эмблемка

современные
инженерные системы
Минск, Минский район


+375 33 660-55-50
+375 29 113-70-57

Наши объекты:

сблокированный дом частный дом дом в классическом стиле коттедж коттедж частный дом загородный дом просторный дом усадьба двухквартирный дом одноэтажный дом двухэтажный дом небольшой дом кирпичный коттедж пригородный дом каркасный загородный дом на винтовых сваях с мансардой дом с конденсационным котлом система отопления на твердотопливном котле с теплоаккумулятором отопление водяным теплым полом от электрокотла без фото

Перепечатка статей, равно как и их отдельных частей, запрещена. Мы хотим оставить за собой право на эксклюзивное размещение данного материала на нашем сайте home-engineering.net. Здесь мы делимся знаниями и опытом, наработанными нашей командой за годы работы в сфере проектирования и монтажа инженерных систем.


К списку статей

Автор идеи: Инженер-Мыслитель
Автор исследования модели в elcut: Прунский Сергей


Введение
Типы грунтового аккумулятора
Описание модели для программы ELCUT
Модель грунтового аккумулятора с одним контуром труб в песке. Без контура в стяжке
Влияние резких потеплений и похолоданий
Влияние сбоев на работу аккумулятора
Тепловой аккумулятор в доме без постоянно проживающих
Моделирование работы для нагрева аккумулятора от дровяного котла
Модель теплового аккумулятора с нагревом от пленочного пола
Выводы
Тепловой аккумулятор в виде бетонной плиты
Тепловой аккумулятор с двумя контурами труб в т.ч. в стяжке
Выводы
Тепловой аккумулятор с двумя контурами труб и с терморазрывом между стяжкой и песком
Работа от дровяного котла с периодом между топками 48 часов
Выводы
Отопление двухэтажного дома
Дополнительные потери в грунт
Материалы для устройства грунтового теплового аккумулятора
Монтаж аккумулятора
Стоимость устройства
Характеристики оборудования. Схема монтажа
Комбинация двух типов покрытия пола в одном доме
Опыт проживания в доме с аккумулятором в виде бетонной плиты в Москве
Система отопления теплыми полами дома в Минске
Влияние внутренних стен и предметов на теплоаккумуляцию
Проектирование и расчёт аккумулятора для заказчика в г. Москва
Изучение теплопроводности грунта и бетона. Мощность теплоотдачи и накопление энергии
Отбор тепла из аккумулятора
Остывание без труб
Нагрев аккумулятора греющим кабелем


Введение наверх


С помощью программы МКЭ elcut была построена модель теплового аккумулятора в грунте и показала свою успешную работу.

Тепловой аккумулятор устроен в виде труб 16мм для теплого пола размещаемых в толще песчаной засыпки под бетонной стяжкой.

Тепловой аккумулятор может быть полезен для экономии электроэнергии на ночном тарифе в некоторых регионах. Например, в Московской области в сельских населенных пунктах цена в ночные часы 1.6руб за 1квт⋅ч при дневном тарифе 3.77руб.

Таким образом, использование аккумулятора позволяет сэкономить более чем в 2 раза.

Так же аккумулятор может использоваться для отопления от дровяного котла. Например, котел топится раз в двое суток в любое время и затем накопленного тепла дому хватает на 2-е суток.

В качестве подтверждения, что современному нормально утепленному дому достаточно работы отопительного котла всего 8 часов в сутки можно прочитать в статьях о реальных двух домах. Там нет грунтового аккумулятора, но там есть аккумулятор в виде бетонной плиты или стяжки и единственная система отопления — теплый пол.
Дом в Минске
Дом в Москве

Преимущества грунтового аккумулятора перед решениями в виде больших баков с водой:

  1. Сравнительно низкая цена. Стоимость труб, стальной сетки 150х150х4мм и коллектора на площадь 100м² составляет порядка 25'000 RUR 2020г. Без учета стоимости песка и утеплителя, т.к. грунт и утепление зачастую нужны в любом случае.
  2. Высокая надежность:
    • В аккумуляторе нет большого количества воды и можно использовать котловую воду или антифриз.
    • В системе отсутствует коррозия и накипь на металлических элементах.
    • Система не сможет протечь и затопить дом.
  3. Удобство монтажа. Аккумулятор может устраиваться силами не квалифицированной бригады т.к. монтаж труб пола не составляет труда и происходит по аналогии с устройством тёплого пола. Для устройства водяного аккумулятора требуется сварка водяного бака по месту или монтаж его заранее пока еще нет стен т.к. у бака большие габаритные размеры.
  4. аналогичной теплоёмкости
  5. Простейшая автоматика и оборудование. Для аккумулятора требуется один коллектор типа "гребенка" без запорных вентилей, и без каких либо клапанов. Работа ночного режима настраивается программированием термостата для электрокотла. Стоимость программируемого термостата с почасовой настройкой и даже с удаленным управлением через интернет порядка 1'500..2'000руб.

Опыт показывает, что с учетом массы рисков и проблем, связанных с классическим водяным теплоаккумулятором такое решение имеет очень низкое распространение и в основном делается "рукастыми кулибиными".


Типы грунтового аккумулятора наверх


Ниже на рисунке представлены три типа устройства грунтового теплоаккумулятора и один тип бетонного аккумулятора. Они будут в той же последовательности изучены в этих статьях. Их отличает число контуров труб: 1 или 2,а так же наличие теплоизоляции между песком и стяжкой.

первый вариант грунтового теплоаккумулятора

Грунтовый теплоаккумулятор с одним контуром труб.

второй вариант грунтового теплоаккумулятора

Теплоаккумулятор в виде бетонной плиты под полусухой стяжкой.

третий вариант грунтового теплоаккумулятора

Теплоаккумулятор с отдельным контуром труб.
Без разделения тепловых контуров.

четвёртый вариант грунтового теплоаккумулятора

Теплоаккумулятор с отдельным контуром труб
С разделением тепловых контуров.


Описание модели для программы ELCUT наверх


Сетка узлов модели теплового аккумулятора

Сетка узлов модели теплового аккумулятора в здании.

На рисунке выше изображена модель построенная в программе ELCUT.
В качестве характеристик материалов заданы следующие значения:

материал теплопр-сть,
Вт/(м²⋅°С)
плотн.,
кг/м³
теплоёмк.,
Дж/(кг⋅°С)
Плитка керамогранит 0.8 2000 850
Пол деревянный 0.12 500 850
Стяжка полусухая 0.4 1400 850
Бетон стяжки (сухой бетон): 1 2300 850
Песок (аккумулятор тепла) 0.6 1600 850
Грунт — суглинок при низком уровне грунтовых вод 1 1800 1544

Заданы так же характеристики прочих материалов конструкции, но поскольку их влияние не значительное то уделять этому внимание не будем.

Граничные условия в модели:
На поверхности пола задан постоянный отток тепла 30 Вт/час⋅м². Это примерные тепловые потери стандартного одноэтажного дома в московской области со стенами из газобетона 400мм, и качественно утепленными остальными конструкциями (при -20°С на улице).

Для труб пола Ø16 мм задана теплопередача конвекцией с некой температурой. Коэффициент конвекции меняется: 16,7 Вт/°С⋅м² в периоды ночные т.е.когда вода циркулирует, и 0 Вт/°С⋅м² в дневные часы т.к когда вода стоит и не движется.

Прочие граничные условия заданы, но они практически не оказывают влияние на работу модели: постоянная температура грунта на глубине 5.8 °С, наружная температура -2 °С

Режим работы модели не стационарный, зависит от времени.
В нестационарном режиме работы программа ELCUT учитывает свойства материалов (теплопроводность, теплоемкость и плотность). Таким образом, модель максимально приближена к реальности. Период работы настроен от 3-х до 12-ти дней т.к. опыт показывает, что одного дня не достаточно, чтобы процессы вышли на постоянный режим. Шаг расчетов модели 10 минут.

В ходе проведения нескольких тестов было исследовано влияние расположения нагревательных труб относительно стяжки, температура нагрева труб, рассмотрены 2 типа поверхности полов — керамогранит и дерево.
Основным исследуемым элементом была средняя температура поверхности чистового пола.

Задачи моделирования:

  1. Обеспечить комфортную температуру поверхности пола. Согласно СП 50 полы не должны быть холоднее чем на 2 градуса воздуха в помещении.
  2. Обеспечить комфортную температуру воздуха в помещении. Существуют разные требования СанПиН к помещениям. Автором выбрано, что в идеале обеспечить температуру воздуха 22…24 °C с допустимым снижением до 19…21 в ночные часы, когда люди спят.

Температура поверхности пола и воздуха будут напрямую связаны. Согласно закону Ньютона-Рихмана плотность теплового потока на границе тел пропорциональна их разности температур (так называемый температурный напор):

q = α⋅ΔΤ

где α — коэффициент теплоотдачи (англ.) — плотность теплового потока при перепаде температур на 1°С, измеряется в Вт/(м²⋅°С).

В СП 50 есть коэффициент теплоотдачи для пола не нагреваемого изнутри и он равен 8.7 Вт/м²⋅°С. Для теплых полов этот коэффициент выше и составляет 10.8 Вт/м²⋅°С (Взят из EN 1264-5 Water based surface embedded heating and cooling systems — Part 5: Heating and cooling surface sembedded in floors)

Поскольку тепловой поток нами выбран как 30 Вт/м² в час то мы можем определить, что температура воздуха будет ниже средней температуры пола на 30/10.8 = 2.78 °С.
При моделировании теплого пола первое условие у нас всегда будет выполнено т.к. пол будет всегда теплее воздуха.
Чтобы выполнить условие 2 необходимо обеспечить температуру пола в пределах 24.8…26.8 °С в дневные часы и 21.8…23.8 °С в ночные.

Стоит заметить, что воздух активно перемешивается и переносит тепло стенам. В нестационарных условиях колебания температуры воздуха заметно ниже температуры пола. Ниже представлены замеры реального дома. Обратите внимание на кривые температур пола и воздуха.


Модель грунтового аккумулятора с одним контуром труб в песке.
Без контура в стяжке. наверх


Рассмотрим работу модели, где есть лишь один контур труб в песке. В стяжке нет нагревательных труб. Это самый простой вариант теплового аккумулятора.

первый вариант грунтового теплоаккумулятора

Грунтовый теплоаккумулятор с одним контуром труб.

Моделирование работы для ночного тарифа и нагрева от электрокотла.
Модель настроена на изменение характеристик подачи воды в трубы с периодом 8 и 16 часов в сутки. Первые 8 часов идёт нагрев труб, а затем 16 часов нагрев отсутствует. В следующие сутки цикл повторяется.
В результате работы программа создала 432 кадра тепловых полей за 3-е суток с шагом 10 минут. Пример теплового поля на рисунке ниже.

тепловое поле первого варианта грунтового теплоаккумулятора

Тепловые поля грунтового теплоаккумулятора с одним контуром труб. Без контура в стяжке.

Результат.
Модель показала успешную работу теплового аккумулятора при нагреве от электрокотла. Достижимы условия, когда поверхность пола остается комфортной в течение всех суток и меняется в пределах 24,8…26,6 °C.

Полы с керамогранитом 20мм:
Оптимальное заглубление труб на 100мм в песке от низа бетонной стяжки. Подача воды в трубы 43 °C. На рисунке ниже изображён график изменения температуры поверхности плитки за 6 суток. Температура пола после выхода на режим колеблется в течение суток от 24.5 до 26 градусов.

