Двухтрубные системы отопления тупикового и попутного типа. В чём разница и что об этом говорят современные строительные нормы.
Ранее в одной из статей я уже рассказывал об однотрубных системах отопления.
Теперь настала очередь рассмотреть особенности проектирования и эксплуатации двухтрубных систем, которые крайне популярны у частных домовладельцев в ИЖС.
Так же двухтрубные вертикально-стояковые системы отопления пытаются применять и в многоквартирных домах.
Далее мы рассмотрим гидравлический расчёт систем для одного этажа частного дома с периметром в те же 50м для дом 10х15м по внутренним стенам (150м.кв на этаж).
А позже попытаемся применить те же подходы для максимальной высоты 50м в стояковой системе высотного дома.
Тупиковая система
Тупиковой схемой системы отопления называют такую схему, где трубы подачи и обратки выходят из одной начально точки, а сами трубы идут параллельно друг другу.
Рис.1. Принципиальная схема горизонтальной двухтрубной тупиковой системы отопления (сверху) и схема движения потоков теплоносителя в ней (снизу).
Попутная схема
Попутной схемой системы отопления называют такую схему, где начало труб подачи и обратки находится на разных концах системы, сами трубы идут параллельно друг другу , при этом теплоноситель в трубах течёт в одном попутном направлении.
Рис.2. Принципиальная схема горизонтальной двухтрубной попутной системы отопления (сверху) и схема движения потоков теплоносителя в ней (снизу).
Теоретический расчёт
Для простоты расчёта предположим, что распределительная главная труба («стояк» или «лежак») имеет одинаковый диаметр по всей своей длине.
В одноэтажном частном доме ИЖС более характерен «лежак», прокладываемый вдоль плинтуса внизу наружной стены открыто (или замурованы в стяжке пола).
Далее «стояк» и «лежак» объединим под одним словом «коллектор».
Тогда при равномерном распределении отопительных приборов по длине коллектора с шагом 3 м получим систему из 16 радиаторов с 15 интервалами между ними.
16 радиаторов соответствуют как высоте стандартной 16-этажной секции многоэтажного дома высотой 50м, так и нарезке фасада длиной 50м по периметру на стандартные помещения шириной 3 м по фасаду в одноэтажном частном доме 10х15м.
Для гидравлического расчёта примем коллектор прямым с равными интервалами между радиаторами, а сами радиаторы примем с одинаковой тепловой мощностью.
Тогда получим предельно простую расчётную схему, где расход по коллектору ступенчато меняется на одну и туже величину 1/16 от общего расхода, имея постоянный расход теплоносителя на 3-х метровых участках между радиаторами (см.рис.3.)
Рис.3. Ступенчатый график расхода теплоносителя по коллектору отопления между отводами к радиаторам.
Сопротивление трубы принимаем по номограмме для нулевого участка перед 1 радиатором, где расход максимален и попадает в зону определения номограммы (см.рис. 4.). Сопротивление остальных участков принимаем как квадратичную функцию по расходу от расхода нулевого участка.
Рис.4. Номограмма гидравлического сопротивления стальных трубопроводов с горячей водой.
Коллектор примем из стальной трубы Ду25 (один дюйм), что скорее всего будет правильным решением.
Запишем в таблицу параметры каждого участка с 1-го по 15-й.
По результату расчёту получим таблицу значений (см.рис.5.), по которым построим серию графиков.
Рис. 5. Таблица расчёта одного коллектора на 16 радиаторов с 15 расчётными участками по 3м длиной. Итоговое сопротивление прямого коллектора всего 174мм.вод.ст. Интересно, что 2 последних участка дали суммарную прибавку менее 1мм.вод.ст., что не изменило величины итогового сопротивления в 3-х последних строках.
Тупиковая схема для прямого и обратного трубопровода имеет одинаковые графики, так что они совпадают, а их сумма имеет в два раза большие значения (см.рис.6.)
Для попутной схемы подающие и обратные коллекторы имеют зеркальный вид, а их сумма выглядит как симметричный горб с максимумом по середине (см.рис.7)
Рис.6. Графики потерь на прямом (обратном) коллекторе и сумма потерь (верхний график) по каждому прибору от 1-го до 16-го
Рис.7. Графики гидравлических потерь на подающем (оранжевый) коллекторе и обратном (голубой) и сумма сопротивлений (серый) по каждому прибору от 1-го до 16-го. Судя по горбу сопротивления в середине на сером графике, затекание в средние приборы меньше, чем в крайние приборы в попутной схеме.
