Отопление пола изобретено не сегодня. Подобную систему применяли древние римляне и называли ее «гипокауст». Принцип ее действия заключался в том, что теплый воздух поднимался вверх по каналам из центральной топки и нагревал внутреннюю поверхность пола. Таким образом, уже до н.э. системы подогрева полов являлись не только обыденным делом, а даже обязательным, например при устройстве знаменитых римских терм

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

В 20-х годах ХХ в. были обнаружены старые британские и французские системы, напоминающие современное водяное отопление пола.

Если в древние времена подогрев пола использовался для обеспечения комфорта, то с середины прошлого века он уже активно внедряется в качестве полноценной и самостоятельной системы отопления. Это стало возможным благодаря появлению пластиковых труб, развитию систем контроля и автоматизации управления температурой, широкому внедрению источников тепла на возобновляемых ресурсах.

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

Благодаря многочисленным техническим и эксплуатационным преимуществам, по сравнению с высокотемпературными (воздушными радиаторами, конвекторами и т.п.), системы, построенные на принципах «водяной теплый пол», все шире применяются и в системах снеготаяния, подогреве кровель, автомобильных дорог, стадионов, спортивных площадок и т.п.

Новые решения, основанные на частично или полностью регенерируемой энергии (ветрогенераторы, тепловые насосы, солнечные коллекторы и т.п.), эффективноприменяются сегодня, как правило, только совместно с системами напольного отопления. Используемые в настоящее время элементы и узлы системы «теплый пол» служат не менее 50 лет. «Теплый пол», таким образом, можно по праву называть отопительной системой будущего.

При этом современный водяной «теплый пол» – это полноценная система отопления, полностью заменяющая радиаторы, а не дополнительная система комфорта. Системы и технологии «водяной теплый пол» эффективны 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. Теплые полы можно организовать как в отдельной квартире или частном коттедже, так и в многоэтажном доме и помещениях большой площади. Системы Termotech универсальны и позволяют монтировать их и при строительстве, 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 систем «водяной теплый пол»

Водяной «теплый пол» («водяной теплый пол») – монтаж между полом и напольным покрытием сети мини-трубопроводов, по которым циркулирует теплоноситель – нагретая жидкость (вода, раствор этиленгликоля, антифриза и т.п.).
Чтобы тепло не шло вниз, укладывается слой теплоизоляции, как правило, из полистирола толщиной от 20 до 300 мм в зависимости от типа и отопительной нагрузки системы «водяной теплый пол».

Теплоноситель отдает свое тепло материалу, окружающему трубы контуров теплого пола. Это может быть бетон стяжки, алюминиевые пластины, песок и т.п. в зависимости от типа и устройства системы «водяной теплый пол». Далее тепло передается чистовому покрытию. Каждое чистовое покрытие имеет свое термическое сопротивление, зависящее от материала и его толщины.

От нагретой поверхности пола тепло поднимается вверх, отапливая все помещение. Благодаря обширной теплоотдающей поверхности возрастает количество излучаемого тепла, которое, в отличие от конвекции при радиаторном отоплении, немедленнораспространяется в окружающем пространстве, равномерно распределяясь в горизонтальном и вертикальном направлениях. При этом 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. Таким образом 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, когда воздух на уровне головы прохладный, а у ног теплый, то отопление пола 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.

За счет использования «водяной теплый пол» температура в помещении может быть снижена на 1–2 °С и человек при этом не потеряет чувства комфорта. Например, если при радиаторной системе отопления человек чувствует себя комфортно при температуре 20–22 °С, то при отоплении «водяной теплый пол» комфортной для него будет температура 18–20 °С. Снижение температуры на 2 °С обеспечивает сбережение около 12 % потребляемой энергии.

Температура комфорта индивидуальна для каждого человека (для одного это будет 17 °С, для другого – 22 °С). В процессе эксплуатации «водяной теплый пол» пользователь сам регулирует диапазон температур, а зональная (покомнатная) автоматика поддерживает эту температуру постоянной.