график изменения температуры поверхности пола из керамогранита

График изменения температуры поверхности пола в течение 144 часов (6 суток) для пола из керамогранита. Подача воды в среднем 43°C, заглубление труб 100 мм от низа бетонной стяжки.

При снижении нагрева до 41 °C поверхность пола снижается примерно на 1.5°C, а дельта остается прежней т.е. порядка 1.6°C (с 23.2 до 24.8).
В случае размещения труб выше к стяжке (в 50 мм от низа) дельта растет до 3 °C, а максимальная температура достигает 26.5 °C.
При размещении труб непосредственно под стяжкой дельта становится еще выше — 4 °C.
При размещении труб ниже стяжки на 150 мм дельта становится всего 1 °C, а температура пола колеблется в диапазоне 22.2…23.2 °C.
Логично предположить, что чем ниже заглубление труб, тем выше потребуется поднимать подачу нагрева, чтобы обеспечить комфорт. В таком случае масса песка нагреется значительно за счет повышенной температуры и так же будет нагрет больший объём песка. Это приведёт к высокой инерционности и возможному перегреву при потеплениях. Поэтому размещение труб на глубине >100 мм от стяжки было выбрано как оптимальное.

Деревянные полы 20 мм:
Для пола с деревянным покрытием оптимальное размещение труб оказалось в 50 мм от низа бетонной стяжки. Оптимальная температура подачи в районе 44 °C. При этом пол имеет температуру в течение суток от 24 до 27.5 градусов.

график изменения температуры поверхности деревянного пола

График изменения температуры поверхности деревянного пола в течение 144 часов (6 суток). Подача воды в среднем 44°C, заглубление труб 50 мм от низа бетонной стяжки.

При снижении заглубления труб происходит заметное падение температуры поверхности пола. При увеличении температуры подачи на 1 градус (до 45°C) уже происходит превышение температуры поверхности пола до 28.5°C.

Инерционность пола с деревянным покрытием ниже чем у покрытого керамогранитом. Пол продолжает нагреваться лишь 1.5 часа после отключения нагрева труб.

На рисунках ниже представлены тепловые поля 8-го часа вторых суток, т.е. момент окончания нагрева пола.

температурное поле с деревянным покрытием пола

Тепловое поле модели при максимальном нагреве. Деревянное покрытие пола.

На рисунке ниже изображено распределение температуры от пола до самого низа утеплителя в этот же момент. Можно увидеть, что основные теплоемкие материалы бетон и песок с отметки 20 мм до 400 мм имеют температуру более 30°C. Среднюю температуру по объёму песка и бетона программа выдает как 31.95°С в момент окончания нагрева и 31.15°С при наступлении 24-го часа суток (окончание остывания).

распределения температур по вертикали

График распределения температур по вертикали. Момент окончания нагрева трубами.


Влияние резких потеплений и похолоданий. наверх


Климат, разумеется, не стоит на месте. Порою, температура на улице может меняться достаточно существенно. На рисунке ниже представлен график среднесуточных температур в Москве в феврале за последние 20 лет (данные с weatherarchive.ru). Открыв сайт можно увидеть, что в основном изменение средней суточной температуры на 5°С длится не менее 3-х дней. Более резкие перепады крайне редки, и например, был случай потепления с -23 до -12 в течение двух суток (12 февраля 2012 года gismeteo.ru)

среднесуточные температуры в феврале

Среднесуточные температуры в феврале за 20 лет. г. Москва

Рассмотрим в модели влияние таких резких потеплений и похолоданий. Будем рассматривать модель только с керамогранитным полом.

потепление климата

Вариант потепления климата с -20°C до -4°C в течение одних суток.

Потепление имитируется снижением теплового потока от пола с 30 до 18Вт/м². Подразумевается, что пользователи вовремя не снизили температуру подачи. В таком случае на третий день работы аккумулятора с повышенным нагревом температура пола достигла свыше 30°C.


потепление климата и снижение температуры подачи

Потепление климата и снижение температуры подачи

Изображена та же ситуация но предполагается что пользователи увидев прогноз о потеплении снизили подачу до 38°C. В таком случае значительного температурного скачка не произошло.


похолодание климата

Изображена ситуация с резким похолоданием.

Подача в аккумулятор 38°C была настроена на потери при -4 и не повышалась, не смотря на похолодание до -20 в течение 3 суток. В таком случае температура пола в течение первых суток похолодания снизилась до 22.5°C, и проживающие, в таком случае, могут вспомнить о необходимой регулировке.


похолодание климата и снижение температуры подачи

Изображена та же ситуация, но увеличина температура подачи т.к. по прогнозу похолодание.

В таком случае температура поверхности пола ниже чем 24°C не опускалась за весь период.


Влияние сбоев на работу аккумулятора наверх


Рассмотрим ситуации с возможными сбоями в работе нагрева аккумулятора. На рисунке ниже изображена ситуация когда в одни из 6-ти суток аккумулятор не нагревался вовсе. Потери за весь период были 30Вт/м² т.е.весьма значительные. Полы при этом достигли температуры 20.5°С т.е.ниже предыдущего дня на 2 градуса.

На рисунке ниже изображена ситуация когда аккумулятор грелся 16 часов вместо положенных 8-ми. Допустим, это произошло в результате неисправности реле времени. В таком случае скачек максимальной температуры пола произошел всего на 0.5 градуса от нормы. График показывает, что в дальнейшем избыточно накопленное тепло вызвало очень плавное изменение температуры пола с дельтой всего 1.5 градусов.


Тепловой аккумулятор в доме без постоянно проживающих (дача, баня, гараж и т.п.) наверх


Имитируем ситуацию типичной комфортной дачи, т.е.отапливаемого дома где никто не регулирует температуру подачи теплового аккумулятора. Предположим, что температуру подачи выставляют раз в месяц под среднемесячную температуру и соответствующие потери. Так же требования к тепловому комфорту здесь снижены для экономии и поскольку нет проживающих — допустимая температура воздуха не ниже 15 градусов. Допустим в январе согласно среднемесячной температуре -11 и ожидаемым потерям 22Вт/м² выставили подачу 35°C. Модель считали на 12 суток.

На следующем рисунке изображен график температуры пола в имитируемой модели дачи. Поскольку температура подачи существенно снижена (35°C) то тепловой аккумулятор прогревается долго и выходит на относительно постоянный режим лишь спустя 5 суток. На 6-е сутки температура пола составляет 19..20°С градусов, а ожидаемая температура воздуха будет порядка 17..18°С.

На рисунке ниже изображена модель с ещё более сниженной температурой подачи до 33°С. В таком случае температура пола снизилась больше. Средняя температура песка в тепловом аккумуляторе составила 26°С.

Далее изображена модель, когда аккумулятор нагревают дровяным котлом 12 часов с температурой подачи 65°С. Затем 11.5 суток без нагрева. В таком режиме температура опускается почти до нуля к концу периода. В реальности снижение будет происходить дольше т.к.по мере остывания дома потери через стены будут снижаться. В модели же заданы постоянные потери 30 Вт/м² пола.


Модель на основе реального периода 12 дней наверх


Исследуем модель на основе длительного периода на основе реальной произошедшей картины. В качестве случайного периода выбран климат г.Москва с 12 по 24 января 2019г.
За этот период температура плавно повышалась с -9 до +2 а затем опустилась до -13. Для расчётных данных выбраны потери 30Вт/м² при дельте между внутренней и наружной температур 40 градусов.
Согласно этим данным были определены потери при температуре каждого из дней и заданы в модель.
Температура подачи так же рассчитана и задана на каждый из дней.
Расчет температуры происходил по следующему алгоритму: допустили, что при нулевых потерях подача должна быть 26°C. При потерях 30Вт/м² оптимальная температура была установлена как 44°C. Таким образом определено, что на каждый 1Вт потерь необходимо повышать температуру от 26°C на (44-26)/30=0.6°C.
Например, для потерь 19 Вт/м² задана температура 26+19*0.6=37.4°C На рисунке ниже изображён график температуры пола за 12 дней.

Модель показала, что после стабилизации теплового аккумулятора на вторые сутки перепад температуры пола составил в течение остальных суток от 24.8 до 26.9 градусов т.е.в допуске. Таким образом продемонстрирована успешная работа не смотря на 2 вида температурных скачков на улице (сначала потепление с -9 до +2, затем похолодание с +2 до -13). На рисунке ниже изображена температура пола схожей модели, но температура подачи была выбрана средней как 37.5 и не менялась за 12 дней.

Модель показала перегрев пола до 28 градусов в день когда было потепление климата до +2. Хотя в остальные дни поверхность была достаточно комфортной. Поэтому такой режим эксплуатации с редкой регулировкой подачи возможен тоже.


Моделирование работы для нагрева аккумулятора от дровяного котла наверх


В модели провели ряд экспериментов по имитированию нагрева аккумулятора дровяным или угольным котлом. В таком режиме подразумевается, что доступна высокая мощность котла, а длительность нагрева снижена.

В ходе экспериментов опробован режим отопления 2 часа в сутки. Необходимая мощность котла в таком случае на дом 100м² с потерями 30Вт/м² в час составляет примерно 35кВт⋅ч. Были проведены эксперименты по нагреву аккумулятора всего 1 час в сутки с использованием двух контуров труб. Результат оказался успешным но необходима мощность котла 70 кВт⋅ч а это в ИЖС домах редкость.
Далее изображена температура пола при нагреве 2 часа с подачей 65°С. Поверхность оказалась ниже установленных требований. Выше 65°С подачу решили не поднимать, поскольку в реальности средняя 65°С будет подачей 70°С и обраткой 60°С. Греть полимерные трубы свыше 70°С уже не очень полезно т.к. это снижает их ресурс. В таком случае для поднятия температуры пола необходим или более длительный прогрев или введение второго контура труб ниже стяжки.

На рисунке ниже изображена модель с двумя работающими контурами труб на глубине 100 и 200мм ниже стяжки. В таком режиме удалось снизить температуру подачи до 55 градусов. Температура пола оказалась в комфортном допуске.

Ниже изображён график поверхности пола в модели с двум контурами труб но с шагом 300мм вместо 150 мм. Таким образом, проверили, можно ли сэкономить на количестве трубы.
Модель показала приемлемые результаты, правда пришлось повысить подачу с 55 до 68 градусов. График не сильно отличается от модели с одним контуром и шагом 150мм. Полагаю, что шаг труб 200мм даст некое среднее значение. Думаю, что не целесообразно экономить на трубах и нагревать их высокой температурой. Оптимальный шаг вероятно 150-200мм.

На следующем рисунке имитировалась работа от котла длительного горения т.е.нагрев был 3 часа с подачей 58 градусов. Модель показала успешную работу. Ещё более длительная работа котла ожидаемо потребует снижения подачи, и в результате графики будут по своему виду приближаться к графикам модели нагрева от электрокотла в течение 8 часов.


Модель теплового аккумулятора с нагревом от пленочного пола наверх


Исследуем модель, где источником нагрева будет пленочный пол лежащий между полусухой стяжкой и бетонной плитой 250мм (аккумулятор тепла).

В качестве теплопотерь заданы потери дома при реальном климате 12…24 января 2019г.

В качестве мощности отдачи пола в течение 8 часов задана мощность приблизельно необходимая чтобы компенсировать потери за каждые сутки.