Рис.8. Графики суммарных гидравлических потерь в тупиковой схеме (оранжевый) и попутной схеме (серый) по каждому прибору от 1-го до 16-го. Видно, что для тупиковой схемы разница между максимальной и минимальной величиной составляет (350-0)=350мм.вод ст., а для попутной разница (300-175)=125мм.вод.ст.
Чтобы было легче оценить итоговые различия суммарные кривые сопротивлений тупиковой и попутной схемы сведены на один график (см.рис.8).
Согласно совместному графику видно, что величины дисбаланса между отдельными радиаторами в попутной схеме значительно меньше, чем в тупиковой.
Конкретно для данной расчётной схемы отношение максимальных дисбалансов составляет 350/125=2,8.
При этом в попутной схеме ни у какого из радиаторов не было нулевого сопротивления, а перепад между краями и серединой по сопротивлению имел отношение 300/175=1,71.
Такой перепад по давлению означал невязку по расходу в ещё меньшем отношении, а точнее в квадратично-корневой зависимости:
1,71^0,5=1,31
Так в попутной схеме без наладки максимальное отличие по расходу составляло всего 31% по максимуму, или +/- 15% от среднего значения.
Для столь простой и надёжной системы почти идеальный результат, к тому же даже эти 15% можно скомпенсировать увеличением мощности 6-ти секционного чугунного радиатора на 1 секцию в середине системы.
Чтобы окончательно закрепить превосходство попутной схемы необходимо учесть сопротивление подводящих труб к радиатору и самого радиатора, которые равномерно поднимут вся кривую вверх не меняя её форму
Такой подъём даже на небольшую величину сильно понизит погрешность распределения потока по радиаторам.
В заданных условиях сопротивление одного чугунного радиатора с подводками Ду15 (полдюяйма) составит около 10Па, что изменит распределение с погрешности 15% до 14,5%
Чтобы понизить погрешность распределения по радиаторам до +-10% потребуется увеличить сопротивление отдельного радиатора до 100Па.
Этой величины можно добиться установкой локального заужения в виде втулки в одну из подводящих к радиатору труб.
Диаметр такой втулки должен обеспечивать скоростной напор 100Па при расходе 42 л/ч.
Так сопротивление в 100Па создаст ускорение потока до скорости всего 0,45м/с, что обеспечивает установленная перед радиатором втулка с диаметра Ф6мм.
Общее сопротивление системы составит 300+100=400Па.
При этом гравитационная тяга котла на перепаде в 1м (приямок для котла на 1м ниже пола в доме) при перепаде температуры в трубах дТ=20С составит всего120Па (12мм.вод столба).
То есть на сопротивление сети 400Па нужно опускать котёл глубоко в подвал с перепадом высот около 3,5м.
Оптимизация гравитационной системы отопления сельского дома
Чтобы обойтись в доме без котельной в подвале необходимо увеличить диаметр коллекторов, что снизит потери по длине.
Так переход от диаметра Ду25 на диаметр Ду 40 (полтора дюйма) снизит стартовое удельное сопротивление коллектора в 12 раз с 12Па/м.п до 1Па/м.п. (см.рис.). В итоге отношение сопротивлений сотавит 25/14 Па.
При этом сопротивление радиатора с подводкой останется неизменным на уровне 10Па (см.рис.9)
Рис.9. Графики суммарных гидравлических потерь в попутной схеме по каждому прибору от 1-го до 16-го: голубой- сопротивление коллектора, оранжевый- сопротивление коллектора с добавкой 10Па от радиатора, серый- базовый уровен сопротивления радиаторов (10Па); Жёлтый- средняя линия отсчёта невязки, которая составляет всего +-5 Па.
При таком резком падении сопротивления коллектора доля неизменного сопротивления подводок резко вырастет, обеспечив нужную балансировку сети без дополнительных заужений в подводках.
35/24=1,46
При этом 1,46^0,5=1,21 или +-10,5%
То есть сопротивления подводок к радиаторам будет более чем достаточно для почти идеальной балансировки системы с погрешностью +-10% по расходу.
Общее сопротивление системы в итоге составит менее 50Па, что обеспечивается перепадом между котлом и коллектором обратки около 0,5м.
