Расчет теплоотдачи теплого пола: Расчет теплого водяного пола: теплоотдача, мощность и стоимость

Расчет теплого водяного пола: теплоотдача, мощность и стоимость

Сегодня для многих эквивалентом уюта и комфорта в помещении стал теплый водяной пол. Расчет его, как залог эффективной работы, зависит в основном от схемы, по которой система будет работать. Как известно, водяной пол может стать источником основного обогрева дома либо вспомогательным, чтобы обеспечить больший комфорт в помещении.

Напольное отопление дает возможность теплу одинаково распределяться по помещению – от пола до потолка, причем разница в температуре, как правило, составляет 2-4⁰С. Какой вариант отопления не предполагалось установить, необходим точный расчет теплого пола. Это связано с тем, что любая ошибка, допущенная при проектировании может обернуться массой неудобств и значительной потерей времени, так как непременно придется вскрывать стяжку.

Расчет тепловых потерь помещения

Работа любой системы отопления направлена на поддержание комфортной температуры в помещении. Поэтому на первом этапе необходимо рассчитать тепловые потери комнаты (здания). При этом учитывается наличие основной системы отопления.

Правильная методика расчета теплого пола основана на определении тепловых потерь через наружные конструкции — стены и окна. Для предварительного расчета будут взяты именно они. Для этого понадобится значение коэффициента сопротивления теплопередачи материалов, из которых изготовлены конструкции.

Предположим, что необходимо поддерживать температуру в помещении 25°С с учетом максимально низкой на улице – 35 °С. Наружная стена изготовлена из кирпича и ее толщина составляет 0,38 м. Тепловые потери рассчитываются по следующей формуле:

q=S*(tв — tн)*R

Где q – тепловые потери, Вт.

S – площадь отапливаемого помещения, м².

tв tн — температура в помещении и на улице, °С.

R – коэффициент сопротивления теплопередачи, м²*К/Вт.

Для комнаты общим объемом 50 м³ они составят:

q=50*(25-(-35)*0,43=1290 Вт

При наличии основного радиаторного отопления большая часть этих потерь будет компенсироваться им – порядка 60%. Следовательно, для комнаты площадью 20 м² необходим расчет теплоотдачи теплого пола с минимальным показателем 1290*0,4= 516 Вт. Учитывая среднюю теплоемкость 80 Вт/м², можно вычислить, что для поддержания требуемой температуры нужно установить трубы на площадь около 6 м².

Совет

Также нужно знать, что оптимальная температура поверхности теплого пола должна составлять 30°С.

Методика расчета

Когда единственным источником тепла был выбран теплый водяной пол, расчет выполнить точно будет весьма непросто. Причина в следующем – при таком выборе приходится учитывать немало нюансов, включая нормативные документы, а также требуемые материалы. К тому для подобных расчетов необходима достаточно высокая степень технической грамотности, ведь от нее зависит качество полученной системы обогрева, а так

Таблица для расчета теплоотдачи теплого пола

Теплый пол – это отличная возможность для каждого обеспечить уютный микроклимат и тепло в собственном доме. Такая система потребляет минимальное количество электроэнергии, даря необходимую теплоту в помещении.

При этом она с легкостью сочетается с любыми типами напольных покрытий, включая линолеум, ковролин, кафельную плитку и ковровое покрытие. Система гарантирует надежность, долговечность, стойкость к влаге, безопасность и легкость монтажа.

Особенности установки

Важным преимуществом конструкции выступает возможность равномерно распределить теплый воздух по жилой площади. При этом удается сэкономить до 12% энергии на общий обогрев помещения. Важно помнить о необходимости учитывать отдельные факторы во время эксплуатации.

Отопительная система должна работать в температурном диапазоне, который не превышает 60 градусов. Если упустить этот момент, возможна порча имущества. Сама поверхность водяного пола должна иметь оптимальную температуру, чтобы удовлетворять потребности. Это не только позволит добиться высокого комфорта эксплуатации, но и будет гарантировать отсутствие возможных заболеваний для ног. Чаще всего это значение достигает 26 градусов.

Чтобы монтаж был правильным, нужно позаботиться о том, чтобы расчет следующих параметров был корректным:

  1. Потребности пространства в тепле. Этот параметр определяется климатической зоной, качеством изоляции и габаритами помещения.
  2. Рассчитываемая удельная мощность отопления в перерасчете на каждый квадрат площади, которая будет обогреваться.
  3. Будет ли покрыта необходимость помещения в тепле посредством теплого водяного пола.

 

Несколько советов

Прежде чем осуществлять расчет потребности теплоотдачи, нужно учесть некоторые моменты. Первоначально нужно определить максимальную теплопроводность материалом, которые расположены выше трубы, пленок и кабелей, выступающих в качестве нагревательных элементов. Эффективность теплоотдачи зависит по прямо пропорциональному закону от тепловой мощности, по обратно пропорциональному от сопротивления покрытия.

Все трубы и материалы, которые будут расположены ниже уровня нагревательного элемента должны отличаться высокой теплоизоляцией. Это исключит возможные потери тепла через покрытия. Если монтаж и расчет осуществлены правильно, то теплоизоляция будет блокировать передачу тепла и отражать тепловое излучение.

Необходимость в тепловой мощности определяется теплоизоляцией и ее качеством. Предпочтительно придерживаться нормативов, которые будут гарантировать высокие эксплуатационные характеристики и комфорт.

Помните о том, что, если вы выбрали теплый пол, не стоит загромождать его массивными мебельными конструкциями. Это не принесет должного результата обогрева, а также возможен перегрев и порча мебели под воздействием температур.

Пример укладки теплого пола в кухне

Расчет потребности в тепле

Расчет потребности показателей представлен следующим алгоритмом:

  1. По формуле Q=S/10. Здесь Q – потребность тепла в киловаттах, S – площадь помещения, метр квадратный.
  2. Каждый кубический метр объема пространства требует 40 ватт тепла.
  3. Крайние этажи требуют в расчете 1,2-1,3 дополнительных коэффициента. Для частных построек он составляет 1,5.
  4. Дополнительно расчет требует по 100 ватт на каждое стандартное окно, по 200 ватт на балконы или двери.
  5. Нужно учитывать коэффициенты в зависимости от территориальной местности и климатической зоны.

При желании можно обращать внимание на слои ограждающих конструкций и их толщину. Это позволит добиться более точных расчетов.

Расчет теплоотдачи для пленочного нагревателя

Номинальная мощность в этом случае составляет 150-220 Ватт. Нужно понимать, что сам пленочный нагреватель – это слой фольгоизола для трубы. Он представляет собой вспененный полиэтилен, поверхность которого покрыта фольгой. Из-за этого часть тепла рассеивается, ведь эффективность зависит от толщины.

Чтобы задать температуру стандартного или водяного пола в заданном диапазоне, используют терморегуляторы. Значение обычно не достигает 40 градусов, а после эксплуатации необходимо отключать элемент и давать ему время для остывания. Из этого следует, что теплоотдача составляет около 70 ватт на каждый квадратный метр.

Расчет теплоотдачи для греющего кабеля

Греющий кабель отличается удельной теплоотдачей в 20-30 ватт на каждый квадратный метр. Расчет количества основан н шагах укладки. Дополнительно обращают внимание на следующее:

  1. Шаг варьируется в диапазоне от 10 до 30 см. Чем он больше, тем более явный характер будет носить неравномерность нагрева.
  2. Длина кабеля определяется по следующей формуле – L=S/Dx1,1. Здесь S – площадь в квадратных метрах, 1,1 – коэффициент для учета изгибов, D – шаг укладки.

Помните, что кабель будет уложен не по всей площади. Поэтому нужно определиться со средними показателями, добиваясь максимальной эффективности. Каждый квадратный метр позволяет получить до 120 Ватт тепла при этом комфортная температура будет оставаться.

Таблица соотношения мощности и длины нагрева кабеля

Расчет теплоотдачи для водяного теплого пола

В отдельных случаях есть возможность сэкономить, если имеется источник тепла. Его можно использовать только в том случае, если цена за каждый киловатт намного ниже, чем стоимость электроэнергии.

В этом случае нужно учитывать следующее:

  1. Температуру теплоносителя для трубы. Она обычно достигает 50 градусов и превышает температуру поверхности. Таблица поможет определить предпочтительные значения.
  2. Шаг укладки водяного пола. С его уменьшением количество тепла увеличивается при передаче стяжке. Нужно учитывать здесь и диаметр трубы.
  3. Температура воздуха. С ее уменьшением тепловой поток увеличивается.
  4. Диаметр трубы, по которой осуществляется движение теплоносителя.

Если шаг составляет 250 миллиметров, каждый квадратный метр позволяет получить по 82 ватта. При шаге в 150 мм – 101 ватт, а при шаге в 100 мм – 117 ватт. Таблица включает в себя все эти данные. В зависимости от этих значений нужно осуществлять проектирование теплого водяного пола.

