Новости

Самая большая школа Тюмени

09:09 04.10.2017

Самая большая школа Тюмени

1 сентября 2017 года открылась самая большая Тюменская школа, в которой будут учиться более 2,5 тысяч школьников, которые раньше должны были ездить в другие районы города.

Для остекления этого...

все новости →

Принципы работы и методы расчетов ВТП Thermotech



Закономерности теплообмена в отопительной системе

От понимания устройства и принципов расчетов отопительных панелей зависит правильность принятых технических решений даже на стадии предварительной оценки объекта.

В конструкциях систем напольного отопления происходят распределение и передача тепловой энергии, которые зависят от тепловой нагрузки, геометрических и теплофизических параметров греющей панели, материала и диаметра труб контуров «теплого пола», материала чистового покрытия и т.п. (рис. 2.31).

Диапазон требуемой температуры воздуха в помещении (Tвоздуха, °C) регламентируется СНиП 41-01–2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и техническим заданием. В зависимости от назначения помещения температура поверхности пола (Tпола, °C) –только СНиП 41-01–2003. На рис. 2.31 и в последующих расчетах приняты следующие обозначения:
S (м²) – площадь, занимаемая напольной отопительной панелью;

λ (Вт/м·°C) и δ (м) – теплопроводность и толщина материалов, участвующих в процессе теплопередачи. Нормативные данные по теплопроводности содержатся в СНиП II-3–79* «Строительная теплотехника». Теплопроводность некоторых материалов приведена в табл. 2.8. Расстояние между трубами контуров «теплого пола» (шаг укладки Ci, м) выбирается, исходя из требуемой тепловой нагрузки на систему, а также назначения помещения (см. раздел «Выбор шага укладки труб контуров ВТП»).

Таблица 2.8


      

Распределение тепловой энергии происходит за счет движения нагретого теплоносителя по трубам (контурам «теплого пола»), встроенным внутрь греющей панели. Одна из основных задач при расчете и проектировании напольного отопления – достичь равномерного распределения температуры по поверхности греющей панели, зависящего от расстояния Ci между трубами контуров отопительной панели. Результат решения этой задачи – выбор оптимального шага укладки труб контуров «теплого пола» (см. раздел «Выбор шага укладки труб контуров ВТП»).

Передача тепловой энергии (теплообмен) в рассматриваемой отопительной системе происходит тремя способами: за счет теплопроводности (кондукцией), конвекцией и за счет излучения.

Теплопроводность (кондукция) заключается в передаче тепла в твердых телах от теплого к холодному. В рассматриваемом случае кондукция происходит непосредственно в самой отопительной панели от труб контуров «теплого пола» к бетону, от бетона – к чистовому покрытию. Эффективность процесса зависит от температуры теплоносителя, его расхода (Gконтура.n) через греющий контур, а также суммарного термического сопротивления материалов (RΣ), участвующих в процессе теплопередачи.

Конвекция – это теплопередача в жидких и газообразных средах за счет движения сред от теплого к холодному. В нашем случае – теплопередача тепла от греющей панели воздуху в нагреваемом помещении. Главная характеристика процесса – коэффициент теплопередачи при теплообмене конвекцией (αк, Вт/м²·°C).

Излучение наблюдается между двумя и более телами, разделенными, хотя бы частично, прозрачной средой и зависит от температур и свойств поверхностей тел, а также от оптических свойств среды. В рассматриваемом случае – от греющей панели к окружающим предметам (мебель, стены и т.п.). Главная характеристика процесса – коэффициент теплопередачи при теплообмене излучением (αл , Вт/м²·°C). Интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени разности температур между нагретым и холодным телом.

В общем теплообмене помещения участвуют все его поверхности, воздушные струи (потоки) и воздух помещения.

Использование методов аналогового моделирования позволило выразить полное количество тепла (Qп), отдаваемое панелью, как сумму лучистой (Qп.л.) и конвективной (Qп.к.) составляющих:

    Q = [αл(Тпола – Тн.о.) + αк(Тпола – Твоздуха)]·S,          (2.3)

где Тн.о. – температура нагретых ограждающих конструкций.

Величина приведенного коэффициента теплопередачи:

    αΣ = αл + αк ≈ 4,9 + 6,1 ≈ 11 Вт/м²·°C.                            (2.4)

Таким образом, 61 % тепла передается за счет теплообмена конвекцией и 49 % – за счет излучения.

Расчет греющих панелей

Расчет температуры поверхности пола. Рассмотрим тепловые расчеты на примере отопительной панели бетонного типа (рис. 2.31). Для расчетов берутся начальные данные, принимаемые по нормативным документам или в соответствии с техническим заданием.

Основной показатель любого отопительного прибора – тепловая нагрузка Q (Вт). Если рассматривать помещение в целом, а «теплый пол» как систему отопления для данного помещения, то, в соответствии с уравнением теплового баланса, отопительная нагрузка на систему отопления будет равна теплопотерям данного помещения.

Для определения теплопотерь производятся теплотехнические расчеты в соответствии со СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» и СНиП II-3–79* «Строительная теплотехника»:

    Q = αΣS(Тпола – Твоздуха);                                                          (2.5)

    Тпола = Q/(αΣS) + Твоздуха или Тпола = Qуд/αΣ +Твоздуха.    (2.6)

При перепаде температур между температурами поверхности пола и нагреваемого воздуха в 1 °C теплоотдача (тепловая мощность) с площади 1 м² отопительной панели составляет:

Q = αΣS∆Т = 11·1·1 = 11 Вт.

Пример. Исходные данные этого примера будут использованы во всех расчетах и приводимых примерах справочника.
Имеются три контура, занимающие площади: S1 = 8,8 м², S2 = 13,9 м², S3 = 11,5 м² и имеющие длины: L1 = 63 м, L2 = 68 м, L3 = 81 м.
Заданная температура воздуха во всех помещениях (Твоздуха) составляет 20 °C.

Теплотехническим расчетом определены тепловые нагрузки на каждое помещение:
Q1 = 750 Вт, Q2 = 1030 Вт, Q3 = 780 Вт.