Перепад 50 см можно легко обеспечить небольшим приямком, или расположением топочной котла в сенях на уровне грунта.
Именно по таким схемам делали отопления в деревенских частных домах в СССР во второй половине 20 века, когда в село начали попадать трубы и чугунные радиаторы, а сами селяне стали жить чуть побогаче и потянулись к городскому комфорту в отоплении.
Особо стоит отметить, что гравитационные системы отопления отлично работали и в 2-х этажных домах, так как перепад высот между этажами обеспечивал высокий гравитационно-циркуляционный напор в системе.
Правда, такие системы отопления в двухэтажные домах превращались скорее уже в однотрубные стояковые системы.
Так коллектор подачи располагался на 2-м этаже под потолком, а коллектор обратки лежал на полу 1-го этажа. Коллекторы соединялись двумя радиаторами в последовательном вертикальном стояке, часто даже без байпасов на радиаторах. (см.рис.10)
Рис.10. Схема системы отопления с гравитационной тягой в двухэтажном доме.
Расчёт тупиковой двухтрубки для ИЖС.
Получается, что попутная схема изначально настроена лучше, чем тупиковая?
Это не совсем так, так как в тех же условиях сельского 1-2-х этажного дома система отопления с коллекторами большого диаметра может иметь вариации, обнуляющие «магический» эффект от попутной схемы.
Изначально по расчёту максимальное сопротивление коллектора Ду25 в тупиковой схеме составило 350Па против 300Па у попутки.
При переходе на диаметр Ду 40 сопротивление упало в 12 раз, то есть до величины 30 и 25Па соответственно.
Имея балансирующее сопротивление всего в 10Па на радиаторе самоналадка тупиковой системы составит
40/10=4
При этом дисбланс по расходу составит :
4^0,5=2 раза или +-50% от среднего
Казалось бы катастрофическая разница в пользу попутной схемы!
Да, в такой постановке задачи попутка выигрывает у тупиковой схемы, но есть нюансы.
В случае перехода с кольцевой схемы попутки на тупиковую схему ситуация радикально меняется при небольших изменениях в структуре системы.
Так в тупиковой схеме вместо длинного кольца можно сделать две полуветви, разрезав кольцо в дальнем участке и присоединив две встречных ветви к одному исходному узлу (см.рис.11)
Рис. 11. Пример разрезанного горизонтального кольца попутки в два полукольца по тупиковому варианту.
Если не менять диаметры коллекторов, то при этом в два раза падают расходы теплоносителя в ветвях и в два раза сокращается их длина, что в итоге приводит к падению общего сопротивления коллекторов в 8 раз (2 в кубе) с 350Па до 44 Па даже в варианте с коллектором Ду25.
Кубическая зависимость- это очень круто растущая функция!
Визуально это можно оценить по следующей объёмно-графической интерпретации цифрового расчёта (см.рис.12)
Рис.12. Ступенчатый график расхода и объёмные пирамиды функции сопротивления одного коллектора. Объём одной ступени равен сопротивлению этого участка коллектора. Суммарный объём пирамиды равен сопротивлению коллектора на полной длине. Большая пирамида- полная длина в кольце, малая пирамида- половинная длина в разрезанном пополам кольце для тупиковой схемы. Объём пирамиды равен площади основания на 1/3 высоты. Так как объём пропорционален кубу линейного размера, то пирамидка с половинной высотой окажется в 2^3=8 раз меньше по объёму.
В случае же проведения такого же фокуса с разрезанием кольца при коллекторе Ду40, то сопротивление падает в 8 раз с 25 Па в полном кольце, и до 3Па в полукольце.
В итоге с учётом балансировочного сопротивления 10Па на каждом радиаторе получаем гидравлическую невязку по напору:
(10+3)/10=1,3
При этом по расходу невязка составит:
1,3^0,5=1,14 или +- 7 %, что даже лучше, чем +-10,5% у попутной схемы с полным кольцом.
Рис. 13. Пример проекта, где в одном доме одновременно использованы как тупиковая схема (на первом этаже) , так и попутная схема (на втором этаже). Целесообразность применения попутной схемы на 2-м этаже не очевидна: при тех же диаметрах и длинах труб на 2-м этаже гидравлически выгоднее было бы сделать две тупиковых ветки по 2 радиатора. Также немотивированно изменяют диаметры на коллекторах тупиковых веток, резко повышая их суммарное сопротивление.
