Порядок расчета сечения магистралей теплоснабжения
Перед тем как рассчитать диаметр трубы отопления необходимо определиться с их основными геометрическими параметрами. Для этого нужно знать основные характеристики магистралей. К ним относятся не только эксплуатационные качества, но и размеры.
Каждый производитель указывает значение сечения труб – диаметр. Но фактически он зависит от толщины стенки и материала изготовления. Перед приобретением определенной модели трубопроводов нужно знать следующие особенности обозначения геометрических размеров:
- Расчёт диаметра полипропиленовых труб для отопления делается с учетом того, что производители указывают наружные габаритные размеры. Для вычисления полезного сечения необходимо отнять две толщины стенки;
- Для стальных и медных трубопроводов даются внутренние размеры.
Зная эти особенности можно делать расчет диаметра коллектора отопления, труб и других компонентов для монтажа.
При выборе полимерных труб отопления нужно обязательно уточнить о наличии в конструкции армирующего слоя. Без него при воздействии горячей воды магистраль не будет иметь должной жесткости.
Определение тепловой мощности системы
Как правильно подобрать диаметр труб для отопления и следует ли это делать без расчетных данных? Для небольшой системы отопления можно обойтись без сложных вычислений
Важно лишь знать следующие правила:
- Оптимальный диаметр труб с естественной циркуляцией отопления должен составлять от 30 до 40 мм;
- Для закрытой системы с принудительным движением теплоносителя следует использовать трубы меньшего сечения для создания оптимального давления и скорости потока воды.
Для точного вычисления рекомендуется использовать программа для расчета диаметра труб отопления. Если же их нет – можно воспользоваться приблизительными вычислениями. Сначала необходимо найти тепловую мощность системы. Для этого необходимо воспользоваться следующей формулой:
Где Q – рассчитываемая тепловая мощность отопления, кВт/ч, V – объем комнаты (дома), м³, Δt – разница между температурами на улице и в помещении, °С, К – расчетный коэффициент тепловых потерь дома, 860 – величина для перевода полученных значений в приемлемый формат кВт/ч.
Наибольшие затруднения при предварительном расчете диаметра пластиковых труб для отопления вызывает поправочный коэффициент К. Он зависит от теплоизоляции дома. Его лучше всего взять из данных таблицы.
Степень теплоизоляции здания
Качественное утепление дома, установлены современные окна и двери
В качестве примера расчета диаметров полипропиленовых труб для отопления можно вычислить требуемую тепловую мощность комнаты общим объемом 47 м³. При этом температура на улице будет -23°С, а в помещении — +20°С. Соответственно разница Δt составит 43°С. Поправочный коэффициент возьмем равным 1,1. Тогда требуемая тепловая мощность составит.
Следующий этап выбора диаметра трубы для отопления – определение оптимальной скорости движения теплоносителя.
В представленных расчетах не учитывается поправка на шероховатость внутренней поверхности магистралей.
Скорость воды в трубах
Таблица для расчета диаметра трубы отопления
Оптимальный напор теплоносителя в магистралях необходим для равномерного распределения тепловой энергии по радиаторам и батареям. Для правильного подбора диаметров труб отопления следует принимать оптимальные значения скорости продвижения воды в трубопроводах.
Стоит помнить, что при превышении интенсивности движения теплоносителя в системе могут возникать посторонние шумы. Поэтому данное значение должно быть равно от 0,36 до 0,7 м/с. Если параметр будет меньше – неизбежно возникнут дополнительные тепловые потери. При его превышении появятся построение шумы в трубопроводах и радиаторах.
Для окончательного расчета диаметра трубы отопления следует воспользоваться данными из таблицы, представленной ниже.
Подставляя в формулу расчета диаметра трубы отопления в полученные ранее значения можно определить, что оптимальный диаметр трубы для конкретного помещения составит 12 мм. Это лишь приблизительный расчет. На практике специалисты рекомендуют к полученным значениям прибавить 10-15%. Это объясняется тем, что формула расчета диаметра трубы отопления может измениться из-за добавления новых компонентов в систему. Для точного вычисления потребуется специальная программа для расчета диаметра труб отопления. Подобные программные комплексы можно скачать в демоверсии с ограниченными возможностями расчетов.
Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией
Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.
Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.
Закрытая система с самотечной циркуляцией
В странах ЕС, системы закрытого типа пользуются наибольшей популярностью среди других решений. В РФ схема пока не получила широкого применения. Принципы действия водяной системы отопления закрытого типа с безнасосной циркуляцией заключается в следующем:
- При нагревании теплоноситель расширяется, происходит вытеснение воды из контура отопления.