Зависимость теплого потока от шага труб и температуры теплоносителя

Помните о необходимости рассчитать тепловой поток с поверхности водяного пола. Чаще всего он достигает 12,6 Вт (м2хС). Это значение будет прямо пропорциональным перепаду температур.

Самые лучшие посты

Теплоотдача теплого водяного пола на м2: расчет онлайн

Оглавление статьи:

Устройство теплого водяного пола — отличное решение для обеспечения стабильной и благоприятной атмосферы в доме. Отопление достаточно экономично в потреблении электричества, но дает много тепла. Данный способ обогрева актуален для холодных квартир или при наличии в семье маленьких детей. Холодная климатическая зона вынуждает владельцев жилья оснащать квартиру не только обогревателями, но и подогревом пола. Даже если квартира достаточно теплая, теплое покрытие, например, в ванной, несомненно добавит комфорта жильцам.

Теплый водяной пол универсален, прост в использовании. Установить его возможно даже самостоятельно без обращения к профильным специалистам. Важно лишь провести грамотные вычисления и правильно подобрать материалы.

Как рассчитывать теплоотдачу

Рассмотрим несколько вариантов, чтобы у вас не возникло вопросов при планировании пола. 

Расчет для пленочного нагревателя

Для такого типа устройства номинальная мощность предполагает диапазон от 150 до 220 Вт. Стоит учесть, что данный тип устройства представляет собой слой фольгоизола для контура. Покрытие поверхности фольгой позволяет части тепловой энергии рассеиваться.

ИК пленка

Для стабилизации температурного режима используют специальные устройства — терморегуляторы. Чаще всего температура не превышает 40 градусов по Цельсию. После окончания работы его отключают, чтобы регулятор мог остыть. Таким образом, теплоотдача составляет 70 Вт на 1 кв.м.

Расчет для греющего кабеля

Теплоотдача устройства составляет 30 Вт на 1 кв.м. Принцип расчета заключается в определении оптимального шага укладки контура. Также необходимо учитывать следующее:

  1. Расстояние между контурами – от 10 до 30 см. Чем крупнее шаг, тем более неравномерный нагрев произойдет.
  2. Длину кабеля рассчитывают так: L=S/D*1,1, где S – площадь, а D – расстояние между контурами.

Кабель обогрева

Стоит учитывать, что контур укладывается не на всю площадь обогрева. Поэтому необходимо вычислить средние показатели, которые достигнут максимальной эффективности. Так, теплоотдача для нагревающего кабеля составит 120 Вт на 1 кв.м. При таких показателях в комнате сохранится комфортная температура.

Расчет для теплого водяного пола

В некоторых случаях можно сэкономить при наличии источника тепла. Это актуально, когда стоимость киловатта меньше цен на электроэнергию. Необходимо учитывать следующее:

  1. Контроль температуры воды. Обычно она составляет 50 градусов по Цельсию, что значительно превышает температуру напольного покрытия.
  2. Поток тепловой энергии увеличивается со понижением температуры.
  3. Расчет диаметра контура. При шаге в 250 мм на 1 кв.м. напольного покрытия выходит 82 Вт. Правильно рассчитанная теплоотдача теплого водяного пола поможет осуществить рациональное проектирование отопления.

Водяной теплый пол

Рассчитываем теплопотери здания

Существуют множество формул для вычисления теплопотерь здания. Для оценки квартиры используют формулу: Q=S/10, где Q – киловатты, S – площадь. Для того чтобы отопить комнату в 30 кв.м потребуется 30/10=3 КВт.

Однако, стоит учитывать, что такой способ расчета имеет несколько погрешностей:

  • эта формула актуальна для квартиры с потолками не более 2,5 метров;
  • теплоотдача теплого водяного пола на м2, кроме всего прочего, зависит от климата;
  • потребность в тепле угловых квартир, находящихся в середине или у торца, отличаются между собой;
  • в частных домах теплопотери происходят также через пол и потолок.

Расчет мощности системы теплого пола

Перед планированием необходимо учесть:

  • площадь комнаты;
  • желаемый уровень температуры;
  • вид напольного покрытия;
  • размер и конструкцию окон;
  • мощность котла.

Процесс вычислений включает в себя несколько этапов. Первым шагом становится отрисовка плана комнаты. Желательно делать это на миллиметровой бумаге с указанием расположения окон и дверей. Далее рассчитывается шаг контуров, их расположение и диаметр.

Как известно, теплоноситель теряет часть тепла передвигаясь по трубам. Это приводит к тому, что пол прогревается неравномерно. Температура прогретого напольного покрытия не должна превышать 30 градусов.

Сопротивление возрастает при увеличении длины контура и частых поворотах при укладке. Общая обогреваемая контурами площадь не должна быть больше 20 кв.м В противном случае помещение разделяют на участки.

Важно! Наиболее оптимальный вариант – это коллектор с конкретным количеством отводов.

ремонт теплого пола

Стоит выдерживать одинаковое гидравлическое сопротивление в каждой трубе, подключенной к коллектору. Если планируется обогрев веранды или балкона, то для этих помещений создают независимый контур, так как на их отопление уходит гораздо больше тепловой энергии.

Шаг трубы прямо пропорционально влияет на равномерный и безопасный обогрев помещения. В среднем расход трубы на 1 кв.м выходит около 5 п.м. при расстоянии между контурами от 20 до 30 см. То есть для прокладки труб в помещении площадью 20 кв.м необходимо 100 п.м. трубы.

Для достижения оптимального уровня теплоотдачи в 50 Вт на 1 кв.м предусматривают шаг не больше 30 см. Иначе увеличивают уровень температуры воды для равномерного обогрева помещения.

Важно! При планировании водяного пола важно учитывать места теплопотерь (оконные и дверные проемы).

Методика расчета на 1 м2

Расчет выполняется просто. Однако есть некоторые нюансы, необходимые для учета (такие, как нормативные документы и т.д.).

Основный принцип – укладка контура между плитой перекрытия и покрытием пола. Контурная магистраль состоит из:

  • теплоизоляции;
  • контура;
  • коллектора;
  • крепежей и т.д.

Для получения данных собираются следующие данные:

  • предназначение и размеры комнаты;
  • площадь;
  • уровень тепловой потери; 
  • тип покрытия пола.

Также необходимо учитывать следующие факторы:

  • этаж;
  • тип остекления;
  • уровень теплоизоляции.

Программы для расчета

Для точного расчета теплоотдачи стоит учитывать не только тип выбранного материала, но и другие параметры. Например, температура воды в обратке, скорость движения, давление и т.д.

Калькулятор

Для того, чтобы произвести наиболее правильный расчет теплоотдачи теплого пола водяного применяют калькулятор онлайн. В сети есть достаточно подобных программ. 

Необходимо знать имеющиеся данные, потребуются:

  • размеры;
  • уровень температуры воздуха;
  • температура воды, поступающей в коллектор;
  • температура в обратке;
  • расстояние между контурами;
  • тип покрытия;
  • вид теплоизоляции.

При наличии сомнений в правильности проведенного расчета и для того, чтобы теплоотдача водяного теплого пола с 1м2 была посчитана правильно, необходимо обратиться к специалистам, которые смогут учесть всевозможные нюансы, возникающие в каждом отдельном случае. На вычисления , как мы выясняли, влияет не только размер комнаты, но и количество зон с повышенным уровнем тепловых потерь, материал труб, схема укладки контура и др.

 

Теплоотдача теплого пола: таблица для произведения расчета

Теплый пол – это отличная возможность для каждого обеспечить уютный микроклимат и тепло в собственном доме. Такая система потребляет минимальное количество электроэнергии, даря необходимую теплоту в помещении.

При этом она с легкостью сочетается с любыми типами напольных покрытий, включая линолеум, ковролин, кафельную плитку и ковровое покрытие. Система гарантирует надежность, долговечность, стойкость к влаге, безопасность и легкость монтажа.

Особенности установки

Важным преимуществом конструкции выступает возможность равномерно распределить теплый воздух по жилой площади. При этом удается сэкономить до 12% энергии на общий обогрев помещения. Важно помнить о необходимости учитывать отдельные факторы во время эксплуатации.

Отопительная система должна работать в температурном диапазоне, который не превышает 60 градусов. Если упустить этот момент, возможна порча имущества. Сама поверхность водяного пола должна иметь оптимальную температуру, чтобы удовлетворять потребности. Это не только позволит добиться высокого комфорта эксплуатации, но и будет гарантировать отсутствие возможных заболеваний для ног. Чаще всего это значение достигает 26 градусов.

Чтобы монтаж был правильным, нужно позаботиться о том, чтобы расчет следующих параметров был корректным:

  1. Потребности пространства в тепле. Этот параметр определяется климатической зоной, качеством изоляции и габаритами помещения.
  2. Рассчитываемая удельная мощность отопления в перерасчете на каждый квадрат площади, которая будет обогреваться.
  3. Будет ли покрыта необходимость помещения в тепле посредством теплого водяного пола.

