К расчету горизонтальных однотрубных систем отопления

Ю. А. Коростелев, канд. техн. наук, доцент Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин);

А. Н. Кулеш, главный инженер, ООО «Инжиниринговая фирма Сатурн»;

С. В. Бублей, ассистент кафедры ТГиВ Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин)

 

Вертикальные системы отопления достаточно полно исследованы и нашли широкое применение для отопления зданий. До 1960 года, как правило, проектировались и монтировались двухтрубные вертикальные системы отопления. После 1960 года были изучены и внедрены однотрубные вертикальные системы с верхней разводкой подающей магистрали. В дальнейшем, после разработки специалистами Ленинграда П-образных вертикальных систем отопления, эти системы с 1970 года получили самое широкое применение и проектируются в настоящее время.

Горизонтальные системы отопления проектировались, как правило, в промышленных и общественных зданиях большого объема (цеховое отопление или отопление залов). Это имеет место и в настоящее время. Как правило, эти системы монтируются не из типовых узлов (нельзя заготавливать впрок). Монтаж ведется «по месту» установки нагревательных приборов (длину радиаторного узла диктует длина нагревательного прибора). Для определения поверхности нагрева приборов, как правило, расчет основан на «среднем температурном напоре» для всей ветви горизонтальной системы. Это недопустимо, если ветвь системы обслуживает различные по нагрузкам помещения. В справочной литературе таких примеров расчета горизонтальных однотрубных систем нет. Типовые радиаторные узлы с односторонним присоединением приборов не разработаны. Имеющиеся данные носят рекомендательный характер. Применение узла с трехходовым краном (см. СН 419–70–М, 1972) было отменено, т. к. пользование им невозможно. Применение эксцентриковых шайб в замыкающих участках (система А. В. Мазо) привело к резьбовому соединению (сгон), что кроме удорожания узла во время эксплуатации системы приводило к появлению течей.

Горизонтальные системы отопления в жилых зданиях повышенной этажности не находили применения, т. к. кроме увязки гидравлических потерь в ветвях поэтажно с учетом (соответственно этажу) гравитационного давления необходимо выполнять расчет малых циркуляционных колец. Этой громоздкой работы при проектировании вертикальной системы нет, т. к. гравитационное давление суммируется поэтажно на весь вертикальный стояк и рассматривается как запас к величине насосного циркуляционного давления.

Расчет горизонтальной системы отопления требует тщательного анализа работы всех поэтажных ветвей и расчета всех малых циркуляционных колец, чтобы не было проблем при пуске и эксплуатации системы отопления.

Вот некоторые причины, которые сдерживали широкое применение горизонтальных систем отопления.

В настоящее время востребованность этих систем возрастает, т. к. они обладают определенными преимуществами перед вертикальными системами, что нашло отражение в последних трех изданиях СНиП – ОВ и К.

Рассмотрим динамику изменения рекомендаций этой нормативной литературы:

1. СНиП 2.04.05–91* (2001 год), стр. 5 п. 3.15*: «системы поквартирного отопления в зданиях следует проектировать двухтрубными, предусматривая при этом установку приборов регулирования, контроля и учета расхода теплоты для каждой квартиры».

2. СНиП 2.04.05–91* (2003 год), стр. 5 п. 3.15*: «в жилых зданиях следует предусматривать:

– устройство поквартирных систем отопления с горизонтальной разводкой труб и установку счетчика расхода теплоты для каждой квартиры».

3. СНиП 41–01–2003 (2004 год), п. 6.1.3: «отопление жилых зданий следует проектировать, обеспечивая регулирование и учет расхода теплоты каждой квартирой».

«В жилых зданиях следует предусматривать:

– установку счетчика расхода теплоты для каждой квартиры при устройстве поквартирных систем отопления с горизонтальной (лучевой) разводкой труб».

Проанализируем этот кризис нормативной литературы по отоплению.

В первом случае диктуется системы «проектировать двухтрубными». Почему нельзя однотрубные? Не разработаны другие?

Во втором случае – «следует предусматривать с горизонтальной разводкой труб» – это значит можно и двухтрубные, и однотрубные. Существенно демократичнее. Зависит от инициативы и грамотности проектировщика.