Рассчитываем удельную (на 1 м² площади отопительной панели) нагрузку Qуд системы отопления для каждого контура:

    Qуд = Q/S (Вт/м²);                                                 (2.7)

Qуд1 = 750/8,8 = 85 Вт/м²; Qуд2 = 1030/13,9 = 74 Вт/м²; Qуд3 = 780/11,5 = 68 Вт/м².

В результате получаем температуру поверхности пола по помещениям соответственно:
Tпола1 = Qуд1/αΣ + Tкомнатная = 85/11+20 = 27,7 °C;
Tпола2 = Qуд2/αΣ + Tкомнатная = 74/11+20 = 26,7 °C;
Tпола3 = Qуд3/αΣ + Tкомнатная = 68/11+20 = 26,2 °C.

Полученные величины являются расчетными (средними) температурами поверхности пола, необходимыми для обеспечения заданной тепловой нагрузки.

Определение температуры теплоносителя. Температура теплоносителя зависит от необходимой температуры поверхности пола, а она, в свою очередь, – от тепловой нагрузки, рассчитываемой с учетом потерь на теплопередачу между различными материалами (от теплоносителя к стенкам труб контуров «теплого пола», от стенок труб к бетону, от бетона к чистовому покрытию):

    Qуд = 1/RΣ(Ттеплоносителя – Тпола);                   (2.8)

    Ттеплоносителя = QудRΣ + Тпола;                        (2.9)

    Ттеплоносителя = QудRΣ+ Qуд/αΣ + Твоздуха,    (2.10)

где RΣ – суммарное сопротивление материалов, участвующих в процессе теплопередачи.

В уравнениях (2.9 и 2.10) рассматривается идеальный случай, когда греющий элемент является элементарной площадкой, прогревающейся равномерно как внутри, так и на всей поверхности плоскости панели.

В действительности же имеем сложное температурное поле: неоднородность структуры греющей панели по толщине; неравномерность распределения и количество элементарных греющих площадок, размещенных по поверхности панели; температурные перепады линии (направления) токов тепла и изотермы между элементарными площадками и т.д. Упростить модель удалось, применив фактор формы – отношение S/L (S – площадь, обогреваемая отопительным контуром; L – длина отопительного контура) в графическом методе построения стационарного двухмерного температурного поля.

Фактическая точка с требуемой расчетной температурой на поверхности в идеале не будет размещена непосредственно над точкой нагрева, а будет смещена вглубь и в сторону отопительной панели. Отношение геометрических параметров S и L для двухмерной и одномерной областей одинаковой ширины показывает, во сколько раз необходимо изменить тепловой поток через поверхность определенной ширины в двухмерной области по сравнению с одномерной для достижения той же расчетной температуры; насколько происходит взаимное влияние тепловых полей двух точек нагрева, находящихся на расстоянии L, на среднюю температуру точки, расположенной между ними.

Следовательно, температура теплоносителя по всей отопительной панели как суммарное многочисленное повторение (растягивание) элементарной греющей площадки будет определяться:

Ттеплоносителя = Qуд·(RΣ + 1/αΣ) + ∆Т/2 + (Qуд·(RΣ + 1/αΣ) + ∆Т/2)·(Si/Li) + Твоздуха;    (2.11)

Ттеплоносителя = (Qуд·(RΣ + 1/αΣ) + ∆Т/2)·(1+Si/Li) + Твоздуха;

Ттеплоносителя = (Qуд·(RΣ + 1/αΣ) + ∆Т/2)·КТ + Твоздуха,


где ∆T – падение температуры теплоносителя между подающим и обратным трубопроводами; KТ – коэффициент фактора формы, учитывающий неравномерность распределения температуры в греющей панели; KТ = 1 + Si/Li.

Расчет термического сопротивления греющей панели:

    RΣ = R1 + R2 + R3 +...+ Rn,    (2.12)

    R1..n = δ1..n /λ1..n.    (2.13)

Термическое сопротивление конкретного материала, участвующего в процессе теплопередачи.

Расчет потерь тепла вниз и устройство теплоизоляционного слоя подробнее рассмотрены в разделе «Потеря тепла через плиту перекрытия».

Пример. В трех помещениях для устройства системы ВТП применены следующие решения:
– контуры выполнены из трубы Thermotech PE-RT MIDI Composite 17x2,0 мм;
– сверху труб контуров «теплого пола» залит бетон толщиной 30 мм;
– чистовое покрытие – плитка 4 мм, приклеенная на специальный клей;
– падение температуры теплоносителя составляет не более 5 °C.

Расчет параметров:
Определение термического сопротивления трубы
(λтрубы = 0,4 Вт/м·°C, δтрубы = 2 мм = 0,002 м):
Rтрубы = 0,005 м2·°C/Вт.

Определение термического сопротивления бетона
(λбетон = 1,7 Вт/м·°C, δбетон = 30 мм = 0,03 м):
Rбетон = 0,018 м²·°C/Вт.

Определение термического сопротивления плиточного клея
(λклей = 1,0 Вт/м·°С, δклей = 5 мм = 0,005 м):
Rклей = 0,005 м²·°C/Вт.

Определение термического сопротивления плитки
(λплитка = 2,0 Вт/м·°C, δплитка = 8 мм = 0,08 м):
Rплитка = 0,004м²·°C/Вт.

Суммарное тепловое сопротивление всей конструкции:
RΣ = Rтрубы + Rбетона + Rклей + Rплитка = 0,005 + 0,018 + 0,005 + 0,008 =
= 0,0316 м²·°C/Вт.

Температура теплоносителя в контурах, требуемая для прогрева поверхности греющей панели до расчетной температуры, определяется по формуле (2.11):
Tтеплоносителя1 = (85·(0,0316 + 1/11) + 5·2)·(1 + 8,8/63) + 20 = 34,7 °C;
Tтеплоносителя2 = 33,9 °C;
Tтеплоносителя3 = 32,3 °C.

Расчет расхода теплоносителя по контурам
Расход теплоносителя через i-й контур составит:

    Gi = Qi /(1,163·ΔT), м³/ч,    (2.14)

где Qi – расчетная нагрузка на n-й контур, кВт; i – номер рассчитываемого контура; ΔT – перепад температур между подаваемым и обратным теплоносителями в расчетном контуре, °C.

Перепад температур ΔТ прямого и обратного теплоносителей не должен превышать: 10 °C при укладке «спиралью» («ракушкой»), 5 °C при укладке «змейкой», 15 °C в системах снеготаяния.