На рисунке ниже изображён график поверхности пола модели. Модель показала что достигнута комфортная температура поверхности пола. Так же сравнив работу с аналогичной моделью но с нагревом от труб, можно увидеть что пленочный пол даёт очень низкие перепады температуры пола. Вероятно, дело в более равномерном прогреве от пленки, чем от трубок с шагом 150мм и потому аккумулятор накопил больше тепла.

Работа от пленочного пола требует дальнейшей проработки. Пока не совсем понятно как регулировать мощность нагрева т.к обычно пленочные полы работают на максимальной мощности и отключаются по термостату. Хотя полагаю можно без труда найти реле контролирующее расход электроэнергии и настраивать работу котла на нужное энергопотребление.


Выводы наверх


В ходе экспериментов модель теплового аккумулятора в грунте показала свою успешную работу. Можно обеспечить комфортную температуру пола при любых погодных условиях. Нагрев аккумулятора может происходить как от электрокотла по ночному тарифу в течение 8 часов в сутки, так и от дровяной печи в течение 2 или более часов.

При устройстве аккумулятора необходимо учитывать материал финишного покрытия пола. Об этом подробнее рассказано в разделах выше.

К минусам технологии стоит отнести необходимость регулировки температуры подачи раз в сутки или реже в зависимости от средней уличной температуры воздуха и желаемого комфорта. При не высокой требовательности к комфорту регулировка может осуществляться намного реже.

В качестве идеи дальнейшей разработки теплового аккумулятора была выбрана идея с двумя контурами труб — в стяжке и в песке и отсечкой утеплителем между стяжкой и грунтовым аккумулятором.

На рисунке ниже изображен аккумулятор, разделенный от стяжки слоем 50мм ЭППС.

На рисунке ниже изображен аккумулятор, разделенный от стяжки слоем 50мм ЭППС.

Модель с двумя контурами должна решить недостатки и дать дополнительный комфорт:

  1. Аккумулятор можно греть сильнее и его энергией подпитывать контур в стяжке при любой погоде.
  2. Можно намного реже или вообще не заботиться о регулировании температуры подачи в тепловой аккумулятор.
  3. Температура пола станет максимально стабильной за счет малоинерционного контура в стяжке и большего запаса тепла в аккумуляторе.
  4. Контур труб в стяжке можно использовать от традиционных источников тепла не зависимо от аккумулятора. Аккумулятор можно вообще не задействовать если его актуальность пропадет.

Так же в планах рассмотреть модель аккумулятора с двумя контурами труб, но без разрыва слоем ЭППС.


Тепловой аккумулятор в виде бетонной плиты наверх


Рассмотрим модель, когда тепловым аккумулятором выступает не песок а бетонная плита фундамента. Реальные отзывы людей, проживающих на бетонной плите 32м³ под домом 130м² подтверждают что достаточно отопления от ночного тарифа.

Есть опыт жителя Екатеринбурга нагрева по ночному тарифу для плиты всего 100мм. Нагрев осуществляется греющим кабелем без применения труб.
youtube

Исследуем модель на основе длительного периода на основе реальной произошедшей погоды. В качестве случайного периода выбран климат г.Москва с 12 по 24 января 2019 г. www.gismeteo.ru

В качестве теплового аккумулятора использована фундаментная монолитная плита 400 мм.
Трубки пола размещены на поверхности плиты и закрыты полусухой стяжкой 10 см.
Тепловые потери и температура подачи за 12 дней в модели менялись ежесуточно по тому же принципу как в модели основанной на реальной температуре в другом разделе для песчаного аккумулятора.

График температуры поверхности пола. Толщина плиты 400мм

Модель показала что температура пола будет комфортная. Так же можно увидеть, что бетонный аккумулятор увеличил ещё больше инерционность. Кривая увеличения температуры и падения практически равны по длительности не смотря на то что нагрев осуществляется лишь треть суток.

На первом рисунке ниже изображен график температуры аналогичной модели но с плитой 250мм. У моделей 400мм и 250мм едва уловимая разница в поведении графика. Можно сделать вывод что плиты 250мм достаточно для теплового аккумулятора.

На втором рисунки ниже изображена модель с плитой всего 150мм и показывает тоже приемлемые результаты.

График температуры поверхности пола. Толщина плиты 250мм

График температуры поверхности пола. Толщина плиты 150мм

Замечу важное условие бетонного аккумулятора. Стяжка на полу должна быть полусухая т.е.с теплопроводностью порядка 0.4.
При использовании обычной растворной цементной стяжки или бетонной с теплопроводностью 1 температура пола заметно перегревается в часы нагрева. Это продемонстрировано на следующем рисунке для плиты 250мм.

График температуры поверхности пола. Растворная цементная или бетонная стяжка.

На следующем рисунке изображена модель с деревянным полом и бетонной стяжкой. Как можно заметить сравнив с предыдущим рисунком, деревянный пол 20мм снизил пики нагрева с 31 до 29 градусов, и отчасти компенсировал повышенную теплопроводность бетонной стяжки.

График температуры поверхности деревянного пола.


Тепловой аккумулятор с двумя контурами труб в т.ч. в стяжке наверх


Рассмотрим модель изображенную на следующем рисунке, где применены два контура труб — в стяжке и в песке. Между стяжкой и песком нет слоя теплоизоляции.

Модель с двумя контурами труб без слоя теплоизоляции.

Такая модель будет нагревать стяжку и песок только в период 8 часов действия ночного тарифа.
Очевидно, что трубы стяжки можно греть контролируемо и не превышать комфортную температуру пола или воздуха. Стяжка и прилегающий слой песка нагреются больше чем у аккумулятора с одним контуром в песке т.к.трубы находятся в самой стяжке.
Трубы, находящиеся в песке, можно нагреть больше, чтобы больше тепла накопилось. В качестве потерь дома будем использовать прежнюю модель реальной температуры в г. Москва 12…24 января 2019 г.

На следующем рисунке изображена поверхность пола с керамогранитным покрытием. Подача в стяжку была с температурой 29°С а в песок 38°С. Как видим пол и песок нагревающиеся 8 часов в сутки в последующие дневные часы просто медленно отдают тепло и пол имеет комфортную температуру. Насосы полов при этом не задействованы, а значит, достигается максимальная экономия. Хотя потребление среднего насоса всего 15…20Вт/ч.

График температуры поверхности пола. Керамогранитное покрытие.

На следующем рисунке изображена аналогичная модель, но с деревянными полами. Подачу в стяжку повысили на 1°С т.е. 30°С в стяжку и 38°С в песок. Полы оказались тоже комфортными.

График температуры поверхности пола. Деревянное покрытие.

Далее изображена модель, где температуру в песок повысили до 42°С, а в стяжку снизили до 27°С. Полы оказались в комфортной зоне. Таким образом можно сделать вывод что повышенная температура в аккумуляторе не вызывает перегревов пола. А температура в стяжке легко контролируется автоматикой тёплого пола без участия человека.

График температуры поверхности пола. Повышенная температура теплоаккумулятора

На следующем рисунке изображена модель с полусухой стяжкой вместо бетонной (теплопроводность снижена до 0.4). Температуру подачи в стяжку вынуждено подняли до 31°С. В аккумулятор подача 42°С. Полы показали комфортную температуру.

График температуры поверхности пола. Полусухая стяжка.

Ниже изображена модель с нагревом от дровяного котла 3 часа в сутки. В стяжку подача 28°С а в песок 48°С. Модель показала успешную работу такого режима. Стоит заметить, что подача в песок была 48°С. При экспериментах, когда контура труб не было в стяжке, а был только в песке подача была 58 градусов. Это связано с тем, что дополнительный контур труб в стяжке прогревает её и окружающий песок, и потому нагревать аккумулятор сильно не нужно.

График температуры поверхности пола. Отопление от дровяного котла.


Выводы наверх


Модель с двумя контурами показала успешную работу в разных режимах. Она оказалась лучше модели изученной ранее, с двумя или одним контуром в песке. При размещении одного из контуров в стяжке можно контролировать комфортную температуру пола автоматикой пола без вмешательства человека. В тепловой аккумулятор можно подавать теплоноситель тоже без частых регулировок.

Так же плюс такой модели в том, что при повреждении или потери актуальности контура в тепловом аккумуляторе контур в стяжке останется и его можно задействовать для работы тёплого пола от традиционных источников тепла.

При работе такой модели от дровяного котла было показано что температура пола комфортнее чем в модели без контура в стяжке. Так же температура подачи в песок была 48°C в отличие от 58°C у модели без контура труб в стяжке.


Тепловой аккумулятор с двумя контурами труб и с терморазрывом между стяжкой и песком наверх


Эту модель отличает от предыдущей наличие теплоизоляционного слоя 30мм ЭППС между стяжкой и тепловым аккумулятором.

Модель теплового аккумулятора с двумя контурами труб и терморазрывом.

Подразумевается, что ЭППС 30мм частично снизит тепловой поток от песка в стяжку и это позволит нагревать песок больше. Нагретый песок можно использовать для нагрева воды в трубах и подавать нагретую воду в трубы стяжки. Тем самым можно добиться более контролируемого и более комфортного нагрева пола т.к трубы в стяжке управляются автоматикой с датчиками температуры воздуха в доме.

К минусам можно отнести постоянную работу насосов в контурах труб, но это относительно привычное дело т.к.в любом доме с тёплыми полами насос работает постоянно расходуя при этом 15…20Вт/ч электроэнергии.

Для моделирования в elcut были настроены следующие параметры:

  1. Отъём тепла с пола 16…25Вт/м² согласно реально произошедшей погоде 12…24 января 2019г в г.Москва. Значения потока меняются в начале каждых суток.
  2. Поток воды в трубах стяжки круглосуточно с температурой 28°С.
  3. Поток воды в трубах в песке в ночные 8 часов движется с температурой 44°С. Днём поток движется с температурой 28°С т.е. тем самым имитируется забор тепла из песка т.к.песок будет температурой выше чем 28°С.

График температуры поверхности пола.

Температура находится в приемлемых границах.
На рисунках ниже изображены графики:
а: Тепловой поток от пола воздуху здания. Поток от площади 3.75м²
б: Тепловой поток от 1п.м трубы в стяжке.
с: Тепловой поток от 1п.м трубы в песке.
д: Тепловой поток от песка в стяжку через толщу ЭППС 30мм.

а: Тепловой поток от пола воздуху здания. Поток от площади 3.75м²

б: Тепловой поток от 1п.м трубы в стяжке.

с: Тепловой поток от 1п.м трубы в песке.

д: Тепловой поток от песка в стяжку через толщу ЭППС 30мм.

Проверим полученные данные. На рис.а можем увидеть, что потери пола составляют в среднем 65Вт с площади 3.75м² что равно 17Вт/м². Это ожидаемо т.к.потери с пола заданы нами.
Проверим каким образом данные потери компенсируются.
Выберем некий контрольный период, например 0.6…0.7⋅1000000с.
Потери с пола в этот период составляют 18.6 Вт⋅ч/м²
Поток тепла от песка в стяжку(рис.д) в этот период был 20Вт на 3.5м² т.е 5.7Вт⋅ч/м² т.е.порядка 28% от потерь пола.
Поток тепла от труб в стяжке самой стяжки (рис.б) был от 1.2 до 1.9Вт⋅ч/п.м. и в среднем приблизительно 1.6Вт⋅ч/п.м
Поскольку в 1м² труб пола 7п.м. то поток составил 11.2Вт⋅ч/м² т.е.порядка 70% от потерь тепла.
Трубы в песке (рис.с) при отъёме тепла из песка днем в основном период забирали тепло мощность 2.5…10Вт⋅ч/п.м. В среднем порядка 4.5Вт⋅ч/п.м
Мощность потока забирающего тепло из песка превышает поток от труб в стяжке почти в 3 раза (4.5Вт и 1.6Вт). Это значит что тепла в песке более чем достаточно чтобы передавать его в стяжку по трубам. В реальной работе теплоотбор из песка будет меньше в 3 раза и песок меньше остынет. Поэтому нагрев песка вероятно можно снизить с 44°C до 42°C или т.п.