 

Несколько советов

Прежде чем осуществлять расчет потребности теплоотдачи, нужно учесть некоторые моменты. Первоначально нужно определить максимальную теплопроводность материалом, которые расположены выше трубы, пленок и кабелей, выступающих в качестве нагревательных элементов. Эффективность теплоотдачи зависит по прямо пропорциональному закону от тепловой мощности, по обратно пропорциональному от сопротивления покрытия.

Все трубы и материалы, которые будут расположены ниже уровня нагревательного элемента должны отличаться высокой теплоизоляцией. Это исключит возможные потери тепла через покрытия. Если монтаж и расчет осуществлены правильно, то теплоизоляция будет блокировать передачу тепла и отражать тепловое излучение.

Необходимость в тепловой мощности определяется теплоизоляцией и ее качеством. Предпочтительно придерживаться нормативов, которые будут гарантировать высокие эксплуатационные характеристики и комфорт.

Помните о том, что, если вы выбрали теплый пол, не стоит загромождать его массивными мебельными конструкциями. Это не принесет должного результата обогрева, а также возможен перегрев и порча мебели под воздействием температур.

Пример укладки теплого пола в кухне

Расчет потребности в тепле

Расчет потребности показателей представлен следующим алгоритмом:

  1. По формуле Q=S/10. Здесь Q – потребность тепла в киловаттах, S – площадь помещения, метр квадратный.
  2. Каждый кубический метр объема пространства требует 40 ватт тепла.
  3. Крайние этажи требуют в расчете 1,2-1,3 дополнительных коэффициента. Для частных построек он составляет 1,5.
  4. Дополнительно расчет требует по 100 ватт на каждое стандартное окно, по 200 ватт на балконы или двери.
  5. Нужно учитывать коэффициенты в зависимости от территориальной местности и климатической зоны.

При желании можно обращать внимание на слои ограждающих конструкций и их толщину. Это позволит добиться более точных расчетов.

Расчет теплоотдачи для пленочного нагревателя

Номинальная мощность в этом случае составляет 150-220 Ватт. Нужно понимать, что сам пленочный нагреватель – это слой фольгоизола для трубы. Он представляет собой вспененный полиэтилен, поверхность которого покрыта фольгой. Из-за этого часть тепла рассеивается, ведь эффективность зависит от толщины.

Чтобы задать температуру стандартного или водяного пола в заданном диапазоне, используют терморегуляторы. Значение обычно не достигает 40 градусов, а после эксплуатации необходимо отключать элемент и давать ему время для остывания. Из этого следует, что теплоотдача составляет около 70 ватт на каждый квадратный метр.

Расчет теплоотдачи для греющего кабеля

Греющий кабель отличается удельной теплоотдачей в 20-30 ватт на каждый квадратный метр. Расчет количества основан н шагах укладки. Дополнительно обращают внимание на следующее:

  1. Шаг варьируется в диапазоне от 10 до 30 см. Чем он больше, тем более явный характер будет носить неравномерность нагрева.
  2. Длина кабеля определяется по следующей формуле – L=S/Dx1,1. Здесь S – площадь в квадратных метрах, 1,1 – коэффициент для учета изгибов, D – шаг укладки.

Помните, что кабель будет уложен не по всей площади. Поэтому нужно определиться со средними показателями, добиваясь максимальной эффективности. Каждый квадратный метр позволяет получить до 120 Ватт тепла при этом комфортная температура будет оставаться.

Таблица соотношения мощности и длины нагрева кабеля

Расчет теплоотдачи для водяного теплого пола

В отдельных случаях есть возможность сэкономить, если имеется источник тепла. Его можно использовать только в том случае, если цена за каждый киловатт намного ниже, чем стоимость электроэнергии.

В этом случае нужно учитывать следующее:

  1. Температуру теплоносителя для трубы. Она обычно достигает 50 градусов и превышает температуру поверхности. Таблица поможет определить предпочтительные значения.
  2. Шаг укладки водяного пола. С его уменьшением количество тепла увеличивается при передаче стяжке. Нужно учитывать здесь и диаметр трубы.
  3. Температура воздуха. С ее уменьшением тепловой поток увеличивается.
  4. Диаметр трубы, по которой осуществляется движение теплоносителя.

Если шаг составляет 250 миллиметров, каждый квадратный метр позволяет получить по 82 ватта. При шаге в 150 мм – 101 ватт, а при шаге в 100 мм – 117 ватт. Таблица включает в себя все эти данные. В зависимости от этих значений нужно осуществлять проектирование теплого водяного пола.

Зависимость теплого потока от шага труб и температуры теплоносителя

Помните о необходимости рассчитать тепловой поток с поверхности водяного пола. Чаще всего он достигает 12,6 Вт (м2хС). Это значение будет прямо пропорциональным перепаду температур.

Расчет водяного теплого пола, онлайн калькулятор теплопотери

Желаемая температура воздуха

Это комфортная для жильцов температура в помещении. Желаемая температура — очень индивидуальный параметр, ведь кому-то нравится высокая температура в помещении, а кому-то прохлада.

Европейские нормы указывают, что в спальне, кабинете, гостиной, столовой и кухне оптимальной является температура 20-24°С; в туалете, кладовой, гардеробной — 17-23°С; в ванной — 24-25°С.

Усредненно можно задать 20°С.


Вверх

Температура подачи / температура обратки

Температура подачи — температура теплоносителя в подающем коллекторе. Т.е. на входе в контур теплого пола.

Температура обратки — температура теплоносителя в обратном коллекторе (на выходе из контура).

 

 

Для того, чтобы теплый пол отапливал помещение, он должен отдавать тепло, т.е. температура подачи должна быть выше температуры обратки. Оптимально, если разница температуры подачи и обратки составляет 10°С (например, подача — 45°С, обратка — 35°С).

Для обогрева помещения температура подачи должна быть выше желаемой температуры в помещении.


Вверх

Температура в нижнем помещении

Эта температура необходима для учета тепла, идущего вниз, т.е. теплопотерь.

Если теплый пол располагается над помещением (нижний этаж, подвал), то используется температура, поддерживаемая в нем. Если пол располагается над грунтом или на грунте, то для расчета используется температура воздуха для самой холодной пятидневки года. Этот показатель автоматически подставляется для выбранного города.


Вверх

Шаг укладки труб теплого пола

Это расстояние между трубами, залитыми в стяжку пола. От шага укладки зависит теплоотдача теплых полов — чем меньше шаг, тем больше удельная теплоотдача, и наоборот.

Оптимальный шаг укладки труб теплого пола лежит в пределах 10-30 см. При меньшем шаге возможна отдача тепла из подачи в обратку. При большем — неравномерный прогрев пола, когда на поверхности пола над трубой ощущается тепло, а между трубами — холод.


Вверх

Длина подводящей магистрали теплого пола

Это сумма длин труб от подающего коллектора до начала контура теплого пола и от конца контура до обратного коллектора.


При размещении коллектора теплого пола в том же помещении, где и теплые полы, влияние подводящей магистрали незначительно. Если же они находятся в разных помещениях, то длина подводящей магистрали может быть большой и ее гидравлическое сопротивление может составлять половину сопротивления всего контура.


Вверх

Толщина стяжки над трубами теплого пола

Назначение стяжки над трубами теплых полов — воспринимать нагрузку от людей и предметов в отапливаемом помещении и равномерно распределять тепло от труб по поверхности пола.


Минимально допустимая толщина стяжки над трубой составляет 30 мм при наличии армирования. При меньшей толщине стяжка будет обладать недостаточной прочностью. Также, малая толщина стяжки не обеспечивает равномерный нагрев поверхности пола — возникают полосы горячего пола над трубой и холодного между трубами.

Заливать стяжку толще 100 мм не стоит, т.к. это увеличивает инерционность теплых полов, исключает возможность быстрого регулирования температуры пола. При большой толщине изменение температуры поверхности пола будет происходить спустя несколько часов, а то и суток.

Исходя из этих условий, оптимальная толщина стяжки теплого пола — 60-70 мм над трубой. Добавление в раствор фибры и пластификатора позволяет уменьшить толщину до 30-40 мм.


Вверх

Максимальная температура поверхности пола

Это температура поверхности пола непосредственно над трубой контура. По нормативным требованиям этот параметр не должен превышать 35°С.


Вверх

Минимальная температура поверхности пола

Это температура поверхности пола на равном расстоянии от труб (посередине).


Вверх

Средняя температура поверхности пола

Этот параметр является основным критерием расчета теплого пола в плане комфорта для жильцов. Он представляет собой среднее значение между максимальной и минимальной температурой пола.

По нормам в помещениях с постоянным нахождением людей (жилые комнаты, кабинеты и т.д.) средняя температура пола должна быть не выше 26°С. В помещениях с повышенной влажностью (ванные, бассейны) или с непостоянным нахождением людей температура пола может составлять до 31°С.

Температура пола в 26°С не обеспечивает ожидаемого комфорта для ступней. В частном доме, где никто не вправе владельцу указывать какой температурой обогревать жилье, можно настраивать среднюю температуру пола в 29°С. При этом ступни будут ощущать комфортное тепло. Поднимать температуру выше 31°С не стоит — это приводит к высушиваю воздуха.


