輻射式床暖房のパイプオプションを理解する

何年も前、私は高校の理科の先生にクラスに次の質問をさせました。気温 20 度の日に木片と鉄の棒を屋外に置いた場合、どちらの方が暖かいでしょうか。 クラスのみんながこの不可解な質問について考えている間、私は座って考えていました。「何が落としどころなんだろう？」

必ず落とし穴があります。 グラントの墓に誰が埋葬されているか尋ねるようなものだ。 答えは質問の中にありました。

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熱心な17歳のクラスでは、鉄の棒はもっと冷たいという意見に同意しながら、1位を目指して競争する人もいました。 もちろん、その質問に対する答えは当時も今も同じです。実際、両方の物体は同じ温度です。

問題は、どちらが暖かいかということではなく、どちらがより暖かく感じるかということでした。 両方とも同じ条件の屋外にいたので、温度は同じでなければなりません。 しかし、鋼は導電性が高いため、より冷たく感じるでしょう。 つまり、木よりも早くエネルギーを私たちの手から遠ざけます。

輻射床暖房の世界でも、輻射床の設置に使用されるパイプのオプションの違いについて議論するときに、同様の誤解を発見しました。 具体的には、PEX が EPDM よりも効率的であるかどうかについて疑問が生じます。 PEX はより低い流体温度を使用するため、PEX を分散させたシステムの方が効率的であると言う人もいるかもしれません。 しかし、1 つのパイプ オプションが本当に効率的でしょうか?

これに答えるには、輻射床内で、そして輻射床を介して熱がどのように伝達されるかを理解する必要があります。 信じられないかもしれませんが、すべての熱が均等に生成または分配されるわけではありません。 加熱には、対流、伝導、輻射という 3 つの方法があります。

対流システムは媒体 (通常は空気) に依存し、何らかの機械的手段 (通常はファン) によってある場所から別の場所に移動します。 温水システムでは、空気が水に置き換えられ、ファンがサーキュレーターに置き換えられます。 水は熱エネルギーをボイラーから放射ゾーンに移動させます。 ご存知の方も多いと思いますが、あえて言わなければなりません。水は空気よりも数倍伝導性があり、空気よりも何倍もエネルギーを移動させる能力があります。

導電性転移とは、温度の異なる 2 つの物体が接触することです。 より温かい物体は、接触領域を介してより冷たい物体に熱エネルギーを与えます。 先ほどの鉄柱に手を置いたときのことを考えてください。 ポールは伝導性が高いため、熱がすぐに手から離れてしまい、より冷たく感じます。 輻射システムでは、輻射チューブが床材または下地床と接触している場所ならどこでも、あるいは場合によっては熱伝達プレートの助けを借りて、伝導が起こります。

輝く転移とは、より暖かい物体がエネルギー波を介してより冷たい物体にエネルギーを放出することです。 この良い例は、地元のドライブスルーでフライドポテトの入ったバスケットの上にぶら下がっている加熱ランプです。 より高温のランプにより、揚げたてのフライドポテトを温かく保ちます。 輻射熱について覚えておくべきキーワードは、熱は熱いところから冷たいところへ移動するということです。

3 つの方法すべて (スポーツに喩えるとチームワーク) が、放射床システムを機能させるために使用されます。 熱伝達の仕組みを説明するために、次の例を見てみましょう。典型的な 20 x 20 フィートの部屋の暖房強度は 25 Btuh/平方フィートで、望ましい室温は 70°F です。 私たちの計算によると、床表面温度が 80°F 未満の場合、部屋は設計の熱負荷を満たさないことがわかります。

この場合の床は輻射パネルであり、床の温度が 80°F に上昇するため、エネルギーが室内に伝達されます (熱いものは冷たいものに移動することを思い出してください)。 床材が何であるかは重要ですか？ いいえ、部屋の観点からではありません。 部屋で重要なのは、表面が適切な温度であることだけです。 床材は部屋の熱損失に影響しますか? またいいえ。 部屋の熱損失は、壁の R 値、窓の面積、露出した壁の長さなど、構造全体によって決まります。この場合、部屋の負荷は 25 Btuh/平方フィートとなり、床面は 80°F でなければなりません。床材に関係なく温度が変化します。

床の施工も同様です。 スラブ、薄いスラブ、またはフレーム床を使用することもできますが、同じ要件が当てはまります。25 Btuh/平方フィートの熱損失を満たすには、床の表面温度が 80°F である必要があります。

床の構造や床材が重要ではないということではありません。重要です。 床の構造によって、エネルギーが輻射チューブから床面までの経路 (熱抵抗が最小になる方向) が決まり、全体の応答時間に影響します。 質量 (つまり、スラブ) が大きくなるほど、システムが変化する条件に応答するのに時間がかかります。 ただし、この例では、すべてを同じにして、チューブの変更だけに焦点を当てましょう。

床材は床構造の一部であり、床全体の R 値の一部です。 床材を変更すると、流体の温度に影響します。 導電性の高いカバーを使用すると、同じ表面温度を維持しながら流体温度を下げることができます。