На рисунках ниже изображена температура пола модели с нагревом от дровяного котла.

График температуры пола модели с нагревом от дровяного котла. Подача в аккумулятор 3 часа была с температурой 50°С. Затем температура потока 28°С шла как в полы так и в песок (для отбора тепла).
Модель показала успешную работу такого режима.

График температуры пола модели с нагревом от дровяного котла. График средней температуры песка при нагреве 3 часа от дровяного котла с температурой 50°С и теплоотьёме с температурой 28°С.


Работа от дровяного котла с периодом между топками 48 часов (2-е суток) наверх


Проверим модель когда тепловой аккумулятор нагревается от дровяного котла в течение 5-ти часов а затем 43 часа не греется вовсе.

В модели теплопотери здания увеличим в 1.5 раза чтобы заодно проверить работу в не самом энергоэффективном доме. Потери дома при -25°С составят 45Вт/м².

Подача в песок задана 55°C.
Так же в модели отбор тепла из песка теперь имитируем таким образом: для труб задан тепловой отбор равный 70% от общих потерь пола. В прежних экспериментах мы выяснили что 30…50% тепла песок отдает теплопередачей через ЭППС 30мм.

На рисунке ниже изображен график средней температуры поверхности в результате работы модели.
Температура пола относительно комфортна весь период.

График средней температуры поверхности.

Тепловой поток от труб, забирающих тепло из песка. Можно увидеть то в среднем поток почти достигает 2.5Вт/п.м., а значит он может компенсировать поток от труб в стяжке который 2.5Вт/п.м.

Тепловой поток от труб в стяжке. В среднем тепловой поток 2.5Вт на погонный метр труб т.е.примерно 16Вт/м² пола.

Тепловой поток с площади 3.55м² от песка в стяжку за счет теплопроводности через ЭППС 30мм. Тепловой поток на 1м² составил приблизительно 5.6Вт/м². Это примерно 25% от общих потерь через пол.

Потери с пола 3.75м². В среднем потери 28Вт/м².

Средняя температура песка в аккумуляторе. В результате проверки выяснено что такой режим работы допустим.

Нагрев аккумулятора происходил от дровяного котла 5ч в двое суток, а трубы для теплопередачи из аккумулятора и в стяжке не были задействованы. Таким образом нагрев помещения происходил лишь за счет теплопередачи от песка в стяжку через ЭППС 30мм. Модель показала что такой способ приемлем для помещений с пониженными требованиями к температуре — гараж, тамбур и т.д.


Выводы наверх


Модель показала успешную работу как в режиме ежесуточного нагрева аккумулятора по ночному тарифу, так и для нагрева от дровяного котла раз в сутки или двое.

Теплопередача от аккумулятора в стяжку через слой ЭППС 30мм составил 25…30%. Это значит, что жары в доме от высокой инерционности аккумулятора не будет т.к.потери ниже чем 25…30% от ожидаемых будут происходить лишь в случаях особо резких потеплений, например с -25°C до +6.5°C чего никогда не встречается.

Поток тепла 70…75% из аккумулятора идёт за счет отбора с помощью труб. Данный отбор легко может быть контролируем автоматикой теплых полов — термоголовки ручные, электронноуправляемые термоголовки с датчиками воздуха в помещениях. Поэтому температура пола будет комфортной и постоянной.

В случае с электронноуправляемыми термоголовками можно сделать так что некоторые помещения будут нагреваться до температуры меньше чем основные помещения. Например входной тамбур, гараж и т.д. На рисунке выше изображена возможность прогрева таких помещений даже без задействования труб пола в стяжке.

Поскольку в модели тепловой аккумулятор прогревается практически полностью и накапливает большое количество энергии, то можно сделать вывод что температуру подачи можно не регулировать каждый день а возможно делать это лишь раз в неделю, ориентируясь на среднюю температуру за предстоящую неделю.

Для отопления от дровяного котла стоит отметить плюсы такие, что можно догревать аккумулятор в любое удобное время и в любом режиме.
Например:

  • 5 часов каждые вторые сутки;
  • по 2.5…3 часа раз в сутки;
  • первые сутки утром 3 часа, вторые сутки вечером 3 часа (для граждан работающих c плавающим графиком).
Теоретически возможно нагрев даже раз в 3-е суток.

Возможна комбинация нагрева от дров и ночного тарифа. Например, в трубы стяжки идет подача по ночному тарифу. Если стяжка из бетона и имеет толщину 10см то она накапливает достаточно значимый объём тепла. В аккумулятор при этом можно подавать воду, нагретую от дровяного котла или камина.

Стоит заметить, что тепловой аккумулятор позволяет снизить подачу в стяжку до 28°C что не стандартно для них. Обычно подача в полы идет 35°C и более. Это связано с тем, что от песка идёт тепловой поток в стяжку и потому греть стяжку трубами можно невысокой температурой.

При низкотемпературном прогреве стяжка прогревается более равномерно. Слабее выражен эффект зебры.


Отопление двухэтажного дома наверх


У двухэтажного дома для отопления второго этажа можно использовать бетонное перекрытие и стяжку как тепловой аккумулятор для накопления тепла по ночному тарифу. Можно сделать контур тёплого пола и подпитывать его от теплового аккумулятора в грунте.

Радиаторное отопление пожалуй не годится для питания от аккумулятора, т.к. температура подаваемая в радиаторы будет слишком мала чтобы обеспечить нужную мощность.

В целом, поскольку теплый воздух стремится вверх, будет некая компенсация тепловых потерь за счет поступлений с первого этажа.

Модель. Бетонное перекрытие и стяжка как тепловой аккумулятор.


Дополнительные потери в грунт наверх


Наверное, многих волнует вопрос не будет ли тепловой аккумулятор терять много тепла в грунт и при этом снизит свою эффективность. В рамках нестационарной модели, тепловые потери в грунт исследовать неправильно, поскольку грунт под домом был +26°C что не соответствует действительности. К сожалению, программа не позволяет задать температуру грунта отдельно.

Потери в грунт мною были исследованы ранее в стационарном режиме. Программа elcut выдавала значения, которые не более чем на 10% отличались от методики ISO 13370 и натурных испытаний института г.Тампере. Методика СП 50.13330.2012 дала более завышенные потери, но она слишком универсальна и не учитывает тип грунта и утепление цоколя, отмостки.

Даже визуально взглянув на модель можно увидеть, что тепловой аккумулятор теплоизолирован от грунта и цоколя слоем эффективного утеплителя. При необходимости его толщину можно наращивать относительно не сложно. Хотя смысла в слое более чем 200 мм я не вижу.

Так же статистика замера температуры песка нагретого по ночному тарифу показывает что она составляет 31…34°C, а это не отличается от температуры нижней части стяжки простого тёплого пола который так же круглосуточно нагрет. Поэтому тепловой аккумулятор будет иметь потери в грунт не значительно превышающие потери у обычного теплого пола. Увеличение будет лишь за счет большей площади теплоотдачи граничащей с цоколем. В случае с дровяным котлом и редких протопках — аккумулятор придется греть больше. В таком случае потери повысятся. Но дешевизна дров отчасти компенсирует и этот недостаток.

Для подобной конструкции фундамента и пола в одноэтажном доме 100м² приведённое сопротивление теплопередаче R грунта будет в районе 8.22.

Доля потерь через полы в доме составит порядка 16…20%. В случае же отсутствия теплового аккумулятора и тёплых полов, эти потери примерно в 2 раза ниже, т.е. можно сказать что тепловой аккумулятор и комфортные тёплые полы потребуют порядка 8…10% от общих потерь здания через ограждающие конструкции. Если же учесть ещё затраты на вентиляцию и бытовые нужды то речь пойдет о доле в 4…5%.

При более чем двукратной экономии на затраты оплаты электроэнергии при использовании теплового аккумулятора дополнительные потери даже в 10% это не значительная цифра.


Материалы для устройства грунтового теплового аккумулятора наверх


Для устройства аккумулятора потребуется:

  1. Коллектор труб аккумулятора и коллектор труб теплого пола. Коллектор труб аккумулятора может быть самый простейший без балансировочных регуляторов и индикаторов расхода. Это может быть коллектор для ГВС ценой порядка 2'600 RUR 2020г. на 6 контуров teplotehnikann.ru
    Балансировочные краны не нужны т.к.все контуры труб в песке следует делать длиной 80м и они будут сбалансированы. Превышать длину 80м не следует из-за слишком высокого гидравлического сопротивления.
    Коллектор для труб тёплого пола следует выбирать с балансировочными вентилями и регуляторами протока с возможностью установки электронноуправляемой термоголовки (сервопривод).
  2. Труба для грунтового аккумулятора годится термостойкая PERT, PEX и т.п. Стоимость труб от 23руб/м (Valfex). Оптимальная бухта это 160м т.к. она может быть разрезана на 2 контура по 80м без остатка. У ValfexPERTтакие бухты есть.
    Расход трубы порядка 6.7м на м² при шаге 150мм.
  3. Сетка для фиксации труб. Годится сетка 3-4 мм с ячейкой 150×150мм. Стоимость сетки 40…55руб/м².
  4. Прочее. Так же потребуются цанговые пресс фитинги для зажима трубы в коллектор (100…200руб/шт), нейлоновые стяжки 150мм для фиксации трубы к сетке.
  5. Стоит заложить трубу ПНД 20мм или полипропилен 20мм в грунт для возможного его увлажнения водой. Подробнее о влиянии влажности грунта на работу описано в другом разделе.


Монтаж аккумулятора наверх


Песок обратной засыпки следует проливать водой и трамбовать виброплитой послойно. При массе плиты 80кг слой не более 8см.

Трубы пола следует раскладывать без особого порядка (улитка и т.п) и ориентироваться на тот способ который проще и имеет меньше загибов для трубы. Думаю, что можно раскатывать трубу по периметру дома вокруг смещаясь в центр. В самом центре дома у последних 1-2 веток чтобы не делать много загибов можно расположить контур по кругу.

Один из возможных вариантов раскладки труб аккумулятора.

Трубу каждые 30 см следует фиксировать хомутом к сетке.

Слой пенопласта 30мм находящийся под стяжкой пропенивать не обязательно. Толщину ЭППС увеличивать свыше 30мм вредно т.к. это приводит к снижению теплового потока от песка в стяжку.

Стяжку можно выполнять как из бетона так и полусухую. Тип стяжки не будет оказывать большой разницы на работу с тепловым аккумулятором с двумя контурами труб.

Стоит лишь помнить, что на полусухую стяжку опирать перегородки крайне нежелательно в силу низкой прочности стяжки.

Перед засыпкой песком труб их следует опрессовать водой давлением 2…3атм. и убедиться что нет утечек.