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

В зависимости от применяемых схем и технических решений можно достичь экономии тепла (энергоресурсов) от 10 до 50 %, которая складывается из нескольких составляющих:

– экономии 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, получается дополнительная экономия за счет толщин теплоизоляционных материалов;

– экономии за счет снижения температуры в помещениях и управления ею. Дополнительно (до 20 %) она может быть достигнута 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 системы с контроллером управления, чем без него;

– снижения теплопотерь через ограждающие конструкции из-за отсутствия зон перегрева за отопительными приборами;

– существенной экономии при использовании «водяной теплый пол» 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 неэффективно;

– экономии из-за возникновения эффекта саморегулирования. 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 водяных «теплых полов»: комфорт, уют, современный дизайн, надежность, экономичность, рациональность.

Системы «водяной теплый пол» обеспечивают поддержание температуры в комфортном для человека диапазоне; равномерное ее распределение по всему объему помещения (вертикально и горизонтально). Системы отопления располагаются скрытно (на виду только термостаты), имеют продолжительный срок службы и не требуют дорогостоящего обслуживания.

Снижение теплопотерь при применении «водяной теплый пол» по сравнению с радиаторными системами в первую очередь достигается за счет более низкого значения температуры воздуха в помещениях, при котором обеспечивается тепловой комфорт.

Системы обеспечивают увеличение пропускной способности тепловых сетей за счет использования теплоносителя более низкой температуры. Они удачно сочетаются с теплонасосными установками (резко повышается коэффициент эффективности ТНУ), которые все больше применяются в современном строительстве.

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.

Так как температура поверхности пола очень мало отличается от температуры в помещении, то низкопотенциальные источники становятся участниками отопительного процесса, т.е. часть тепла компенсируется от этих источников. При повышении температуры воздуха в помещении уменьшается отбор тепла от системы «водяной теплый пол». Это происходит, практически, самопроизвольно, автоматически, поэтому и получило название «эффекта саморегулирования».

Радиаторы работают по такому же физическому принципу – от теплого к холодному. Но разница температур между поверхностью радиатора и воздухом в помещении 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.

Из эффекта саморегулирования систем «водяной теплый пол» следует, что теплоотдача от пола уменьшается, когда температура в помещении приближается к температуре его поверхности, и увеличивается, когда снижается температура в помещении. Чем больше потери тепла помещением, тем больше его требуется и тем выше температура поверхности пола.

Есть целый ряд важных понятий, вытекающих из вышесказанного. Чем больше разность температур между поверхностью пола и температурой в помещении, тем больше теплоотдача с поверхности пола. Таким образом, мощность системы «водяной теплый пол» напрямую зависит от разности этих температур.

Максимальная температура поверхности покрытия ограничена медицинскими нормами, характеристикой материала, из которого оно изготовлено, и т.п. Существуют аналогичные ограничения и температуры воздуха в помещении в зависимости от его назначения. Следовательно, требуется профессиональный теплотехнический расчет систем «водяной теплый пол», существуют границы возможности их применения.

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, работоспособность и надежность системы «водяной теплый пол».

Водяной «теплый пол» как инерционная система.

Инерционность системы «водяной теплый пол» включает в себя два аспекта: инерционность при запуске системы и выходе ее на расчетный отопительный режим и инерционность 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 воздуха помещения до расчетной температуры.

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 рассматриваемом случае – воздух
помещения. То же, с небольшими значениями коэффициента теплопроводности и теплообмена (краевая задача), в нашем случае – теплопотери через ограждающие конструкции.

Первый этап – разогрев (разгон) непосредственно самой отопительной панели – характеризуется малым изменением температуры в помещении при максимальном использовании мощности источника тепла.

Второй этап – прогрев помещения – характеризуется ростом температуры в помещении до расчетной.

Третий этап – установившийся режим отопления – характеризуется поддержанием температуры в расчетном диапазоне.