Итого:
Невзирая на «магию» самобалансировки попутной схемы (петли Тихельмана) получается, что тупиковые схемы имеют даже лучшие гидравлические характеристики и лучше сбалансированы, если при равных диаметрах коллекторов есть возможность разделить горизонтальные петли попутки на два полукольца с тупиковой схемой движения теплоносителя.
Для случаев с вертикальными стояками разрезать кольца не получится (их нет), но в качестве дополнительных затрат надо учитывать диаметр и металлоёмкость общего стояка, который необходим для подъёма теплоносителя на чердак дома к общему коллектору. Так при увеличении диаметров коллекторов в тупиковой схеме ( за счёт экономии материала от вертикальной трубы до крыши) так же может привести к выигрышу тупиковой схемы.
Так же в вертикальных двухтрубных стояках при балансировке обязательно надо учитывать гравитационную тягу 120Па/м по вертикали, что в стояке высотой 50м создаст запирающую тягу 120*50=6000Па (600 мм.вод ст.) на нижнем радиаторе. Именно это явление «зависания» нижних радиаторов в стояке двухтрубного отопления было основанием для запрета вертикальных двухтрубок в СНиП во времена СССР.
Что случилось с «попуткой» в текущей реальности.
Горизонтальная попутка была крайне популярна во времена СССР, когда в двухтрубных системах не использовали радиаторные термостатические клапаны повышенного сопротивления типа RTD-N (Данфосс).
При этом для отопления многоэтажных домов в СНиП того времени существовал прямой запрет на использование двухтрубных схем отопления в домах с количеством этажей 3-х и более.
В условиях СССР горизонтальная попутная схема достаточно широко использовалась в одноэтажных домах с горизонтальными двухтрубными системами, причём чаще всего с естественной гравитационной тягой, то есть без насоса для циркуляции теплоносителя.
Для таких схем горизонтальных попутных двухтрубок даже было отдельное название: «Петля Тихельмана».
Система названа в честь Альберта Тихельмана (Albert Tichelmann, 1861—1926), который был специалистом в области водяного отопления и предложил свою систему подключения отопительных приборов в 1901 году.
То есть «петля Тихельмана» была передовым техническим решением, но только более 100 лет назад.
Схема имела название «петля», так как начало и конец системы был в одном месте у отопительного котла в доме, а трубы-коллекторы шли по кругу по периметру внешних стен дома (см.рис.14.)
Рис. 14. Попутная двухтрубная горизонтальная система радиаторного отопления типа «петля Тихельмана». Такая система могла работать и без циркуляционного насоса, если котёл опустить ниже колекторных труб отопления в подвал или в специально выкопанный приямок.
Использование естественной гравитационной тяги для обеспечения циркуляции в системе отопления не допускало применения регулирующих вентилей в системе, так как располагаемый напор на малом перепаде от котла в одноэтажных домах давал крайне малое побуждающее давление в системе, так что любое дополнительное сопротивление просто останавливало циркуляцию по системе.
Гравитационная тяга рассчитывается исходя из значения 120Па на 1м перепада по высоте от котла до обратного колектора, что равно разнице плотности воды 12кг/м3 на перепаде температур 90/70С. (см.рис.15)
977-965=12 кг/м3
Рис.15. Таблица плотности воды в зависимости от температуры.
Именно малый гравитационный напор от котла сделал «петлю Тихельмана» с открыто проложенными толстыми горизонтальными коллекторами практически безальтернативным решением в частном секторе, где применялось индивидуальное отоплением от котлов на твёрдом топливе (дрова, уголь) или от простейших газовых котлов (АГВ) без дополнительных циркуляционных насосов.
Ситуация изменилась в 1990-х годах после развала СССР, когда из-за границы хлынул поток передовых отопительных систем с «загнивающего запада».
Так для частного застройщика стали доступны все чудеса инженерной мысли из Европы: циркуляционные насос с мокрым ротором типа UPS 25-60 (Грундфос), термостатические клапаны типа RTD-N (Данфосс), пластиковые и металлопластиковые трубы для скрытой прокладки в стяжке пола.
Все эти инженерные чудеса позволили избавится от громоздких труб-коллекторов по периметру дома, запрятав тонкие трубки с теплоносителем в штробы в стенах или в стяжку пола.
