VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Технология теплых полов в последнее время существенно модернизировалась. Теплый пол теперь обеспечивает максимальный комфорт в помещении, поскольку современная технология позволяет значительно уменьшить конвективные процессы, объемы перемещаемых загрязняющих веществ и масштаб теплового воздействия в отношении человека, а также – что не менее важно – сократить габариты такой системы отопления и улучшить параметры относительной влажности в помещении [1,2].

Главное преимущество теплого пола, что она создает благоприятный температурный режим в помещении, который максимально близок к оптимальному режиму для комфортного ощущения человека. На (рис. 1 а, б, в) видно, на сколько температурный режим теплого пола близок к оптимальному для человека режиму [2,3,4,5].

Второе преимущество теплого пола в том, что он хорошо подходит для аллергиков. Если посмотреть на распределение температуры в помещении при обычном радиаторном отоплении, то видно, что в комнате существует большой разброс температур (рис. 2а): жар от радиатора, холод от пола, окон и наружных стен. Такая разница температур создает в воздухе неравномерные тепловые потоки, отсюда – ощущение сквозняка, «дутья» от окон, летающая пыль (отсюда – пыль на шкафах). С системой теплого пола (рис. 2б) такого разброса температур нет, а теплый воздух, поднимающийся от пола, постепенно остывает. По этой причине пыль «не любит» теплые полы.

а – наилучший температурный режим для человека	б – распределение температуры в помещении при обычной системе отопления	в – распределение температуры в помещении с системой отопления «Теплый пол» Рис. 1 Температурный режим для человек

Рис. 1 - Температурный режим для человека

Третье преимущество - это возможность установить теплый пол в любое помещение, куда затруднительна установка обычных обогревательных приборов. Теплый пол можно монтировать в пол в сырых помещениях (ванная комната), также можно производить монтаж не только в пол, но и в стену.

а – температура воздуха в помещении, отапливаемого радиатором	б – температура воздуха в помещении, отапливаемого напольными панелями

Рис. 2 - Распределение температур в помещении

Четвертое преимущество – эстетическая составляющая. Мы привыкли к радиаторам и трубам отопления в каждой комнате, очень трудно представить себе помещение без этих «элементов интерьера». Если теплый пол выбран как основная система отопления, то не придется ломать голову над тем, как бы лучше замаскировать радиатор и трубы.

Пятое преимущество – экономия. При эксплуатации теплых полов экономия на энергозатраты составляет – 10-45 %. И здесь вырисовывается интересная закономерность – чем выше потолки в помещении, тем экономия будет выше. Ведь обогревать нужно только тот объем воздуха, где находиться человек, и с этой задачей теплые полы справляются на «отлично».

Первым появился теплый пол с теплоносителем вода (речь идет о современных полах, а самые первые появились еще до нашей эры), затем уже – электрические полы.

По виду теплоносителя теплые полы бывают водяные и электрические. Электрические теплые полы, в свою очередь, по исполнению делятся на кабельные, пленочные и стержневые. По принципу обогрева электрические полы бывают конвекционные и инфракрасные. Водяные теплые полы по принципу обогрева всегда конвекционные.

Самым распространенным типом теплого пола является водяной «мокрый» пол

бетонный (рис. 3 а, б). Несмотря на все сложности, связанные с устройством бетонной стяжки, такой пол может использоваться как самостоятельная система отопления.

Трубы диаметром 12-20 мм в такой системе укладываются на специально подготовленное основание и заливаются бетоном. После чего устанавливается напольное покрытие. Половое покрытие также влияет на эффективность передачи тепла. Так, керамическая плитка и керамогранит очень хорошо проводят тепло, и пол с таким покрытием будет самым теплым [3,4].

а - строение водяного теплого пола, смонтированного мокрым способом	б - укладка контура отопления на специальные теплоизоляционные плиты

Рис. 3 - Водяной «мокрый» пол

Иногда применение бетонного пола невозможно. Например, если перекрытие деревянное – то оно не выдержит нагрузки от бетонной стяжки. В этом случае водяной теплый пол устраивают «по-сухому». Пол, смонтированный таким образом, является менее эффективным по теплоотдаче, и в нашем холодном регионе не может использоваться как самостоятельная система отопления.