Стоимость устройства наверх


Не будем считать затраты на устройство засыпки песка, нижележащее утепление и контур труб тёплого пола т.к. эта работа зачастую необходима даже если в доме не нужен аккумулятор. Рассмотрим лишь затраты на устройство контура нагревательных труб аккумулятора.

На 100м² дом необходимо 8 контуров труб по 80м (15'000 RUR 2020г.), 100м² сетки (5'500 RUR 2020г.), коллектор с цанговыми зажимами на 8 контуров (4'500 RUR 2020г.). Работа по раскладке сетки и фиксации труб, полагаю, займет у двух человек от 4 часов.
Итого стоимость устройства аккумулятора может составить порядка 30'000 RUR 2020г.


Характеристики оборудования. Схема монтажа наверх


Для монтажа теплового аккумулятора пола на 100м² площади потребуется порядка 640м.п. трубы 16мм.
Объём воды занимаемый в трубах составляет 70 литров.
Общий объём с учетом коллектора и котла порядка 90 литров.
При наличии контура труб в полах объём возрастет до 180 литров.
Тепловые потери дома в модели приняты как 30Вт с м² т.е.составят 3000Вт в час или 72 КВт⋅ч за сутки.

Необходимая мощность котла работающего лишь 8 часов требуется порядка 72/8 = 9кВт⋅ч если считать без запаса. Догревать помещение в случае редких морозов можно другими бытовыми приборами (конвекторами) или сразу установить более мощный котел.

Мощность дровяного котла напрямую связана с длительностью горения и теплопотерями дома за сутки. При потерях дома 72кВт⋅ч в сутки и времени протопки 2 часа необходима мощность котла минимум 72/2 = 36кВт⋅ч, а с учётом запаса на потери в грунт то от 40кВт⋅ч.

На рисунке изображён вариант устройства коллекторов грунтового аккумулятора и тёплого пола для работы от электрокотла. Схема предложена инженером home-engineering.net

Вариант обвязки контуров пола и аккумулятора с электрокотлом.

Схема представляет из себя первичное и вторичные кольца. Коллекторы пола и аккумулятора обвязаны идентично — с одним насосом и трёхходовым клапаном смесительного типа с термоголовкой и щупом температуры. Разница клапанов лишь в диапазоне температур — для пола диапазон порядка 28…40°С. Для аккумулятора 40…55°С.

Принцип работы: Котел включается по реле времени или программируемому термостату лишь в ночные часы. Температура подачи в котле 45…55°C. Насос первичного кольца и насосы Вторичных колец работают постоянно.

Клапан контура аккумулятора, получив поток воды с температурой выше чем выставлена на термоголовке, начнет подавать воду от А к АB, и при этом прикроет подмес со стороны B. Так начнется постепенный нагрев песка.

Смесительный клапан контура тёплого пола аналогично начнет забирать часть горячего теплоносителя с стороны A. Сторона B при этом будет частично открыта т.к. будет необходим подмес холодной воды чтобы разбавить поток горячей и обеспечить заданную на головке 30°С.

После окончания ночного режима котёл отключится. Клапан контура аккумулятора потеряв источник горячей воды с стороны А перекроет сторону B полностью и начнёт циркуляцию через первичное кольцо и между сторонами А и AB.

Клапан контура пола начнет получать с стороны А горячую воду из аккумулятора и тем самым продолжит поддерживать заданную температуру 30°C в полах.

Таким образом передача тепла из аккумулятора в полы будет длиться пока либо не начнётся новый цикл нагрева от котла либо температуры песка и стяжки не выравняются по температуре.

На рисунке представлена схема обвязки для работы от твердотопливного котла.

Вариант обвязки контуров пола и аккумулятора с твердотопливным котлом.

Устройство использует идентичные первичное и вторичные кольца. Обвязка котла задействует устройство Laddomat или аналоги. Подробно принцип действия и плюсы Ладдомата описан в видеоролике.

Можно легко комбинировать дровяной и электрокотел в единой системе подключив электрокотел к первичному кольцу в качестве резервного.


Комбинация двух типов покрытия пола в одном доме наверх


Часто бывает что в доме применяют два разных типа напольного покрытия.

Возникает ситуация что у деревянного пола температура будет заметно ниже чем у плитки и теплоотдача с него тоже меньше. Моделирование в elcut показало что разница температуры теплоносителя для паркета на 5 градусов больше чем для плитки. Совет по решению этой проблемы мне дал Роман Басалай, проектировщик систем отопления в Минске.

На практике делается так:
Вариант 1. Если площадь тёплых полов под двумя принципиально разными (обычно: плитка и ламинат/паркетная доска) финишными покрытиями большая (от 50…100м²), то делают два разных смесительных контура, каждый на свои покрытия, температура подачи в них будет отличаться, как вы правильно заметили на ок.5К.
Вариант 2. Шаг укладки трубы ТП и расход теплоносителя (ΔТ) проектируется так, чтобы при одной и той же температуре подачи (от одного смесительного узла) обеспечить расчетную температуру поверхности полов в разных помещениях с разной тепловой нагрузкой и разным покрытием (под паркетной доской/ламинатом нужно уплотнять шаг и увеличивать расход при прочих равных условиях, так можно добиться компенсации необходимого повышения температуры подачи на пару градусов). В реальности этого можно достичь, только если тепловые нагрузки а) невысоки, б) в разных помещениях они отличаются не очень сильно (на 20-30%), и в) теплопроводность паркетной доски максимально приближена к плитке (тонкая инженерная доска приклеена к стяжке пола или тонкий ламинат на тонкой 2мм подложке). Поэтому часто в помещениях с паркетом/ламинатом и требуется установка дополнительных радиаторов под окнами.
Вариант 3 (обязательно с учётом расчёта по варианту 2): Установка термостатов в комнатах с датчиками температуры воздуха и поверхности пола (особенно актуально для паркетной доски/ламината, чтобы не перегревать покрытия выше ок.27°С) и сервоприводов на коллектор.

Я считаю, что термостаты и сервоприводы просто обязательны для нормальной, удобной и экономичной работы системы отопления.


Опыт проживания в доме с аккумулятором в виде бетонной плиты в Москве наверх


Илья, автор блога о доме, который отапливается по ночному тарифу связался со мной и в беседе рассказал детали.

Дом из газобетона д400 400 мм в подмосковье.

Дом построен на фундаменте УШП с плитой 100мм и растворной цементно-песчаной стяжкой 50мм. Финишного покрытия пола пока нет.

Стены из газобетона Д400 400мм. Дом одноэтажный 130м² прямоугольной формы и холодным чердаком. Утепление чердака минватой 200мм. Окна стандартных размеров с R=0.8.

Теплопотери дома при -2° согласно расчету 4.02кВт (31Вт/м²). Фактически расход электроэнергии почти совпадает с расчетными т.к. вентиляция в доме относительно слабая. Вентиляция происходит путем залпового проветривания сутра. В доме всего двое проживающих и объёма воздуха хватает для их комфортного проживания.

От себя замечу что блогер не верно посчитал теплопотери своего дома т.к. взяты площади пола и перекрытия по наружному периметру, для полов не учтено сопротивление теплопередаче грунта. В итоге из-за подобного "перезаклада" его фактические расходы электроэнергии с бытовыми потреблениями и вентиляцией совпали с теплопотерями дома без учета вентиляции и бытовых нужд.

В качестве системы отопления используется электрокотел 12кВт и гидравлические теплые полы.

Трубки пола находятся в 20мм от низа плиты т.е. в 130мм от поверхности пола.

В ночные часы действия ночного тарифа плита нагревается до порядка 26°C на поверхности. Затем днем дом греется лишь за счет тепла остывания плиты. Температура воздуха при этом не опускается более чем на градус с 24 до 23.

Температура подачи в плиту к концу ночного нагрева составляет 28 град. Мощность котла 12 кВт.

Хозяин признался, что котла хватает лишь до условий когда снаружи не ниже -10 градусов. При более холодной температуре плита нагревается меньше и поэтому он включает ночью электроконвектор.
Управлением включением режима котла отвечает реле sonoff.

Стоимость электроэнергиии и затраты представлены на рисунке ниже

Затраты дома в Подмосковье на электроэнергию.

Как можно увидеть в отопительный период дом 130м² имел затраты на электричество 4608руб/мес. А в летний период 1632руб/мес.

Годовые затраты составили 38751 RUR 2020г.

При отоплении от газа среднемесячный платеж на электричество полагаю был бы порядка 1 тыс.руб, затраты на обязательное обслуживание котла 10'000 RUR 2020г. ежегодно. Итого стоимость отопления от газа 24'000 RUR 2020г.

При выгоде газового отопления в 14'000 RUR 2020г. окупаемость мероприятий по подключению газа (400'000 RUR 2020г. в данном случае) была бы в течение периода 28.5 лет.


Система отопления теплыми полами дома в Минске наверх


Дом в Минске с системой отопления теплыми полами без радиаторов.

Монтаж системы отопления и расчёты подробно описаны в статье этого сайта.

Опишем ряд интересных заключений об эксплуатации такого дома.

Стоит отметить простоту систему отопления. Газовый котел с встроенным насосом осуществляет обогрев дома 210м² без использования дополнительных насосов, каких либо смесительных клапанов, гидрострелок и прочих сложностей.

Конструктивно дом представляет из себя 3 уровня — 2 жилых и подвал. Перекрытия — бетонные плиты. Поверх плит и грунта в подвале устроен слой утеплителя 50мм (в подвале 100мм) на котором вплотную уложены трубы тёплого пола и укрыты полусухой стяжкой 75мм.

Финишное покрытие полов — керамогранит на первом этаже и паркетная доска на Втором.

Стены выполнены из газобетона Д500 500мм и утеплены слоем пенопласта 100мм. Окна стандартных размеров с R=0.8. Холодный чердак утеплен минватой.

Автоматика термостата настроена таким образом, что в течение суток выделено 3 периода когда допускается пониженная температура воздуха. Это приводит к тому что котел в это время выключается и стяжка за счет инерционности греет дом.

Предлагаем вам самостоятельно изучить графики поверхности пола и воздуха при различной наружной температуре. Представлены ситуации при -2°C, -12°C и -16°C.

Стоит заметить как теплоаккумулятор в виде полусухой стяжки 75мм и керамогранитного покрытия на первом этаже накапливают тепло.

При -16 градусах на улице котел работал всего 2 раза в сутки суммарно 8 часов. При этом температура воздуха держалась в границах 20…22 градусов (колебания 1.8°C). При -2°C и -12°C колебания были еще меньше: 0.6…0.7 град.

Колебания температуры поверхности пола при -16°C были от 22 до 26 градусов (на 4 градуса).

Опыт демонстрирует, что в качественно утеплённом доме даже аккумулятор в виде полусухой стяжки 75мм может накапливать относительно много энергии. На графике видно, что с 20-ти часов до 4-х часов (8 часов) когда котел выключен полы остывают на 4 градуса а воздух лишь на 1 градус.

Для менее утеплённого дома или более длинного периода остывания, например, для 16ч при нагреве по ночному тарифу данного аккумулятора в виде стяжки 75мм явно мало.

Заметим ещё один крайне важный факт: колебания температуры воздуха значительно меньше колебаний температуры пола. Например, при -16°C снаружи колебания 4 град. пола и 1.8 град. воздуха. Кривая колебаний воздуха намного плавнее чем пола.