Инерционность систем отопления на основе «водяной теплый пол» играет важную роль в вопросах энергетической устойчивости и безопасности здания при длительных перерывах энерго- и теплоснабжения.

Отключение системы и последующее охлаждение можно рассчитать по методике прерывистых подач тепла. Такой расчет достаточно сложен, так как вначале происходит неупорядоченное изменение температур, которое затем сменяется регулярным ее понижением. Массивные ограждения в этот период начинают частично отдавать помещению свое тепло. Лучистое тепло в результате многократного отражения распределяется по всей поверхности помещения.

Задача теплоустойчивости помещения была решена А.М. Шкловером в режиме прерывистых теплопоступлений только лучистого или только конвективного тепла. Однако радиаторная система отопления является на 80–100 % конвективной, а «теплый пол» – на 49 % лучистой и на 61 % – конвективной. При линейном (не гармоническом и не по закону затухающих процессов) рассмотрении вопроса устойчивости система отопления на базе «водяной теплый пол» вдвое более устойчива, чем на базе конвективных систем (радиаторов, конвекторов, вентиляции).

Чистовое покрытие и напольное отопление.

Чистовое покрытие является важным участником процесса теплопередачи от греющей панели в окружающую среду, так как имеет свое термическое сопротивление, зависящее от типа и толщины материала.

Кроме того, во-первых, действующими санитарными и строительными нормами наложены ограничения на максимальную температуру поверхности пола; во-вторых, температура поверхности пола является расчетной величиной, зависящей от теплопотерь, нагрузки на систему отопления и типа (температуры) помещения. Окончательное решение о возможности применения того или иного чистового покрытия принимается проектировщиком на основании многих факторов в ходе проектирования напольной системы отопления.

Рассмотрим возможности применения «водяной теплый пол» и чистовых покрытий, не вникая в сложности физических и теплотехнических расчетов, а также решаемых задач.

Керамическая плитка (толщиной до 30 мм) является во всех отношениях идеальным материалом в сочетании с системами «водяной теплый пол», имеет хорошую теплопроводность, устойчивость к температурным колебаниям и механическим воздействиям, долговечность и т.п.

Линолеум (обычный или с различными видами утеплительной под-основы) редко применяется в современном строительстве. Тем не менее, по своим теплопроводным качествам также идеально сочетается с напольными системами отопления.

Ламинат широко применяется в современном загородном и коттеджном строительстве, идеально сочетаясь с напольными системами, особенно с легкими безбетонными (деревянными и полистирольными) системами «водяной теплый пол».

Паркет вызывает наибольшее количество вопросов у специалистов и потребителей (их интересует совместимость напольного отопления и паркета). Применение паркета допустимо с некоторыми ограничениями. Конструкции подобных систем «водяной теплый пол» и особенности их монтажа рассмотрены в отдельном разделе настоящего справочника.

Специализированное оборудование

Оборудование подразделяют на две группы:

• оборудование, замена которого существенно влияет на работоспособность системы «водяной теплый пол»;
• оборудование, которое не влияет на работоспособность системы.

Важнейшим оборудованием, как элементами системы «водяной теплый пол», являются трубы контуров «теплого пола», распределительные коллекторы и автоматика. Именно это оборудование относится к категории существенно влияющего на работоспособность системы «водяной теплый пол».

Труба контуров «теплого пола».

Если при проектировании использовать один диаметр трубы, а при монтаже другой, то меняется вся гидравлика системы. Для каждого диаметра трубы имеется ограничение в максимальной длине контура, обусловленное гидравлическим сопротивлением и тепловой нагрузкой данного контура.

Чем меньше диаметр, тем меньше максимальная длина контура (для одной и той же отопительной нагрузки). Чем больше отопительная нагрузка, тем меньше максимальная длина контура (для одного и того же диаметра труб).