В третьем случае – «следует проектировать», затем «следует предусматривать… устройство систем с горизонтальной (лучевой) разводкой труб». Если внимательно рассмотреть конструкцию этой системы, то она включает два коллектора в каждой квартире (так называемые «гребенки») с двухтрубной обвязкой каждого прибора, что требует устройства пола на лагах или замоноличивания труб в гофрах в перекрытие. На коллекторах устанавливается балансировочная и настроечная арматура, а на подводках к приборам регулирующая по расходу теплоотдачу арматура с термоголовками. Это необоснованно увеличивает сметную стоимость системы отопления, причем не в пользу отечественного товаропроизводителя. Применение металлополимерных труб по стоимости сопоставимо со стальными. Опорожнение системы самотеком в дренажную трубу не предусмотрено.

Далее, в п. 6.1.3 – «предусматривать устройство поквартирного учета теплоты индикаторами расхода теплоты на каждом отопительном приборе».

По этому пункту даже трудно дать объяснение, т. к. не ясно, кто и как часто снимает показания, что это за «контролеры», расхаживающие по квартирам к каждому прибору.

Рисунок 1. Типовой радиаторный узел с односторонним присоединением радиатора к магистрали горизонтальной системы отопления

Последнее указание в этом пункте – «следует предусматривать:

– установку общего счетчика расхода теплоты для здания в целом с организацией поквартирного учета теплоты пропорционально отапливаемой площади или другим показателям».

«Общий теплосчетчик для всей системы» – уже встречалось в предыдущих СНиПах. Здесь все понятно: подпункт дает разрешение на проектирование, монтаж и эксплуатацию вертикальных систем отопления. Как видим, п. 6.1.3 (СНиП 41–01–2003) повторяет п. 3.15* СНиП 2.04.05–91* (2003 год), кроме навязывания устройства «лучевых систем» поквартирного отопления.

Необходимо сказать об «очень дорогих» системах отопления. Для «элитного» строительства это, возможно, и приемлемо, но для массового строительства социального жилья требуется разработать более дешевую систему отопления. Из сказанного следует, что востребованность горизонтальных однотрубных квартирных систем отопления возрастает в связи с необходимостью учета тепловой энергии каждой квартирой, т. к. в вертикальной системе это выполнить невозможно.

Устройство горизонтальных однотрубных квартирных систем отопления (ГОК) позволяет иметь определенные преимущества перед вертикальными системами отопления:

– возможность индивидуального отключения квартиры от вертикального стояка-распределителя на ремонт практически не влияет на тепловой режим других квартир;

– существенное уменьшение сбрасываемой воды теплоносителя (обработанной и достаточно дорогой) в объеме системы одной квартиры;

– отключение ГОК системы отопления и сброс воды в дренажный стояк производится владельцем квартиры, не дожидаясь пока зальет и нижерасположенную квартиру;

– пуск ГОК системы отопления осуществляется по-этажно, по мере строительной готовности, что невозможно при вертикальной системе без дополнительных затрат;

– ГОК система отопления эстетичнее вертикальной, т. к. нет стояков в комнатах, а провести трубу диаметром 15 мм (20 мм) за плинтусом не представляет технической трудности;

– прокладка магистрали за плинтусом позволяет исключить «мостик холода» по заложенной в стене плите перекрытия или в стыках (швах) при крупнопанельной конструкции здания;

– такая система может быть оборудована теплосчетчиком, расположенным в помещении лестничной клетки в запирающемся шкафу (укрытии);

– ГОК система отопления имеет типовые радиаторные узлы (табл. 1, 2) с повышенным коэффициентом затекания воды в нагревательные приборы (a = 0,4 – 0,65), что позволяет эффективно использовать параметры теплоносителя;

– типовой радиаторный узел можно заготавливать впрок, обезличенно, в заводских условиях, что существенно снижает его стоимость;

– типовой радиаторный узел можно использовать в конструкции ГОК системы отопления с металлополимерными магистралями, с учетом нормативных документов;

– ГОК система отопления удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к системам водяного отопления: санитарно-гигиеническим, теплотехническим, производственно-монтажным, эксплуатационным.