Применение тонких труб резко повысило гидравлическое сопротивление системы, так что для наладки по расходу теплоносителя через отдельные приборы пришлось создавать весьма значительные сопротивления на отдельных радиаторах, которые обеспечивали за счёт специально устанавливаемых клапанов повышенного сопротивления типа RTD-N (Данфосс).
Критерии расчёта двухтрубных систем отопления.
В новой реальности слабенькая гравитационная тяга от котла (50-100 Па для одноэтажного дома без подвала) перестала ограничивать инженеров в ИЖС, предоставив в их распоряжение немыслимые ранее напоры в 20-50 кПа (2-5 м.вод.столба) от маленьких циркуляционных насосиков с мокрым ротором и электрической мощностью 25-70 Вт при расходах до 3м3/ч. (см.рис.16-а-б)
Рис. 16. Страницы из каталога циркуляционных насосов с мокрым ротором (Грундфосс) с характеристиками наиболее популярных в ИЖС моделей: А- UPS 25-40 ; Б- UPS 25-60.
Располагаемый напор резко возрос, а потому начали повышаться сопротивления коллекторов в системах отопления при уменьшении их диаметров.
Для выравнивания расходов по радиаторам потребовалось резко повысить сопротивления на их подводках, для чего стали применять специальные регулирующие клапаны повышенного сопротивления, такие как RTD-N Ду 15 (Данфосс).
С помощью клапанов типа RTD-N Ду 15 стало возможно обеспечить очень высокие сопротивления на радиаторе на разных расхода теплоносителя (см.рис.17-18)
Рис.17. Внешний вид клапанов типа RTD-N и RTD-G Ду 15 (Данфосс). Клапаны типа RTD-G (справа) предназначены для использования в одноторубных системах, так как имеют очень большую пропускную способность (Кvs=2,7) который для Ду15 на расходе 42л/ч (1 кВт при 90/70С) обеспечивает сопротивление всего дР=(0,042/2,7)^2=0,00024 бар. = 24Па.
Рис.18. Внешний вид клапанов типа RTD- Ду 15 (Данфосс) и термостатическая головка к нему. На корпусе клапана видны элементы для наладки: зубчатое вращающеся кольцо ограничителя хода клапана и шкала с цифрами на внешнем лимбе.
Рис.19. Диаграмма сопротивлений клапана типа RTD-N Ду 15 (Данфосс) в зависимости от выбраной настройки в диапазоне 1-7-N. Пунктирные линии показывают границы бесшумной работы клапанов с показателями шума ниже 25 и 30dB(A) соответсвенно.
Новым ограничением для проектировщика в насосных системах стал шум на регулирующих клапанах радиаторов, границы которого на графиках стали специально обозначать. (см.рис.19)
Так как метод наладки расхода остался неизменным (дополнительное равное сопротивление радиаторов), то под возросшие сопротивления радиаторов пропорционально выросли допускаемые сопротивления коллекторов сети систем отопления.
По рекомендации производителя сопротивление радиаторного клапана должно было составлять 80% сопротивления всей системы (приоритет 80%).
Если же напор от маленького насоса в ИЖС составлял около 3 м.вд.ст., то на сопротивление коллектора оставалось всего 0,6м вод.ст. (6кПа), при этом рисков появления шума на клапанах радиаторов не возникало практически никогда.
Рекомендованный приоритет радиатора 80% обеспечивал точность наладки с гидравлической невязкой по напору:
100/80=1,25
При этом по расходу невязка составит почти ту же величину, что и для попутной «петли Тихельмана» с коллектором Ду40мм:
1,25^0,5=1,12 или +- 6 %.
В настоящее время эта рекомендация из каталога производителя клапанов (Данфосс) попала в современный СП60-2020 «СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», но уже в более жёсткой форме, а именно:
Невязка потерь давления не должна превышать 5% при попутной и 15% при тупиковой разводках трубопроводов. (см рис.20).
Рис. 20. Фрагмент текста СП60-2020. Под шапкой документа на верху страницы остался виден всего один абзац пункта 6.2.10., но который говорит исключительно важную информацию про различные условия проектирования и наладки систем отопления попутной (невязка 5%) и тупиковой схемы (невязка 15%).