Его преимущество – простота монтажа (нет бетонной стяжки) и возможность использования для любых типов зданий и несущих конструкций. Еще такую систему теплых полов называют «настильной». В зависимости от исполнения она может быть двух видов – «полистирольной» и «деревянной». Отличие этих типов укладки – в материале основания, на которое будут укладываться алюминиевые пластины и трубы.

В настильных системах для равномерного распределения тепла применяют алюминиевые пластины, в которые укладываются трубы. Паркет, ламинированное половое покрытие укладываются сразу на эти алюминиевые пластины, между ними лишь делается водопоглощающая прокладка из полиэтилена или картона. Если пол будет из линолеума или керамической плитки, то на алюминиевые пластины укладывают слой ГВЛ. Причем в «деревянной» системе достаточно одного слоя ГВЛ, а в «полистирольной» надо положить два слоя (общая толщина ГВЛ 20 мм). Монтаж водяного пола, уложенного «сухим» способом – удовольствие не из дешевых. Это связано с высокой стоимостью алюминиевых пластин и с необходимостью профессионального монтажа, т.к. для укладки полового покрытия на пластины требуются определенные навыки.

а - строение теплого водяного пола, уложенного «сухим» способом	б - трубы отопления плотно прилегают к алюминиевым пластина

Рис.4 - Водяной «сухой» пол

Устройство тёплого водяного пола начинается с монтажа коллекторного шкафа (рис.5), который обычно располагается в центре комнаты на стене, непосредственно у поверхности пола, это и будет началом тёплого пола конкретного помещения [2,3,4,5].

Рис. 5 - Монтаж коллекторного шкафа

Коллекторный шкаф необходим для соединения нагревательных труб и остального теплоснабжения дома, в нём же устанавливаются некоторые элементы регулировки системы подогрева пола.

После монтажа коллекторного шкафа, к нему подводят две трубы, одна подающая, которая поставляет горячую воду от котла, а другая возвратная, которая собирает холодную воду, прошедшую по всей системе труб тёплого пола и направляет её обратно к нагревательному котлу. Электрический насос обеспечивает циркуляцию воды от котла через коллектор в систему труб в полу и обратно.

После того, как в коллекторном шкафу устанавливаются подающая и возвратная трубы, на каждую из них необходимо установить запорный вентиль. Соединение металлического вентиля и пластиковой трубы происходит при помощи компрессионного фитинга. Установка вентиля необходима для того, чтобы при отключении комнаты с тёплым полом из общей системы отопления остальное помещение, входящее в состав того же отопления, не пострадало. Отключение тёплого пола может быть достаточно частой процедурой, например, для экономии, или для перекрытия излишнего тепла, или для проведения ремонтных работ. После монтажа коллекторного шкафа, возвратной и подающей трубы, вентиля, приходит очередь установки самого коллектора.

Коллектор – это отрезок трубы с несколькими ответвлениями по бокам. Вход коллектора необходимо подключить к вентилю, а к боковым выходам коллектора позже будут подключаться металлопластиковые контура теплого пола. Ответвления коллектора тоже требуют вмешательства, но лучше всего установить разветвитель. С одной стороны у разветвителя будет находиться автоматический воздухоотводчик, который будет избавлять систему водяного отопления полов от попавшего воздуха, а с другой кран для слива воды, который пригодиться в случае непредвиденного ремонта.

Выравнивание пола. Для устройства тёплого водяного пола не нужно идеально ровной поверхности, но, если ваша комната отличается значительным уклоном в несколько сантиметров, то придётся достичь единого уровня. Если такой пол не выровнять, то бетонная стяжка, которой будут заливаться трубы, получиться не одинаковой толщины, из-за чего готовый пол будет нагреваться неравномерно. [3,5,6,7,8].

