавати своє тепло в приміщення. Крім того, променисте тепло в результаті багаторазового відображення розподіляється по всіх поверхнях приміщення. Проблема стійкості приміщення в приміщенні була вирішена А.М. Шкловер у переривчастому режимі нагріває лише променисте або лише конвективне тепло. Переривчаста подача тепла може бути математично представлена у вигляді ряду Фур’є – суми гармонік, що мають різні амплітуди та періоди. Для серії в цілому, а також для компонентів гармонік справедливі загальні закони процесу охолодження. Нагадаємо, що система опалення радіатора на 80-100% конвективна, а підлогове опалення. 49% променистий і 61% конвективний. Таким чином, у "лінійному" (не гармонійному, а не відповідно до закону процесах загнивання) розгляді питання стійкості: система опалення, що базується на системі опалення водяного підлоги, є більш стійкою, ніж конвекційна система (радіатори, конвектори, вентиляція).
На практиці ми отримали наступні дані (дані були відібрані з критичних ситуацій, тобто відключення подачі електроенергії та газу при зовнішніх температурах в межах 25 ÷ -32 ° С):