Полагаю этот эффект связан с тем что воздух нагреваясь от пола быстро конвективно перемешивается, забирает часть тепла от внутренних стен, отдает наружным. В итоге некая средняя температура перемешанного воздуха и фиксируется датчиком. Из-за высокой теплоёмкости внутренних стен и предметов температура воздуха меняется медленно и плавно.

Заметим что теплоёмкость пола оказывает положительный эффект на работу котла — он работает без тактования, т.е. если уж включился то работает долго а потом так же надолго отключается. Правда тут ещё сыграло то что конденсатный котел позволяет работать на очень малой мощности.


Влияние внутренних стен и предметов на теплоаккумуляцию наверх


В ходе исследования была замечена огромная роль внутренних стен на теплоаккумуляцию. Оба описанные дома в Минске и Москве продемонстрировали этот факт.

Владелец дома в Москве сообщил что температура пола в течение периода остывания 16 часов падает на 4 градуса а воздух за этот период остывает лишь на 1 градус.

Дом в Минске демонстрирует аналогичную картину судя по графикам представленным ниже и описанным в статье Суточные колебания температуры воздуха и пола в помещении, обогреваемом водяным теплым полом.

График температур при -16°С.

Так же владелец дома в Минске сообщил что когда он вечером греет камин мощностью 10кВт в течение 2-3 часов, то температура воздуха повышается с 21 до 23 и более не растёт. Теплопотери дома при этом всего около 2кВт. Поэтому он делает вывод что эти 20…30 кВт⋅ч тепла уходят на нагрев внутренних стен и предметов.С утра он обнаруживает что воздух в доме составляет примерно 21 градус. Пол в это время заметно холоднее чем когда он греет дом тёплым полом, а не камином. Полагаю, это говорит о том что пол за ночь не нагревался т.к. всё тепло шло обратно из внутренних стен и термостат по воздуху не сработал, котел не включался.

Внутренние стены у него из силикатного кирпича поштукатурены известковой штукатуркой 1…5см.

Сделаем теоретический расчет накопительной способности внутренней стены. Предположим что в доме 100м² у нас порядка 10м³ силикатных перегородок толщиной 115мм.

Это площадь 173м² с учетом что перегородка окружается воздухом с двух сторон.

Коэффициент конвекции внутренних стен 7.7Вт/м²⋅°С

Таким образом, воздух с температурой 25°C может отдавать стенам с температурой 22°C тепловую мощность равную 3×7.7×173=3996Вт.

На рисунке ниже изображён график моделирования перегородки. Нагрев осуществлялся конвективно воздухом с температурой 24°С и коэф.конвекции 7.7Вт/м²⋅°С. Снизу перегородку грел пол с температурой 30°×С. Исходная температура перегородки 22°С.

Можно заметить, что уже через 4 часа средняя температура перегородки выросла на 2 градуса с 21 до 23. А спустя ещё 9 часов поднялась на 1 градус с 23 до 24.

График средней по обьёму температуры силикатной перегородки.

На рисунке ниже представлена аналогичная модель, но материал стен газобетон Д500. Нагрев произошел ещё быстрее, но стоит помнить что плотность и аккумулирующая способность газобетона в более чем 3 раза ниже.

График средней по объёму температуры перегородки из газобетона Д500.

Проверим проводимость тепла внутри силикатной перегородки от центра к краю. Толщина половины перегородки 0.0575м а теплопроводность 0.7Вт/м⋅°С. Сопротивление теплопередаче стены равно 0.0575/0.7=0.082.

Тепловой поток в перегородке от наружной части в центр при разнице в 3 градуса будет равен 3/0.082 = 36Вт.

Для всех стен 36×173 = 6228Вт

Таким образом, перегородка имеет очень высокую внутреннюю теплопередачу и она будет беспрепятственно воспринимать и накапливать тепло от воздуха.

Разумеется, накопление энергии будет ограничено теплоемкостью материала.

Теплоёмкость силикатных перегородок порядка 880Дж/кг⋅°С, а значит нагревающиеся на 3 градуса перегородки объёмом 10м³ накапливают энергию равную 10×1800×880×3 = 47520000Дж = 13.2кВт⋅ч.

График моделирования показал что за 8 часов воздух 24 градуса нагревает перегородку с 21 до 23.7 градусов.

Если допустить что дом 100м² теряет 30Вт/м² в час т.е. за 16 часов потеряет 48 кВт⋅ч. Эти 48 кВт⋅ч могут быть почти на треть (13.2 кВт⋅ч) компенсированы путем остывания перегородок на 3 градуса.

Стоит учесть, что в доме помимо перегородок зачастую есть массивные перекрытия, лестничные марши, предметы отделки и интерьера. Они тоже учавствуют в накоплении тепла.

Так же тепловые поступления от проживающих людей, бытовых процессов, солнечных теплопоступлений могут компенсировать теплопотери.

Как итог влияние теплоёмких внутренних стен, предметов и бытовых теплопоступлений оказывается значительным. Именно поэтому мы наблюдали столь не значительное и очень плавное снижение температуры воздуха в двух домах.

Положительное влияние на комфорт ещё оказывает тот факт, что температура перегородок в зоне потолка и тёплого пола имеет выше нагрев чем в центральной зоне (см. рисунок ниже). Это было мною многократно отмечено замерами тепловизором и это вполне имеет логическое обоснование. Именно эти части остывают в первую очередь как более нагретые. А зона в уровне головы человека остается длительный период стабильной.

Распределение температуры перегородок (и воздуха) в доме при отоплении тёплым полом.


Проектирование и расчет аккумулятора для заказчика в г. Москва наверх


Приведем пример проектирования и расчета выполненного мною для заказчика из Московской области.

фундамента и грунтового теплового аккумулятора для заказчика в Москве.

Мною был спроектирован проект дома от фундамента до крыши в т.ч грунтового теплового аккумулятора.

Задача от аккумулятора ставилась использовать его в первую очередь для ночного тарифа. Так же рассматривался вариант нагрева от дровяного котла если заказчик будет проживать на пенсии, и как это зачастую бывает, времени будет много а финансы ограничены.

Расчет теплопотерь дома при tнаруж=-20°C, tвнутр=+22°C:

  1. Перекрытие холодного чердака с эковатой 300мм. R=7.14; S=74м². Потери 456Вт.
  2. Окна. R=0.8; S =14м². Потери 770Вт.
  3. Пол и цоколь. Rприведенный≈7; S = 74м². Потери 528Вт.
  4. Стены R=4.7; S=84м². Потери 786Вт.
  5. Потери на неоднородности по примыканиям перекрытия, откосам. Около 100Вт.
  6. Вентиляция в объёме 60м³/ч 988Вт.

Итого 3628Вт.

Потери на 1м² пола 49Вт/м²

Внутренние перегородки в доме из силикатных плит объёмом 8.5м², толщиной 115мм, площадью 74м².

Других массивных накапливающих элементов нет т.к. перекрытие деревянное, лестницы нет.

Единственная система отопления — тёплые полы.

Покрытие пола — ламинат на пробковой подложке и плитка в мокрых зонах и коридоре.

Была создана модель в elcut на основе изображённого проекта и потерь здания.

В качестве тестовой температуры выбрана реальная погода в Москве 12…24 января 2019г.

Подача теплоносителя в пол стяжки в среднем 29 градусов круглосуточно.

Подача теплоносителя в аккумулятор 45 градусов в ночные 8 часов.

Отбор тепла из аккумулятора идет трубами с заданной мощностью равной 70% потерь через полы.

На графиках ниже представлена работа модели для пола в виде плитки.

График средней температуры поверхности пола.

График средней температуры объёма песка.

График мощности теплового потока от 1п.м. трубы в стяжке.

График мощности отбора тепла с 1 п.м. трубы в песке.

Для деревянного пола подача в аккумулятор те же 45°C, подача в стяжке 35°C:

Видно, что для деревянного пола немного избыточная температура на поверхности, и то что мощность в трубах стяжки выше чем мощность отбора тепла из песка. Думаю, что снизив подачу до 34°C картина заметно улучшится. Возможно, ещё подачу в песок придется повысить на 1 градус выше. Пересчитывать модель не будем т.к. это занимает более часа.

Далее было сделано предположение что если для деревянного пола подача необходима около 34°C, то для пола с плиткой задана температура 34°С, но шаг труб увеличен до 30см.

Как видим на графике, температура пола с плиткой при шаге труб 300мм стала мало отличаться от температуры деревянного пола и труб с шагом 150мм. Это подтвердило слова инженера о рекомендуемом разном шаге для разного напольного покрытия.

Но все же заказчику посоветуем не пытаться шагом труб добиться комфорта, а лучше установить головку с сервоприводом на каждую ветку и поставить комнатный термостат. Так можно ещё и экономить энергию в помещениях где никто не проживает или снижать температуру на ночь.

Шаг труб пола можно оставить в пределах 150…200мм для любого покрытия.

Для режима нагрева от дровяного котла заданы следующие условия:

  1. Нагрев от котла с температурой воды 55°C 5 часов раз в 2-е суток.
  2. Температура в стяжке пола 29°C.
  3. Отбор тепла из труб в аккумуляторе равен 70% общим потерям через полы.
  4. Полы керамогранит с шагом труб 150мм.

На графиках выше изображено что температура поверхности пола находится в течение 12 дней в комфортной зоне. Мощность труб отдачи в стяжку приблизительно равно мощности обора трубами из аккумулятора.
Средняя температура аккумулятора варьируется с 29°C до 39°C. Замечено что в последние часы остывания песка температура песка возле труб всего 28°C т.е. она не обеспечит температуру подачи в стяжку 29°C.

На последнем графике изображена мощность отдачи с 1п.м. трубы в песок.
Средняя мощность 25 Вт.
Посчитаем какую энергию отдадут трубы за час. 74×6.7×25×5 = 12.3кВт⋅ч
За 5 часов 5×12.3 = 61.5кВт⋅ч
Так же зная что песок остывает с 39°C до 29°C можно рассчитать потерянную энергию (зная теплоемкость, плотность песка). Она составит примерно 70кВт⋅ч.

Посчитаем, хватит ли накопленной энергии:
За 5 часов мы передали в песок 61.5…70кВт⋅ч и порядка 6кВт⋅ч в трубы стяжки (2.5Вт на п.м в час)
Потери дома за период остывания 43 часа будут порядка 2.6кВт⋅ч в час т.е. 112кВт⋅ч за весь период.
Очевидно, что (61.5+6)кВт⋅ч меньше 112кВт⋅ч, а значит накопленного тепла не хватит.

Поэтому вероятно придется либо чуть увеличить подачу с 55 до 57 или увеличить длительность топки котла с 5 часов до 6 часов. Либо догревать помещение электроконвектором если температура опустится ниже комфортной. Хотя с учетом бытовых поступлений очень вероятно что они компенсируют часть теплопотерь, и потому в доме будет комфортно.

Далее в модели теплопроводность песка была повышена с 0.6 до 1.4.
Ниже результат работы модели для нагрева от дровяного котла в течение 5 часов в двое суток.

На графиках видно что температура пола находится в комфортное зоне. Температура аккумулятора существенно повысилась и находится в границах 35…47 градусов.

На 30…50% снизилась мощность труб в стяжке т.к. очевидно что более нагретый песок начал отдавать больше энергии через слой ЭППС 30мм. На графиках видно, что средний поток от песка в стяжку 45Вт, а потери около 100Вт (на длину пола 3.75м) т.е. 40…45% тепла идет через ЭППС.

