Отопление и охлаждение помещений с помощью пола

(Немного не по теме ЦОД, но, на наш взгляд, тема интересная). Успешная разработка систем теплого/холодного пола требует понимания физической стороны функционирования подобных систем и умения применять мощные программные средства проектирования. Поведение теплоактивных плит не поддается простому анализу: сложный характер процессов лучистого отопления/охлаждения и температурное расслоение воздуха усложняет практические расчеты параметров работы систем. Каждый проект обладает уникальными геометрическими и тепловыми характеристиками, так что механизмы моделирования и анализа поведения системы играют очень важную роль на этапе проектирования. К счастью, существует множество инструментов для моделирования, которые позволяют убедиться в способности проектируемой системы поддерживать комфортную температуру, работать энергоэффективно и предотвращать образование конденсата.

Проектирование систем лучистого отопления/охлаждения

Разработка теплых/холодных полов отличается от разработки традиционных систем отопления, вентиляции и кондиционирования тем, что поведение системы нельзя описать с помощью простых арифметических действий. Необходимо учитывать двухмерное распределение тепла между используемой в трубах рабочей жидкостью, полом и облицовкой пола с последующим рассеиванием в окружающем пространстве, а также влияние коротковолнового солнечного излучения на температуру пола. Анализ системы должен также учитывать общие параметры рабочего пространства, в том числе, длинноволновый теплообмен между поверхностями в помещении, температурное расслоение воздуха и распределение солнечного излучения по активным и неактивными поверхностям помещения. Наконец, необходимо выполнить гигрометрический анализ окружающего пространства для обеспечения комфортного температурного режима и предотвращения выпадения конденсата.

Автор достигает поставленных целей за счет использования пяти различных инструментов; каждый из них предназначен для оценки определенной стороны производительности системы. Первым инструментом является простой калькулятор, встроенный в программный пакет EES (Engineering Equation Solver) и использующий стандартные алгоритмы теплообмена ASHRAE. Данный инструмент служит заменой сложной электронной таблицы, которая требовала выполнения множества итераций для определения рабочих характеристик системы: предельного коэффициента теплоотдачи, параметров теплообмена между полом и воздухом, параметров теплообмена между трубами и полом, а также скорости течения жидкости в трубах, что впоследствии позволяло рассчитать общую производительность.  Эти процедуры были разработаны еще до создания международных стандартов для данного типа вычислений, которые в настоящее время определены в документах ISO-DIS 11855 и EN 15377. EES определяет предельный коэффициент и вычисляет общую производительность с помощью удобного в использовании пользовательского интерфейса. Система позволяет исследовать различные значения проводимости облицовки пола, толщины верхних половых плит, длины водяного контура и его центровки, а также скорости течения и температуры воды в трубах для различных комбинаций комнатной температуры и поглощенного полом солнечного излучения. На основании этих данных система вычисляет температуру воды на выходе из пола, производительность теплого/холодного пола на единицу площади и температуру поверхности пола (рис. 1).

Рис. 1. Инструмент для анализа системы лучистого отопления/охлаждения.

Второй инструмент позволяет вычислить характер солнечного освещения поверхностей здания в различные времена года, в том числе, затенение здания и оптические характеристики остекления (рис. 2). Данный инструмент рассчитывает параметры поглощенного солнечного излучения, используемые в качестве входных данных для встроенного в EES механизма моделирования пола. Параметры поглощенного излучения и количество солнечного тепла, поглощенного стеклом и рассеянного в атмосферу, используются инструментом вычислительной гидродинамики (CFD).

Рис. 2. Модель солнечного освещения лобби штаб-квартиры кооператива CFC 4 июля в 14:00.

Инструмент вычислительной гидродинамики производит оценку характера теплообмена в помещении, включая следующие параметры: длинноволновый теплообмен между поверхностями помещения, конвективный теплообмен, подъемную силу воздуха в помещении, кумулятивный эффект, оказываемый солнечным излучением на активные и неактивные поверхности в помещении, а также влияние используемого в системе вентиляции воздуха на пространственное распределение температуры (рис. 3). Поглощение солнечного тепла рассчитывается как для излучающих, так и для конвективных компонентов для более точного описания образующихся за счет конвекции воздушных слоев.

Рис. 3. Распределение температуры в лобби штаб-квартиры кооператива CFC. Анализ выполнен с помощью вычислительной гидродинамики.