- Под давлением жидкость поступает в закрытый мембранный расширительный бак. Конструкция емкости представляет полость, разделенную мембраной на две части. Одна половина бачка заполнена газом (в большинстве моделей используется азот). Вторая часть остается пустой для наполнения теплоносителем.
- При нагревании жидкости создается давление, достаточное, чтобы продавить мембрану и сжать азот. После остывания, происходит обратный процесс, и газ выдавливает воду из бачка.
В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.
Открытая система с самотечной циркуляцией
Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.
Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.
Однотрубная система с самоциркуляцией
Однотрубная горизонтальная система с естественной циркуляцией имеет низкую теплоэффективность, поэтому используется крайне редко. Суть схемы такова, что подающая труба последовательно подключена к радиаторам. Нагретый теплоноситель поступает в верхний патрубок батареи и выводится через нижний отвод. После этого тепло поступает к следующему узлу отопления и так до последней точки. От крайней батареи к котлу возвращается обратка.
Преимуществ у данного решения несколько:
- Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
- Экономятся средства на монтаж системы.
Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования ).
Двухтрубная система с самоциркуляцией
Двухтрубная система отопления в частном доме с естественной циркуляцией, имеет следующие конструктивные особенности:
- Подача и обратка проходят по разным трубам.
- Подающий трубопровод подсоединен к каждому радиатору через входной отвод.
- Второй подводкой батарея подключается к обратке.
В результате, двухтрубная система радиаторного типа дает следующие преимущества:
- Равномерное распределение тепла.
- Отсутствие необходимости в добавлении секций радиатора для лучшего прогрева.
- Проще выполнить регулировку системы.
- Диаметр водяного контура, по крайней мере, на размер меньше чем в однотрубных схемах.
- Отсутствие строгих правил установки двухтрубной системы. Допускаются небольшие отклонения относительно уклонов.
Главным достоинством двухтрубной системы отопления с нижней и верхней разводкой является простота и одновременно эффективность конструкции, что позволяет нивелировать ошибки, допущенные в расчетах или во время проведения монтажных работ.
Виды и характеристики
Трубы для отопления подразделяются по материалу изготовления. Типоразмеров любого вида много, они легко доступны в магазинах. Чугунные трубы уже практически не встречаются и не применяются. По профилю для отопления применяются только изделия с круглым сечением. По способу изготовления – они могут быть сварные или бесшовные. По толщине стенки – с нормальной стенкой (для стали ходовых диаметров 20-25 32 мм толщина стенки составляет 3-3,5 мм).
Из чугуна
Применение чугунных труб для отопления – очень большая редкость из-за их нетехнологичности: сложности или невозможности сварки, невозможности нарезать резьбу в нужном месте, большого веса. Практически, очень редко встречаются ребристые трубы, которые используют как радиаторы. Монтируются они при помощи фланцев. В жилье такие трубы-радиаторы не применяются.
Из меди
Медные трубы – сравнительно новый материал для систем отопления на нашем рынке. Медь очень долговечна, не зарастает, имеет очень тонкие стенки — система получается легкой и компактной. Определенную сложность имеет монтаж – при помощи сварки и латунных фитингов. Широкое распространение медных систем отопления сдерживает цена и необходимость приглашать сварщика.
Медные изделия бывают отожженные и неотожженные. Разницы для систем отопления нет, но чаще применяют неотожженные изделия – они тверже и меньше деформируются в процессе эксплуатации.
Из черной стали
Достаточно долговечны, зарастают изнутри солями, отчего уменьшается просвет труб и эффективность системы. Основной способ монтажа – с помощью сварки или на сгонах и резьбах. В домах и квартирах практически не применяются – даже частичный ремонт системы легче выполнить пластиком.
Из оцинкованной стали
Оцинкованные трубы долго не зарастают изнутри солями (пока полностью не разрушится слой цинка). Фактический срок службы старых труб для ВГП – до 50 лет и больше. Раньше их применяли повсеместно. У них достаточно сложный монтаж – на заготовках необходимо нарезать резьбу, затем покрыть цинком. Монтируются на резьбовые фитинги. Способ монтажа не подходит для использования в частном строительстве. Применять сварку нельзя – соединение начнет ржаветь с той же скоростью, что и черный металл, и весть эффект от покрытия цинком пропадает.