Мощность отдаваемая трубами в песок повысилась не очень сильно с 25 до 31 Вт. Но это связано с тем, что песок стал более тёплым, и потому принимает энергию он уже хуже. Тем не менее, сомнений в том что в таком варианте хватит тепла на двое суток нет. Песок при остывании с 47 до 35 градусов отдает энергии 94кВт⋅ч. С учётом некой теплоемкости в стяжке пола и стенах тепла хватит чтобы компенсировать 112кВт⋅ч необходимой энергии на 43 часа.

Чтобы песок гарантировано не пересох и поддерживал теплопроводность 1.4 заказчику дан совет пароизолировать цоколь изнутри пленкой 150…200 микрон. Так же заложить две трубы ПНД 20мм в условные середины двух половин дома. Через них можно раз в сезон подать некое количество воды и обеспечить влажность песка.

Расчет мощности котла:
В первый час мощность отдаваемая в песок порядка 39Вт на п.м., т.е. на весь пол 19.3кВт
Делаем вывод что котла 20кВт едва хватит для нашего режима.
Согласно потерям дома 3.6кВт при -20°С необходимо "запасти" на 48 часов 172кВт⋅ч энергии. При протопке котла 5 часов в 2-е суток, мощность котла должна быть 172/5 = 34.4кВт⋅ч.
При средней температуре за отопительный период -2°С потери составят 2.12кВт. При таких потерях мощность котла необходима 48×2.12/5 = 20.3кВт.
Заказчик может выбрать более слабый котел на 20кВт и в сильные морозы увеличить длительность протопки. Либо можно купить мощный котел на 35кВт и обеспечить им протопку аккумулятора 5 часов в 2-е суток при любой уличной температуре.


Использование стяжки для аккумуляции тепла без использования аккумулятора в песке наверх


Возникло предположение что стяжка 80мм с полом из керамогранита 20мм тоже может накапливать тепло, и возможно, не требуется использовать аккумулятор в грунте.
В модели были изменены условия: в песке трубы вообще не осуществляют нагрев или забор тепла. В стяжке нагрев идет с температурой 35°C в ночные часы в течение действия ночного тарифа 8ч. Затем дневные часы идёт лишь остывание стяжки.

Температура пола в течение 12 дней на основе реальной погоды 12-24 января 2019.

Как видно полы относительно комфортные. Если учесть что часть теплопотерь дома компенсируются за счет теплоотдачи перегородок и бытовых поступлений, то вероятно что в доме будет комфортная температура и воздух будет снижаться не более чем на 2 градуса.

Песок под полом имеет среднюю по объёму температуру 28°C и почти не меняет её в течение суток.

Для модели нагрева от дровяного котла был выбран режим нагрева труб 2 часа каждые сутки с подачей 55 градусов. Результат показался схожим и приемлемым.

Затем снова вернулись к модели по ночному тарифу, но увеличили высоту стяжки до 110мм +20мм керамогранит. На графике ниже видно что это привело к снижению пиков при ночном нагреве почти на 1 градус с 29°С до 28°С.

Температура по объёму стяжки менялась от 23°С до 30°С.

Думаю, что толщину стяжки стоит ограничить одной машиной миксера от завода 7м³ и в итоге толщина будет 95мм. А под бетон отсыпать 10т. щебня и тем самым нарастить аккумулирующую массу. Пригруз щебнем ещё и позволит смонтировать прочно маяки для заливки бетона.

Вывод:
Заказчик может пользоваться аккумуляцией стяжки и не задействовать грунтовый тепловой аккумулятор. Заложить трубы в грунтовый аккумулятор имеет смысл на будущее для комфортного отопления дровами на длительный период. Затраты на укладку труб не велики ведь не потребуется сразу ставить коллектор. В последствии установить коллектор и подключить к первичному контуру котла не должно составить проблем. Рекомендуется обвязка из полипропилена как материала бюджетного и самого удобного для переделки.
Для максимальной экономии на первом этапе можно в стяжку заложить недорогой греющий кабель и им греть полы. Таким образом, не тратиться на водяное отопление и котел вовсе.


Изучение теплопроводности грунта и бетона. Мощность теплоотдачи и накопление энергии наверх


В ходе исследований было замечено огромное влияние теплопроводности грунта на мощность отдачи трубами и накопление тепла аккумулятором. Это вполне очевидно. Согласно исследованиям и замерам учёными теплопроводность песка может варьироваться от 0.15 до 3 в зависимости от фракции но в первую очередь от влажности.

Теплопроводность бетона тоже меняется от влажности, от наличия арматуры, от типа заполнителей, водоцементного соотношения и т.д. Абсолютно сухой мелкий песок с теплопроводностью 0.15 может за 5 часов принять тепла 0.05Вт на п.м при подаче 55 градусов в песок с температурой 30 градусов. Для дома 100м² и контуром труб 640м это объём энергии 32кВт⋅ч. Крайне мало чтобы говорить об накоплении тепла на двое суток. Как вариант решения этой проблемы можно использовать возможность увлажнить песок и повысить накопительную способность примерно в 5 раз. Второй из вариантов это использовать бетон для накопления тепла. Его теплопроводность в сухом состоянии 1.4.

Для замера накопительной способности была сделана модель изображенная на рисунке.

Модель elcut для изучения нагрева и остывания аккумулятора.

Модель имеет размер аккумулятора 1×0.25×1м с расположенными в нем 7п.м. труб. Изначальная температура песка 30 градусов. Подача в трубы производилась водой 55 градусов в течение 5 часов. Так же проверяли влияние снижения вдвое температуры т.е. 42.5 градуса (половина от дельты 30-55).

После окончания работы модели бралась средняя температура по объёму аккумулятора. Зная теплоёмкость песка или бетона и температуру нагрева аккумулятора, высчитывался объём энергии накопленный аккумулятором. Материал аккумулятора менялся на песок или бетон разной теплопроводности, а так же комбинацию песка и бетона.
Результат в таблице.

Заполнение акк. материалом с разной теплопров. Температура акк. через 5 ч., °С Объём накопл. энергии,кВт⋅ч на 1м²
1 Песок 0.15 33.8 0.38
2 Песок 0.44 38.4 0.85
3 Песок 0.6 40.4 1.05
4 Песок 2 49.5 1.94
5 Песок 0.6 с двумя контурами труб 47.39 1.77
6 Песок 0.44 с трубами в стяжке из бетона 40мм 42.6 1.28
7 Бетон 1.4 44.2 1.83
8 Бетон 2 47 2.22
9 Бетон 1.4 2 контура труб 50.8 2.7
10 Бетон 2 2 контура труб 52.7 2.95
11 Бетон 10см 1.4
+песок 15 см 0.44
(трубы в бетоне)
Песок 38.45
Бетон 49.33
0.53
1.05
Итого: 1.58
12 Бетон 10см 2
+песок 15 см 2
(трубы в бетоне)
Песок 45.8
Бетон 50.2
1
1.09
Итого 2.09
13 Песок 0.44
(нагрев 42.5 град.)
34.13 0.42
14 Бетон 1.4
(нагрев 42.5°C)
37.1 0.92
15 Песок 0.44
нагрев 42.5°C
нагрев 10 часов
36.58
(спустя 10ч)
0.65
17 Песок 0.44
нагрев карбоновым электро-кабелем Ø3мм (33Ом 12К) с шагом 10см
Длина отрезков 10м.
tкабеля=38…50°C
37.05 0.749
17 Бетон 2
Нагрев карбоновым электро-кабелем Ø3 мм (33Ом 12 К) с шагом 10см
Длина отрезков 10м.
tкабеля=32…39°C
35.52 0.749

В результате моделирования можно сделать выводы:

  • Высокая теплопроводность оказывает до 5 кратного увеличения накопленной энергии по сравнению с теплопроводностью при абсолютно сухом заполнителе.
  • Двойной контур труб приводит к увеличению накопленной энергии на 47% для бетона и 67% для песка.
  • Железобетон с теплопроводностью 2 или влажный песок с такой же теплопроводностью дают накопление энергии 2.22кВт⋅ч и 1.94кВт⋅ч соответственно на модели аккумулятора 1×0.25×1м. Для дома 100м² пола аккумулятор в 100 раз больше, т.е. энергия накопится 222кВт⋅ч и 194кВт⋅ч.
    При потерях дома 3.5кВт⋅ч накопленная энергия может компенсировать теплопотери в течение 62 и 54 часов.
  • Расположение труб в бетонной плите 10см а остальной объём заполненный песком даёт не плохую накопительную способность (1.58кВт⋅ч).
  • При пониженной вдвое дельте температур 42.5-30 против 55-30 объём энергии в аккумуляторе накапливается тоже вдвое меньше.
  • При нагреве песка с периодом 10 часов температурой 42.5°С накопленная энергия увеличилась на 55% по сравнению с периодом нагрева 5ч. В то же время накопленная энергия оказалась на 30% меньше чем за период нагрева 5ч с повышенной вдвое дельтой 55-30 град.
Вывод такой, что для максимального накопления тепла надо стремиться к максимальной дельте между подачей и песком а не увеличением периода нагрева. Хотя если мощность котла ограничена, то возможно длительный нагрев на небольшой мощности тоже допустим.

Рекомендации:
Для обеспечения накопления аккумулятором нужной мощности важно учесть:
1. Для песчаного аккумулятора можно проложить оросительную трубу в центр пола. Согласно исследованиям уплотненный песок фракцией 0.3…0.4мм удерживает в себе влажность в объёме 29л на м³. При этом песок имеет теплопроводность 1.8. Соответственно чтобы поднять влажность в полностью сухом песке под полом 100м² в объёме 25м³ нужно промочить его 725 литрами воды. Полагаю, что в реальности влажность песка будет снижаться очень медленно если стены цоколя будут отделаны паронепроницаемой пленкой или утеплителем. Ведь известно, что даже газобетон высыхает несколько лет в отапливаемом сухом доме. Фактически, движение влаги из толщи песка возможно лишь в грунт через достаточно не плохой пароизолятор в виде ПСБ 200мм. Конвекция воздуха в грунте отсутствует. Выход влаги возможен лишь за счет разности парциальных давлений. Влажность грунта обычно 100%, температура выше 5 градусов и потому разность парциальных давлений будет не высокая. А если утеплитель будет ЭППС, то выход влаги почти исключен. Возможно, потребуется добавлять некое количество воды 1 раз в сезон. Влияние увлажнения можно легко оценивать по мощности отдаваемой котлом в грунт. На рисунке ниже изображена мощность на 1п.м. трубы в песке с теплопроводностью 0.44, подачей 55°С при изначальной температуре песка 30°С. Период нагрева 5ч. Данный график можно использовать для ориентира определения теплопроводности грунта по отдаваемой мощности.

График мощности на 1п.м. трубы пола при подаче 55°С, изначальной темп. песка 30°С. Теплопроводность песка 0.44

2. Стоит рассмотреть размещение увеличенного объёма труб в грунте. Допустим, вместо шага 150мм сделать шаг 100мм. Это даст улучшение, как теплоотдачи так и теплоотбора из грунта, а так же некий запас, если какой то из контуров окажется не рабочим.

3. Применение бетона для накопления тепла весьма полезное мероприятие. Часто бывает что бетон и так устраивается в конструкции. Например, фундамент-монолитная плита. К тому же расположение труб в бетоне дает их надежную фиксацию и поведение труб уже известно на практике т.к. множество фундаментов типа УШП имеют трубы пола в плите.