Вверх

Тепловой поток вверх

Тепловой поток вверх — тепло, отдаваемое теплым полом на обогрев помещения.

Если водяной теплый пол является единственным источником тепла, то тепловой поток вверх должен немного превышать теплопотери помещения.

При использовании теплого пола в комбинации с радиаторами, он компенсирует лишь некоторую часть теплопотерь.


Вверх

Тепловой поток вниз

Это тепло, уходящее в перекрытие и нижнее помещение, т.е. тепловые потери. Тепловой поток вниз должен быть как можно меньше. Добиться этого можно увеличением толщины утеплителя.


Вверх

Суммарный тепловой поток

Мощность теплого пола, включающая полезное тепло (обогрев помещения) и теплопотери (тепловой поток вниз).


Вверх

Удельный тепловой поток вверх

Полезное тепло, идущее на обогрев помещения, выделяемое каждым квадратным метром теплого пола.


Вверх

Удельный тепловой поток вниз

Теплопотери каждого квадратного метра теплого пола.


Вверх

Суммарный удельный тепловой поток

Количество тепла, выделяемого каждым квадратным метром теплого пола, на обогрев помещения и на теплопотери вниз.


Вверх

Расход теплоносителя

Величина расхода необходима для правильной балансировки нескольких контуров теплых полов, подключенных к одному коллектору. Полученное значение нужно выставить на шкале расходомера.



Вверх

Скорость теплоносителя

От скорости движения теплоносителя по трубе теплого пола зависит акустический комфорт в отапливаемом помещении. Если скорость теплоносителя превышает 0,5 м/с, то возможно образование посторонних звуков от циркуляции теплоносителя. Снижения скорости теплоносителя можно добиться увеличением диаметра трубы или уменьшением ее длины.


Вверх

Перепад давления

По перепаду давления в контуре теплого пола (между подающим и обратным коллектором) подбирается циркуляционный насос. Напор насоса должен быть не меньше, чем перепад давления в самом нагруженном контуре. Если напор насоса ниже перепада давления в контуре, то следует выбрать более мощную модель или уменьшить длину контура.


Вверх

Расчет теплого пола для водяного отопления

Я приветствую моего постоянного читателя и предлагаю вашему вниманию статью об устройстве теплого пола – практически идеального по комфортности способа обогреть дом или квартиру.

Но трубопроводы, размещенные в полу, – сложная инженерная система, намного более сложная, чем традиционная радиаторная система. Поэтому для монтажных работ обязательно потребуется расчет теплого пола, и в этой статье я расскажу, как выполнить расчеты и какие правила монтажа при этом необходимо учитывать.

Способы установки теплого пола

Монтаж водяного теплого пола выполняется двумя способами: настильным и в бетонной стяжке. Оба способа имеют свои преимущества и недостатки.

Бетонный

Чаще всего встречается монтаж теплого пола в цементно-песчаной стяжке. Такая стяжка хотя и медленно прогревается, поскольку имеет большую массу, но обладает хорошей теплопроводностью. Конечно, цемент и песок не сравнить с металлами, но настолько быстрая теплоотдача для теплого пола и не требуется. Большая инерционность позволяет создать равномерный обогрев помещения снизу, практически не зависящий от скачков температуры теплоносителя при включении-выключении котла.

Конструктивно теплый пол имеет следующие слои:

  • Гидроизоляцию.
  • Теплоизоляцию.
  • Трубопровод, залитый цементно-песчаным раствором.
  • Напольное покрытие.

Недостатком бетонного способа – большой вес, значительный объем трудоемких «мокрых» работ, большой срок созревания раствора – 4 недели. Только полностью созревший бетон приобретет нормативную прочность и не будет выделять влагу.

Настильный

Настильный вариант монтажа отопления используется в деревянных домах или в домах с деревянными перекрытиями. Способов сборки теплого пола существует множество:

  1. Укладка утеплителя и трубопроводов между лагами. Годится для пола первого этажа на плитном фундаменте.
  2. Монтаж всех конструкций по черновому полу.
  3. Использование готовых модулей из полистирола и ОСП.
  4. Устройство пазов для труб с помощью досок, полос ОСП, фанеры и других доступных материалов. Этот вариант более дорогостоящий, чем использование цемента и песка.

Монтаж по сравнению с бетонным методом более легкий и чистый, но трудоемкость также достаточно велика. Процесс упрощает применение пенополистирольных модулей с пазами под трубопровод.

Способ требует больших расходов на отопление – трубы покрываются досками или ОСП, имеющими невысокую теплопередачу, поэтому температура теплоносителя должна быть выше.

Какой способ лучше

Укладка теплого пола в цементном растворе предпочтительнее по двум причинам:

  1. Напольное покрытие укладывается на прочную и идеально ровную поверхность. При укладке настильным способом и покрытии из ламината, плитки или линолеума необходимо настил с трубопроводами перекрывать дополнительно ОСП, фанерой, тонкой доской 25 мм. Увеличиваются расходы на отопление и монтаж.
  2. Трубы в стяжке удалены от напольного покрытия, прогревается сначала стяжка, затем стяжка передает тепло покрытию. Несколько сантиметров цементного раствора имеют немалую инерционность, и поверхность прогревается практически равномерно. При настильной укладке и поверхность прогревается менее равномерно – в морозы при повышении температуры теплоносителя это может быть некомфортно.

Применение того или иного способа монтажа чаще всего определяется материалом строительных конструкций помещения, которое будет отапливаться.

На бетонные перекрытия или плиту фундамента практичнее всего уложить утеплитель и залить раствор (если конструкции перекрытия выдержат). Стяжка имеет минимальную толщину 70 мм, ее вес составляет примерно 150 кг на 1 м² перекрытия.

В доме при устройстве отопления на втором этаже необходимо обратиться к специалисту-строителю и посчитать, выдержит ли перекрытие нагрузку от стяжки. По этой же причине при устройстве отопления в бетонной стяжке в квартире требуется согласование с коммунальными организациями, у которых на балансе находится ваш дом.

При заливке плитного фундамента в частном доме, при строительстве нового и термомодернизации старого жилья также необходимо сделать расчет дополнительной нагрузки.

Необходим расчет, на какую высоту можно поднять уровень пола. Подъем напольного покрытия примерно на 150 мм приведет к понижению уровня потолка и уменьшению высоты дверей, да и окна опасно приблизятся к полу. При настильном способе можно сделать конструкции меньшей высоты.

При монтаже теплого пола в здании с деревянными перекрытиями и на первых этажах вообще вариантов нет: доступен только настильный способ. Нагружать деревянные перекрытия стяжкой невозможно, к тому же полы из досок на лагах прогибаются при динамической нагрузке, и любой раствор рано или поздно потрескается. Зато в пространство между лагами отлично укладывается утеплитель – повышение уровня пола будет не столь критичным.

В идеальном случае устройство теплого пола учитывают еще на этапе проектирования строительных конструкций жилья. Расчет отопительной системы также лучше доверить профессионалам – при погрешностях подсчетов в комнате может быть недостаточно тепло, а увеличить мощность системы практически нереально. Это не традиционная система с радиаторами, где можно добавить греющий элемент в любой точке системы.

Способы укладки трубы для теплого пола

Существуют 4 основных способов укладки трубопроводов:

  1. Змейка. Трубопровод теплого пола размещается параллельно. Прогрев помещения неравномерный.
  2. Угловая змейка. Труба укладывается в углу с поворотом, участки располагаются параллельно первым отрезкам.
  3. Двойная змейка. Начало и конец контура укладываются параллельно. Из всех змеек обеспечивает относительно равномерный прогрев помещения.
  4. Улитка, ракушка, спираль. Начало и конец контура укладывается параллельно и по спирали. Улитка обеспечивает равномерное распределение тепла.

Какой способ укладки стоит выбрать

Способ определяется в зависимости от формы и площади помещений.

Для небольших помещений типа коридоров, ванных комнат, санузлов удобнее использовать змейку, для небольших комнат с одной наружной стеной – двойную змейку. В больших помещениях целесообразнее использовать улитку или комбинированные способы.

При комбинировании обычно змейкой прокладывают теплый пол вдоль наружных стен или в углу, отсекая холодный воздух от наружных стен и окон. Улиткой размещают трубопроводы в основной части достаточно большого помещения.

При укладке теплого пола необходимо учитывать, что нельзя размещать коммуникации под мебелью. Желательно монтировать трубы с меньшим шагом в местах работы или отдыха, игровых зонах, детских комнатах, возле письменных и компьютерных столов, мягких уголков, фортепиано, местах, где что-либо мастерят, шьют и т.д.

Исходные данные для расчета

Для правильного расчета теплопотерь через пол, крышу, стены, окна, двери необходимо обращаться к квалифицированным строителям. При подсчетах учитываются:

  1. Площадь и планировка здания, состав помещений – количество ванных, детских, вспомогательных и буферных помещений.
  2. Материал стен, потолка, фундамента.
  3. Утепление дома, перекрытий и фундамента.
  4. Конструктив и отделка стен определяет кратность воздухообмена и потери тепла на нагрев воздуха, поступающего при вентиляции помещения.
  5. Количество, площадь и конструкция окон и дверей.
  6. Этажность здания, наличие цокольного этажа, гаража или подвала, конструктив второго этажа (мансарда или полноценный этаж).
  7. Климат региона (средние и минимальные зимние температуры).
  8. Количество людей, проживающих в доме.
  9. Наличие дополнительных систем отопления и источников тепла (печей, каминов, радиаторной системы).