Четвертый инструмент выполняет оценку гигрометрического баланса в окружающем пространстве. Данную оценку можно получить с помощью программы CFD путем перечисления всех источников влажности и указания характеристик влажности вентиляционного воздуха и воздуха, поступающего с улицы. Другим способом является вычисление баланса масс поглощаемой влажности, воздушного потока и поступающего с улицы воздуха для расчета объемной влажности в пространстве. Последний подход может быть применен для разных проектов, поскольку стратегия по предотвращению выпадения конденсата в каждом случае является уникальной.

Пятым инструментом служит стандартная платформа для моделирования энергопотребления в здании. Для выполнения симуляции используется упрощенная версия излучающей плиты теплого/холодного пола, в программе учитывается мощность насоса и производительность системы отопления/ охлаждения. В зависимости от используемой платформы, для получения параметров изменения производительности системы в ответ на поглощение солнечного тепла может потребоваться применение хитрых обходных путей. Основной целью использования инструмента является оценка экономии электроэнергии за счет снижения затрат на перемещение воздуха и кондиционирование.

В результате выполнения процесса проектирования будет получена конфигурация пола с разбиением на зоны в соответствии с характером солнечного освещения. Расположение водяного контура будет соответствовать максимальной нагрузке на систему отопления/ охлаждения, используемый для вентиляции воздух будет иметь уровень влажности, необходимый для нейтрализации конденсата. Для работы с дополнительной нагрузкой (превышающей производительность теплого/холодного пола) будут использованы добавочные источники отопления/ охлаждения. Помимо анализа работы при пиковой нагрузке необходимо также проверить работу при среднем уровне нагрузки. Здесь необходимо проанализировать высокую влажность, низкий уровень удельной теплоты воздуха, высокий уровень солнечного излучения, низкую температуру уличного воздуха, а также работу при максимальном и минимальном числе людей в помещении. И, хотя, данные испытания, скорее всего, не окажут влияния на физическую конфигурацию системы лучистого охлаждения, они могут быть полезными для разработки системы контроля, позволяющей обеспечить комфортный температурный режим и предотвращение образования конденсата.

Последней важной частью процесса проектирования служит учет тепловых характеристик различных элементов пространства. Здесь важно принять во внимание тепловое сопротивление облицовки пола. Материалы с высоким уровнем теплового сопротивления вызовут рост разницы температур между водой в контуре и поверхностью пола. Идеальными материалами являются неглазурованные плиты, керамические плиты и терраццо. Допустимо также использование плотных древесных материалов, таких, как бамбуковая фанера, линолеум и полимерные покрытия. На фото 1 можно увидеть пример использования бамбуковой фанеры в качестве облицовки пола в здании William Jefferson Clinton Presidential Center.  В данном здании установлено более чем 4600м² систем теплого/холодного пола.

Фото 1. Библиотека William Jefferson Clinton Presidential Center. Облицовка пола бамбуковой фанерой поверх системы теплого/холодного пола.

Толстые пористые материалы, такие, как пробка или ковровое покрытие, являются нежелательными. Впрочем, автор выполнил ряд проектов, где использовалось плотное ковровое покрытие. При использовании подобной схемы обе стороны излучающей плиты пола служат активными поверхностями, так что тепловое сопротивление облицовки пола оказывает меньшее влияние на общий процесс теплообмена. Тепловое сопротивление верхних половых плит также должно учитываться с целью максимизации теплообмена внутри пола. Верхние плиты должны быть сделаны из бетона с минимальной плотностью 1925кг/м³. Легкий бетон обладает более высоким тепловым сопротивлением по причине высокой пористости. В ходе проектирования необходимо разработать путь с наименьшим сопротивлением для обеспечения теплообмена между водой в трубах и окружающим пространством. Характеристики пола, а также показатели производительности покрытий с высокой и низкой теплопроводностью приведены в таблице 1.

Таблица 1. Производительность системы в зависимости от материала облицовки.

Схема работы системы лучистого отопления/охлаждения

Система теплого/холодного пола представляет собой замкнутый контур, подключенный через теплообменники к источникам тепла/холода и реализующий теплообмен с окружающим пространством с помощью труб, вмонтированных в половые плиты. Изоляция контура позволяет избежать попадания грязи и мусора из главных контуров системы отопления/охлаждения здания в трубы малого диаметра, которые размещаются под полом и используются на протяжении всего срока функционирования здания. На рис. 4 приведена типичная схема работы теплого/холодного пола.