В современном строительстве применяются полиэтиленовые, полипропиленовые, металлопластиковые или медные трубы. Так как контуры закладываются в пол на весь срок эксплуатации здания (объекта), то к качеству труб, из которых выполняются контуры, предъявляются очень высокие требования. Полиэтиленовые трубы устойчивы не только к
водным, но и к агрессивным средам. Поэтому нет никаких проблем при использовании в системах незамерзающих теплоносителей и их растворов.

Контур «теплого пола» желательно укладывать единой трубой без соединений и стыков. Каждый контур обслуживает, как правило, отдельное помещение. Однако если площадь помещения и/или отопительная нагрузка большая, то в помещении может быть и более одного контура. В ходе проектирования инженер-проектировщик принимает решение об оптимальном количестве контуров для данного помещения.

Контуры «теплого пола» могут укладываться различными способами. Основные из них – «змейка» и «ракушка» («улитка», «спираль»). При способе укладки «змейкой» из-за особенностей распределения температуры не допускается перепад более 5 °С между температурой на входе и на выходе греющего контура. В противном случае возникает так называемый «эффект температурно-полосатого пола», т.е. чувствуются зоны более теплые (в начале контура) и более холодные (на выходе из контура).

При таком перепаде температур система значительно проигрывает по мощности и комфортности по сравнению с укладкой «спиралью», поэтому, как правило, применяется в помещениях с малыми теплопотерями и на промышленных объектах. Вместе с тем есть и ряд преимуществ способа укладки «змейкой», главное из которых – простота проектирования и монтажа.

При укладке «ракушкой» каждая обратная труба лежит между двумя подающими, что способствует более равномерному распределению температуры по основной поверхности греющей панели. Перепад температуры (напор/обратка) может достигать 10 °С, а для систем с большой мощностью (в том числе для систем снеготаяния) – и до 25 °С. Это и является причиной широкого распространения данного типа укладки в странах с преобладающим холодным климатом, так как позволяет создавать системы с большей отопительной нагрузкой.

Трубы контуров «теплого пола» укладываются с определенным расстоянием. Это расстояние называется «шаг укладки». Шаг укладки (от 50 до 600 мм. чаще всего используют 12,5 - 20 см.) выбирается в зависимости от тепловой нагрузки, типа помещения и системы, длины контура и т.п. (см. раздел «Выбор шага укладки труб контуров «водяной теплый пол»»).

Распределительный коллектор.

В системе «водяной теплый пол» применяются специальные (спаренные) коллекторы. Один коллектор снабжен микрометрическими (подпружиненными) клапанами. Эти клапаны служат для ручного открытия-закрытия контуров «теплого пола», а также для установки приводов автоматики «теплого пола».

На другом коллекторе установлены балансировочные клапаны (нередко с индикаторами потока). Они необходимы для гидравлического выравнивания контуров между собой, так как практически невозможно сделать все контуры одинаковыми по длине и с одинаковой отопительной нагрузкой.

Кроме того, для реализации различных схем подключения, решения задач отопления для различных типов зданий и сооружений, оптимизации распределения и управления теплоносителем и т.д. компании производят различные типы оборудования, облегчающего монтаж, наладку и обслуживание.

Источник тепла.

Источник тепла для систем «водяной теплый пол» может быть любым и на любом виде топлива. Если система подключается к высокотемпературному источнику или применяется в комбинации с высокотемпературными системами, то для понижения температуры используются готовые смесительные узлы. Допускается сочетание источников тепла, оборудования и автоматики «водяной теплый пол» в зависимости от принятых схем, технических решений, основанных на техническом задании.

Существуют различные схемы подключения систем «водяной теплый пол» к источнику тепла, которые условно можно разделить на группы по принципу подключения к источнику тепла; по принципу контроля и управления температурными режимами.

Смесительные узлы.

Основная задача смесительных узлов – понижение температуры теплоносителя путем смешивания теплоносителя, вернувшегося из нагревательного
прибора и отдавшего тепло, с теплоносителем высокой температуры, пришедшего от источника тепла. Кроме того, большинство смесительных узлов имеет необходимые элементы (агрегаты, клапаны и т.п.) для реализации контроля и управления температурой в зависимости от поставленных задач.

