К вопросу общего подхода к гидравлическим расчетам трубопроводов внутреннего водоснабжения и водяного отопления из металла и полимера

А. А. Отставнов, канд. техн. наук, почетный строитель Москвы, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой»,

В. С. Ионов, управляющий программы аккредитованного представительства Европейского института меди

    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 розливом, с периметральным либо с лучевым распределением теплоносителя (рис. 2) к нагревательным приборам [1] и т. п.

Рисунок 1. (подробнее)     Возможные схемы расположения трубопроводов во внутренних санитарно-технических системах.

    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].

Рисунок 2. (подробнее)     Возможные схемы распределения теплоносителя к нагревательным приборам в системах водяного отопления

    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 ситемам.
    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).

Рисунок 3. (подробнее)     Возможные схемы поквартирного учета расхода теплоты.

    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.

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 объемно-планировочных решений и места расположения в доме (во внутренних или угловых комнатах) — в системах отопления.
    Для проведения гидравлического расчета 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 расчетов 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 расчет трубопроводов систем водяного отопления значит так подобрать их диаметры, чтобы по ним проходил расчетный расход теплоносителя G (кг/ч) при соответствующем общем падении давления ∆p (Па). Расход теплоносителя G (масса) связан с расходом Q (м³/с) (объем):
    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 расчетных 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 ∆p_дт и падения давления на местных сопротивлениях ∆p_мс.
    Падение давления на трение по длине трубопровода
    ∆p_дт = 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:
     (5)
    где b — число подобия режимов течения воды;
    Re_ф — число Рейнольдса, фактическое.
    Число подобия режимов течения воды b определяют по формуле:
    (6)
    (при b > 2 следует принимать b = 2).
    Фактическое число Рейнольдса Rе_ф определяется по формуле
    (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 расчетных температур 10; 60 и 80 °С соответственно.
    Число Рейнольдса, соответствующее началу квадратической области гидравлического сопротивления при турбулентном движении воды (теплоносителя), определяется по формуле
     (8)
    Согласно работе [4], используя выражения (5—8) для трубопроводов водоснабжения потери напора на единицу длины трубопровода i_т (мм) без учета местных сопротивлений следует определять по формуле
    (9)
    где g — ускорение свободного падения, м/с².
    Переход от потерь напора на единицу длины трубопровода системы водоснабжения i_т [2] к падению давления вследствие трения теплоносителя о стенки трубы R [9] можно осуществить по следующей формуле:
    R = i_тrg.  (10)
    На основании рассмотренного можно заключить, что для гидравлического расчета 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 расчета.

Рисунок 5. (подробнее)     Графические зависимости коэффициента гидравлического сопротивления l от числа Рейнольдса Re и отношения расчетного 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

    Гидравлические потери напора i_мс (водопровод) и падение давления R_мс (отопление) на местных сопротивлениях следует определять по формулам:
    i_мс = 0,5 V² Sz_i /gl,      (11)
    R_мс = 0,5 V² rSz_i /gl,    (12)
    где Sz_i — 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 расчетов 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 расчетной номограммы (рис. 6).

Рисунок 6. (подробнее)     Номограмма для гидравлического расчета 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 расчетов 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.