Рис. 4. Схема работы системы лучистого отопления/охлаждения.

Для проектирования многозонной плиты теплого/холодного пола автор, чаще всего, использует схему с постоянной температурой (для режимов отопления и охлаждения) и переменным потоком воды. В зависимости от уровня наклона пола и от механизма использования пространства, регулирующие вентили будут располагаться либо на каждом контуре, либо на каждой распределительной трубе. Если каждый контур использует собственный вентиль, типичная схема предполагает использование  двухпозиционного вентиля с плавным регулированием. В случае больших пространств с менее детальным разбиением на зоны и переменной посещаемостью, двухпозиционный вентиль с плавным регулированием устанавливается на распределительную трубу, которая может обслуживать до 10 контуров. Зонный контроль производительности оказывается важен в режиме охлаждения для изменения параметров пола в ответ на перемещение солнечных лучей. Область пола, находящаяся под прямым солнцем, будет требовать серьезного охлаждения, в то время, как находящаяся в тени область  потребует сравнительно небольшого потока охлаждающей жидкости для поддержания температуры пола на уровне 20°С. Циркуляционный насос в такой системе оснащается приводом с переменной скоростью вращения и байпассом для регулирования уровня давления, что позволяет работать при пониженной нагрузке. В водяном контуре может использоваться два отдельных теплообменника для отопления и охлаждения, или единственный теплообменник на четыре трубки.  Контроль над температурой поступающей жидкости во вторичном контуре теплообменника достигается за счет использования в первичном контуре двухстороннего вентиля, контролируемого температурным датчиком, расположенным на выходе вторичного контура теплообменника.

Практически во всех проектах автор использовал полиэтиленовые трубы высокой плотности с поперечной связью диаметром 15,88 мм. Данные трубы, как правило, поставляются в катушках по 91,4 м (300футов). Максимальная скорость потока жидкости в контуре из таких труб составляет от 0,12 до 0,16 л/с.  Увеличение длины контура до 182,8м (600футов) приводит к снижению производительности на 8-10% в условиях высокой солнечной освещенности.  Это может быть приемлемо для крупных систем теплого/холодного пола без разбиения на зоны. Меньшая длина контура является более подходящей для систем со сложной конфигурацией. Распределительные трубы должны быть расположены как можно ближе к обслуживаемой области. В случае использования контуров длиной 91,6 м, область пола, находящаяся в пределах 22,9 м от распределительной трубы, позволит наиболее эффективно применять контур охлаждения. Выбор места для установки распределительных труб на ранней стадии проектирования позволяет упростить их последующее размещение. Для установки распределительной трубы на 10 контуров в стене необходимо сделать нишу глубиной примерно 127 мм, высотой 510 мм и шириной 1,02 м. Конфигурация зоны с расположенным в центре температурным датчиком должна учитывать прилегающие объекты и характер солнечного освещения в течение дня.

Выбор циркуляционных насосов для контура необходимо осуществлять исходя из максимальной скорости течения жидкости для систем отопления и охлаждения. Поддержание максимальной температуры пола на уровне 26,7°С в режиме отопления может быть достигнуто при скорости течения воды 0,05 л/с, если вода имеет температуру  32,2°С. Впрочем, при использовании указанных выше значений требования к температурному режиму в различных зонах, вероятно, не будут существенно отличаться. В режиме максимального охлаждения требования различных зон, скорее всего, будут значительно отличаться: для охлаждения находящихся на солнце участков требуется максимальная скорость течения жидкости, в то время, как для участков в тени будет достаточно 0,02 л/с для поддержания температуры пола на уровне 20°С. В зависимости от ориентации остекленных поверхностей и толщины пола, разница в охлаждении различных зон может быть в пределах 50%. Предпочтительным методом определения требуемой мощности циркуляционных насосов является следующая последовательность действий: сначала необходимо изучить характер распределения солнечного освещения в различные дни с целью определения максимальной площади освещаемой солнцем поверхности пола в течение года. Далее, нужно вычислить разницу в уровне охлаждения отдельных зон при максимальной скорости течения жидкости и сравнить полученный результат с режимом отопления, равномерным по всем зонам при максимальной скорости течения жидкости.