Расход теплоносителя через контур должен находиться в рекомендованных диапазонах (табл. 2.9). При значении меньше минимального будет наблюдаться неравномерность прогрева греющей панели и высокая вероятность, что не будет обеспечена требуемая тепловая нагрузка. При превышении максимального значения высок риск возникновения кавитационных шумов и перегрева панели ВТП.

Таким образом вычисляются расходы на все контуры отопительной панели, подключаемые к одному коллектору.

Таблица 2.9 Расчетные характеристики труб



Пример. Расход теплоносителя:
G1 = 0,075/(1,163·5) = 0,129 м³/ч;
G2 = 0,177 м³/ч;
G3 = 0,134 м³/ч.

Балансировка системы ВТП

Расчет падения давления на контурах. Суммарное падение давления на контуре ΔPΣ (кПа) складывается из падения давления в трубе контура, в клапанах, а также местных потерь.

Падение давления в трубе контура ΔPi (кПа) зависит от длины трубы, характеристики материала, из которой она сделана, и от тепловой нагрузки на контур. Чем больше длина контура и/или тепловая нагрузка, тем больше в нем падение давления.

Падение давления на клапанах ΔPKi (кПа), с помощью которых контур присоединен к коллектору ВТП, зависит от положения клапана: чем больше открыт клапан, тем меньше падение давления, чем больше закрыт – тем больше падение.

Локальные (местные) падения давления имеют место при изгибах труб, на их стыках, соединительных фитингах и т.п. Поэтому рекомендуется укладывать трубы «теплого пола» без стыков, единым контуром от начала до конца.

Падение давления на каждом элементе системы ΔP находится из эмпирического уравнения, применяемого во всех гидравлических системах:

    ΔP = (G/KV)1,78·N,    (2.15)

где G – расход теплоносителя через рассчитываемый элемент, м³/ч; KV – характеристика элемента системы (м3/ч), которая означает расход теплоносителя через этот элемент при падении давления на нем 1 бар или 100 кПа; N – количество подобных элементов.

Расчет падения давления в контурах ΔPi (по длине трубы) осуществляется по формуле, вытекающей из уравнения (2.15):

    ΔPi = (Gi /КV) 1,78·Li·100,    (2.16)

где Gi – расчетный расход теплоносителя через n-й контур, м³/ч;

Li – длина n-го контура, м; KV – характеристика труб PE-RT (м³/ч), зависящая от их диаметра (см. табл. 2.8). При диаметрах труб 26x3,0 и 32x3,0 мм KV равен соответственно 22,1 и 43,9 м³/ч.

Таким образом рассчитывается падение давления на каждом из контуров нагреваемой панели.

Пример. По формуле (2.16) определим падение давления для трубы 17x2,0 мм в соответствии с длиной каждого контура проектируемой системы:
ΔP1 = (G1/KV)·1,78 ·L1·100 = (0,129/7,2)1,78·63·100 = 4,9 кПа;
ΔP2 = 9,3 кПа;
ΔP3 = 6,8 кПа.

Максимально допустимое падение давления на одном контуре не более 11 кПа. При превышении этого значения высока вероятность того, что не удастся сбалансировать между собой контуры, подключенные к одному коллектору, и/или возникнут кавитационные шумы, и/или потребуется слишком мощный циркуляционный насос.

Если падение давления на контуре превысило 11 кПа, то следует провести повторные расчеты с изменением некоторых параметров:
– увеличить перепад температуры теплоносителя на данном контуре (это снизит необходимый поток теплоносителя через контур, уменьшит сопротивление контура, а значит, и потерю давления). Поэтому большое распространение получил тип укладки контура «ракушкой»;

– уменьшить тепловую нагрузку на данный контур. При неизменном перепаде температур требуемый поток теплоносителя станет меньше, следовательно, падение давления уменьшится. Снизить тепловую нагрузку можно, сократив теплопотери расчетного помещения, что на практике редко удается сделать, так как расчеты производятся для уже спроектированного помещения;

– уменьшить длину данного контура или разбить его на два и т.п., Т.е. необходимо принять конкретные меры по снижению падения давления в контуре (см. раздел «Оборудование Thermotech»).

Балансировка коллекторов на примере оборудования Thermotech. Суть балансировки коллектора «теплого пола» – выравнивание давления во всех контурах, т.е. суммарное его падение на каждом контуре, подключенном к одному распределительному коллектору ВТП, должно быть одинаковым. Это делается с помощью балансировочных (настроечных) клапанов коллектора ВТП, установленных для каждого контура.

Балансировка коллектора ВТП осуществляется относительно контура с самым большим падением давления (самого нагруженного). Максимум, что можно сделать для этого контура, – это полностью открыть его балансировочный клапан. Тогда суммарное падение давления на контуре будет:

    ΔPΣmax = ΔPmax + ΔPKmax,    (2.17)

где ΔРmax – максимальное падение давления по длине расчетных контуров, кПа; ΔРКmax – падение давления на полностью открытом клапане в зависимости от расхода через выбранный расчетный контур, кПа:

    ΔPKmax = (Gmax/KV(5,5))1,78·100,    (2.18)

где Gmax – расход теплоносителя через выбранный расчетный контур, м³/ч; КV(5,5) – характеристика полностью открытого балансировочного клапана; 5,5 – количество оборотов открытия (табл. 2.10), м³/ч.

Таблица 2.10 Коэффициенты сопротивления балансировочных клапанов, встроенных в коллекторы Thermotech (в зависимости
от степени их закрытия)




Суммарное падение давления каждого i-го контура, подключенного к одному коллектору ВТП на соответствующем ему i-ом балансировочном клапане, должно быть равно суммарному падению давления на самом нагруженном контуре:

    ΔPΣi = ΔPi + ΔPKi ≈ ΔPΣmax.    (2.19)

Падение давления любого контура, зависящее от его длины и тепловой нагрузки, рассчитывается по формуле (2.15).

Таким образом, задача балансировки сводится только к расчету такого падения давления на балансировочном клапане i-го контура, которое обеспечит баланс в системе. То есть необходимо рассчитать положение балансировочного клапана (количество оборотов открытия), при котором добавленное падение давления на клапане ΔРKi (кПа) вместе с падением на трубе ΔРi (кПа) этого контура будет равно суммарному падению давления на максимально нагруженном контуре ΔРΣmax (кПа).