К специфическим требованиям, предъявляемым к ГОК системе отопления, можно отнести следующие:

1) прокладку магистралей не рекомендуется выполнять в конструкции пола (межэтажного перекрытия);

2) соединение труб (магистралей) выполнять только на сварке или пайке, если трубы медные;

3) предусмотреть крепление каждого замыкающего участка типового радиаторного узла к плите перекрытия скобой;

4) опорожнение системы в дренажный стояк обязательно.

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов решается за счет углов их поворотов. Монтаж системы достаточно прост. Сварка магистрали с типовым радиаторным узлом после «сухой сборки» и прихватки производится на полу, не в стесненных условиях. Затем длинные резьбы с накрученными контргайками и пробками вновь вкручиваются в отверстия радиатора на подмотку. Магистраль – только на сварке и не ниже уровня «чистого пола». После гидравлических (или пневматических) испытаний и покраски магистраль закрывается плинтусом без теплоизоляции. Таким образом, сама магистраль становится нагревательным прибором, что позволяет уменьшить тепловую мощность нагревательных приборов, а система отопления частично становится «плинтусной».

Таблица 1 (подробнее)

Далее рассмотрим возможность применения типовых радиаторных узлов в горизонтальных однотрубных системах отопления, работа которых проверена экспериментально и в натурных условиях в различных по назначению системах отопления. На часть приведенных узлов (табл. 1) разработана документация по их изготовлению с учетом замечаний заготовительных организаций по технологичности изготовления. В табл. 2 приводится типовой трубный узел для присоединения конвектора «Универсал» к магистрали однотрубной горизонтальной системы отопления.

Таблица 2 (подробнее)

Узел по схеме № 5, табл. 1

Если точки А, Б – это точки деления и слияния потоков, то имеем распределение расхода воды по двум параллельным ветвям: «А – радиатор – Б» (малое циркуляционное кольцо – МЦК), подводки к прибору: _п – подающая, _о – обратная.

(А – ЗУ – Б) – смещенный замыкающий участок диаметром _зу = 15 (20) мм.

Рисунок 2. Узел по схеме № 5, табл. 1

Из гидромеханики известно, что расходы протекающей жидкости – G_i (кг/ч) в параллельных циркуляционных кольцах распределяются прямопропорционально гидравлической проводимости участков – si.

Гидравлическая проводимость связана с гидравлической характеристикой участка S_i зависимостью:

Поскольку перепад давлений в точках «А – Б» (DР_{А – Б}) постоянный для изотермических условий течения жидкости по кольцам, то справедливо равенство:

Несложные преобразования позволяют получить известную зависимость для определения коэффициента затекания воды в нагревательный прибор:

в виде

По этой зависимости были определены a_min (табл. 1).

Эксплуатационный коэффициент затекания воды связан с непостоянным (изменяющимся) гравитационным давлением вследствие остывания воды в нагревательном приборе, которое увеличивает расход воды через прибор.

Рисунок 3. Узел по схеме № 1, табл. 1

Аналитически задача по определению коэффициента затекания a_эксп. сводится к решению кубического уравнения с двумя мнимыми корнями и одним действительным, позволяющим определить значение a_эксп. для конкретного температурного напора:

Величины значений a_’эксп., как функций температурного напора нагревательного прибора, получены экспериментально для некоторых узлов (табл. 1) в лаборатории «Отопления и вентиляции» НГАСУ (Сибстрин) еще в 1990 году. В табл. 1 даны средние значения a_’эксп. для температурного напора Dt_T = 60 ± 5 °C, что позволяет определять температуру теплоносителя на выходе из нагревательного прибора для расчета поверхности нагрева прибора с помощью комплексного коэффициента приведения j_ком..

Точность расчетов и экспериментов вполне удовлетворительная: расхождение не превышает 15 %.

Пример расчета a_min для типового радиаторного узла со смещенным замыкающим участком по схеме № 5, табл. 1, с сочетанием диаметров 15×20×20

Определяем гидравлическую характеристику узла через прибор «А – прибор – Б» (МЦК) по известной зависимости:

где l – длина подводок к прибору, равная 1,23 м.