То есть СП60-2020 в п.6.2.10. решительно пресекает разговоры про «чудесносность» попутной схемы отопления, вводя для неё в 3 раза более жёсткую норму по гидравлической невязке в системе. Именно такую разницу невязки в 2,8 раза между попуткой и тупиковой схемой мы насчитали в начале этой статьи.
То есть согласно СП60-2020 в попутке нужно обеспечить 95% приоритета на приборе, а в тупиковой всего 85% приоритета на приборе.
Таким образом, авторы СП60-2020 за счёт дифференцирования нормы по гидравлической невязке в тупиковой и попутной схемах нормативно прекратили попытки заузить диаметры коллекторных частей для попутных систем. Так теперь проектировщики вынуждены внимательно считать гидравлику системы отопления без ссылок на «магию самобалансировки» петли Тихельмана.
Негативные свойства двухтрубных систем отопления с клапанами повышенного сопротивления типа RTD-N Ду 15
Ранее был рассчитан диаметр локального заужения Ф6мм, который обеспечивал сопротивление радиатора на уровне 100Па.
Теперь возникает вопрос:
Какой диаметр заужения нужен для получения дР=30кПа (3м.вод.ст.) на этом же радиаторе?
Ответ достаточно прост:
Давление скоростного напора 30кПа обеспечивается на скорости
V=7,7м/с
Что при расходе 42л/ч даёт диаметр D=1,4мм.
Встаёт всего один вопрос:
Как такое тоненькое отверстие Ф1,4мм не забивается грязью и ржавчиной из системы отопления?
Ответ очевиден:
Мизерный зазор в термостатическом клапане повышенного сопротивления в двухтрубной системе отопления регулярно засоряется, что приводит к остановке протока и остыванию радиатора.
В тяжёлых случаях засорения не помогает даже открытие клапана на больший расход, а в результате приходится демонтировать радиатор и механически прочищать забитые проходы клапана.
Эта проблема возникает даже в дорогих коттеджах, где казалось бы никакой грязи в закрытых системах отопления быть не должно.
В тоже время в огромном количестве многоквартирных домов однотрубные вертикальные системы отопления таких проблем с засорением не имеют по много десятилетий подряд, но только если там нет термостатических клапанов и заужений на подводках к радиаторам.
Так в моём 9-ти этажном панельном доме вертикальная однотрубка с конвектором-гармошкой уже 45 лет подряд работает без ремонта.
Есть ли перспективы у попутки в настоящее время?
В высотном домостроении вертикально стояковые двухтрубные системы практически нельзя применять.
Для реализации двухтрубного теплоснабжения квартир сейчас используют горизонтальные разводки от поэтажных коллекторных шкафов с автоматическими клапанами постоянного расхода на отводах от подъездных стояков теплоснабжения к распределительным поквартирным коллекорам.
Такое решение избавляет от многих проблем с транзитными стояками через неподконтрольную площадь частной квартиры, но создаёт ворох других проблем, о чём была написано в предыдущей статье по данной теме (см.по ссылке)
https://habr.com/ru/articles/727472/
А что с малоэтажным строительством и в ИЖС?
Ранее в статье мы выяснили, что сопротивление двухтрубных систем растут пропорционально кубу длины при постоянной удельной мощности отопления по длине коллектора.
Получается, что чем длинней ветвь двухтрубной системы (любой конфигурации), тем толще нужно делать сечение коллектора.
В какой-то момент оказывается, что трубы коллекторов на столько толстые, что теплоотдача от них перекрывает мощность радиаторов.
В этот момент двухтрубная система отопления превращается в регистровую систему отопления, где отдельные радиаторы становятся вообще не нужны.
Ну, а регистровую систему отопления выгоднее всего проектировать со сквозным потоком теплоносителя в бифилярной схеме прокладки греющих труб.(см.рис.21.)
Рис. 21. Картинка из учебника со схемами бифилярных горизонтальных систем отопления.
Рис.22. В этом высотном здании смонтированы бифилярные горизонтальные системы отоплением с металлическими конвекторами из алюминиевых секций (по типу 1) . Ранее это было здание советского НИИ в Москве на проспекте Мира, дом 95. В этом здании я сам как-то работал (просидел зиму 2020/21 года) и претензий к работе отопления у меня не было.
Легко посчитать, что мощность 1 кВт на длине 3 погонных метра фасад для системы отопления- это теплопотери в частном доме со сплошным фасадным остеклением или со стенами из бруса 150мм, то есть дом с очень низкой энергоэффективностью.