Для этого необходимо определить разницу между падением давления ΔРi (кПа) на i-ом контуре и на контуре с максимальным падением давления:

    ΔPKi = ΔPΣmax – ΔPi.    (2.20)

С помощью полученного расчетного значения ΔPKi (кПа) найти характеристику балансировочного клапана KVi (м³/ч) для i-го контура при прохождении расчетного объема Gi (м³/ч) теплоносителя через контур, который уже вычислен по формуле (2.14):

    KVi = Gi/(ΔPKi ·0,01)1/1,78,    (2.21)

где Gi – расход через i-й контур, м³/ч; ΔРKi – расчетное падение давления на балансировочном клапане i-го контура, кПа.

Далее из табл. 2.10 по полученной характеристике i-го клапана KVi (м³/ч) необходимо определить настроечное число открытых оборотов этого клапана, соответствующее расчетному падению давления для i-го контура.

Балансировочный клапан имеет пошаговые характеристики, т.е. значения KVi для строго определенных положений (числа оборотов), а клапан в коллекторе Thermotech – характеристики для шага 0,5 (для каждого пол-оборота).

Полученное при расчетах значение KVi (м³/ч) может не совпадать с приведенным в табл. 2.10. В этом случае проводят дополнительный расчет.

Выбираем по табл. 2.10 значение, максимально близкое к расчетному КVi. Поскольку новое (фактическое) KфактKi отличается от расчетного, снова производим расчет падения давления (фактического) по формуле (2.15). Полученное падение давления на клапане ΔPфактKi и будет фактическим, учитываемым в дальнейших расчетах:

    ΔPфактKi = (Gi/KфактVi )1,78·100.    (2.22)

Подробно эта ситуация описана в примере расчета.

Пример. Исходные данные, вычисленные ранее по формуле (2.16):
ΔP1 = 4,9 кПа (G1 = 0,129 м³/ч); ΔP2 = 9,3 кПа (G2 = 0,177 м³/ч);
ΔP3 = 6,8 кПа (G3 = 0,134 м³/ч).

Выберем контур с максимальным падением давления. Это контур № 2 со значением 9,3 кПа.

Рассчитаем падение давления на полностью открытом балансировочном клапане контура с максимальным падением давления, т.е. контура № 2 (2.17):
ΔРK2 = (G2/KV(5.5) )1,78·100 = (0,177/2,88)1,78·100 = 0,7 (кПа).

По формуле (2.16) вычислим суммарное падение давления ΔPΣ2 максимально нагруженного контура:
ΔPΣ2 = ΔP2 + ΔPK2 = 9,3 + 0,7 = 10,0 (кПа).

По формуле (2.19) рассчитаем потери давления, которые необходимо дополнительно создать на клапанах остальных контуров, чтобы получить такое же суммарное падение давления, как и на контуре № 2:

ΔPK1 = ΔPΣ2 – ΔP1 = 10,0 – 4,9 = 5,1 кПа;
ΔPK3 = ΔPΣ2 – ΔP3 = 10,0 – 6,8 = 3,2 кПа.

Таким образом, для контура № 1 нужно дополнительно создать перепад в 5,1 кПа, а для контура № 3 – 3,2 кПа.

Определим расчетные характеристики балансировочных клапанов контуров № 1 и № 3, обеспечивающих требуемый перепад давления при расчетном потоке теплоносителя – формула (2.20):

KV1 = G1/(ΔPK1·0,01)1/1,78 = 0,129/(5,1·0,01)1/1,78 = 0,69 м³/ч;
KV3 = G3/(ΔPK3·0,01)1/1,78 = 0,134/(3,2·0,01)1/1,78 = 0,93 м³/ч.

Из табл. 2.9 выбираем значения характеристик клапанов, максимально приближенных к расчетным:
KV1 = 0,69 ≈ KФАКТV1 = 0,55 м³/ч – клапан должен быть открыт на 3 оборота;
KV3 = 0,93 ≈ KФАКТV3 = 0,95 м³/ч – клапан должен быть открыт на 3,5 оборота.

Характеристика клапана № 3 практически идеально совпала с табличной. Для клапана № 1 расчетным является значение 0,69 м³/ч, а ближайшее к нему табличное значение 0,55 м³/ч. Невязка составляет на 25 %.

Таким образом, необходимо снова рассчитать падение давления на клапанах для полученных фактических значений KФАКТVi по формуле (2.15):
ΔPФАКТK1 = (G1 /KФАКТV1)1,78·100 = (0,129/0,55)1,78·100 = 7,5 кПа;
ΔPФАКТK3 = (G3 /KФАКТV3)1,78·100 = (0,135/0,95)1,78·100 = 3,1 кПа.

Получаем суммарное падение давления на контурах с учетом падения давления по длине трубы контура и на балансировочных клапанах – формула (2.18):
ΔPΣ1 = ΔP1 + ΔPФАКТK1 = 4,9+7,5 = 12,4 кПа;
ΔPΣ2 = 10,0 кПа;
ΔPΣ3 = ΔP3 + ΔPФАКТK3 = 6,8+3,1 = 9,9 кПа.

Для полноты картины суммарного падения давления необходимо учесть потерю давления на микрометрическом клапане, которая также рассчитывается по формуле (2.15); KVM = 2,88 м³/ч – характеристика микрометрического клапана, встроенного в коллектор Thermotech:

ΔPKM1 = (G1/KVM)1,78·100 = (0,129/2,88)1,78·100 = 0,4 кПа;
ΔPKM2 = (G2/KVM)1,78·100 = (0,177/2,88)1,78·100 = 0,7 кПа;
ΔPKM3 = (G3/KVM )1,78·100 = (0,134/2,88)1,78·100 = 0,4 кПа.

Соответственно, полное суммарное фактическое падение давления на контурах при использовании коллекторов Thermotech составит:
ΔPΣM1 = ΔPΣ1 +ΔPKM1 = 12,4+0,4 = 12,8 кПа;
ΔPΣM2 = ΔPΣ2 +ΔPKM2 = 10,0+0,7 = 10,7 кПа;
ΔPΣM3 = ΔPΣ3 +ΔPKM3 = 9,9+0,4 = 10,3 кПа.