Из нержавеющей стали
Материал используют для труб отопления очень давно. Нержавейка не зарастает, не ржавеет. Раньше монтировали на сварке, сейчас применяют и сварку, и резьбовые фитинги. Распространение ограничено ценой и сложным монтажом – и сварка, и нарезка резьбы требуют определенных навыков от мастера.
Материал пластичен и устойчив к гидроударам – поэтому для отопления можно ГОСТ предусматривает трубы с небольшой толщиной стенки (например, 2 мм). Бывают гофрированные изделия из нержавейки, но их прочность ниже, чем обычных гладких.
Системы с принудительной циркуляцией
Такие системы обычно работают на газовых или электрических котлах. Диаметр труб для них следует выбирать самый малый, так как принудительную циркуляцию обеспечивает насос. Целесообразность труб малого диаметра объясняется следующими факторами:
- меньшее сечение (чаще всего это трубы полимерные или металлопластиковые) позволяет минимизировать объем воды в системе и, следовательно, ускорить ее нагрев (уменьшается инертность системы);
- монтаж тонких труб значительно проще, особенно если их необходимо спрятать в стены (выполнение штроб в полу или стенах требует меньших трудозатрат);
- трубы малых диаметров и соединительные фитинги к ним стоят дешевле, следовательно, снижается общая стоимость монтажа отопительной системы.
При всем этом, размер труб должен оптимально соответствовать показателям, предусмотренным технологическими расчетами. Если эти рекомендации не будут соблюдены, эффективность отопительной системы снизится, а ее шумность – увеличится.
Оптимальный размер, температура и давление
При обустройстве небольшого отопительного контура стандартного типа некоторые рекомендации специалистов позволят обойтись без сложных вычислений:
- Для трубопроводов с естественной циркуляцией носителя рекомендуется использовать трубы с внутренним сечением в 30-40 мм. Увеличение параметров грозит необоснованным расходом теплоносителя, снижению скорости его движения и падением внутриконтурного давления.
- Слишком малый диаметр труб вызовет перегруз внутри магистрали, что может спровоцировать её прорыв в местах соединительных элементов.
- Чтобы обеспечить необходимую скорость движения теплоносителя и нужное давление внутри контура с принудительной циркуляцией, предпочтение отдаётся трубам с сечением не более 30 мм. Чем больше сечение трубы и длиннее магистраль, тем мощнее выбирается циркуляционный насос.
Уровень рабочего давления контура не должен превышать предел устойчивости:
- встроенного в котёл теплообменника (max — 3 атм или 0,3 Мпа);
- или 0,6 Мпа (при радиаторной схеме).
Оптимальным для теплосистем с циркулярным насосом считается показатель в диапазоне от 1,5 до 2,5 атм. В условиях естественной циркуляции – от 0,7 до 1,5 атм. Превышение норматива неизбежно станет причиной аварии. Чтобы контролировать уровень давления в теплосистемах обустраиваются расширительные баки и манометры.
Автономное отопление позволяет регулировать температуру теплоносителя самостоятельно в зависимости от сезона и индивидуальных потребностей жильцов дома. Оптимальной считается температура в диапазоне от 70 до 80⁰C, в паровых теплосистемах – 120-130⁰C. Наилучшим решением станет использование газовых или электрических котлов, позволяющих контролировать и регулировать нагрев контура, чего не скажешь о твердотопливном оборудовании.
Конструктивные особенности отопительных систем также предопределяют особенности температурного режима:
- максимальный нагрев носителя в одноконтурной разводке — 105⁰C, в двухконтурной — 95⁰C.
- в пластиковых трубопроводах температура носителя ограничивается 95⁰C, в стальных — 130⁰C.
Разница температуры между подачей и обраткой – 20⁰C.
Двухтрубный контур
Оборудования для конструирования разводки двухтрубного вида отопления нужно больше. Дополнительно требуется больше финансовых средств и монтажных работ.
В подобной схеме горячая вода распределяется равномерно и заодно в ней можно легко регулировать и настраивать функционирование системы.
Нагревается теплоноситель посредством двухконтурного котла за счет энергии газа.
При монтаже двухтрубной разводки необходимо установить на верхних позициях специальные автостравливающие клапаны. В одноэтажном доме подобные элементы устанавливаются на самой последней батарее.
Посредством терморегуляторов регулируется температура.
Большие помещения лучше оборудовать двухтрубным типом разводки и циркуляционным насосом. При площади меньше 100 кв. м однотрубный тип с естественным движением жидкости в системе сможет в полной мере обеспечить обогрев помещения.