Определение параметров теплого пола

Основные параметры системы теплого пола – диаметр труб, длина и количество контуров, расстояние между трубами, температура теплоносителя на входе и на выходе контура. Конечная цель всех теплотехнических расчетов – определение параметров системы, обеспечивающих комфортный температурный режим в доме. Выяснение теплопотерь здания (комнаты), необходимой тепловой мощности системы отопления – промежуточные цели расчетов.

Методика расчета потерь тепла

Для частных домов площадью от 50 до 150 кв. м вполне можно воспользоваться примерными расчетами. Следует иметь в виду, что эти примерные расчеты верны для современных утепленных домов – из пено- или газобетона, керамического блока или утепленных теплоизоляционными материалами слоем не меньше 200 мм.

Для старых домов с толщиной стены «в два кирпича», «в один шлакоблок» эти данные не подходят. Если собираетесь в дальнейшем утеплить дом, а пока дошла очередь только до заливки плитного фундамента внутри старого дома и устройства теплого пола, то можно воспользоваться этими данными, но временно отапливать и с помощью водяного теплого пола, и радиаторами. При сильных морозах или в северных регионах России одного напольного отопления может не хватить.

Данные для ориентировочных расчетов теплопотерь отдельных комнат в частном доме:

  1. Для комнаты с 1 окном и 1 внешней стеной принимают теплопотери 100 Вт с 1 м² площади.
  2. Для комнаты с 1 окном и 2 наружными стенами принимают теплопотери 120 Вт с 1 м².
  3. Помещение с 2 окнами и 2 внешними стенами – теплопотери 130 Вт с 1 м².

Теплопотери каждой комнаты высчитывают, умножив площадь на потери 1 м² и коэффициент 1,2 – потери на нагрев стяжки и нижележащих конструкций. Если ваш дом находится в северных районах или Сибири, увеличьте потери еще на 20% (коэффициент 1,2). Рассчитанные по площади потери умножают на оба коэффициента (т.е. на 1,44).

По более точной формуле получают расчет теплопотерь через конструкции дома. В интернете полно онлайн-калькуляторов, с помощью которых можно рассчитать точно все теплопотери дома.

Общие теплопотери равны сумме потерь через пол, стены, окна и потолок и потерь на нагрев поступающего воздуха.

Qобщ = Qтп + Qв

Формула для расчета теплопотерь через конструкции (параметр определяется отдельно для всех стен и других элементов – потолка, окон, дверей):

Q = 1/R * ∆t* S *k

  • R – сопротивление теплопередаче – табличное значение. Можно рассчитать как отношение толщины конструкции и коэффициента теплопроводности материала конструкции (табличное значение).
  • ∆t — разница температур внутри и снаружи здания, ∆t = tв — tн, tн – применяют минимальную зимнюю температуру в вашей местности.
  • S – площадь конструкции (наружная, с захватом углов здания).
  • k – коэффициент, зависящий от ориентированности наружной стены по сторонам света. Для юга и юго-запада k равен 1, для запада и юго-востока – 1,05, для остальных направлений – 1,1.

Коэффициенты теплопроводности несложно найти в справочниках, ниже в таблице приведены коэффициенты некоторых ходовых материалов.

Наименование материала Коэффициент теплопроводности,  Вт/(м*°С)
Бетон 1,5
Красный пустотелый кирпич 0,35
Керамические блоки 0,14
Силикатный кирпич 0,7
Газобетон 0,12-0,3
Древесина 0,1-0,15
Пенополистирол 0,028-0,043
ОСП 0,14
Железобетон 1,69

Соответствующие коэффициенты для окон можно узнать у организации-производителя или установщика.

Необходимое тепло на нагрев воздуха

Для более точного расчета мощности системы теплого пола необходимо также учитывать тепло, необходимое для нагрева воздуха, поступающего в помещение и удаляемого через вентиляцию:

  • V – объем комнаты, м³.
  • K – воздухообмен.
  • С – удельная теплоемкость воздуха, при 20 °С равна 1005 Дж/кг*К.
  • P – плотность воздуха при нормальных условиях (давлении 1 атм и температуре 20 °С), Р=1,2250 кг/м³.
  • Δt – разница температур в помещении и вне его.
  • 3600 – для перевода МДж в кВт*ч: 1 кВт*ч= 3,6 МДж.
  • 1,1 – коэффициент для учета потерь через щели, двери и т.д.

Воздухообмен для всех жилых помещений принимают кратным единице в час. Для помещений с повышенной влажностью – ванных, саун, санузлов – кратным 2.

Например, для комнаты площадью 20 м, высотой 3 м, при температуре вне помещения -20°С, в помещении +20°С, тепло, необходимое для нагрева воздуха, будет равно:

Расчеты проводят для самой холодной зимней температуры.

Пример расчета

Рассчитаю для примера сумму теплопотерь комнаты с одним окном, одной наружной стеной, площадью 20 м², высотой 3 м. Площадь окна 2 м², площадь наружной стены 12 м², стены – газобетон толщиной 300 мм. Ориентация – северо-запад. Пол и потолок утеплены пенополистиролом слоем 200 мм. Самая холодная температура зимой -20°С.

R – сопротивление теплопередаче газобетона – равен 0,3/0,15 = 2, где 0,3 – толщина стены, 0,15 – коэффициент теплопроводности.

  • Qнар. стены = 1/R * ∆t* S *k = (1*40*10*1,1)/2= 440 Вт.
  • Qокна = 1/R * ∆t* S * k = (1*40*2*1,1)/0,5 = 176 Вт.
  • Q потолка = 1/R * ∆t* S * * k = (1*40*20*1,1)/67= 14 Вт, где R для слоя пенополистирола = 0,2/0,03 = 67.

Если для утепления используется толстый слой пенополистирола или минваты, то сопротивлением остальных конструктивных элементов стены, пола или потолка можно пренебречь.

Q потолка = Q пола= 14 Вт

Общие теплопотери равны сумме потерь через пол, стены, окна и потолок и потерь на нагрев поступающего воздуха.

Qобщ = Qтп + Qв= 440+176+14+14+887= 1531 Вт

Расчет необходимой мощности контура (см. ниже):

Qк= Qобщ*1,2 = 1531*1,2= 1837 Вт

Расчет мощности контура

Расчет необходимой мощности контура (и котла) теплого пола производится с учетом потерь:

Qк= Qобщ*1,2,

где коэффициент 1,2 применяется для учета потерь тепла (например, на нагрев стяжки, коллектора и т.д.).

Расчет необходимого количества труб

Точный расчет количества труб зависит от множества параметров: температуры и скорости теплоносителя, материала, диаметра и толщины стенки труб, необходимой мощности системы, числа контуров в помещении, мощности насоса. Поэтому точный расчет лучше доверить специалистам.

Для примерных расчетов предлагаю таблицу.

Шаг, см Диаметр, мм Средняя температура теплоносителя, °С Количество трубы на 1 м², м.п. Количество трубы на 20 м², м.п.
10 20 31,5 10 200
36 32,5
15 20 33,5 6,7 134
36 35
20 20 36,5 5 100
36 37,5
25 20 38,5 4 80
36 40
30 20 41,5 3,4 68

При расчетах теплого пола отталкиваются от частоты укладки, обеспечивающей использование теплоносителя с температурой 37°С, тогда на поверхности пола температура не будет превышать нормативные 26°С. Длину трубопровода на 1 м² берут из таблицы – 5 м.п. на 1 м². Реальную пересчитывают с помощью коэффициентов.

Для угловых комнат с одним окном умножают эту длину на 1,2; с двумя окнами – на 1,3. Умножают на региональный коэффициент. Для центральных районов России – 1,2-1,3, для Сибири и Севера – 1,5-2, для южных – 0,7-0,9.

Например, для угловой комнаты площадью 24 м² с двумя окнами и в холодном регионе России протяженность трубопровода будет:

Выбор шага укладки

Шаг укладки зависит от получившейся длины трубопровода (см. выше). Сначала рассчитывается, сколько метров надо отопить – отапливаемая площадь комнаты за вычетом мебели, например, 20 м²). Затем рассчитывается фактическая длина трубы на один квадратный метр пола:

При раскладке труб по полу шаг можно варьировать – при шаге в 15 см в зоне мягкого уголка будет немного теплее, а при шаге 20 см в центре помещения – немного прохладнее.

Расчет циркуляционного насоса

Для выбора подходящего циркуляционного насоса необходимо определить основные параметры – напор и расход (производительность). Расход теплоносителя рассчитывается по сумме расхода всех контуров. Напор принимается максимальный в самом протяженном контуре.