Гидроизоляция пола. После выравнивания пола, на него необходимо разложить гидроизоляционную пленку. Это необходимо для того, чтобы тёплые полы в процессе эксплуатации не смогли впитывать влагу с расположенных ниже помещений, особенно гидроизоляция необходима, если ваша квартира находится непосредственно над подвальным помещением, которое отличается повышенной влажностью.

Следующий этап в устройстве тёплого водяного пола - это теплоизоляция (рис. 6). Это очень важный момент в устройстве тёплого пола, так как от 15 до 20% тепловой энергии теряется через пол, получается, что мы можем за свой счёт отапливать или соседей снизу или подвал. Поэтому не стоит экономить на материалах для теплоизоляции, используя качественный теплоизолятор. Если внизу вашей квартиры находиться отапливаемое помещение, то слой теплоизоляционного слоя может составлять всего пару сантиметров, а, если, внизу находится не отапливаемое холодное помещение, то слой теплоизоляционного материала нужно будет сделать от 20 до 25 сантиметров [9,10,11,14].

Рис. 6 - Теплоизоляция пола

В качестве теплоизолирующего материала при устройстве тёплого пола можно использовать минеральную вату, техническую пробку, экструдированный пенополистирол, стекловату, пенобетон и другие. Сейчас начали выпускать специальный теплоизолятор, предназначенный для устройства тёплых водяных полов. Преимущество специального материала в том, что на одной из его сторон расположены выемки, куда и укладываются нагревательные трубы.

При выборе теплоизолирующего материала стоит помнить и о том, что разные материалы по-разному реагируют на влагу. Накапливание влаги в теплоизолирующих материалах отрицательно влияет на его свойства, и тем самым увеличивает коэффициент теплопроводности. Если монтировать тёплый пол в помещении с повышенной влажности, то вместо минеральной ваты эффективнее будет использовать пенополистирол, хотя минеральная вата отлично поглощает звук.

До того, как производство начало выпускать металлополимерные и полимерные трубы (рис. 7), в устройстве тёплых водяных полов использовали отрезки стальной трубы для проведения газопровода и водопровода. Эти отрезки соединяли между собой при помощи газосварки и изгибали в змеевик при помощи трубогиба. После чего, готовые трубы укладывались на пол и заливались цементным раствором. Эта конструкция не отличалась хорошей прочностью и долгим сроком службы.

Рис. 7 - Монтаж труб

Достоинства металлополимерных и полимерных труб:

- не подвергаются воздействию коррозии;

- внутренний слой труб устойчив к истиранию;

- не накапливают отложения;

- на протяжении всего срока службы диаметр труб не изменяется.

Материал, из которого изготовлены трубы, полностью не пропускает кислород, что защищает не только сами трубы, но и отопительный котёл.

Трубы начинают укладывать после того, как заканчиваются работы по монтажу теплоизоляционного слоя. Но, перед тем как можно будет переходить к укладке труб, необходимо определиться, как именно их укладывать и как закрепить. Закрепить трубу можно несколькими способами, например, на теплоизоляционный слой положить арматурную сетку, к которой и будет прикреплена труба при помощи обычной проволоки. В этом случае арматурная сетка будет выполнять не только роль разметки для укладки труб, но и армирующим элементом для последующей стяжки пола. Трубу на теплоизоляционном слое необходимо закреплять с интервалом примерно в 1 метр.

Компенсировать потерю тепла в системе водяного тёплого пола можно и при помощи одного из способов укладки труб.

Параллельный способ. Используя параллельный способ (рис. 8), трубы укладываются в виде змейки, друг за другом. При укладке труб этим способом стоит учитывать, что максимальная температура воды будет в начале трубы, поэтому её лучше всего разместить около стен или окон выходящих на улицу [9,10,11,12,13].

