Гидравлическое сопротивление труб для теплого пола

Почему возникают потери на трение?

Подавляющее большинство проектов отопления с помощью водяного теплого пола реализуется с использованием полимерных труб (диаметром 16-20 мм). Они удовлетворяют требования по надежности, долговечности, дешевизне, эксплуатационным издержкам. Однако, как и в любом другом виде трубопроводов, внутри полимерных труб создается трение. Если говорить о всей системе водяного теплого пола, то принято разделять гидравлические потери на две группы:

• Местное сопротивление – возникает в локальных точках, где уменьшается диаметр основного потока, поток деформируется, меняется форма канала, установлены различные виды запорной арматуры и фитинги (углы, тройники, вентили, коллектора, муфты);
• Постоянное гидравлическое сопротивление труб – создается на всей длине, если сечение имеет постоянную величину, растёт по мере увеличения длины магистрали. Иногда производители называют данную характеристику коэффициентом шероховатости.

Из этого следует, что для уменьшения суммарных гидравлических потерь в системе теплого пола рекомендуется:

• Избегать применения фитингов и запорной арматуры, уменьшающих условный проход;
• Использовать трубопроводы высокого качества с низким коэффициентом шероховатости (с гладкой внутренней поверхностью);
• Не использовать схемы с резким изменением направления потока теплоносителя;

Гидравлические расчеты производятся для эффективного размещения узлов, определения максимальной длины контура водяного теплого пола, распределения потока теплоносителя, определения характеристик насосного оборудования, определения максимальных тепловых потерь и минимального давления. Если мощности насосного оборудования не будет достаточно для компенсации гидравлических потерь, эффективность отопления резко снижается, не создается требуемый напор теплоносителя. Чрезмерная мощность насосов, увеличение диаметра трубопроводов, короткие контура необоснованно увеличивают расходы на комплектующие, монтаж, отделочные работы, эксплуатацию. 

Коэффициент гидравлического сопротивления труб (КГС) водяного теплого пола

Это безразмерная величина, отражающая потерю потока на всей длине однородного трубопровода (рассчитывается по формуле Дарси-Вейбаха). Для труб отопления используется вариант формулы для цилиндров. КГС для ламинарного (равномерного) потока отражает зависимость между давлением и создающимся напряжением, может рассчитываться математически. КГС для турбулентного (нестабильного) потока обычно определяется опытным путем в процессе замеров, исследований, тестирования, но может также быть рассчитан теоретически по формуле Блаузиуса.

Коэффициент гидравлического сопротивления зависит не только от характеристик трубопровода, но и от ряда других факторов: режим движения теплоносителя, его температура, температура окружающей среды, свойства жидкости, поэтому для сложных систем применяются различные поправочные коэффициенты. Производители трубопроводов указывают КГС в нормальных условиях эксплуатации водяного теплого пола – ламинарный поток, вода, +20 °C. При проектировании СНиП 41-01-2003 рекомендует использовать коэффициенты с запасом по сопротивлению, поскольку на гидродинамику может влиять множество других факторов.

Определение гидравлического сопротивления труб

Современные технологии позволяют с высокой точностью определить общие гидравлические потери в системе водяного теплого пола. Для этого применяются программные комплексы, специализированные калькуляторы, определяющие коэффициент местного сопротивления, общие потери в трубе, исходя из следующих параметров:

• Входящее давление;
• Скорость движения потока;
• Нивелирная высота;
• Схема прокладки коммуникаций;
• Диаметр и характеристики труб.

Математические расчеты при проектировании практически всегда автоматизированы, тем не менее, методология предусматривает обязательное наличие экспериментальной части при расчете гидравлического сопротивления. Это необходимо, поскольку даже небольшая отопительная система может менять свои характеристики под воздействием массы внешних факторов, возможны ошибки при монтаже, несоответствие заявленных характеристик фактическим. Данная проблема решается путем использования пессимистического сценария с намеренным увеличением значения сопротивления и последующей его компенсации. 

Что такое гидравлическая балансировка системы?

Различная длина контура, перепады по диаметру условного прохода теплоносителя, способы подключения периферийной части системы отопления вызывает неравномерную скорость движения потока, соответственно, меняется и качество теплообмена. Проще говоря, водяной поток двигается по пути наименьшего сопротивления, тем самым на коротких контурах и в местах применения труб большего диаметра циркуляция усиливается. С целью обеспечения одинаковых или различных температур в помещениях выполняется гидравлическая балансировка. Насколько бы точно не была спроектирована схема, теоретические факторы не смогут учесть все нюансы после запуска водяного теплого пола в эксплуатацию.

Элементами балансировки потока являются:

• Длина контуров (балансировка осуществляется естественным образом, благодаря гидравлическому сопротивлению труб);
• Установка клапанов терморегуляции;
• Монтаж коллекторных гребенок с распределением потока;
• Запорная арматура.

Поскольку основным устройством, приводящим тепловой поток в движение, является циркуляционный насос, важно настроить отопление на оптимальную работу во всех контурах, вне зависимости от точечного (локального) гидравлического сопротивления.

Практика применения полимерных трубопроводов рекомендует использовать петли водяного теплого пола длиной до 80-100 м для труб ДУ 16 мм, до 100-120 м для труб ДУ 20 мм. Также для более точной балансировки и равномерного перераспределения тепла лучше использовать контуры сопоставимой длины.

Неблагоприятные последствия ошибок в расчетах или монтаже, что привели к увеличению гидравлического сопротивления:

• Давление потока падает, что приводит к недостаточному нагреву помещения по всей площади (поток практически останавливается из-за чрезмерной длины контура или сильного уменьшения диаметра условного прохода).
• Неравномерный прогрев контура – при укладке змейкой вводная часть прогревается сильнее, если выбрана укладка «улитка» возникает тепловая зебра с перепадом температуры по площади.
• Увеличивается нагрузка на циркуляционный насос.
• Ускоряется износ котельного и прочего оборудования из-за частых включений.
• Нецелесообразное увеличение сметной стоимости монтажа и комплектующих.
• Сложность балансировки контуров.
• Возникновение шумов из-за движения теплоносителя.
• Несоответствие тепловых потерь здания производительности отопления.
• Высокая инертность.

Исправить ошибки после ввода в эксплуатацию всей системы может быть достаточно сложной и дорогостоящей задачей, поэтому лучше воспользоваться услугами опытных инженеров и квалифицированных монтажников.

Почему важно выбирать трубы для теплого пола с низким коэффициентом шероховатости?

Производители указывают коэффициент шероховатости своей продукции, которые они получили в результате расчетов и проводимых испытаний. Чем ниже данная величина, тем лучшей считается система трубопровода по ряду причин:

• Невысокая шероховатость исключает обрастание внутренних стенок различными осадками, биопленкой и прочими веществами, способными уменьшить условный проход.
• Низкое трение уменьшает падение давление на всей длине контура – можно использовать петли большей длины.
• Уменьшается нагрузка на циркуляционные насосы.
• Возможно использование труб меньшего диаметра для обеспечения расчетной пропускной способности.
• Со временем шероховатость труб будет меняться в процессе эксплуатации, что вызвано естественным износом материала, даже если речь идет о полимерах.
• Экономия электроэнергии, затрачиваемой на циркуляцию.

Важно отметить, что сопротивление возникает не только из-за естественного трения о стенки по всей длине контура, но также и при взаимодействии с различными дефектами, стыками, неровностями трубы. Поэтому необходимо выбирать трубы с многоуровневым контролем качества на всех этапах производства.