Общий подход к гидравлическому расчёту трубопроводов внутреннего водоснабжения и водяного отопления из металла и полимера

Совсем еще недавно перед проектировщиками стоял главный вопрос, какую из имеющихся схем выбрать:
— для холодного водоснабжения — с односторонней подачей воды от стояков на квартиры или с двух сторон (рис. 1а);
— для горячего водоснабжения — с верхней или с нижней разводкой подсоединения стояков к магистральному трубопроводу, с циркуляционными или циркуляционно-водоразборными стояками (рис.1б), вообще с циркуляционными стояками или с циркуляцией горячей воды только по магистрали;
— для водяного отопления — вертикальную либо горизонтальную, однотрубную либо двухтрубную, с замыкающими участками либо без них, с нижним (рис. 1в) либо с верхним разливом, с периметральным либо с лучевым распределением теплоносителя (рис. 2) к нагревательным приборам [1] и т. п. 

санитарно-технические системы

Рис. 1. Возможные схемы расположения трубопроводов во внутренних санитарно-технических системах: а) холодного водоснабжения; б) горячего водоснабжения; в) отопления.
Обозначения: 1 — водопроводный ввод; 2 — подающий магистральный трубопровод; 2’ — обратный магистральный трубопровод; 3 — подающий стояк; 3’ — обратный стояк; 3’’ — полотенцесушитель; 4 — подводка (разводка); 5 — запорный вентиль (для отключения подачи воды в квартиру); 5’ — запорно-регулирующий кран; 5’’ — кран для спуска воздуха; 6 — запорный вентиль (для отключения подачи воды в стояк); 7 — нагревательный прибор

Так как у проектировщиков отсутствует достаточный опыт использования новых, весьма разнообразных по материалу труб, на первый план выдвигается другой вопрос, а именно: из каких трубных материалов следует устраивать трубопроводы горячего, холодного водоснабжения и водяного отопления согласно выбранной схеме: из металлических (стальных, медных, латунных), из полимерных (из сшитого полиэтилена, непластифицированного поливинилхлорида, полипропилена и т. п.) или из какого-либо металлопластика — естественно, с соблюдением давно освоенных норм и правил [2, 3].

схема распределения теплоносителя

Рис. 2. Возможные схемы распределения теплоносителя к нагревательным приборам в системах водяного отопления: а) периметральная; б) лучевая.
Обозначения: 1 — распределительный коллектор; 2 — счётчик поквартирного учета расхода воды; 3 — подводка (разводка); 4 — нагревательный прибор (радиатор, конвектор и т. п.); 5 — сборный коллектор

Оптимальный выбор схем и соответствующих им труб из конкретного материала является основной проблемой. Только ее правильное решение способно удовлетворить как технические, так и экономические требования, которые предъявляются к внутренним сантехническим системам.
Долгое время в нашей стране трубопроводы систем водоснабжения и отопления монтировались главным образом из одного и того же материала — стали.
Примерно с начала 80-х годов ХХ века стали выполняться подводки холодной воды к сантехническим приборам (унитазам и смесителям) из полиэтиленовых трубочек, в то время как все остальные трубопроводы водоснабжения и отопления монтировались из стальных труб.
В начале 90-х годов из полипропилена и металлопластика стали выполняться не только подводки, но и стояки для подачи холодной и горячей воды.
С выходом в свет в 2001 году норматива [4] российского значения появилась возможность широкого использования полимерных труб для устройства всех трубопроводов систем внутреннего водоснабжения.
Несколькими годами раньше Госстрой России изменением к СНиПу [3] разрешил использование некоторых полимерных труб, в том числе и из металлополимеров, для устройства трубопроводов отопления с температурой теплоносителя до 90 °С и рабочим давлением до 1 МПа. Там же наряду со стальными трубами было разрешено применение медных и латунных труб.
НИИ Мосстрой в 2003 году подготовил Свод правил [5], который позволяет технически грамотно применять медные трубы во внутренних системах водоснабжения и отопления зданий.
Можно констатировать, что, наконец, появилась возможность устраивать внутренние системы горячего и холодного водоснабжения и отопления из одних и тех же труб, но не как в прошлые годы (все трубопроводы из стали), а из широкого их набора по виду материала. А это очень важно.
Монтаж (эксплуатацию) внутренних систем, как водоснабжения, так и отопления выполняют, за редким исключением, одни и те же слесари-сантехники. И чем меньше технологических процессов будет использоваться при монтаже и эксплуатации (в ремонте) всех систем в совокупности, тем качественнее и производительнее будет их работа (монтаж при строительстве и ремонт при эксплуатации).

поквартирный учет расхода теплоты

Рис. 3. Возможные схемы поквартирного учета расхода теплоты: а) поквартирный учет; б) поквартирно-домовой учет.
Обозначения: 1 — квартирный счётчик; 2 — счётчик поквартирного учета расхода горячей воды; 3 — домовой теплосчётчик; 4, 5 — стояки; 6, 7 — подводка (разводка); 8 — нагревательный прибор (радиатор, конвектор и т. п.)