По своему назначению смесительные узлы подразделяются на индивидуальные, индивидуально-групповые, магистральные, теплообменные. Индивидуальные (интегрированные в коллектор) предназначены для подключения одного потребителя (распределительного коллектора), индивидуально-групповые – одного потребителя повышенной мощности или группы из 2–3 потребителей небольшой мощности, магистральные – нескольких потребителей (групп потребителей), теплообменные – потребителя небольшой мощности по независимой закрытой схеме с пластинчатым теплообменником.

Магистральные коллекторы.

2'' – магистральный распределительный коллектор предназначен для параллельного подсоединения нескольких распределительных коллекторов отопления к одному источнику тепла. Его целесообразно применять при параллельном подсоединении более 3-х коллекторов, или если площадь, обслуживаемаяодним коллектором напольного отопления, превышает 120 м2. Для подключения используются трубы диаметром 25х2,3; 26x3,0 или 32x3,0 мм.

1'' – магистральный распределительный коллектор предназначен для параллельного подсоединения от 2 до 4 распределительных коллекторов отопления к одному источнику тепла. К магистральному распределительному коллектору 1'' рекомендуется подключать коллекторы, обслуживающие площадь не более 100–120 м2.

Автоматика.

В зависимости от выполняемых задач, места установки, способа контроля и управления возможно групповое, индивидуальное (зональное) и комплексное регулирования систем «водяной теплый пол».

Групповое регулирование – это управление объемом и/или температурой теплоносителя, т.е. главными качественными характеристиками отопительного процесса.

Регулирование непосредственно на источнике тепла целесообразно, как правило, при использовании низкотемпературных источников, имеющих встроенные элементы контроля и управления.

Регулирование на групповых смесительных узлах предпочтительно для управления параметрами теплоносителя для групп потребителей (нескольких зон, коллекторов).

Регулирование на индивидуальных смесительных узлах применяется для управления параметрами теплоносителя на смесительных узлах, присоединенных к конкретному коллектору «теплого пола».

Регулирование по принципу «констант», т.е. с постоянным поддержанием заданной температуры, реализуется, как правило, с помощью термостатической головки с накладным датчиком, установленной на двух- или трехходовой клапан смесительного узла. Регулирование по принципу «климат» заключается в поддержании температуры теплоносителя (подающего, обратного) в зависимости от выбранной программы. Реализуется с помощью контроллеров управления теплоснабжением.

Индивидуальное (зональное) регулирование подразделяют на покомнатное и зональное. На термостате задается температура. При ее достижении термостат выдает сигнал на

Индивидуальное покомнатное (по отдельным помещениям) регулирование применяют для автоматического поддержания заданной температуры воздуха в помещении. Температура в помещении является задаваемой и контролируемой величиной, а температура пола – зависимой (управляемой).

Индивидуальное зональное регулирование (с датчиком в пол) используют для автоматического поддержания заданной температуры пола, которая в этом случае является задаваемой и контролируемой величиной, а температура в помещении – зависимой.Комплексное регулирование – это сочетание групповой и индивидуальной автоматики в зависимости от технических схем, комбинации применяемого оборудования и поставленных задач.

Некоторые потребители, пренебрегая автоматикой (упрощая систему), осуществляют регулировку, закрывая и открывая контуры вручную, что со временем ведет к разбалансировке системы и необходимости снова обращаться к наладчикам. Как правило, автоматика одного производителя не стыкуется с коллекторами другого производителя.

В большинстве случаев групповое регулирование не способно полностью заменить собой индивидуальное. Термостаты индивидуального (покомнатного) регулирования могут самостоятельно решить задачи контроля и управления температурой, поэтому обязательно устанавливаются, контроллеры же с компенсацией температуры наружного воздуха являются дополнительной опцией. исполнительный механизм (сервомотор), который закрывает соответствующий контур «теплого пола». Если температура ниже установленной, то сервомотор открывает контур по соответствующему сигналу термостата.