Нейтрализация конденсата

Для исключения возможности появления конденсата необходимо составить грамотный проект системы и грамотные процедуры контроля ее функционирования. Правильно спроектированная система исключает возникновение конденсата даже в климатических зонах с высоким уровнем влажности. Методы нейтрализации конденсата должны учитывать режим использования проектируемой системы и ее микроклимат, а также условия пиковой влажности. К примеру, во время шторма может произойти затопление нагретой солнцем парковки, расположенной рядом со зданием, что приведет к повышению температуры конденсации внутри здания до 26,7°С. Данный показатель превышает рекомендованные ASHRAE параметры. Еще одним возможным сценарием является нахождение в здании большого числа людей в промокшей одежде. Для учета негативных последствий подобных ситуаций необходимо применять строгие меры безопасности. Ниже приведен ряд стратегий, позволяющих предотвратить выпадение конденсата.

Наиболее важным методом предотвращения выпадения конденсата на поверхности пола или внутри пола служит подача в контур охлажденной воды с температурой, превышающей температуру конденсации окружающего воздуха. Автор, как правило, использует в разрабатываемых им проектах воду с температурой 16,1°С. Температура конденсации (на уровне моря) для окружающего воздуха с температурой 23,9°С при относительной влажности 50% составляет 12,8°С. Разница температур в 3,3°С между водой в контуре и температурой конденсации позволяет менять микроклимат в помещении в широких пределах без возникновения конденсата.  Использование охлажденной воды со столь высокой температурой негативно сказывается на производительности системы охлаждения, однако, гораздо важнее предотвратить выпадение конденсата. В таблице 2 приведено сравнение производительности систем при температуре охлажденной воды на уровне 16,1°С и 14,4°С.

Таблица 2. Сравнение производительности системы при различных входных температурах воды в контуре.

Еще одним важным фактором для предотвращения выпадения конденсата служит низкая водопроницаемость обшивки здания. Высокий уровень проникновения влаги через обшивку может привести к возникновению внутри помещений здания локального микроклимата с высокой температурой конденсации, что в свою очередь вызовет выпадение конденсата, не смотря на наличие в помещении датчиков уровня влажности. Проникновение влаги также приведет к росту пассивной нагрузки на систему отопления/охлаждения и к повышению температуры конденсации окружающего воздуха, что вызовет сокращение диапазона безопасного изменения температурных параметров. Высокий уровень влажности в здании всегда относится к негативным факторам, но для систем теплого пола он представляет еще большую опасность.

Эффективной стратегией для борьбы с проникновением в здание воздуха с высоким уровнем влажности служит заполнение холодным сухим воздухом пространства непосредственно возле входа в здание. Установка на входе воздушных диффузоров приводит к тому, что холодный воздух опускается до уровня пола. Поступающий с улицы горячий, влажный воздух будет находиться над подушкой из холодного воздуха, что позволит предотвратить выпадение конденсата. Дополнительным механизмом для предотвращения выпадения конденсата является отсутствие труб отопления/охлаждения в области пола, прилегающей к входным проемам. Это позволяет влажному воздуху смешиваться с воздухом в помещении еще до того, как он войдет в контакт с холодным полом. В регионах с континентальным климатом, где наблюдается высокая нагрузка на систему отопления и осушения воздуха, трубы могут использоваться непосредственно возле входных проемов. Однако, систему контроля следует настроить на закрытие всех контрольных вентилей в прилегающей к входам области, когда пол работает в режиме охлаждения.

Система вентиляции/осушения воздуха должна быть спроектирована с учетом нейтрализации конденсата. Температура конденсации оборудования системы должна быть существенно ниже входной температуры охлажденной воды в контуре холодного пола. В помещениях с высокой плотностью размещения людей разница температур может достигать 5,6°С. Система доставки воздуха должна обеспечивать равномерное распределение воздуха по всей области кондиционирования. Несмотря на то, что равномерность распределения в данном случае является менее критичной в сравнении с системами полностью воздушного кондиционирования, предотвращения возникновения областей повышенной влажности является важным фактором для предотвращения выпадения конденсата. В случае систем с высокой пассивной нагрузкой или зданий с постоянно открытыми входными проемами, моделирование потоков сухого воздуха и водяного пара позволит оценить риск выпадения конденсата.