Для одноэтажного дома 15х10м из газобетона Д400-400мм с нормальным остеклением по одному окну 2х1,5м каждые 3 м фасада (33% остекления) будет иметь номинальные теплопотери в подмосковье на уровне всего:
N=(100/3+50/0,7+150/4+150/4)*50= 8988 Вт= 9 кВт.
То есть реальный современный дом будет иметь теплопотери всего в 56% от нашего исходного предположения, где было 16 радиаторов по 1 кВт, что в сумме давало 16кВт.
Для регистра из 2-х параллельных труб 1кВт теплоотдачи на графике 90/70-20С обеспечивается при площади теплоотдачи регистра:
S=1000/(8,9*(80-20)*2*3)= 0,312м.кв./м.п
Это соответствует трубе с внешним диаметром Ф100мм.
Для мощности 570 Вт на каждые 3м фасада в современном утеплённом дома достаточно будет регистров тоже из двух труб, но с диаметром всего Ф57мм.
То есть прокладка вдоль внешних стен под подоконниками двух труб (туда и обратно) диаметром Ф100мм или Ф 57мм обеспечивают возможность равномерного отопления дома вообще без радиаторов.
Гидравлический расчёт бифилярного регистра.
Для дома с периметром 50м потребуется всего 100м.п. стальной трубы Ф100мм.
Труба Ф102х3 мм (Ду90мм) при расходе 7,2м3/ч имеет сопротивление всего 11Па/м,
Что при расходе в 0,7м3/ч (16кВт при графике 90/70-20С) даст удельное сопротивление 0,11Па/м и общее сопротивление системы 100*0,11=11Па.
То есть сопротивление трубной системы отопления столь мало даже в рамках минимальной гравитационной тяги 50Па, что можно рассмотреть возможность замены двух Ф100 на четыре параллельные трубы Ф51х3мм (Ду40).
Для утеплённого дома с теплопотерями 9кВт и регистром из трубы Ф 57мм (ду50) при расходе в 0,4м3/ч (9 кВт при графике 90/70-20С) даст удельное сопротивление 0,6Па/м и общее сопротивление системы 100*0,6=60Па. Что тоже укладывается в гравитационный напор котла с перепадом 50см.
Оптимизация регистра Ф100мм на 2 регистра Ф50мм
Два регистра диаметр Ф100мм- это очень громоздкие труба в интерьере дома.
Также она сильно тяжелее из-за большого объёма воды в ней. При экономии массы бывает необходимо прокладывать несколько ходов более тонкой трубы вместо одного хода толстой. Но при сохранении прежней площади теплоотдающей поверхности трубы.
В частном секторе ИЖС болше имеет значение эстетика регистров и занимаемоемое ими пространство.
Так эстетически выгоднее иметь под окнами 4 ряда труб диаметром Ф51мм (Ду40) с шагом 100мм под подоконником высотой 700мм (высота письменного стола), чем два толстых регистра диаметром Ф102мм.
У трубы Ду 40 при расходе 720л/ч удельное сопротивление 9Па/м.п., что на длине 4х50=200м даст сопротивлении 9*200=1800Па (180мм.вод.ст).
Давление 1800Па сильно выше, чем располагаемое давление 360Па гравитационной тяги даже с перепадом в 3 м до котельной в подвале.
То есть при уменьшении диаметров в 2 раза сопротивление возрастает столь многократно, что также необходимо менять и длину трубы.
Изменение длины в 2 раза снизит сопротивление системы в 8 раз до 1800/8=225 Па.
Сопротивление регистра 225Па- это тоже избыточно много для гравитационной тяги, так что придётся применять трубы Ф57мм (Ду50) вместо Ф51мм (Ду40).
Расчёт трубы 100м для Ду50мм мы уже привели выше.
Итого по регистровым системам отопления:
В частном доме для удешевления системы отпления и повышения её надёжности можно применять регистры из гладких труб постоянного диаметра вместо достаточно сложной системы отопления с отдельными радиаторами и трубами разных диаметров. Так в одноэтажном доме 10х15=150м.кв. достаточно сварить систему регистров из трубы Ф100мм (или две системы из трубы Ф57мм) длиной по 100 м каждая.
При этом будет получена идеальная балансировка системы по теплоотдаче из-за равенства суммарной отдачи двух соседних пар труб по температуре.