Обуславливается это тем, что трубы из различных материалов соединяются между собой и с соединительными частями (тройниками, угольниками, крестовинами и т. п.) значительно отличающимися друг от друга способами (к примеру, стальные трубы соединяются на резьбе, а также свариваются газовой либо электросваркой; медные трубы собираются на капиллярной пайке и на компрессионных соединениях [5]; металлополимерные трубы стыкуются посредством опрессовки [6]; полипропиленовые трубы — на раструбной сварке [7]; трубы из непластифицированного поливинилхлорида склеиваются враструб либо на муфтах [8]; для труб из сшитого полиэтилена предусматриваются компрессионные соединения [7]). Для качественного и производительного выполнения всех указанных соединений требуется не только специальный для каждого трубного материала инструмент, но и специальные знания и навыки.

Тёплый пол

Рисунок 4. Фрагмент раскладки медного трубопровода водяной системы отопления — нагрева пола

Очевидно, что с более высоким качеством и большей производительностью легче смонтировать трубопроводы всех внутренних систем из одного и того же материала, нежели каждую систему монтировать из разных по материалу труб. Например, трубопроводы водоснабжения монтировались бы из пенополиуретановых труб на раструбной сварке, а отопления — из металлополимерных труб на опрессовываемых соединениях. В данном случае лучше было бы смонтировать все трубопроводы из медных труб на капиллярной пайке. Особенно если температура теплоносителя может превышать 100 °С. С монтажно-технологической точки зрения, по крайней мере, это было бы гораздо эффективнее.
Когда необходимо осуществить выбор, трубам из какого материала следует отдать предпочтение, на первый план выходит вопрос, связываемый с гидравликой стояков, подводок (разводок), а также магистральных трубопроводов (пока речь идет о диаметрах до 100 мм). Ведь именно правильно подобранные их размеры долгое время будут обеспечивать требуемые условия, такие как: бесперебойное снабжение водой жильцов всех этажей (в том числе и последних при любой этажности жилого дома) — в системах водоснабжения, а также гидравлическую и тепловую устойчивости для поддержания комфортных условий во всех помещениях зданий независимо от их объёмно-планировочных решений и места расположения в доме (во внутренних или угловых комнатах) — в системах отопления.
Для проведения гидравлического расчёта трубопроводов водоснабжения в [4] приводится соответствующая методика. Правда, она распространяется только на полимерные трубопроводы.
В [3] приводятся рекомендации по применению коэффициентов шероховатости для стальных ≥ 0,2 мм, меди ≥ 0,11 и полимеров ≥ 0,01 мм. К сожалению, других рекомендаций нет.
Нами было показано, что методику СП 40-102-2000 на уровне инженерной надежности можно успешно применять для определения гидравлических характеристик полимерных и металлических стояков и подводок систем горячего водоснабжения и водяного отопления [5]. На наш взгляд, распространение этой методики на проведение гидравлических расчётов всех внутренних сантехнических систем (горячего и холодного водоснабжения и водяного отопления) вполне допустимо. Это позволяет осуществлять оптимальный выбор труб из металла либо из полимера как одинакового для всех систем, так и различного для разных сантехнических систем.

Известно [9], что выполнить гидравлический расчёт трубопроводов систем водяного отопления значит так подобрать их диаметры, чтобы по ним проходил расчётный расход теплоносителя G (кг/ч) при соответствующем общем падении давления ∆p (Па). Расход теплоносителя G (масса) связан с расходом Q (м3/с) (объём):
G = Qr, (1)
где r — плотность воды (теплоносителя) при соответствующей температуре, кг/м³ (к примеру, 999,73; 983,24 и 971,83 кг/м³ для расчётных температур 10; 60 и 80 °С соответственно).
При внутреннем диаметре труб
d = (4Q/pV)0,5, (2)
где V — средняя по сечению трубы скорость движения воды (теплоносителя), м /с.
Общее падение давления складывается из падения давления на трение по длине трубопровода ∆pдт и падения давления на местных сопротивлениях ∆pмс.
Падение давления на трение по длине трубопровода
∆pдт = Rl, (3)
где R — падение давления вследствие [9] трения теплоносителя (воды) о стенки трубы, Па/м;
l — длина трубопровода, м.
R = 0,5 l V2 r/d, (4)
где l — коэффициент гидравлического трения, определяющий в долях динамического давления линейную потерю давления на длине трубопровода, равной его внутреннему диаметру (величина безразмерная).
Для определения коэффициента l применительно к трубопроводам из полимерных материалов систем холодного и горячего водоснабжения в [4] рекомендуется формула:
формула
(5)

где b — число подобия режимов течения воды;
Reф — число Рейнольдса, фактическое.
Число подобия режимов течения воды b определяют по формуле:
формула
(6)

(при b > 2 следует принимать b = 2).
Фактическое число Рейнольдса Rеф определяется по формуле
формула
(7)

где n — коэффициент кинематической вязкости воды (теплоносителя), м2/с; к примеру, 1,31•10–6; 0,47•10–6 и 0,36•10–6 м²/с для расчётных температур 10; 60 и 80 °С соответственно.
Число Рейнольдса, соответствующее началу квадратической области гидравлического сопротивления при турбулентном движении воды (теплоносителя), определяется по формуле
формула
(8)