Для вычисления производительности в системах с теплоносителем-водой используют следующую формулу:

Рк = 0,86*Pн/(tпр – tобр), где

  • Pн — мощность отопительного контура, кВт, складывают мощность всех контуров.
  • tобр — температура теплоносителя в обратке.
  • tпр — температура подачи.

Разницу температур принимают обычно равной 5 °С.

Напор насоса рассчитывают по самому длинному контуру. Используют формулу:

∆ Н = L х Q² / k, где

  • ∆ Н – гидравлические потери.
  • L – длина контура.
  • Q – расход воды в л/с.
  • k – коэффициент расхода, для приближенных расчетов частного дома принимают 0,3-0,4 л/с.

Напор насоса должен быть равен или немного больше значения гидравлических потерь. Для обеспечения различных режимов работы обычно выбирают трехскоростные насосы, причем выбор осуществляют по параметрам при работе на второй скорости (чтобы был запас мощности на случай холодов).

Рекомендации по выбору толщины стяжки

Минимальная толщина стяжки – 50 мм над системой теплого пола. Она же и оптимальная. 50 мм стяжки обеспечивают достаточно прочное покрытие и в то же время ограничивают инерционность системы.

Большая толщина стяжки чрезмерно нагружает конструкцию и давит на трубопроводы, а также увеличивает трудозатраты и время вызревания бетона. Поэтому без необходимости не следует утолщать стяжку.

Применение более толстой стяжки оправдано только в том случае, если необходимо выровнять разноуровневый пол или в производственных помещениях с большой динамической нагрузкой на пол. При толщине заливки 80-100 мм желательно прокладывать трубопроводы в защитном чехле из гофры.

Нежелательно и уменьшать толщину стяжки менее 40 мм над уровнем теплого пола – слой раствора защищает трубы от давления мебели и от нагрузки при движении людей или крупных животных.

Этапы установки пола

До укладки утеплителя пол необходимо тщательно выровнять. Затем укладывается утеплитель, гидроизоляция, трубы, заполняются теплоносителем, опрессовываются, заливаются раствором. После созревания раствора монтируется напольное покрытие.

Установка теплоизоляции

В качестве теплоизоляции используют прочный вспененный экструдированный (экструзионный) полистирол (пеноплекс, пенопласт, пенополистирол) с плотностью не менее 30-35 кг/м³. Пенополистирол обладает не только высокой прочностью, но и не впитывает влагу, не гниет, плохо поддерживает горение.

Толщина пенополистирола в межэтажных перекрытиях должна составлять не менее 100 мм, на фундаменте – не менее 200 мм. Иногда применяют специальные плиты для теплого пола с пазами под трубопроводы и покрытые фольгой. Вдоль стены закрепляется демпферная лента или полоска пенофола подходящего размера.

Установка гидроизоляции

На теплоизоляционные плиты укладывают гидроизоляционную пленку. Бывают варианты с разметкой в виде квадратов, фольгированные.

Укладка и закрепление труб

На гидроизоляцию укладывают трубы теплого пола в соответствии со схемой. Гибку труб при укладке выполняют при помощи шаблона или трубогиба, нужно следить, чтобы не было перегибов, трещин, складок.

Желательно составить схему и сделать расчеты так, чтобы длина контуров не превышала 100 м. При увеличении метража насос не будет продавливать теплоноситель, и температура этого контура уменьшится.

Если теплоизоляционные плиты не имеют пазов, то трубы крепят к плитам специальными шпильками или скобами, или с помощью монтажных планок с замками. Трубопровод, даже с водой, имеет меньшую плотность, чем цементный раствор, и при заливке будет подниматься («всплывать») наверх. Поэтому теплый пол нужно закреплять в нижнем положении.

Опрессовка

После укладки коммуникации обрезают возле коллектора, с помощью фитингов присоединяют к коллектору, заполняют трубопровод водой. Давление доводят до 0,6 МПа (придется использовать отдельный насос) и оставляют систему с водой на сутки-двое. В первые дни объем воды в трубопроводе может немного увеличиваться. Температуру также доводят до рабочей. Несколько раз стравливают воздух и добавляют воду.

Заливка бетонным раствором

После опрессовки укладывают сетку с ячейкой 50×50 мм и заливают систему раствором. Трубопровод при этом должен быть заполнен теплоносителем под давлением 0,3 МПа, или 3 атм. Для приготовления раствора используют специальную смесь или в обычную цементно-песчаную смесь добавляют пластификаторы для теплого пола.

Желательно накрыть стяжку полиэтиленом или увлажнять поверхность раствора. Но в больших комнатах увлажнять невозможно, поэтому применение полиэтилена предпочтительней. Уже через 10 дней по стяжке можно пройти, но стелить напольное покрытие можно только через 3 недели – до того раствор будет выделять влагу.

Как и где необходимо устанавливать коллекторный шкаф

Коллекторный шкаф устанавливают либо в котельной, либо в подсобных помещениях – коридорах, кладовых. Оптимальное место – в центре отапливаемого этажа (чтобы уменьшить длину коммуникаций). В большом доме придется устанавливать больше одного коллекторного шкафа. При выборе места следует учитывать, что в узле подмеса находится насос, который при работе негромко шумит. Поэтому в жилых комнатах коллекторные шкафы не устанавливают.

Заключение

До свидания, мой любимый читатель. В этой статье описаны принципы расчета системы теплого пола. Если вы собрались монтировать отопление своими руками, сможете и рассчитать систему. Хотя для большого дома лучше доверить расчеты специалистам. Приводите на сайт новых читателей, делитесь интересной информацией с друзьями в соцсетях.

Загрузка…
Расчет теплоотдачи теплого водяного пола и мощности

 

Сегодня для большинства эквивалентом уюта и комфорта в помещении стал тёплый водяной пол. Расчет его, в виде залога результативной работы, зависит как правило от схемы, по которой система будет работать. Как все знают, водяной пол может стать источником ключевого обогревания дома либо дополнительным, дабы обеспечить больший уют в помещении.

Отопление для пола позволяет теплу одинаково распределяться по помещению – от потолка до пола, причем разница в температуре, в основном, составляет 2-4?С. Какой вариант теплоснабжения не планировалось установить, нужен правильный расчет пола с подогревом. Связывают это с тем, что любая ошибка, допущенная во время проектирования может повернуться массой неудобств и существенной потерей времени, так как обязательно нужно будет вскрывать стяжку.

Расчет потерь тепла помещения

Работа любой системы обогрева направлена на поддержание оптимальной температуры в помещении. Благодаря этому на начальной стадии нужно высчитать потери тепла комнаты (строения). При этом принимается во внимание наличие ключевой системы обогрева.

Правильная методика расчета пола с подогревом основывается на определении потерь тепла через внешние конструкции — стены и окна. Для ориентировочного расчета будут взяты непосредственно они. Для этого потребуется значение коэффициента сопротивления передачи тепла материалов, из которых сделаны конструкции.

Предположим, что нужно поддерживать температурный режим в помещении 25°С с учетом максимально невысокой на улице – 35 °С. Фасадная стена сделана из кирпича и ее толщина составляет 0,38 м. Потери тепла рассчитываются по следующей формуле:

q=S*(tв — tн)*R

Где q – потери тепла, Вт.

S – площадь помещения которое отапливается, м?.

tв tн — температура в помещении и на улице, °С.

R – показатель сопротивления передачи тепла, м?*К/Вт.

Для жилого помещения общим объемом 50 м? они составят:

q=50*(25-(-35)*0,43=1290 Вт

Если есть наличие ключевого отопления при помощи радиаторов значительная часть данных потерь будет возмещаться им – порядка 60%. Поэтому, для жилого помещения площадью 20 м? нужен расчет отдачи тепла пола с подогревом с самым маленьким показателем 1290*0,4= 516 Вт. Если учитывать среднюю теплоемкость 80 Вт/м?, можно определить, что для поддержки необходимой температуры необходимо установить трубы на площадь около шести метров?.

Совет
Также необходимо иметь в виду, что комфортная температура поверхности пола с подогревом должна составлять 30°С.

Методика расчета

Когда одним источником тепла выбрали тёплый водяной пол, расчет сделать точно окажется очень сложно. Причина в следующем – при подобном подборе приходится иметь в виду немало невидимых моментов, включая технические документы, а еще требуемые материалы. К тому для аналогичных расчетов нужна очень высокая степень технической грамотности, ведь от нее зависит качество получившейся системы отопления, а еще материальные затраты на ее приспособление, текущее обслуживание и эксплуатацию. В другом варианте, другими словами установке системы добавочного обогревания решить высчитать ее большого труда не составит.

Схематически данную конструкцию можно описать, как магистраль трубопровода, помещенную между базовым полом и его покрытием. Аналогичным образом, создание аналогичной конструкции сводится к укладке между основой и завершальным покрытием трубной магистрали, по которой двигается тепловой носитель. Она состоит из ряда элементов:

  • слоя теплоизоляции;
  • труб для нагрева;
  • коллекторов и шкафа;
  • арматуры запорного типа;
  • добавочных компонентов, применяемых при присоединении конструкции к централизованному отоплению, типа соединителей и крепежей.

