Водяной и электрический теплые полы: сравнение эффективности

Многие производители и продавцы систем электрических теплых полов заявляют о 100% преобразовании электрической энергии в тепловую.

Это заявление, мягко скажем, «от лукавого».

Во-первых, ни один вид энергии не преобразуется в другую со 100% КПД. Всегда существуют те или иные виды потерь при преобразовании.

Во-вторых, если бы мы стояли ногой непосредственно на самом нагретом кабеле (мате, пленке) и «получали» тепло непосредственно на его поверхности, то это одно дело. Но нагревательный элемент заложен в «пирог» пола, следовательно, преобразование тепла происходит по «каким-то иным» процессам, отличным от прямой передачи.

Попробуем с этим разобраться.

 

Тепло в помещение отдается с поверхности теплого пола. Следовательно, её надо нагреть. Теплопередача происходит от нагревательного элемента (кабеля, мата, трубы теплого пола) стяжке, от стяжки чистовому покрытию. Эффективность процесса зависит от температуры нагревательного элемента, а также от суммарного термического сопротивления материалов, участвующих в процессе теплопередачи.

Думаем, потребителю очевидно, что чем толще чистовое покрытие или стяжка, тем выше нужна температура нагревательного элемента, и/или тем дольше будет прогреваться пол, и/или тем больше энергии нужно потратить на преодоление теплового сопротивления материала.

 

Если строго по-научному.

Богословский В.Н. Строительная теплофизика. Учебник для вузов.

В нагревательных панелях с замоноличенными (встроенными) змеевиками нагревательных элементов сопротивление теплопроводности R_T массива от нагревательного элемента к поверхности панели имеет значительную величину и зависит от диаметра проводника d (труб, кабелей), расстояния (шага) между ними s, глубины расположения от поверхности h, теплопроводности материала массива панели λ, а также от конструкции панели.

Эффективность теплопередачи характеризуется сопротивлением теплопроводности R_T массива панели, отнесенной к эффективной площади теплоотдачи с поверхности теплопроводника.

(Т.е., проще говоря, сколько «кубометров» нагреваемого массива плиты приходится на 1 кв.см поверхности нагревателя?)

Т.о. при прочих равных условиях (одинаковая толщина и характеристика стяжки, глубина залегания, шаг укладки, тип и толщина чистового покрытия) всё сравнение эффективности сводится к соотношению диаметров нагревательных элементов (для круглых сечений).

Следовательно, если диаметр труб теплого пола составляет 20 мм, а диаметр греющего кабеля 2 мм, то эффективность теплопередачи от труб теплого пола в 10 (!) раз выше, чем от греющего кабеля.

 

Справедливости ради надо отметить, что производители кабельных систем отопления знают об этих «законах», поэтому «компенсируют» эту разницу целым рядом рекомендаций.

Например, уменьшают шаг укладки (расстояние между теплопроводниками) до 50-100 мм. Т.о., если шаг укладки труб теплого пола будет составлять 150 мм, а греющего кабеля 100 мм, то и объем массива панели, приходящегося на 1 метр теплопроводника, уменьшится, соответственно, в 1,5 раза.      

Большинство соглашается с таким доводом. Но некоторые, соглашаясь с базовым принципом, утверждают, что такое соотношение справедливо только для начальной (запуск и разогрев) стадии нагрева, а в стабилизированном режиме затраты тепла на поддержание температуры в помещении будут одинаковыми.

Нет, мы не согласны с такими «заявлениями».

Еще раз о «тепловом балансе» в помещении:

- сколько помещение теряет, столько и надо возместить в нем тепла;

- чтобы возместить необходимое количество тепла необходимо поддерживать (!) разность температуры между воздухом в помещении и на поверхности греющей панели;

- температурный баланс – это не стационарный, а колебательный процесс, зависящий от многих факторов.

 

Обратимся к закону Джоуля-Ленца.

Скорость преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью P=UI; учитывая, что U=rI, получаем

Количество электрической энергии W, преобразованной в тепло за время t,

Так как в системе СИ единицей количества тепла, так же как и единицей энергии, является джоуль, то выделенное током I в сопротивлении тепло

Количество тепла измеряется иногда внесистемной единицей – калорией (количество тепла, необходимо для нагревания 1г воды на 1 °С): 1кал=4,187Дж или 1 Дж = 0,24 кал Следовательно, количество тепла, выраженное в калориях, определяется по формуле

Или в Ваттах в час (внесистемная единица измерения работы или количества произведенной или потребленной энергии) с учетом, что 1Вт*час=3600 Дж:

Q=0,00028rI²t

Следовательно, каждый раз, чтобы повысить температуру на поверхности пола хотя бы на 1 градус, нагревательному элементу требуется нагреть весь массив окружающей его панели, и «передать» этот 1 градус сквозь массив к поверхности.

На это требуется соответствующая мощность и время.

Если используется резистивный кабель (с постоянным сопротивлением проводника), то он каждый раз включается на полную мощность, нагревая панель за определенное время.

Если применяется саморегулирующийся кабель (с изменяющимся сопротивлением проводника), то в стабилизированном режиме потребляемая мощность меньше, но для передачи той же самой мощности требуется больше времени.

Пример для пояснения «что происходит» (на бытовом уровне).

Вы выпиваете 15 чашек чая в течение дня (200 грамм каждая), итого 3 литра.

Если Вы используете стандартный электрический чайник мощностью 1,5-2 кВт, то каждый раз включаете чайник (на полную мощность), кипятите весь объем воды в чайнике, но забираете только одну свою чашку кипятка.

Если для той же самой цели вы применяете термопот (изделие, совмещающее в себе чайник и термос), то вы нагреваете воду один раз, а далее расходуете ее по необходимости.