Согласно работе [4], используя выражения (5—8) для трубопроводов водоснабжения потери напора на единицу длины трубопровода iт (мм) без учета местных сопротивлений следует определять по формуле
формула
(9)

где g — ускорение свободного падения, м/с².
Переход от потерь напора на единицу длины трубопровода системы водоснабжения iт [2] к падению давления вследствие трения теплоносителя о стенки трубы R [9] можно осуществить по следующей формуле:
R = iтpg.(10)
На основании рассмотренного можно заключить, что для гидравлического расчёта трубопроводов внутренних систем водоснабжения и водяного отопления из труб, исходные параметры которых с точки зрения гидравлического сопротивления можно считать идентичными (рис. 5), целесообразнее всего пользоваться одной и той же методикой гидравлического расчёта.

график

Рисунок 5. Графические зависимости коэффициента гидравлического сопротивления l от числа Рейнольдса Re и отношения расчётного диаметра труб d к коэффициенту абсолютной эквивалентной шероховатости Кэ для различных областей гидравлического сопротивления движения воды в трубопроводах Кэ из круглых труб и диапазоны чисел Рейнольдса Re и отношения d/Кэ для принятых к использованию для стояков и подводок (разводок) труб (табл.) для внутренних систем холодного и горячего водоснабжения и водяного отопления

Таблица
Возможные расчётные гидравлические параметры трубопроводов внутренних систем водоснабжения и отопления
Cистемаd, ммСкорость, м/сt, °С10–6 n,
м2
103 ReКэ , мм∆d*, ммd–∆d/Кэ
мин.макс.мин.макс.мин.макс.мин.макс.мин.макс.мин.макс.
Х. вод.8500,255,051,526,6210,006201,024,58333
Г. вод.8400,13,0550,5126,01570,006303,512,28333
В. От.121020,12,5600,4787,02550,01102,0100,012000

Гидравлические потери напора iмс (водопровод) и падение давления Rмс (отопление) на местных сопротивлениях следует определять по формулам:
формула
(11) (12)

где коэффициент — сумма коэффициентов местных сопротивлений конкретных элементов трубопроводов.
Для полимерных трубопроводов систем водоснабжения потери напора в стыковых соединениях труб и в местных сопротивлениях допускается [4] принимать от 20 до 30 % от потерь напора на трение по длине трубопровода.
При проведении приближенных гидравлических расчётов этот подход можно распространить и на системы водяного отопления. Причем потери напора на стыковых соединениях и местных сопротивлениях в этом случае можно сразу же учесть при построении расчётной номограммы (рис. 6).

Номограмма

Рисунок 6. Номограмма для гидравлического расчёта трубопроводов из медных труб (толщина стенок 1 мм – для труб с наружными диаметрами 12—28 мм; 1,2—35—54; 1,5—76,1; 2,0—64, 88,9 и 2,5 мм для труб с наружным диаметром 108 мм) горячего водоснабжения (ключ — сплошная линия) и водяного отопления (ключ — пунктирная линия) при подаче воды (теплоносителя) с температурой 60 °С (Кэ= 0,11 мм; n = 0,47•10–6 м2/с; r = 983,2 кг/м3)

Подобного вида номограммы позволят определять гидравлические потери напора в трубопроводах систем горячего водоснабжения и падение давления — водяного отопления с учетом 10 % для потерь напора (падения давления) на местных сопротивлениях.
Использование общего подхода к проведению гидравлических расчётов должно позволить оптимизировать условия применения полимерных и металлических труб в рамках не одной какой-либо системы, а для всех внутренних сантехнических систем здания в совокупности. Это, в свою очередь, должно позволить получить существенную (по нашей оценке от 15 до 20 %) экономию трудовых и денежных затрат, а также повысить качество и производительность (в 1,2—1,3 раза) на монтаже и последующей эксплуатации внутренних систем горячего и холодного водоснабжения, а также водяного отопления.

Литература
1. Коркин В. Д. Системы водяного отопления с радиаторами // АВОК. 2002. № 4. С. 56—62.
2. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.
3. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
4. СП 40-102-2000. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования.
5. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов внутренних систем водоснабжения и отопления зданий из медных труб.
6. Ромейко В. С., Добромыслов А. Я., Отставнов А. А. и др. Пластмассовые трубы в строительстве. Справочные материалы. Ч. 1. Трубы и детали трубопроводов. Проектирование трубопроводов. М.: Валанг, 1997.
7. СП 41-98. Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб.
8. Отставнов А. А. Соединение полимерных трубопроводов. Склеивание труб из дополнительно хлорированного поливинилхлорида // Сантехника. 2003. № 2. С. 38—44.
9. Каменев В. Д., Сканави А. Н., Богословский В. Н. и др. Отопление и вентиляция: Учебник для вузов. Ч. 1. М.: Стройиздат, 1975.

Источник: А.А.Отставнов, кандидат технических наук, почетный строитель Москвы, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой», В.С.Ионов, управляющий программы аккредитованного представительства Европейского института меди