Сумма коэффициентов местного сопротивления (КМС) для МЦК:

а) 2 тройника на проход: 2 • x_{тр. пр.}= 2 • 1= 2 ([1], с. 262);

б) радиатор при _п = 20 мм: x_рад.= 1,2 ([1], с. 258);

в) 4 отвода под углом 90°: Sx_отв.= 4 • 0,6 = 2,4 ([1], с. 260);

Определим характеристику замыкающего участка = 15 мм и длиной l = 0,35 м:

где l/d= 2,7, x_{тройн. пов}.= 1,5 ([1], с. 262),

x_{отв. 90°}= 0,8 ([1], с. 260),

Для узла № 5 с сочетанием диаметров 20×20×20 S_пр.(20) = 24,9 • 10⁴ (Па/(кг/ч)²) определено ранее.

Характеристика замыкающего участка = 20 мм и длиной l = 0,35 м, определим:

Пример расчета a_min для типового радиаторного узла с осевым замыкающим участком по схеме № 1, табл. 1, с сочетанием диаметров труб 25×20×20

Определяем гидравлическую характеристику МЦК:

где для подводок _п = 20 мм – l/d= 1,8, l – длина подводок к прибору, равная 1 м.

1) Определяем КМС для МЦК:

а) тройник (ответвление) 90°: x_{тр. отв.} = 1,5 ([1], с. 261, табл. II. 13);

б) 2 отвода под углом 90°: Sx_отв.= 2 • 0,6 = 1,2 ([1], с. 260, табл. II.12);

в) радиатор при (_подв. = 20 мм): x_рад. = 1,2 ([1], с. 258, табл. II.10);

г) тройник (слияние потоков) с заглублением части тройника в замыкающий участок (см. типовой узел № 1) имеет шибер и при F_шибера = F_{прохода} заглубление составляет 0,6 _ЗУ, тогда x_{тр. отв.}= –1,05 ([2], с. 240, интерполяция табл. 22.54), x_МЦК = [1,5 + 2 • 0,6 + 1,2 + (–1,05)] = 2,9.

Далее: S_пр.(20) = (1,8 • 1 + 2,9) • 0,325 • 10⁴ • 9,81 = 15 • 10⁴ (Па/(кг/ч)²).

2) Определяем КМС для ЗУ 25 мм,

имеем l/d = 1,4 с длиной l = 0,07 м.

а) тройник на проход x_{тр. прох.}= 1 ([1], с. 262, табл. II.15);

б) тройник на проход с заглублением части тройника, при F_шибера = F_{прохода} заглубление составляет 0,6 _З.У., тогда x_{тр. прох.}= 4,6 ([2], с. 220, табл. 22.34).

Определяем a_min для узла № 1 (25×20×20):

Аналогично определяем a_min для узла (20×15×15):

где l/d = 2,7; l = 1 м; x_{тр. пов.}= 1,5; x_{радиат.}= 1,6; x_{отв. 90°} = 0,8;

x_{тр. ответвл.}= –1,05 определены аналогично узлу (25×20×20).

Аналогично вышеприведенным расчетам были получены значения a_min для остальных радиаторных узлов, приведенных в табл. 1.

Далее рассмотрим возможность применения типового трубного узла для присоединения конвектора «Универсал» к горизонтальной магистрали системы отопления.

Определение коэффициентов затекания воды в конвектор «Универсал» КСК-20-1,18к

a = Gпр./Gмаг. по известной зависимости:

a_min= [1 + (S_пр./S_з.у.)^0,5]^–1, где: S_пр.= S_м.ц.к. – гидравлическая характеристика MЦК («А – прибор – Б», Па/(кг/ч)²), которое состоит из двух подводок 20мм:

– участок «А – П» – подающая подводка равна 495 мм;

– участок «П – Б» – обратная подводка равна 375 мм.

Длина греющих оребренных труб конвектора КСК-20-1,18к равна 1,06 • 2 = 2,12 м.