Графически результат балансировки представлен на рис. 2.32.

Рассмотренный пример показывает, как может существенно измениться ситуация при грамотном расчете системы ВТП. По первому представлению и предварительным расчетам контур № 2 как максимально нагруженный должен бы быть контуром с максимальным падением давления. Но на практике таковым стал контур № 1.

Из приведенного примера, расчетов и графического представления (рис. 2.32) понятно, для чего в системах ВТП применяются специальные спаренные коллекторы, один из которых имеет встроенные балансировочные (настроечные) клапаны, и какое важное значение имеет расчет балансировки коллектора в ходе проектирования ВТП.

Ошибочным является пренебрежение таким оборудованием и построение систем ВТП с подключением с помощью обычных шаровых (запорных) клапанов. Из приведенного выше понятно, что это возможно только в случае, когда все контуры выполнены из труб одного диаметра, абсолютно одинаковой длины, с абсолютно одинаковой отопительной нагрузкой, что на реальных объектах маловероятно. Таким образом, системы ВТП, созданные на шаровых (запорных) клапанах, гидравлически не сбалансированы, а работа их нестабильна (в большинстве случаев просто невозможна).

Исходя из расчетов падений давлений контуров и клапанов заполняется таблица балансировки (табл. 2.11), в которой отмечается, на сколько оборотов должен быть открыт балансировочный клапан на том или ином контуре. Нумерация контуров осуществляется по порядку, слева направо, если стоять лицом к смонтированному коллектору.

Таблица 2.11  


Расчет расхода теплоносителя через коллектор. Общий расход теплоносителя через коллектор (м³/ч) находится как сумма расходов по всем контурам этого коллектора:

    GΣколлектора = G1 + G2 + G3 +...+ Gi +...+ GN,    (2.23)

где Gi – расход теплоносителя по i-му контуру, м3/ч; N – количество контуров на коллекторе.

Пример. Исходные данные: G1 = 0,129 м³/ч; G2 = 0,177 м³/ч; G3 =
= 0,134 м³/ч;

GΣколлектора = G1 + G2 + G3 = 0,129+0,177+0,134 = 0,44 м³/ч.

Расчет падения давления на примере коллектора Thermotech. Падение давления в целом на распределительном коллекторе ВТП (ΔРколлектора, кПа) находится выбором из всех контуров, подключенных к данному коллектору, контура с максимальным суммарным падением давления:

    ΔPколлектора = max (ΔPΣM1,ΔPΣM2,..., ΔPΣMi,..., ΔPΣMN),    (2.24)

где ΔPΣMi – суммарное падение давления i-го контура с учетом падения давления по длине трубы контуров на коллекторе, на балансировочном и микрометрическом клапанах, кПа; N – количество контуров на коллекторе.

Учет падения давления необходим, чтобы циркуляционный насос компенсировал требуемую (расчетную) величину этого падения, иначе система не будет обеспечивать необходимые параметры тепловой нагрузки (мощности).

Пример. В соответствии с условиями рассмотренного выше примера падение давления для контуров составляет: ΔPΣM1 = 12,8 кПа; ΔPΣM2 =
=10,7 кПа; ΔPΣM3 =10,3 кПа;

ΔPколлектора = max (ΔPΣM1, ΔPΣM2, ΔPΣM3) = max (12,8; 10,7; 10,3) =12,8 кПа.

Расчет падения давления на магистральных (подающих) трубопроводах на примере трубопроводов PE-RT MIDI Composite. Расчет падения давления на магистральных трубопроводах осуществляется по той же формуле, что и для контуров системы – формула (2.16). При этом расход через магистральный трубопровод является суммой всех расходов контуров ВТП, подключенных к данному коллектору:
    ΔPмагистрали = LM·(GΣколлектора/KM)1,78·100,    (2.25)

где GΣколлектора – суммарный расход теплоносителя через коллектор, м³/ч; LМ – длина магистрального трубопровода, м; KМ – характеристика трубы в зависимости от диаметра (табл. 2.8), м³/ч.

Суммарное падение давления в системе складывается из величин падения в магистральном трубопроводе и в коллекторе, который этот магистральный трубопровод обеспечивает:

    ΔPобщее = ΔPколлектора + ΔPмагистрали.    (2.26)

При этом общее падение давления ΔPобщее не должно быть более 32 кПа. Среднее значение падения давления на магистральных трубопроводах часто не превышает 15–26 кПа. Подобные потери давления обусловлены скоростями движения теплоносителя в магистралях, размерами и мощностями циркуляционных насосов.

Пример. Используем данные из предыдущих расчетов:
GΣколлектора = 0,44 м³/ч, ΔPколлектора = 12,8 кПа.

Предположим, что суммарная длина подающего и обратного трубопроводов составляет LM = 20 м.

Выберем магистральный трубопровод, например PE-RT MIDI Composite ∅26х3,0 мм, с характеристикой KM = 22,1 м³/ч (табл. 2.8).

Найдем потерю давления в магистральном трубопроводе:

ΔPмагистрали = LM·(GΣколлектора/KM)1,78·100 = (0,44/22,1)1,78·100 = 0,1 кПа.

Рассчитаем общую потерю давления в системе:
ΔPобщее = ΔPколлектора + ΔPмагистрали = 12,8+0,1 = 12,9 кПа.

Очень часто, при достаточно высоких нагрузках на отопительную панель падение давления в магистральных трубопроводах значительно превышает падение давления в контурах на коллекторе ВТП, что вызывает необходимость необоснованного увеличения размеров и мощностей циркуляционных насосов и скоростей движения теплоносителя. Следует не допускать этого либо за счет увеличения диаметров подающих трубопроводов, либо с помощью коллекторов с интегрированным смесительным узлом.

При использовании магистральных распределительных коллекторов с раздачей низкотемпературного теплоносителя расчет параметров, а также их балансировка осуществляются точно так же, как и для распределительных коллекторов системы напольного отопления, с одним лишь отличием, что для расчетов вместо потерь давления на контурах берутся расходы и потери давления на коллекторе и в магистрали, т.е. ΔPi → ΔPобщее i (кПа); Gi → GΣколлектора i (м³/ч).