Для многих помещений, в которых можно эффективно реализовать систему теплого/холодного пола, водное оборудование является рекомендуемым для установки элементом. Водное оборудование, особенно распылители, может использоваться в качестве испарительных увлажнителей для окружающего воздуха, повышающих разницу между уровнем влажности поступающего в систему воздуха и условиями окружающей среды в помещении, что негативно сказывается на работе системы. Однако, водное оборудование может превратиться из отрицательного в положительный фактор за счет использования охлажденной воды в случае, когда система работает в режиме охлаждения. Снижение рабочей температуры воды на несколько градусов в сравнении с входной температурой охлажденной воды в трубах холодного пола значительно снижает уровень испарения со стороны водяного оборудования и позволяет снизить уровень влажности в помещении. Если температура конденсации окружающего воздуха поднимается выше температуры конденсации воды в водяном оборудовании, оборудование автоматически обеспечивает снижение уровня влажности в помещении. В штаб-квартире Hearth Corporations система охлаждения в виде холодного пола дополняется водным оборудованием под названием «Водопад», установленным рядом с эскалаторами на уровне нижнего входа в здание (Фото 2).

Фото 2. Лобби штаб-квартиры Hearth, где установлены теплые/холодные полы (в центре снизу) и водное оборудование с охлажденной водой (левый нижний угол).

Для предотвращения выпадения конденсата используются сравнительно простые контрольные процедуры. Вентиляционные системы, регулирующие уровень вентиляции в зависимости от текущих рабочих условий, повышают уровень воздушного потока в ответ на увеличение числа людей в помещении, что вызывает рост производительности системы осушения воздуха в связи с повышением пассивной нагрузки. В качестве дополнительной меры, выходная температура воздуха в системе вентиляции/осушения может быть снижена в ответ на повышение температуры конденсации окружающего воздуха. В качестве меры предосторожности необходимо реализовать механизм аварийного отключения циркуляционного насоса теплого/холодного пола в ответ на превышение допустимого предела температуры конденсации окружающего воздуха. Допустимый предел должен определяться с учетом возможной неравномерности распределения пассивной нагрузки в помещении. Помещения с высокой местной пассивной нагрузкой, к примеру, области расположения очередей, должны обладать более высоким допустимым пределом.

Важной функцией системы контроля является отслеживание и контроль роста уровня влажности в периоды отсутствия людей в здании. Проникновение влаги в помещение в данные периоды времени может привести к росту температуры конденсации воздуха внутри здания, которая существенно превысит входную температуру охлажденной воды в системе. Наличие жидкости на облицовке пола может привести к возникновению равновесия давления пара и влажного воздуха в периоды отсутствия людей в помещении. Активация теплого/холодного пола может привести к появлению конденсата. Наличие жидкой воды в помещении может вызывать рост плесени и грибка. Для устранения данной проблемы, система контроля над температурой конденсации воздуха должна активировать систему кондиционирования в режиме осушения в случае, если температура конденсации окружающего воздуха приближается к входной температуре охлажденной воды в системе. Если во время отсутствия людей в помещении отмечается высокая температура конденсации, для подготовки окружающего воздуха перед запуском холодного пола необходимо выполнить процесс утреннего осушения воздуха.

Заключение

Проектирование системы лучистого отопления и охлаждения требует применения мощных программных средств для моделирования и оптимизации сложного процесса функционирования этой относительно простой системы. В ходе проектирования необходимо оценить влияние различных переменных и конфигурацию рабочего пространства. Контролируемые проектировщиком переменные включают в себя центровку труб, скорость течения рабочей жидкости, теплопроводность поверхности пола и схему прокладки труб. Вклад этих переменных может быть вычислен для достижения максимальной производительности системы. Однако, влияние окружающего пространства на производительность системы может быть рассчитано только на уровне общей модели вычислительной гидродинамики рабочего пространства.

Критически важным условием для успешной работы систем лучистого охлаждения является предотвращение выпадения конденсата. Эта цель может быть достигнута за счет соблюдения факторов безопасности в ходе определения контрольных температур, использования процедур контроля для отключения системы в случае возможного образования конденсата, а также конфигурирования схемы пола для изоляции охлаждающих поверхностей от источников влажности.