Для расчета отдачи тепла должны быть собраны нужные данные, плюс к этому о помещении. В особенности, это касается:

  • вида и площади помещения;
  • запланированной температуры;
  • уровня потерь тепла;
  • типа напольного покрытия.

Имеется еще несколько факторов, которые, возможно, могут показаться незначимыми, все таки они могут значительно отобразиться на итоговых результатах расчетов, другими словами отдача тепла водяного пола с подогревом будет недостаточной. В расчетах учитывают

  • этажность помещения – находится ли помещение на первом или и последнем этаже;
  • объем застекления, к примеру, – эркер, балкона или эркера;
  • степень тепловой изоляции – балкон, помещение с тонкими поверхностями стен;
  • определенные свойства материала для пола – достаточная толщина либо большой уровень теплоемкости.

Совет
В таких вариантах мощность системы отопления обязана быть увеличена и, в основном, возникается надобность теплотехнического расчета.

Особенное внимания просят помещения с дощатыми либо полами из паркета. Это нужно из-за невысокой теплопроводности дерева в условиях типовых значений удельной мощности, которая не дает возможность получить требуемую температуру напольные поверхности.

Подбираем материал изготовления труб, их диаметр

Основным этапом считается выбор материала изготовления труб и их диаметр. Очень часто применяют конструкции из полиэтилена сшитого типа с воздухонепроницаемой оболочкой для защиты.

 

Они владеют хорошим показателем теплопроводимости, очень крепки и эластичны, что очень важно для установки. Диаметр зависит от расчетной теплоемкости – при высоком размере будет большая отдача тепла. Но при этом необходимо учесть, что тепловой носитель будет остывать быстрее, чем в трубах небольшого диаметра. Для средней площади нагрева одного контура 20 м? можно подобрать трубу с сечением 16 мм.

Как высчитать мощность: инструкция

  • Расчет мощности начинается с самого примитивного – подготовки плана помещения, на котором отмечены места размещения окон и дверей.

На заметку
Большого труда не составит его чертить на миллиметровке, тем более , что рекомендованный размах равён 10 мм : 0,5 м.

Шаг и трубный диаметр. Самый большой КПД будет гарантирован только во время выполнения конкретных правил:

  1. самая большая отопительная площадь равна 20 кв. м., благодаря этому в помещениях большого размера кладут 2 контура при обязательном условии подсоединения к отдельному отводу;
  2. самая большая длина трубопровода одного круга контура составляет 100 м.
  • Ключевые участки потерь тепла в помещении находятся в районе дверей и окон. Это в первую очередь принимается во внимание при размещении трубопровода – трубу, которая отходит от стояка проводят в направлении окна. Дальше, нужно обеспечить отступ проложенных труб от стен на 20–25 см. Шаг, с которым кладут трубы в контуре меняется между 35 и 50 см. Подбор определенного шага зависит от этих параметров, как диаметр и вид трубы. Получить кол-во требуемых для установки труб очень легко: длину по чертежу перемножают с показателем, переводящим масштабные единицы в настоящие. Дополнительно необходимо предусматривать еще 2 м, которые нужны для подводки контура до стояка.

Для трубоукладки в водяной системе отопления применяют две схемы:

  • змейка;
  • улитка (ракушка).

Сегодня для устройства водяной подогревательные системы применяют пять видов труб:

  • из пенопропилена – стоят очень дешево, но имеют плохой уровень проводимости тепла;
  • из металлопластика – наиболее распространенные, так как дают самое лучшее соотношение качества и стоимости;
  • из полиэтилена сшитого типа – достаточно хорошо подменяют металлопластиковые;
  • из меди – самой дорогой вариант, и плюс ко всему наиболее эффективные;

На заметку
Сейчас возник ее один довольно хороший вариант – нержавеющие волнистые трубы.

  • Дальнейшим шагом рассчитывается кол-во тепловой изоляции, практически всегда это фольгированный отражающий теплоизолятор. Его кол-во обязано отвечать площади помещения. При трудной поверхности, необходимо будет подсчитать общую площадь некоторых участков.
  • Рассчитывается также кол-во песка и цемента, нужного для стяжечной заливки конкретной толщины. Их берут по соотношению три к одному.

Важно
Меняя шаг укладки в согласии с площадью пола, можно достичь хорошего режима температур. Однако, этого может быть очень мало, дабы хранить уютный климат в помещении регулярно, тем более если дома есть детки. Благодаря этому должна быть обязательно предусматривается температурная регулировка.

Программы для расчета параметров

Характерность проектирования теплых гидравлических полов заключается не только в вычислении мощности, количества материалов, но и учета показателей теплового носителя. К ним можно отнести расчетная температура воды в обратной трубе, скорость ее прохождения и гидравлическое давление.

На просторах интернета имеется множество примеров расчета систем http://webcala.net/tepliypol.php , однако, не всегда удается разобраться с деталями собственными силами. В данных случаях значительную помощь предоставляют, выложенные на просторах интернета программы расчета гидравлического пола с подогревом – online калькуляторы. Рабочий принцип состоит в подгонке гидравлических параметров под характеристики насоса, исходя из использованных значений показателей. Данный метод позволяет перестраиваться их потенциальными значениями.

Но для получения верной информации необходимо знать исходники:

  1. Размеры помещения – общая квадратура или объем.
  2. Температурный уровень в комнате, которую должна поддерживать система отопления.
  3. Уровень нагрева теплового носителя при поступлении в распределительный коллектор. Для многих случаев он не должен быть больше 50°С.
  4. Температура воды в обратной трубе. Необходима для расчета отдачи тепла водяного тёплого пола. Чем она больше – тем меньше энергии будет расходоваться на нагрев теплового носителя. Хороший показатель – до 40 — 50°С.
  5. Шаг укладки. Подбирается в зависимости от формы помещения и всей площади нагрева.
  6. Виды покрытия. В первую очередь необходимо знать, какой материал для декорирования будет ставиться сверху стяжки на основе цемента (кафель, ламинат, паркет), толщину защитного слоя бетона. Последний очень часто выполняют до пяти сантиметров.
  7. Утеплительный слой. Он необходим для самой большой отдачи тепла системы.

Хорошие online калькуляторы показывают не только техпараметры, но и делают расчет стоимости водяного пола с подогревом.

Совет
Лучше всего применять те ресурсы, где предоставляется только кол-во материала без его цены. Аналогичным образом, можно подставляя свои значения получить пару вариантов всей стоимости системы с учетом применения разных материалов.

Как только был выполнен расчет мощности теплого гидравлического пола, можно приступить к подбору управляющих компонентов – коллекторов и термостатов.

Управляющие элементы

Они нужны для автоматизированного изменения режимов, согласно выставленным показателям. Температурная регулировка пола с подогревом осуществляется при помощи определенных компонентов – смесительного клапана (2-ух или трехгодового), термопреобразователя и наружного термостата. Они выбираются согласно расчетным показателям.

Совет
Диаметр коллектора обязан быть способен пропускать особый водный объем за временной промежуток. Для вычисления данного показателя также воспользуйтесь специальными программами.

Как высчитать мощность пола с подогревом, имея самый маленький опыт в проведении аналогичных работ? Рекомендуется обратиться в профильные фирмы, которые кроме вычислений смогут предъявить услуги процесса установки. Главная проблема online калькуляторов состоит в относительно большой неточности, так как не берутся во внимание многие посторонние факторы.

Только персональный подход к решению данной проблемы даст возможность создать действительно хороший тёплый водяной пол. Расчет системы специалистами и хороший выбор материалов даю гарантию безопасность и очень долгое время работы всей конструкции.

Расчет стоимости водяного пола с подогревом будет лучше поручить специалистам, Если учитывать массу невидимых моментов, которые возможны в каждом индивидуальном случае.

Расчет мощности котла.


 

Расчет общего коэффициента теплопередачи

EnggCyclopedia
  • Калькуляторы
    • Размеры оборудования
    • Размеры инструмента
    • Разное
    • Падение давления
    • Размеры трубопровода
    • Физические свойства
    • Преобразование единиц
      • Ускорение
      • Угол
      • Угловая скорость
      • Область
      • Угловое ускорение
      • Charge
      • Текущая
      • Плотность
      • Расстояние
      • Энергия
      • Force
      • Освещенность
      • Индуктивность
      • Luminance
      • Магнитный поток
      • Масса
      • Мощность
      • Давление
      • Удельная теплоемкость
      • Температура
      • Теплопроводность
      • Время
      • Крутящий момент
      • Скорость
      • Вязкость
      • Напряжение
      • Объем
  • Процесс проектирования
  • Оборудование
  • Контрольно-измерительные приборы
  • Трубопроводы
  • Подрядчики и поставщики
  • Facebook
  • Twitter
EnggCyclopedia
  • Калькуляторы
    • Размеры оборудования
    • Размеры инструмента
    • Разное
    • Падение давления
    • Размеры трубопровода
    • Физические свойства
    • Преобразование единиц
      • Ускорение
      • Угол
      • Угловая скорость
      • Область
      • Угловое ускорение
      • Charge
      • Текущая
      • Плотность
      • Расстояние
      • Энергия
      • Force
      • Освещенность
      • Индуктивность
      • Luminance
      • Магнитный поток
      • Масса
      • Мощность
      • Давление
      • Удельная теплоемкость
      • Температура
      • Теплопроводность
      • Время
      • Крутящий момент
      • Скорость
      • Вязкость
      • Напряжение
      • Объем
  • Процесс проектирования
  • Оборудование
  • Контрольно-измерительные приборы
  • Трубопроводы
  • Подрядчики и поставщики
EnggCyclopedia ,

Конвективный теплообмен

Тепловая энергия, передаваемая между поверхностью и движущейся жидкостью с разными температурами, известна как конвекция .