Рис. 8 - Параллельный способ укладки труб

Параллельный способ укладки труб отличается неравномерным распределением тепла, поэтому в ситуациях, когда это особенно важно, трубы укладывают в виде двойной змейки или спиралью. Зоны около стен и окон называют пограничными, в этих местах шаг трубы необходимо уменьшить, это позволит компенсировать потери тепла. Шаг укладки трубы рассчитывается индивидуально для каждого помещения, но, он, в любом случае, не должен быть больше 30 сантиметров. В тех местах, где шаг укладки будет больше 30 сантиметров, пол будет холодным, а где меньше, пол будет горячим. Чтобы в результате устройства тёплого пола не получилась температурная зебра и необходимо соблюдать равномерный шаг укладки труб. И, чтобы перепады температуры пола не воспринимались человеком, максимальный разброс температуры пола на длину стопы не должен превышать четырёх градусов.

Как правило, параллельный способ укладки труб для тёплого пола используют в небольших и средних помещениях, для больших помещений лучше использовать спиральный способ укладки трубы.

Спиральный способ. При укладке трубы спиральным способом, начало и конец находятся рядом друг с другом, поэтому остывание одного, компенсируется нагревом другого. Этот способ укладки трубы используют обычно в помещениях большой площадью или в зданиях с повышенным потреблением тепла.

Рис. 9 - Спиральный способ укладки труб

Стандартный шаг укладки труб, при использовании спирального способа, может быть нескольких вариантов: 10,15,20,25,30 и 35 сантиметров. Здесь, как и при параллельном способе укладки трубы необходимо конкретно для каждого помещения рассчитывать шаг укладки, но, как правило, трубы укладывают каждые 30 сантиметров.

В электрическом теплом поле теплоносителем являются электрические провода, по которым течет ток. Но провода совсем другие, нежели в обычной электропроводке. Обычные провода должны хорошо проводить ток, и делаются из материалов, обладающих низким сопротивлением – меди, алюминия. В теплом поле ставиться совсем другая задача – преобразование электрической энергии в тепловую. Поэтому здесь проводники должны обладать высоким сопротивлением. Кроме перечисленных в начале статьи достоинств, электрический теплый пол обладает некоторыми преимуществами перед водяным теплым полом – простота монтажа, дешевая стоимость и простота терморегулирования, возможность установить в любом помещении. Существует несколько разновидностей теплого электрического пола.

Кабельные. Кабельный пол (рис. 10 а) является классикой напольного обогрева. Раньше кабель выпускался одножильным, теперь обычно исполнение двужильное. Иногда кабель армируется стекловолокном. Преимущество кабельного пола перед другими видами электрических полов – это то, что его можно укладывать с различным расстоянием между кабелями, в зависимости от необходимости более или менее интенсивного нагрева [3,4,11,12,13].

Монтируется кабель в цементную стяжку толщиной 3-7 см. Так как толщина нагревательного кабеля 2,8-7,5 мм, то для монтажа в плиточный клей он не подходит. Для тонкого слоя плиточного клея предусмотрен другой - пленочный пол. Так же возможен монтаж кабеля «по-сухому». В этом случае кабель укладывается на слой теплоизоляции (чтобы тепло не «уходило» вниз).

По принципу обогрева кабельный пол может быть только конвекционным, т.е. отдает тепло через свою поверхность (так же как и обычные радиаторы).

Рассмотрим несколько решений для разных видов полов:

- греющий кабель и теплоизоляционные плиты в комплекте, для монтажа «по-сухому». Плиты изготавливаются из пенополистирола, имеют пазы для кабеля и алюминиевое покрытие – для равномерного распределение тепла. Такую систему модно использовать с ламинатом и деревянным покрытием;

- обычный греющий кабель – предназначается для монтажа в цементную стяжку, можно монтировать «по-сухому», предварительно уложив слой теплоизоляции.

- «умный» кабель. Самый дорогой из кабельных видов обогрева. Такой кабель сам определяет, где надо прибавить мощность, где убавить, а где вовсе не греть. Например, возле окна, где пол охлаждается быстрее, кабель интенсивнее выделяет тепло. Там же, возле окна, если пол нагревается солнцем, кабель может вовсе перестать греть (и это только на данном участке). То же самое с участком под ковром. Кстати, похожими свойствами обладает определенный вид пленочного пола (о чем будет написано далее). С такими полами можно не бояться переставлять мебель.