Термопот, как правило, меньше (600-800Вт) мощности, чем чайник и нагревает медленнее объем воды, кроме того, на поддержание постоянной температуры тоже затрачивается энергия.

В итоге, вы получите те же самые 15 чашек кипятка, но удельные затраты электроэнергии на приготовление одной чашки будет значительно ниже.

 

Скептики могут справедливо возразить, что и в водяном теплом поле происходят те же самые теплообменные процессы.

Да, в нагреваемой плите, теплообмен происходит по тем же законам. Но, в отличие от электрических теплых полов, где происходит прямое преобразование электрической энергии в тепловую, в водяном теплом поле этот процесс разделен на две составляющие:

- прямое преобразование электричества в тепло в непосредственно электронагревателе;

- передача тепла за счет циркуляции нагретого теплоносителя по трубам, встроенным в отопительную панель.

 

Т.е. в самом электронагревателе та же самая мощность (допустим 2000Вт) преобразуется в тепло:

Q=0,00028rI²t

Но объем теплоносителя в нагревателе по отношению к его мощности несоизмеримо значительно меньше, чем масса плиты, по отношению к площади теплоотдающей поверхности кабеля той же мощности.

Если бы не было прокачки теплоносителя через нагреватель, то такой малый объем нагреется до высокой температуры за секунды.

 

На втором этапе мощность, отбираемая от нагревателя, передаваемая отопительной панели, зависит от температуры на входе в источник T₁, на выходе из источника T₂, расхода теплоносителя g и теплоемкости теплоносителя С:

 

Т.е. для непосредственного транспортирования тепла и обеспечения эффективного теплообмена в отопительной панели затрачивается электроэнергия только на работу циркуляционного насоса (это 8-60 Вт*час в зависимости от марки и скорости насоса).

Выводы (для соразмерных по мощности систем):

1. Для нагрева (период времени с высокими затратами на электроэнергию) в водяных теплых полах (с источником от электрокотла) требуется короткий по времени импульс максимальной мощности. В электрических теплых полах требуется разогреть значительно большую массу, следовательно, требуется значительно больше времени.

2. Для передачи тепла от источника в помещение в водяных теплых полах затрачивается энергия на работы циркуляционного насоса. Если речь идет об 1-2 кв.м, то это существенный фактор. Если площадь панели 10 кв.м и более, то эти затраты не существенны, ввиду малой мощности потребления.

3. В электрических теплых полах «транспортирование» тепла от кабеля к поверхности чистового покрытия связано с теми же самими затратами на нагрев и преодоление термического сопротивления материала «пирога» панели. Чем больше площадь панели по отношению к площади непосредственно теплого пола, и/или чем тоще стяжка, и/или чем меньше теплопроводность материала чистового покрытия, тем выше эти затраты.

4. Для передачи тепла на большую площадь в водяных теплых полах достаточно увеличить объем прокачиваемого теплоносителя через источник тепла. Для электрических теплых полов в этом случае необходимо пропорционально увеличивать подключаемую электрическую мощность.

Поэтому производители и продавцы электрических теплых полов оперируют не фактическими (расчетными) тепловыми потерями, следовательно фактическими отопительными нагрузками, а рекомендуют использовать в расчетах, так называемые, удельные нагрузки, требуемые для подключения их систем к электрической сети. И эти «рекомендуемые» показатели доходят до 250 Вт/кв.м (!).

При отопительной нагрузке 50 Вт/кв.м (тепловые потери стандартного дома, квартиры) при мощности нагревателя 2000 Вт водяными теплыми полам можно обогреть 40 кв.м. Для электрического теплого пола подключаемая нагрузка понадобится 4-10 кВт (в зависимости от типа кабеля, мата, греющей пленки).

Если мы рассматриваем систему «комфорт» (отопительная нагрузка 20-30 Вт/кв.м -подогрев пола при существующей отдельной системе отопления), то мощности 2 кВт водяного теплого пола достаточно на площади около 100 кв.м.

Про потребности в нагрузке для электрических теплых полов мы лучше промолчим.

Это легко проверить. Достаточно позвонить любому продавцу электрических теплых полов или внимательно посмотреть техническую документацию на такие системы.

Кроме того, существует целый ряд особенностей, которые мы не можем отнести к непосредственному сравнению эффективности двух систем, т.к. они не связаны напрямую с их свойствами, а скорее со сложившейся практикой применения, а также непрофессиональным монтажом или просто игнорированием рекомендаций производителя. 

Но упомянуть об этих особенностях, мы считаем, не будет лишним, т.к. некоторые ошибки или просчеты существенно снижают эффективность систем.

 

Особенность-1. При подборе электрического теплого пола в расчет берется не вся площадь помещения, а только «свободная» от массивных предметов, т.к. не рекомендуется «накрывать» теплый пол во избежание его перегрева. Следовательно, тепловую нагрузку всего помещения надо относить на площадь греющей панели. Таким образом, если у вас электрическим теплым полом покрыто 50% площади пола помещения, то и нагрузка на 1 кв.м должна быть в 2 раза больше, если бы греющей панелью было бы 100% поверхности пола.

Для водяных теплых полов не важно находятся они под мебелью, или нет, как у вас стоит мебель сегодня и будет стоять завтра.

 

Особенность-2. В погоне за снижением толщины пирога греющей панели, пренебрегая рекомендациями, многие потребители не делают слой теплоизоляции или используют порой материалы для этого мало пригодные. Это приводит к тому, что часть тепла «уходит» вниз в плиту перекрытия. При больших удельных отопительных нагрузках (что как раз характерно для электрических теплых полов) эффективность системы теплых полов снижается не на проценты, а в разы (!).