При устройстве более тонкого пола по грунту 80…100мм аналогично этот бетон можно задействовать для накопления тепла. Поверх плиты устроить слой ЭППС 30мм и полусухую стяжку. Стяжка тоже накопит часть тепла.


Отбор тепла из аккумулятора наверх


Для имитирования отбора тепла была использована та же модель как для нагрева, но с рядом изменений. Изначальную температуру аккумулятора 30°C и подачу 55°C поменяли местами, т.е. температура аккумулятора 55°C а подача 30°C.

При работе 5 часов в песке с теплопроводностью 0.44 грунт аккумулятор остыл до 46.71°C т.е. на 8.29°C. Если взглянуть на модель нагрева, то аккумулятор нагревался на 8.4°C. Вполне логично, что цифры нагрева и охлаждения при одинаковой дельте температур совпали.

Мощность на 1 п.м. трубы при этом снижалась с 25 до 15Вт в час. Затем температура аккумулятора была задана на более реальные 40°C, а вода в трубах по прежнему 30.

В ходе эксперимента отмечали за какое время аккумулятор сможет отдать некую часть энергии воде, т.е. остынет на несколько градусов.

Результат в таблице:

Заполнение акк. материалом с разной теплопроводностью. Время остывания акк. с 40°C, ч. Средний поток с 1м² акк., Вт/м²
Песок 0.44 За 10 ч отдал 50% 51
Песок 0.6 За 10 ч отдал 62% 63
Песок 2 За 3.8 ч отдал 70% 187
Бетон 1.4 За 7.3 ч отдал 70% 124
Бетон 2 За 5 ч отдал 70% 182
Песок 2 За 16 ч отдал 97% 61
Песок 0.44 За 16 ч отдал66% 41

Выводы:

  1. Песок с малой теплопроводностью 0.44 даже спустя 10 часов смог отдать лишь 50% энергии из аккумулятора. Мощность, отдаваемая с 1м² поверхности аккумулятора (0.25м³) составила 51Вт. При потерях дома более 51 Вт с 1м² пола теплоноситель начнет остывать ниже 30°C, а пол станет холоднее.
  2. Песок и бетон с теплопроводностью 1.4 и выше могут отдавать мощность не ниже 124Вт с м² грунта. Это значение существенно превышает среднестатистические потери дома с 1м² пола.
  3. Бетон и песок с равной теплопроводностью 2 почти не отличались по мощности потока с 1м², но бетон как более теплоёмкий остывал и поддерживал эту мощность в течение 5 часов против 3.8 часа у песка. Отношение значений длительности(5:3.8) приблизительно равно отношению плотностей бетона и песка (2300:1800).
  4. Эксперимент показывает, что нагретый по ночному тарифу до 40°C песок с теплопроводностью 2 сможет в течение последующих 16 часов отдавать в среднем 61Вт с м² и остыв при этом до 30.3°C. Это, вероятно, компенсирует теплопотери хорошо утеплённого дома.

На нагрев такого песка с 30°C до 40°C при подаче 55°C необходимо всего 1.66 часа (при неограниченной мощности котла). Сухой песок с теплопроводностью 0.44 за 16 часов сможет отдать не более 66% энергии обеспечив мощность 41Вт/м². На нагрев такого песка с 30°C до 40°C необходимо порядка 6 часов при подаче 55°C.
Общий же вывод можно сделать такой:
Разница между высокотеплопроводным влажным песком или бетоном и сухим низкотеплопроводным песком в том, что первые можно нагревать за очень короткий срок и они могут отдавать назад очень высокую мощность. Сухой песок необходимо греть в 3…4 раза дольше, а тепло он отдает лишь на малой мощности. Поэтому для нагрева от дровяного котла где есть высокая мощность и короткий период работы необходим высокотеплопроводный накопитель. Для нагрева по ночному тарифу, вероятно, может подойти даже сухой песок.


Остывание без труб наверх


Был проведен так же эксперимент по остыванию конструкции без задействования труб. Конструкция изображена на рисунке ниже. Это полусухая стяжка, разделённая слоем ЭППС 20мм от плиты. Начальная температура модели 35°С. С участка равного 1м² с поверхности стяжки задан отток тепла 45Вт/м².

Модель выполнялась в течение 24 часов. Температура бетона достигла в среднем по объёму 31.76°C а полусухой стяжки 7.22°C.

Тепловой поток из бетона согласно расчету составил в среднем 22Вт/м², а из полусухой стяжки 25Вт/м².

На графике ниже видно, что в течение первых трёх часов тепловой поток от бетона был всего в среднем 5Вт/м². Далее по мере остывания полусухой стяжки бетон всё активнее начинал наращивать отдаваемую мощность.

К третьему часу стяжка уже остыла на 6 градусов с 35°C до 29°C.

На 20 тыс.секунде дельта температур между стяжкой и бетоном составила 10 градусов (24 и 34).
Поток от бетона в стяжку при этом составил 13Вт/м².
Точно такой же поток можно ожидать, если стяжка будет типичные 28 градусов, а плита будет 38 градусов.
Полученные цифры можно проверить по закону теплопередачи Фурье. Коэффициент сопротивления теплопередаче стяжки и ЭППС составляет 0.06/0.4 + 0.02/0.035 = 0.721.
Тепловой поток при дельте в 10 градусов будет 10/0.721 = 13.86Вт/м².
Значение почти совпало с полученными в elcut 13Вт/м².

При замене полусухой стяжки на бетонную или растворную за 24 часа она остыла до 11 градусов. Поэтому материал стяжки в такой модели не сильно влияет на процессы.

Второй эксперимент заключался в исследовании модели без прослойки ЭППС.

В таком случае средняя по объёму температура стяжки за сутки снизилась с 35°С до 24°С градусов, а бетон с 35°С до 30°С.

Тепловой поток из бетона уже после 4х часов работы составил свыше 30Вт/м² т.е. свыше 66%.

Температура поверхности пола снизилась за сутки с 35°C до 21°C.


Нагрев аккумулятора греющим кабелем наверх


Существуют примеры, когда аккумулятор в виде бетонной плиты УШП нагревают по ночному тарифу греющим кабелем.

Другой пользователь полов с греющим кабелем подтверждает успешную работу вот уже 3 года, а так же высокую температурную стойкость кабеля.

Затраты на всю систему отопления в таком случае на дом 100м² могут составить порядка 20тыс.руб включая комнатные термостаты. Такая низкая цена из-за отсутствия труб, котла, коллекторов и т.д.

Эксперименты проводились для имитации нагрева от кабеля 33Ом 12К Ø3мм. Задавалась мощность кабеля 15Вт/п.м. Опыт показал, что даже сухой песок и бетон весьма принимают полностью энергию от кабеля. Накопленная энергия оказалась одинаковой 0.749кВт⋅ч/м². Нагрев кабеля при этом для сухого песка достигал 50°С а для бетона 39°С.

При работе кабеля даже в среде с низкой теплопроводностью он всё равно будет выдавать всю мощность согласно его характеристикам. Температура кабеля повысится настолько, пока он не отдаст мощность в среду. Если среда слишком низко теплопроводная, то кабель нагрееется до максимальной 180°C и сгорит. В реальности даже сухой песок воспримет рекомендуемую максимальную мощность 15Вт/п.м, а кабель при этом нагреется примерно не выше 50°C. В бетоне соответственно мощность будет тоже 15Вт/п.м., а температура кабеля существенно ниже.

Расчет мощности участка кабеля производится по формуле:
P=I2R=U2/R=I⋅U

Например, участок 10м кабеля 33Ом даст мощность 220×220/10×33=146,66Вт

В Интернете есть таблица созданная неким энтузиастом, замерившим температуру кабеля различной длины.

Так же им создан калькулятор для расчета кабеля.

Стоит заметить, что указанная температура справедлива лишь при нагреве на открытом воздухе. При моделировании в elcut кабель помещённый в бетон нагревался не более 39°C, т.к. бетон быстро поглощал тепло.

График нагрева кабеля 33Ом 10м (15Вт/м) в бетоне +20°C

Кабель обычно крепится к сетке. Для сетки с ячейкой 100×100мм идеально подойдет кабель 33Ом. При шаге крепления кабеля 100мм его уйдет на 1м² примерно 10м. Это мощность 146Вт на м². Температура такого кабеля погруженного в бетон будет не более 30°C, а на воздухе не выше 60°C.

При ячейке сетки 150×150 кабеля на 1м² необходимо около 6.7…7.5м. Кабель 33Ом такой длины категорически нельзя использовать т.к. он слишком сильно разогреется на воздухе. Кабели с другим сопротивлением не удалось подобрать т.к. такой длины кабель либо отдавал малую мощность на всю длину либо был слишком высокой мощности на 1п.м. Вообще при моделировании в elcut любой кабель с мощностью 20Вт/м нагревался на воздухе около 100°C. Потому верно подмечено, что не стоит превышать мощность 18Вт/м. Стоит ещё учесть, что при напряжении 250 вольт (что редко, но бывает), кабель 33Ом 10м будет иметь мощность 19Вт/м, т.е. достигнет максимально допустимой мощности. Таким образом, оптимальная укладка кабеля это 33Ом кусками по 10м. Его разумеется можно крепить на сетку с любым шагом. На сетке 150×150мм если на 10м² будет 7 кусков кабеля по 10м то мощность на 1м² будет 146×7/10 = 102Вт/м². Хватит или нет такой мощности для нагрева аккумулятора нужно считать для конкретных условий.

Выводы и рекомендации:
Поскольку греющий кабель является лишь источником нагрева аккумулятора и не может быть задействован для отбора тепла из аккумулятора (как трубы), то решение с греющим кабелем имеет ряд ограничений. Оно не годится для модели аккумулятора где стяжка и аккумулятор отделены слоем ЭППС. Но подходит для домов где массивные бетонные полы.

Разумеется, греющий кабель ограничивает источник энергии только в виде электричества без возможности задействовать дровяной котел. Возможно, имеет смысл размещать греющий кабель совместно с трубами. Первое время можно использовать кабель для нагрева аккумулятора и не тратиться на дорогое оборудование в виде котла, коллекторов и т.д. Может так оказаться, что в таком режиме дом будет комфортным и устроит жильцов. Трубы в таком случае останутся как запасной вариант нагрева аккумулятора. Из плюсов греющего кабеля еще отметим что к нему можно приобрести комнатный термостат за 1'500 RUR 2020г. с возможностью почасового программирования, позволяющего настроить включение при ночном тарифе. Так же термостат обычно имеет 2 датчика температуры воздуха и пола, и потому, может быть задействован для точной настройки комфорта в отдельном помещении.

Для реализации греющего кабеля для мощности, допустим 8кВт, потребуется 550м кабеля, разделенного на участки по 10м, т.е. 55 участков. Каждый из участков потребуется подсоединить к питающему проводу. Процедура несколько сложнее чем размотка трубы пола на первом этапе. Но зато не требует материальных и трудовых затрат в последствии на организацию коллектора и т.д. Стоит еще и учесть, что требуется особый контроль за укладкой кабеля. Ведь отрезки длиной менее 6-8 м попросту перегорают при включении (5м кабель сгорел за 5 секунд нагревшись до 200+ град.). В целом же считаю что решение спорное, т.к. все что связано с электричеством и электронагревом это повышенный риск и опасность возгораний. Эксперименты показывают что оплетка кабеля горит при чрезмерном нагреве.