При этом для балансировочных клапанов, установленных на магистральных распределительных коллекторах, используются свои характеристики. Рекомендуется применять магистральные коллекторы с установкой на них балансировочных клапанов с индикаторами расхода. В результате облегчаются настройка, балансировка и последующее обслуживание систем.

Расчет трубопроводов при подаче теплоносителя с высокой температурой. При использовании интегрированных коллекторов Thermotech (со встроенным смесительным узлом) рекомендуется подавать теплоноситель к коллектору с высокой температурой (70–80 °C). Это повлечет уменьшение расхода теплоносителя через магистральный трубопровод, даст возможность увеличить перепад температур между подающим и обратным трубопроводами и приведет к уменьшению диаметра магистралей.

Пересчет расхода через магистральный трубопровод (м³/ч) осуществляется по формуле:

    Gмагистрали = Qколлектора/1,163·(Т1 – Т2),    (2.27)

где Qколлектора – суммарная тепловая нагрузка на коллектор, кВт; Т1 – температура теплоносителя, подаваемого к интегрированному коллектору по магистральному трубопроводу, °C; Т2 – температура теплоносителя, возвращаемого из интегрированного коллектора в магистральный трубопровод, °C.

Предположим, что подача теплоносителя к интегрированному коллектору Thermotech осуществляется с температурой T1 = 80 °C, расчетная температура, возвращаемая из отопительной панели, составляет T2 = 28 °C. Соответственно перепад температур в магистральном трубопроводе будет: ΔТM = Т1 – Т2 = 80 – 28 = 52 °C.

Предполагаемая мощность, подаваемая на интегрированный коллектор, составит Qколлектора = 7,8 кВт, соответственно Gмагистрали = 7,8/(1,163·52) = 0,129 м³/ч.

Для сравнения приведем расчет подачи по низкой температуре в магистральном коллекторе при той же нагрузке на отопительную панель: ΔТM = Т1 – Т2 = 33 – 28 = 5 °C;

Gмагистрали = 7,8/(1,163·5) = 1,342 м³/ч.

Из приведенного примера видна разница (в 10 раз) между расходами при подаче высокой и низкой температуры по магистральным (подающим) трубопроводам.


Выбор шага укладки труб контуров ВТП
Одним из важнейших аспектов при проектировании систем «водяного напольного отопления» является выбор шага укладки трубы (расстояния между трубами контуров «теплого пола»), оказывающего значительное влияние на правильность работы системы.

От этого зависит тепловая нагрузка, которую может обеспечить контур отапливаемого помещения, а также равномерность распределения температуры по поверхности пола. При увеличении шага укладки необходимо повысить и температуру подаваемого теплоносителя для получения нужной средней температуры на поверхности отопительной панели.

Чаще всего при укладке труб применяют шаги 150, 200 и 300 мм. Укладка с шагом 150 мм осуществляется в теплонагруженных помещениях, в краевых зонах (у наружных стен), в санузлах, а также в помещениях, имеющих высокие требования по равномерности распределения температуры по поверхности пола.

Шаг 200 мм используется в больших промышленных и производственных помещениях, в аквапарках и бассейнах, часто одновременно с использованием труб ∅20 мм в качестве контуров «теплого пола».

Шаг укладки 300 мм применяется во внутренних зонах помещений и в помещениях со средними отопительными нагрузками.

Пример использования различных шагов укладки труб (табл. 2.12). Произведем расчет двух контуров одинаковой длины – 80 м, уложенных одним и тем же способом – «улиткой», с одинаковой удельной отопительной нагрузкой на греющую панель 65 Вт/м2, но с разным шагом – 300 и 150 мм соответственно.

Рассчитаем площадь, занимаемую каждым контуром:
Sконтура 300 = Lконтура/(1000/300) = 24 м²;
Sконтура 150 = Lконтура/(1000/150) =12 м².

Суммарная тепловая нагрузка на контуры составит:
Qконтура 300 = Sконтура 300 ·65 =1560 Вт;
Qконтура 150 = Sконтура 150 ·65 = 780 Вт.

Через эти контуры для обеспечения требуемой нагрузки необходимо прокачать следующее количество теплоносителя:
Gконтура 300 = Qконтура 300 /(1,163·(T1 – T2)) = 1560/(1,163·5) = 268,3 л/ч = 0,27 м³/ч;
Gконтура 150 = Qконтура 150 /(1,163·(T1 – T2)) = 780/(1,163·5) = 134,1 л/ч = 0,134 м³/ч.

Отсюда сопротивление контуров, выполненных трубой Thеrmotech PE-RT MIDI Composite ∅17х2,0 мм, составит:
ΔPконтура 300 = Lконтура·(Gконтура 300 /KV)1,78 = 80·(0,27/7,2)1,78 = 0,23216 бар = 23,2 кПа;
ΔPконтура 150 = Lконтур·(Gконтура 150 /KV)1,78 = 80·(0,134/7,2)1,78 = 0,06657 бар = 6,7 кПа.

Таблица 2.12 Зависимость параметров контура от шага укладки


Вывод: при увеличении шага укладки для контуров одной и той же длины возрастает отопительная нагрузка на контур, а потеря давления в нем увеличивается в разы.

Распределение температуры в греющей панели. Модели распределения температур в отопительных панелях при различном шаге укладки труб приведены на рис. 2.33.

При увеличении шага укладки возрастает разница между средней температурой (в точке между отопительными контурами) и температурой непосредственно над трубами греющих контуров. Чем выше отопительная нагрузка, тем больше разница температур над и между трубами контуров. Выбрав шаг, не соответствующий отопительной нагрузке и типу данного помещения, можно получить эффект «температурно-полосатого пола», когда человек будет явно ощущать разницу температуры нагретой поверхности над и между трубами контуров «теплого пола».

Чем ближе труба контура «теплого пола» к поверхности панели, тем выше температура на поверхности над трубой и больше разница температур поверхности над трубами и между ними.

В связи с этим рекомендуется провести некоторые инженерные и организационные мероприятия. Для равномерного распределения температуры по поверхности греющей панели минимальную толщину стяжки над трубой сделать не менее 30 мм. При необходимости устройства систем ВТП меньшей толщины применить настильные системы. Максимальную толщину стяжки над трубой довести до 130 мм. Для толщин стяжки от 30 до 130 мм действуют приведенные формулы, тепловые эффекты, принятые ограничения и допущения.