熱は非常に予測可能な方法で冷たくなるということを覚えておいてください。 温度変化 (デルタ T または ΔT) が大きいほど、特定の材料を通過するエネルギーの移動も大きくなります。 床材や構造に制限がかかると、より多くのエネルギーが必要になります。 あるいは、むしろ、材料の抵抗が高いほど、同じ量のエネルギーを材料に伝達するために必要なΔT が大きくなります。

例の部屋の床材をカーペットからタイルに変更した場合、必要なエネルギーは同じ 25 Btuh/平方フィートであり、表面温度は依然として 80°F である必要があります。 設計条件は同じでも、施工は異なります。 床材をタイルに変更して以来、全体的な材料抵抗が低下し、床全体の導電率値が増加しました。

依然として 80°F の床面温度が必要ですが、床構造の残りの部分を想定すると、80°F の床面と配管の間のより小さい ΔT (より低い供給流体温度) で必要な加熱強度を達成できるようになりました。同じまま。

では、チューブのオプションを変更すると、設計はどうなるでしょうか? この変化をよりよく理解するには、チューブ内の流体と床の間で何が起こっているかの仕組みを深く掘り下げる必要があります。

効率、つまり提供される総エネルギーに対する使用可能なエネルギーの比率を特定する必要があります。 この総エネルギーには、部屋に提供されるエネルギーだけでなく、バ​​ック損失とエッジ損失 (輻射パネルの下と側面の領域) と呼ばれる、さまざまな発生源によって失われるエネルギーも含まれます。

負荷は床ではなく部屋の構造によって決まるため、部屋の暖房強度は同じであるとすでに結論付けています。 現在、効率に影響を与えるのは背面および端の損失であり、これは放射配管の表面温度または皮膚温度の影響を直接受けます。 皮膚温度が高いほど、バックとエッジの損失が大きくなります。 皮膚温度が同じであれば、バックとエッジの損失は同じになります。

現在市場にはいくつかのチューブのオプションがあり、それぞれが特定の加熱用途に基づいてわずかに異なる設計条件を必要とします。 私たちの部屋の例では、25 Btuh/平方フィートの負荷と 80°F の床表面温度要件が必要です。 最初に行う必要があるのは、この部屋を適切に暖房するために必要な皮膚温度を決定することです。 そこから必要な流体温度を決定し、最終的にパネル全体の効率を決定します。

必要な皮膚温度を決定するには、床材からチューブに至るまで作業を行う必要があります。 この例の部屋では、必要な床表面温度は 80°F です。 床構造の導電率値が既知であることを考慮すると、埋め込まれた放射配管の皮膚温度は一定になります。 これは、使用する配管オプションに関係なく、必要な床表面温度を維持するために必要な皮膚温度と同じです。

したがって、EPDM チューブを使用するシステムには、PEX または PE-RT を使用するシステムと同じ皮膚温度が必要になります。 皮膚温度が異なれば、結果として得られる床表面温度も異なります。

ただし、皮膚温度が等しいということは、供給流体の温度が等しいという意味ではありません。 その理由は、管壁のΔT、パイプ材料の導電率値、およびある程度は使用されるパイプの直径に直接関係します。 図 1 は、一般的な輻射式床暖房システムで使用される 4 本のパイプのさまざまな特性を示しています。 銅は対照基準として示されています。

図1

配管の熱抵抗値は、2000 ASHRAE Handbook-HVAC Systems and Equipments の第 6 章: パネルの加熱と冷却にある式を使用して計算されます。 等価チューブの導電率値が計算されると、チューブ壁を通した対応する温度降下を決定できます。

図2

EPDM チューブは材料の熱抵抗と肉厚​​がわずかに高いため、より高い供給温度が必要になります。 PEX と比較すると、同じ用途において EPDM は PEX よりも約 8.68°F (13.0980 – 4.418 = 8.68) 高い流体温度を必要とします。

皮膚温度と床の間のΔT が一定であるため、システムが必要以上にまたは少ないエネルギーを供給することがなくなります。 ここに問題があると、部屋の過熱または暖房不足が発生します。 EPDM、PEX、または PE-RT のいずれを使用する場合でも、システムの皮膚温度は同じである必要があります。 表面温度が同じであれば、背面とエッジの損失が同じであることを示します。つまり、供給流体の温度が変化しても、パネル効率は同じままです。

結論: 使用されるコンポーネントに合わせて輻射システムを設計することが重要であり、さらに重要なのは、指定された設計に従って設置されることです。

では、高校の理科の先生が尋ねた木片と鉄の棒に関する問題のように、「輻射床ではどのパイプがより暖かいですか?」に対する答えは何でしょうか? 答えは、すべての配管が同じ温度であるということです。

Kolyn Marshall は、1995 年から Watts に入社し、温水ラジアント市場で活躍しています。Watts 在職中、外販でキャリアをスタートし、技術サポート、戦略的マーケティング、製品管理のさまざまな指導的役割に移行するなど、さまざまな役割を果たしてきました。 。 この間、Kolyn は技術マニュアル『Understanding Radiant Systems for RSES』を執筆しました。 コリンは、ミズーリ大学コロンビア校で機械工学の学士号を取得しています。