Похожие решения с длинными регистрами из гладких труб (но уже с насосной прокачкой) также отлично подходят для протяжённых одноэтажных зданий (склады, теплицы, коровники, армейские казармы) или для больших помещений со сплошным поясным остеклением (старые советские административные здания).
Стоит отметить, что у регистровых систем выше прочность (вандалостойкость) и их легче мыть, что особенно важно в армии и в сельском хозяйстве.
К тому же ещё такие регистровые системы будут дешевле, стабильнее в работе и надёжнее (чем радиаторные), из-за отсутствия дорогих радиаторов и балансировочной арматуры к ним.
Сравнение стоимость радиаторной и регистровых систем отопления частного дома 150м.кв.
Самый дешёвый плоский панельный радиатор на 1кВт (Тип 22-500х500мм) с двумя шаровыми кранами (по 400 руб.) и одним балансировочным термостатическим клапаном (1500руб.) будет стоить не менее 6,5 тыс.руб. (см.рис.23-25)
Рис. 23. Актуальные розничные цены на панельный стальной радиатор мощностью 1 кВт.
Рис.24. Актуальные розничные цены на термостатический клапан повышенного сопротивления типа RTD-N Ду15.
В тоже время 6 погонных метров трубы Ф100мм будут стоить в 2 раза меньше, то есть всего 3150руб из рачёта цены 525руб/м.п. Та же ситуация с ценой на трубы Ф48-57мм (см.рис.25-26).
То есть трубы обойдутся в 2 раза дешевле радиаторов, и это без учёта того, что к самим радиаторам ещё потребуется дополнительно купить трубы на коллекторы Ду40 на половину от стоимости регистров.
Правда, стальную трубу надо будет ещё покрасить, что тоже стоит денег.
Но ведь и коллекторы для радиаторов тоже придётся красить, хоть и в 2 раза меньшем количестве.
Рис.25. Актуальные розничные цены на стальные трубы для регистров отопления Ф102мм.
Рис.26. Актуальные розничные цены на стальные трубы для регистров отопления или коллекторов радиаторной двухтрубки.
Судьба вертикальной двутрубки в современных утеплённых высотных домах.
Проведённые выше расчёты по регистровой схеме отопления применимы и к высотным домам с отоплением стояками по 50м вверх.
При текущих нормативных сопротивлениях и вменяемыми окнами размером 1,5х1,5м (панельный дом П-44) теплопотери в отдельной комнате шириной 3м и высотой этажа 3м в современного дома окажутся на уровне:
N=(7/3+2,25/0,7)*50= 278 Вт
В результате для отопления двумя двухтрубными стояками будет достаточно всего двух параллельных вертикальных труб диаметром Ф31х2,8мм (Ду 25), стоящих по углам комнаты. Никаких радиаторов уже не потребуется вовсе.
Надо ещё учесть, что для компенсации тепловых удлинений на каждом стояке на каждом этаже нужно делать компенсирующий П-образный загиб типа "полотенцесущитель" в ванной.
При длине такого "полотенцесушителя" всего 0,7м появится дополнительно 0,7*2=1.4 м теплоотдающей трубы.
В результате вместо трубы Ф31х2,8мм (Ду25) можно будет применить трубу в 1,5 раза меньшего внешнего диаметра, а именно Ф 21х2,8мм (Ду15).
В итоге вертикальная система двухтрубного отопления превратилась в бифилярный регистр из тонкой трубы Ду 15мм, которая по виду становится неотличима от однотрубной системы без оребрённого конвектора, но с двумя стояками в одной комнате.
Таким незамысловатым образом я в своих проектах отапливаю общественные зоны (например лестницы), где разместить отопительный прибор не представляется возможным.
При насосной прокачке такой высотный "бифилярной" системы парных стояков сопротивление системы не будет иметь значения. При номинальном расходе около 200л/ч и сопротивление труды Ду 15 около 100м.вод.ст/м.п (значение по СП для вертикальных однотрубок) сопротивлении такой системы будет около 150кПа (1,5 бар).
То есть на фоне постоянного сопротивления 150кПа добавочные 1-3 кПа от меняющейся по температуре воды гравитационной тяги значения иметь не будут. Хотя гравитационная тяга будет едва заметно помогать циркуляционному насосу, снимая с него часть нагрузки за счёт естественной тяги.
Автор:
iMonin