При необходимости расчета отопительных панелей толщиной более 150 мм трубу контуров «теплого пола» поднимают ближе к поверхности за счет устройства «ложного» (дополнительного) слоя армирования либо обращаются к профильным специалистам для расчета систем ВТП с применением других поправочных коэффициентов, технических решений и т.п. для конкретного случая.

Шаги укладки 150, 200 и 300 мм в отдельности и в комбинации перекрывают большинство типовых случаев применения ВТП. Конкретные рекомендации по использованию шага укладки приведены в табл. 2.13.

Таблица 2.13



 Существует два основных способа укладки контуров систем напольного отопления: «змейка» и «спираль» («улитка», «ракушка»). Наиболее распространенный тип укладки «ракушка», так как по сравнению со способом «змейка» позволяет снять большую отопительную нагрузку, увеличив перепад температуры теплоносителя, без ущерба для равномерности ее распределения по поверхности пола из-за постоянного чередования напорного и обратного трубопроводов.

Возможны варианты укладки с постоянным и переменным шагом, в зависимости от отопительных нагрузок на помещения. При невысоких отопительных нагрузках (до 50 Вт/м²) допускается постоянный шаг укладки 300 мм, а при высоких (более 80 Вт/м²) и в санузлах – 150 мм. В случае, если отопительная нагрузка не превышает нормативную (60–80 Вт/м²), применяют переменный шаг укладки: в краевых участках (в зонах наибольших теплопотерь) – более частый шаг, а во внутренних зонах помещений – стандартный.


Потери тепла через плиту перекрытия (вниз от отопительной панели)

При выполнении теплотехнических расчетов согласно СНиП II-3–79* «Строительная теплотехника» рассчитываются потери тепла из проектируемого здания во всех направлениях, в том числе и вниз. При этом температура на поверхности пола (плиты перекрытия) 20 °C. Поскольку требуемая теплоизоляция ограждающих конструкций Rтр является величиной переменной, нормируется и зависит от региона, то удельные потери тепла на 1 м2 остаются величиной неизменной.

По СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» среднее допустимое значение показателя потери тепла из жилых зданий составляет
65 Вт/м². Из того же документа, рассчитав Rтр  для любого региона и рассмотрев различные конфигурации зданий, получим, что процент потерь тепла в пол (при соблюдении требуемых сопротивлений ограждающих конструкций) достигает 6–15 % от общих потерь тепла зданием.

Исходя из вышесказанного и принимая во внимание, что ВТП как нагревательный элемент в нашем случае встроен в пол, а температура его выше указанных нормативных 20 °C, необходимо отделить ВТП от чернового пола (от плиты перекрытия) слоем теплоизоляции, обеспечив тем самым условия, при которых тепло пойдет вверх, а не вниз. Толщина теплоизоляции при этом должна быть такой, чтобы плита перекрытия под ВТП не нагрелась больше 20 °C.

Для этого выполним следующий расчет. Из практики применения ВТП известно, что температура теплоносителя, подаваемого в систему напольного отопления, зачастую не превышает 40 °C (обозначим ее как Ттн). Она бывает и выше, но в данном случае рассмотрим идеальную модель с нормативной тепловой нагрузкой 65 Вт/м².

Таким образом, доля потерь через пол не должна превысить 12 % (данный параметр выбран как наиболее часто встречающийся в реальных объектах) и составит: Qдоп = 65·0,12 = 7,8 Вт/м². При этом температура низа изоляционного слоя, лежащего на плите перекрытия, должна быть не выше Тниз = 20 °C.

В качестве теплоизоляционного материала для систем «водяного напольного отопления» широко используется пенополистирол с теплопроводностью (λпп) не более 0,038 Вт/м·°C.

Из уравнений (2.28 и 2.29) получим необходимую толщину теплоизоляции (δпп) отопительной панели из полистирола:
    Qдоп = 1/Rизол·(Tтн – Tниз);    (2.28)

    Rизол = δпп/λпп;    (2.29)

    δпп = λпп/Qдоп·(Tтн – Tниз);    (2.30)

δпп = 0,038/7,8·(40 – 20) = 0,097 м ≈ 100 мм.

Таким образом, толщина слоя теплоизоляции в отопительной панели ВТП, смонтированной над неотапливаемым помещением и выполненной из пенополистирола, составляет 100 мм.

Для остальных помещений проводятся аналогичные расчеты. В табл. 2.14 приведены требуемые толщины изоляции отопительной панели при использовании пенополистирола с теплопроводностью 0,038 Вт/м·°C. Все расчеты и рекомендации сделаны при условии, что на объекте выполнены иные нормативные требования по утеплению ограждающих конструкций.

Таблица 2.14


Выбор циркуляционного насоса для системы ВТП
Для транспортировки малых и средних объемов потоков применяются насосы, роторы которых вращаются в транспортируемой среде, так называемые насосы с мокрым ротором.

В конструкции все вращающиеся части (внутри гильзы) находятся в транспортируемой среде – сетевой воде, что исключает уплотнение вала посредством сальника или уплотнительного кольца, как это делается у других насосов. Транспортируемая среда служит как для смазки опоры вала (подшипника скольжения), так и для охлаждения электрических деталей конструкции двигателя (рис. 2.35).

Преимуществами таких насосов являются небольшой размер, малошумность и длительный срок эксплуатации без технического обслуживания. Установка насосов на трубопроводах может производиться без фундамента, в горизонтальном положении.

Вал насоса должен в любом случае располагаться горизонтально. Его установка в вертикальном положении приводит к нестабильной работе подшипников скольжения ротора, а возникающие при этом смешанные состояния трения – к их быстрому износу.

Особенностью циркуляционных насосов нового поколения является многократное переключение частоты вращения двигателя, которое может осуществляться вручную посредством установленных переключателей или автоматически с помощью коммутационных и регулирующих систем, в зависимости от времени, разности давлений, температур и т.д.

Принцип работы насоса. Электродвигатель производит вращение рабочего колеса, необходимое для перекачивания. Вода, поступающая через всасывающий патрубок и горловину в рабочее колесо в осевом направлении, захватывается лопатками колеса и приводится во вращение.

Центробежные силы, действующие на каждую частицу воды, вызывают как повышение статического давления, так и увеличение скорости при прохождении зоны лопаток.