Пленочные. Второе название таких полов – греющие маты. Предназначаются для «сухого» и «мокрого» монтажа. Бывают двух видов: с конвекционным и инфракрасным обогревом. В принципе, это совсем два разных вида теплых полов, единственное их сходство – они поставляются в рулонах.

Первый тип - это те же самые кабельные полы, только кабель у них тоньше и уложен в сетчатый материал. По принципу обогрева является конвекционным (рис. 10 б).

Преимущество такого пола – его можно монтировать сразу в плиточный клей, без устройства стяжки. Такие полы по принципу обогрева являются конвекционными. Применяются с такими половыми покрытиями, как керамическая плитка, натуральный камень, керамогранит. Нежелательно использовать под ламинат, дерево, линолеум. Для монтажа «по-сухому» подходит второй тип пленочного пола.

Второй тип - это пленочные полы, в которых нагревательным элементом являются черные графитовые полосы, на которые по медно-серебряным проводникам подается напряжение 220 В. Черные графитовые полосы запаяны в прозрачную полиэстеровую пленку (рис. 10 в). Такие полы нельзя укладывать в плиточный клей, т.к. пленка «боится» агрессивной щелочной среды цемента. Применяются при таких половых покрытиях как ламинат, линолеум, ковролин, паркетная доска. По принципу обогрева - инфракрасные (как и стержневые).

а - Кабельный пол	б - полы с конвекционным обогревом	в - полы с черными графитовыми полосами

Рис.10 Разновидности электрических полов

Стержневые. Принцип обогрева - инфракрасный. Представлен отдельными стержневыми углеродными элементами. Предназначается для монтажа в плиточный клей и стяжку. При использовании линолеума, ковролина, ламината монтируется в стяжку. Преимущество стержневого пола – повреждение отдельного стержня не влияет на работу по обогреву всего пола.

Конвекционные теплые полы. Первые теплые электрические полы являлись конвекционными. Главное отличие такого пола от инфракрасного это то, что теплоносителем является провод из металлических сплавов (с высоким электрическим сопротивлением). Принцип действия его прост – передача тепла через поверхность теплоносителя в окружающий материал. Такой пол особенно хорошо использовать для монтажа «по-мокрому» в стяжку (кабельный) и плиточный клей (пленочный, греющие маты). Можно использовать и «по-сухому», но только с полистирольными плитами.

Инфракрасные. Новый вид теплых полов. Представлен в пленочном и стержневом исполнениях. Отличие от конвекционных полов - теплоносителем является не сплав металла, а углеродные стержни. Источник тепла в таких полах – инфракрасное излучение. Характер тепла от таких полов иной, чем от конвекционных. При конвекционном обогреве воздух нагревается за счет теплового движения молекул, которое по мере высоты угасают. Здесь же инфракрасное излучение распространяется за пределы поверхности пола и разница температур между полом и воздухом на определенной высоте здесь меньше. Еще одно достоинство инфракрасного пола, что они так же, как и кабельный «умный» пол являются чувствительны к поступлению тепла из вне (уменьшают интенсивность излучения под коврами, мебелью).

Рассмотрены два основных вида теплых полов, которые различаются источником подогрева.

Самым распространенным типом теплого пола является водяной «мокрый» пол бетонный. Такой пол может использоваться как самостоятельная система отопления. Трубы диаметром 12-20 мм в такой системе укладываются на специально подготовленное основание и заливаются бетоном. После чего устанавливается напольное покрытие. Половое покрытие также влияет на эффективность передачи тепла. Так, керамическая плитка и керамогранит очень хорошо проводят тепло, и пол с таким покрытием будет самым теплым. Иногда применение бетонного пола невозможно. Например, если перекрытие деревянное – то оно не выдержит нагрузки от бетонной стяжки. В этом случае водяной теплый пол устраивают «по-сухому». Пол, смонтированный таким образом, является менее эффективным по теплоотдаче. Его преимущество – простота монтажа (нет бетонной стяжки) и возможность использования для любых типов зданий и несущих конструкций. Еще такую систему теплых полов называют «настильной». В зависимости от исполнения она может быть двух видов – «полистирольной» и «деревянной». Отличие этих типов укладки – в материале основания, на которое будут укладываться алюминиевые пластины и трубы. В электрическом теплом поле теплоносителем являются электрические провода, по которым течет ток. Но провода совсем другие, нежели в обычной электропроводке. Обычные провода должны хорошо проводить ток, и делаются из материалов, обладающих низким сопротивлением – меди, алюминия. В теплом поле ставиться совсем другая задача – преобразование электрической энергии в тепловую. Поэтому здесь проводники должны обладать высоким сопротивлением.