Для исключения ошибок рекомендуется доверять создание проекта и монтаж системы отопления профессиональным сантехникам.
Разновидности труб для отопления: плюсы и минусы материала
Современные автономные системы отопления монтируются из металлических или пластиковых труб. Термин «металл» объединяет несколько видов: сталь, нержавейку или медь. Категория пластиковых труб более обширна, они изготавливаются из полипропилена, металлопластика и сшитого полиэтилена.
Таблица 1. Сравнительные эксплуатационные характеристики основных видов отопительных труб.
| Материал | Температура теплоносителя, град С | Шероховатость, мм | Потери давления, Па/м | Линейное расширение, мм/м2*град |
| Сталь | Не ограничена | 0,07 | 5 | 0.012 |
| Металлопластик | 95 | 0,004 | 1,5 | От 0,025 до 0,03 |
| Полиэтилен | 90 | 0,007 | 1,8 | От 0.15 до 0,17 |
| Полипропилен | 70 | 0,01 | 2,0 | От 0.15 до 0,17 |
Металлические изделия
Несколько десятилетий назад металлическими трубопроводами были оборудованы практически все системы обогрева многоэтажных и частных домов. Для изготовления использовались следующие виды материалов:
- Стальные изделия из черного или оцинкованного металла. За счет отменной прочности и высокой устойчивости металла к механическим внешним повреждениям срок эксплуатации отопительной сети достигает 20 лет. Стальные трубы не имеют ограничения по температуре теплоносителя. Поэтому их часто использовали для парового отопления, в котором температура достигает 100 – 130 градусов. Для стальных тепловых трасс показатель максимального давления составляет 30 атмосфер. Основные недостатки: подверженность коррозии, большая масса изделий, необходимость сварки соединений, высокая теплопроводность, внутренняя шероховатость.
Полимерные трубы
В настоящее время отопительные трубы из полимеров находятся вне конкуренции. Ими заменяют устаревшие стальные трубопроводы и применяют для прокладки новых тепловых сетей многоэтажных зданий, частных домов и квартир.
В отопительных системах применяют разные модификации полимерных изделий:
- Сшитый полиэтилен. Основное достоинство – термическая устойчивость материала, прочность соединений, низкий коэффициент гидравлических потерь. Для отопления применяют изделия с внутренним армированием, сохраняющим первоначальную форму трубы при длительном воздействии теплоносителя с высокой температурой. Большой плюс полиэтиленовых коммуникаций – монтаж производится без специального инструмента и оборудования.
- Металлопластик. Трубная модификация отличается многослойной структурой из двух слоев сшитого полиэтилена, клеевой оболочкой и алюминиевой вставкой. За счет такой конструктивной особенности достигается высокая устойчивость к высокой температуре подогретой воды, появляется возможность изгибать металлопластиковую трубу в любом направлении, а значит, сокращать количество соединяющих фитингов.
- Полипропилен. Главное ограничение таких труб состоит в том, что они могут выдерживать температуру теплоносителя до 70 градусов. Значительный коэффициент теплового линейного расширения в комплексе высокой текучестью материала приводит к провисанию магистрали и ее деформациям. Поэтому полипропиленовые трубы нуждаются в установке дополнительных крепежных элементов. Основные плюсы — простота сборки и невысокая стоимость материала.
Таблица 2. Основные различия полимерных отопительных труб.
| Технические показатели полимерных труб | Трубы из сшитого полиэтилена | Полипропиленовые трубы | Металлопластик |
| Стоимость 1пог. метра и соединительных фитингов | Средняя стоимость | Самая низкая стоимость | Самый дорогой вариант |
| Удобство монтажа | Монтаж специальными гильзами и фитингами | Монтаж специальным сварочным оборудованием | Муфтовые соединения или неразборные пресс-фитинги |
| Виды типоразмеров | От 12 до 25 мм | Большой выбор типоразмеров | Диаметры до 50 мм |
| Степень линейного удлинения | При максимальной температуре носителя 1 метр трубы удлиняется на 2 мм | Высокий коэффициент линейного удлинения. Исключение составляют армированные трубы – 0,26 -0,3мм/м | Не более о,25 мм/м |
| Термическая устойчивость | От 50 до 100 град. | До 120 град. | 95 град. |
| Гибкость | В разогретом состоянии трубы хорошо гнутся | Гибкость минимальная. Для поворотов и изгибов линии требуются угловые фитинги и отводы | Хорошая гибкость |
| Нормативный срок службы | До 50лет | Не менее 25 лет | От 15 до 25 лет |
| Устойчивость при замораживании системы | Многократные цикли размораживания | Многократные цикли размораживания | До 3-х циклов |
Расчет диаметра водопроводных труб
Сечение водопроводной трубы, точнее площадь сечения, определяется формулой:
S=π·r2,
где:
- S – площадь сечения трубы, м2;
- π – число «пи» с достаточным значением 3,14;
- r – радиус внутреннего сечения, м.