Сумма КМС для MЦК составит:

а) 6 отводов под углом 90°: Sx_отв.= 6 • 0,6 = 3,6 ([1], с. 260, табл. II. 12);

б) тройник на проход: x_{тр. прох.} = 1 ([1], с. 259, табл. II.11);

в) тройник на проход: x_{тр. прох.} = 1 ([1], с. 259, табл. II.11).

где l/d = 1,8; l_МЦК = 2 • 1,06 + 0,87 = 2,99 м;

A = 0,325 • 10⁴, g = 9,81 (м/с²).

где S_зу15 – гидравлическая характеристика замыкающего участка, длина: (250 + 50 + 50) = 350 мм.

Сумма КМС на замыкающем участке:

а) 2 тройника на поворот: x_{тр. пов.} = 2 • 1,5 = 3 ([1], с. 261);

б) 2 отвода под углом 90°: Sx_отв.= 2• 0,8 = 1,6 ([1], с. 258).

где l/d = 2,7; l_зу = 0,35, A = 1,08 • 10⁴, g = 9,81 (м/с²).

Далее

Аналогично определяем коэффициент затекания a для конвекторов:

У-1, КСК-20-0,4к a_min= 1/(1+[((1,8 • 2,19 + 5,6) • 0,325 • 9,81) / 59]^0,5) = 0,58.

У-13, КСК-20-1,966к a_min= 1/(1+[((1,8 • (2 • 1,66 + 0,87)+5,6) • 0,325 • 9,81) / 59]^0,5) = 0,54.

Принимаем для всего ряда конвекторов КСК-20 (от У-1 до У-13) – a_ср. = 0,55.

Естественное давление от остывания воды в конвекторе всегда меньше 15 Па, поэтому его влиянием на величину a, можно пренебречь и рассматривать как положительный запас, компенсирующий незначительные технологические нарушения при изготовлении узла.

Применение типового конвекторного узла позволяет достаточно точно определить поверхность нагрева конвектора по «температурному напору», определенному с помощью коэффициента затекания a_ср. = 0,55.

Внедрение типового узла с a_ср. = 0,55 для присоединения конвектора «Универсал» расширит область применения конвекторов в горизонтальных однотрубных системах отопления как самого дешевого нагревательного прибора (регулирование «по воздуху»). Преимущества такой системы очевидны, они заключаются в простоте и дешевизне изготовления узла (два сварных шва) и производстве монтажных работ (сварка не в стесненных условиях). Типовой конвекторый узел можно изготавливать впрок в заводских условиях. Его можно использовать в системах с металлополимерными магистралями с учетом требований нормативной литературы (СП 41–102–98 и Экспертное заключение Института химической физики РАН, выполненное доктором химических наук, профессором В. В. Мясоедовой).

Узел с сочетанием диаметров 20×20×20×20 мм (табл. 2) имеет расчетное минимальное значение коэффициента затекания воды в конвектор a_ср. = 0,45, но применять его не рекомендуется в связи с нетехнологичностью изготовления (сварка) и с возможным завоздушиванием прибора.

Заключение

Для обсуждения предлагаются типовые узлы с односторонним присоединением нагревательных приборов к магистрали горизонтальных однотрубных систем отопления. На рис. 1 приводится узел, который был испытан в лаборатории «Отопления и вентиляции» НГАСУ (Сибстрин) еще в 1990 году, а в системе отопления впервые был применен только в 2000 году. Затяжное внедрение нового узла совпало с периодом его невостребованности. Даже сейчас все новое «пробивается», а не внедряется. Причин здесь много, но востребованность типовых узлов в горизонтальных поквартирных системах отопления обусловлена возможностью учета расхода тепла в квартирной системе отопления, невысокой стоимостью системы и надежностью ее работы.

Авторы с благодарностью примут замечания и пожелания по теме данной работы, представляющей часть пособия по расчету горизонтальной однотрубной квартирной системы отопления.

Литература

1. Справочник проектировщика: Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 1. Отопление. – М. : Стройиздат, 1990.

2. Справочник проектировщика: Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 3. Кн. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. – М. : Стройиздат, 1990.

 

Статья предоставлена НП «АВОК Сибирь» (г. Новосибирск).

Все вопросы по статье присылайте на e-mail: otvet@abok.ru.