Главное преимущество теплого пола, что она создает благоприятный температурный режим в помещении, который максимально близок к оптимальному режиму для комфортного ощущения человека. Второе преимущество теплого пола в том, что он хорошо подходит для аллергиков. Третье преимущество - это возможность установить теплый пол в любое помещение, где затруднительна установка обычных обогревательных приборов. Четвертое преимущество – эстетическая составляющая. Пятое преимущество – экономия. При эксплуатации теплых полов экономия на энергозатраты составляет – 10-45 %.

Кроме перечисленных достоинств, электрический теплый пол обладает некоторыми преимуществами перед водяным теплым полом – простота монтажа, дешевая стоимость и простота терморегулирования, возможность установить в любом помещении.

Библиографический список

1. Сканави А.Н. Отопление: Учебник для вузов / А.Н. Сканави, Л.М. Махов. - М.: Изд-во АСВ. - 2002. – 332 с.

2. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование. – Введ. 1992-01-01. - М.: ГУП ЦПП, - 2000. – 43 с.

3. ООО «Экспресстяжка». Теплый пол. Правильный выбор, преимущество «Теплого пола» перед другими видами отопления. – Москва, 2010. – 12 с.

4. http: //electrolibrary.info. Технология, устройство, монтаж, подключение и обслуживание теплого пола, «Электрический теплый пол».

5. ООО "СанВентСнаб". Приточная, вытяжная вентиляция. – Челябинск, 2010. – 10 с.

6. Справочное пособие к СНиП 2.08.02-89. Проектирование спортивных залов, помещений для физкультурно-оздоровительных занятий и крытых катков с искусственным льдом. – Введ. 1991-01-01. – М.: ЦНИИЭП им. Мезенцева, 1989. – 48 с.

7. Богословский, В.Н. Отопление и вентиляция. Ч.II. Вентиляция. / В.Н.Богословский. – М.: Стройиздат.. – 1976. – 439 С..

8. Melkumov, V.N. Organization of air distribution of covered multipurpose ice rinks / V.N. Melkumov,S.V.Chuykin// Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. – 2013. - №3. – pp. 17-28.

9.Булыгина, С.Г. Разработка теплофизических моделей оборудования влажностно-тепловой обработки продуктов в ресторанных комплексах / С.Г. Булыгина, О.А. Сотникова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2012. – № 2. – С.38-49.

10. Булыгина, С.Г. Новое и перспективное оборудование для создания микроклимата в ресторанных комплексах / С.Г. Булыгина, О.А. Сотникова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2012. – № 1. – С. 70-80.

11. Чудинов, Д.М. Разработка алгоритма обоснования структуры энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии / Д.М. Чудинов, К.Н. Сотникова, М.Ю. Морозов, С.В. Чуйкин // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2009. - № 1. - С. 147-154.

12. Мелькумов, В.Н. Современные способы создания микроклимата крытых ледовых арен и катков / В.Н. Мелькумов, С.В. Чуйкин // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2012. - №2. – С. 68-73.

13. Булыгина, С.Г. Моделирование конвективного теплообмена человека с воздухом производственных помещений ресторанных комплексов / С.Г. Булыгина, О.А. Сотникова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2011. – №2. – С. 55-66.

14. Сотникова, О.А. Обоснование перспективных направлений снижения интенсивности коррозии теплообменных поверхностей котлов теплогенерирующих установок систем теплоснабжения / О.А. Сотникова, С.И. Черенков // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2009. - №1. – С. 99-107.

Код для цитирования: Скопировать