Как правило, в отношении стальных труб значение радиуса приравнивается к половинному значению их условного прохода (ДУ). У пластиковых труб номинальный наружный диаметр и внутренний диаметр обычно отличаются на шаг. Например, у 40 мм полипропиленовой трубы внутренний диаметр примерно соответствует 32 мм.
Пользуясь только формулой расчета площади сечения труб, рассчитать необходимые пропускные параметры водопровода не получится.
Необходимо воспользоваться еще одной формулой:
Q=V·S,
где:
- Q – расход воды, м3;
- V – скорость потока воды, м/с;
- S – площадь сечения трубы, м2.
Нормативы для внутренних водопроводов ограничивают диапазон скорости воды в пределах 0,7-1,5 м/с. Если вода будет двигаться с большей скоростью, то водопроводные трубы довольно громко зашумят. Определим внутреннее сечение трубопровода, учитывая наибольшую допустимую скорость воды.
Чем выше скорость жидкости в водопроводных трубах, тем более велико сопротивление ее продвижению. Причемпри падении напора в 16 мм трубопроводе из-за недостаточного сечения повысительный насос не поможет (+)
Прежде переведем расчетный расход воды, используя подсчитанные выше данные для умывальника, унитаза и душа, в кубометры в секунду: 0,3511·0,001= 0,0003511 м3/с.
Теперь получится рассчитать минимальную площадь сечения трубопровода, применив вторую формулу и введя максимально допустимое значение скорости воды: S=0,0003511:1,5=0,000234 м2.
Определим радиус внутреннего сечения водопровода по первой формуле: r2=0,000234:3,14=0,00007452. Вычисляем корень из полученного значения и получаем: r=0,00863 м. Соответственно, в миллиметрах радиус внутреннего сечения будет 8,63 мм.
Умножив полученное значение радиуса на два, находим требуемый диаметр трубы для водопровода: 8,63·2=17,26 мм. Т.е. оптимальное ДУ трубопровода составит 20 мм (округление в большую сторону).
Что учитывается при выборе диаметра труб
Мощность теплогенератора. Она берется за основу и определяется индивидуально для каждого строения. На что ориентируется собственник, приобретая котел?
На совокупную площадь всех отапливаемых помещений. Именно это обязательно уточнит менеджер в точке продаж, если у покупателя возникнут вопросы по данному пункту.
Скорость теплоносителя. Если она менее 0,25 м/сек, то есть риск завоздушнивания системы, образования пробок на трассе. Превышение значения 1,5 чревато «шумами» в магистрали.
Это особенно ощутимо, когда трубы металлические, да еще и проложены открытым способом. Но в любом случае перемещение теплоносителя по трассе будет хорошо прослушиваться.
Практикой доказано, что для частного строения (с автономным отопительным контуром) следует ориентироваться на показатель в пределах от 0,3 до 0,7. Это оптимальное значение для любой системы.
Конфигурация контура. В частных домах при его монтаже, как правило (независимо от схемы), все «нитки» заводятся на коллектор. Каждая из них «нагружена» на определенное количество радиаторов.
Нет смысла приобретать трубы одного и того же диаметра для всех линий, если учесть, что чем больше сечение заготовки, тем выше цена 1 п.м.
Диаметр трубы. Наружный особой роли не играет, так как у изделий из различных материалов есть отличия в толщине стенки. Данный параметр свидетельствует лишь об удобстве крепления изделия. Внутренний диаметр – о пропускной способности трассы. Именно он и является определяющим.
Диаметры труб принято обозначать в дюймах. Для нас это непривычная (не метрическая) система, поэтому следует знать правила перевода величин. Соотношение дюйма к сантиметру – ½,54 (или 25,4 мм). Материал трубы – металлопластик, сталь, ПП, ПЭ.
Специфика строения. В первую очередь это относится к эффективности его теплоизоляции – из каких материалов она смонтирована, по какой методике и так далее.