После прохождения рабочего колеса вода собирается в спиральном корпусе, при этом благодаря специальной конструкции корпуса скорость потока замедляется и происходит повторное повышение статического давления.

Общее повышение давления в насосе называется его напором и зависит от объема потока, транспортируемого через данный насос. На горизонтальной оси (абсциссе) указан расход перекачиваемой воды G (л/с, л/мин, м³/ч), а на вертикальной (ординате) – напор H (бар, кПа, м вод. ст.).

На диаграмме приведена типичная для циркуляционных насосов кривая характеристика: максимальной расход воды возможен только при минимальном напоре, который может создать насос, так же, как при максимальном напоре насос может пропустить только минимальный расход. Рабочая точка насоса в системе отопления должна устанавливаться на кривой характеристики насоса между этими двумя крайними значениями.

Характеристика системы трубопроводов. Сеть трубопроводов системы отопления создает сопротивление потоку теплоносителя. Эту зависимость можно рассмотреть на примере использования поливочного шланга, например, длиной 5 м. При давлении воды величиной 3 бар длина струи воды может достигать 12 м. При том же давлении воды, но со шлангом длиной 50 м того же диаметра, она становится намного короче.

С увеличением длины шланга повышается сопротивление потоку, которое возникает в данном отрезке шланга при прохождении воды. Относительно высокое давление в начале шланга становится значительно меньше после ее прохождения, в результате расхода на преодоление сопротивления от трения о стенки трубопровода. В трубопроводах замкнутых отопительных систем необходимый напор насоса зависит только от сопротивления потоку, складывающегося из потерь на трение в трубопроводах и отклонений потока. Статическая высота системы (высота водяного столба в системе) на это сопротивление не влияет.

Зависимость между возникающими сопротивлениями потоку и расходом воды называется характеристикой сети трубопроводов. Принципиально следующее: если меняется расход, то меняется также сопротивление потоку, и, тем самым, меняется необходимый напор насоса.

Это изменение происходит в соответствии с уравнением неразрывности потока, принятым в отопительных системах:
    H1/H2 = (G1/G2)2,    (2.31)

где H1, H2 – сопротивление системы отопления; G1, G2 – необходимый расход через систему.

Если сократить расход в 2 раза при неизменной конфигурации системы отопления, то сопротивление потоку уменьшится в 4 раза, и, наоборот, если увеличить расход в 2 раза, то в 4 раза возрастет сопротивление.

В качестве примера может послужить процесс вытекания воды из крана. При давлении 2 бар, что соответствует напору насоса 20 м вод. ст., из водопроводного крана диаметром 1/2'' вода вытекает с расходом 2 м³/ч. Для повышения ее расхода в 2 раза (до 4 м³/ч) необходимо увеличить давление или напор насоса в 4 раза, т.е. с 2 до 8 бар.

Для получения графического изображения характеристик сети трубопроводов достаточно знать расход G и потерю давления H в сети. Дальнейшие точки можно легко найти, при этом необходимо определить потерю давления по отношению к другим принятым расходам по формуле (2.31). Линия, соединяющая эти точки, дает параболу – искомую характеристику системы, которая в большинстве случаев называется параболой сети трубопроводов.

Пример. Известны данные: G1 = 0,44 м³/ч; H1 = ΔP1 = 12,9 кПа = =1,32 м вод. ст. Предположим, что требуемый расход в данной системе G2 = 0,88 м3/ч. Необходимо найти падение давления H2 = ΔP2.

Искомое падение давления H2 = ΔP2 = H1·(G2/G1)2 = ΔP1·(G2/G1)2 = =1,32·(0,88/0,44)2 = 5,28 м вод. ст.

Полученные данные используем для построения характеристик системы. На рис. 2.36 видно, что рабочей точкой установки может быть только точка пересечения кривой характеристик системы трубопроводов и характеристики насоса. Давление в насосной установке (напор) всегда равно сопротивлению потока в системе трубопроводов.

Выбор насоса для системы осуществляется по характеристике насоса, указываемой производителем. Для этого на специальный график (рис. 2.37) наносится рабочая точка системы и подбирается подходящий насос.

В данном случае подходящим циркуляционным насосом является насос WILO Star-RS 15/6. Поскольку он имеет трехпозиционный переключатель частоты вращения, на графике отображены три характеристики в зависимости от положения переключателя. Также для наглядности на характеристики этого насоса нанесена характеристика рассматриваемой системы с указанием желаемой рабочей точки а (рис. 2.38).

Из полученного графика видно, что желаемая рабочая точка a находится ниже первой характеристики насоса, т.е. даже на самой малой его скорости создаваемые им напор и расход будут превышать требуемые для системы параметры.

Если установить этот насос, то он будет обеспечивать расход выше расчетного (точка b пересечения расчетной характеристики сети первой – минимальной скорости насоса), что, в свою очередь, вызовет увеличение скорости движения теплоносителя и увеличит съем тепла с отопительного прибора, т.е. система будет работать не в рассчитанном диапазоне, а со сдвигом. Во избежание этого необходимо сдвинуть характеристику системы отопления таким образом, чтобы она пересекала характеристику насоса в точке c, где расход теплоносителя совпадает с расчетным. Для этого в систему трубопроводов устанавливается балансировочный (настроечный, регулировочный) клапан, которым задается дополнительное сопротивление в системе таким образом, чтобы характеристика системы проходила через нужную точку с. Падение давления на клапане при заданном расходе должно быть равно ΔPклапана, кПа (рис. 2.38).

Циркуляционный насос подбирается на основании его характеристики (кривая «напор-расход»), исходя из суммарного падения давления в системе отопления. Оптимально, если точка, соответствующая расчетному падению давления в системе, лежит в средней кривой характеристики насоса, имеющего несколько режимов.

Если такая точка лежит выше кривой характеристики насоса, то он не подходит к системе. Необходимо заменить его на более мощный либо произвести изменения (замены) в системе отопления, существенно снижающие показатели падения в ней давления.

Если данная точка находится ниже кривой характеристики насоса, то он подобран «с запасом», и система может работать с превышением параметров. Необходимо с помощью балансировочного клапана, установленного в системе отопления, создать дополнительную потерю давления, при котором расход в системе будет соответствовать расчетному.



Назад в раздел