На самом деле это комбинация диффузии и объемного движения молекул. У поверхности скорость жидкости мала, а диффузия доминирует. На расстоянии от поверхности объемное движение увеличивает влияние и доминирует.

Convective heat transfer

Конвективная теплопередача может быть

  • принудительной или ассистированной конвекцией
  • естественной или свободной конвекцией

Принудительная или вспомогательная конвекция

Принудительная конвекция возникает, когда поток жидкости вызван внешняя сила, такая как насос, вентилятор или смеситель.

Естественная или свободная конвекция

Естественная конвекция вызвана силами плавучести из-за различий в плотности, вызванных колебаниями температуры жидкости. При нагреве изменение плотности в пограничном слое приведет к росту жидкости и будет заменено более холодной жидкостью, которая также будет нагреваться и подниматься. Это продолжающееся явление называется свободной или естественной конвекцией.

Процессы кипения или конденсации также называются конвективными процессами теплообмена.

  • Теплопередача на единицу поверхности посредством конвекции была впервые описана Ньютоном, и это соотношение известно как закон охлаждения Ньютона .

Уравнение для конвекции можно выразить как:

q = h c A dT (1)

, где

q = тепло, передаваемое в единицу времени (Вт, БТЕ / час)

A = площадь теплообмена поверхности (м 2 , футы 2 )

ч c = коэффициент конвективной теплоотдачи процесса ( Вт / (м 2 9007 С, БТЕ / (фут 2 ч o F) )

дТ = разность температур между поверхностью и объемом жидкости ( o С, F)

Коэффициенты теплообмена — Единицы

Коэффициенты конвективного теплообмена

Коэффициенты конвективного теплообмена — ч с зависит от тип среды, если это газ или жидкость, и свойства потока, такие как скорость, вязкость и другие свойства потока и температуры.

Типичные конвективные коэффициенты теплопередачи для некоторых распространенных применений потока жидкости:

  • Свободная конвекция — воздух, газы и сухие пары: 0,5 — 1000 (Вт / (м 2 K))
  • Свободная конвекция — вода и жидкости: 50 — 3000 (Вт / (м 2 К))
  • Принудительная конвекция — воздух, газы и сухие пары: 10 — 1000 (Вт / (м 2 К))
  • Принудительная конвекция — вода и жидкости: 50 — 10000 (Вт / (м 2 К))
  • Принудительная конвекция — жидкие металлы: 5000 — 40000 (Вт / (м 2 K))
  • Кипящая вода: 3.000 — 100.000 (Вт / (м 2 К))
  • Пар конденсирующей воды: 5.000 — 100.000 (Вт / (м 2 К))
Коэффициент конвективного теплообмена для воздуха

Коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха Поток может быть приближен к

ч с = 10,45 — v + 10 v 1/2 (2)

где

ч с = коэффициент теплопередачи (ккал / м 2 ч ° C)

v = относительная скорость между поверхностью объекта и воздухом (м / с)

с

1 ккал / м 2 ч ° С = 1.16 Вт / м 2 ° C

— (2) можно изменить на

ч цВт = 12,12 — 1,16 В + 11,6 В 1/2 (2b)

, где

ч кВт = коэффициент теплопередачи (Вт / м 2 ° C)

Примечание! — это эмпирическое уравнение, которое можно использовать для скоростей от 2 до 20 м / с .

Air - heat transfer coefficient

Пример — конвективный теплообмен

Жидкость течет по плоской поверхности 1 м на 1 м. Температура поверхности составляет 50 o C , температура жидкости составляет 20 o C , а коэффициент конвективной теплопередачи составляет 2000 Вт / м 2o С . Конвективный теплообмен между горячей поверхностью и более холодным воздухом можно рассчитать как

q = (2000 Вт / (м 2 C)) ((1 м) (1 м)) ((50 o C) — (20 o C))

= 60000 (Вт)

= 60 (кВт)

Калькулятор конвективного теплообмена

Схема конвективного теплообмена

Convective heat transfer chart

.

КОНВЕКТИВНАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Эта статья посвящена передаче тепловой энергии движением жидкости, и, как следствие, такая передача зависит от характера потока. Передача тепла за счет конвекции может происходить в движущейся жидкости из одной области в другую или на твердую поверхность, которая может иметь форму канала, по которому течет жидкость или по которой течет жидкость. Конвективная теплопередача может иметь место в пограничных слоях, то есть к или от потока через поверхность в форме пограничного слоя, и внутри каналов, где поток может быть похож на пограничный слой или полностью развит.Это может также произойти в потоках, которые являются более сложными, например, в потоках, которые разделены, например, в задней части цилиндра в поперечном потоке или вблизи , обращенного назад, ступени . Поток может вызвать конвективный теплообмен, когда он приводится в действие насосом и называется принудительной конвекцией, или возникать как следствие градиентов температуры и плавучести, называемых естественной или свободной конвекцией. Примеры приведены ниже в этом разделе и показаны на рисунке 1 для облегчения введения в терминологию и понятия.

Рис. 1. Профили скорости и температуры в пограничном слое и отдельных потоках.

Пограничный слой на плоской поверхности рисунка 1 имеет обычное изменение скорости от нуля на поверхности до максимума в свободном потоке. В этом случае предполагается, что поверхность имеет более высокую температуру, чем свободный поток, и конечный градиент на стенке подтверждает теплообмен от поверхности к потоку. Также возможно иметь нулевой температурный градиент на стенке, так что нет теплопередачи к поверхности или от поверхности, но передается тепло в потоке.Если поток ламинарный, теплообмен с поверхности задается законом потока Фурье, то есть:

где q представляет скорость теплопередачи на единицу площади поверхности, λ — теплопроводность, T — температура, а y — расстояние, измеренное от поверхности. То же самое выражение относится к любой области потока, а также в случае адиабатической стенки, где нулевой градиент температуры подразумевает нулевую теплопередачу. Следует отметить, что поверхность может быть горизонтальной, как показано, с потоком воздуха, приводимым в действие вентилятором, или потоком жидкости с помощью насоса, и что она может быть в равной степени вертикальной, причем плавучесть обеспечивает движущую силу для потока.В последнем случае скорость набегающего потока будет равна нулю, так что соответствующий профиль будет иметь нулевые значения на стенке и вдали от стенки.

Шаг назад, показанный на фиг.1, приводит к более сложному течению, и в результате потока и повторного присоединения в потоке могут быть идентифицированы несколько пограничных слоев. Детали потоков этого типа недостаточно понятны, поэтому трудно определить характеристики пограничных слоев, и можно представить, что формы профилей скорости и температуры, а следовательно, и локального теплообмена внутри жидкости и к стене — будет значительно варьироваться от одного места к другому.Известно, например, что скорость теплопередачи может стать высокой в ​​месте присоединения восходящего потока к поверхности ступени, как это также имеет место на передней кромке цилиндра в поперечном потоке, но детальные механизмы остаются не до конца понятными, и исследования продолжаются.

Хорошо известно, что даже сравнительно простые геометрические конфигурации, такие как показанные на фиг.1, могут вызывать скорости теплопередачи, которые значительно варьируются в зависимости от характера потока и поверхности.При ламинарных потоках теплопередача к стене или от нее зависит от расстояния от передней кромки пограничного слоя. Турбулентные потоки могут приводить к скоростям теплопередачи, которые намного выше, чем у ламинарных потоков, и вызваны тем, как турбулентные колебания увеличивают перемешивание; они также влияют на теплопередачу к поверхности и от нее, особенно там, где текучая среда может проникать в стенку даже в течение коротких периодов времени. Характер поверхности, например степень или тип шероховатости, обычно влияет на теплопередачу к ней или от нее, а в некоторых случаях в значительной степени.Поэтому удобно представлять теплопередачу на стене выражением

где снова представляет скорость передачи тепла от стены, на этот раз на единицу площади поверхности; разница температур относится к разнице между стенкой и свободным потоком; и α — «коэффициент теплопередачи», который является характеристикой потока и поверхности. Эти две температуры могут варьироваться в зависимости от расстояния х, и может быть трудно определить температуру в свободном потоке в некоторых сложных потоках.Типичные значения α приведены в Таблице 1, из которой видно, что увеличение скорости обычно приводит к увеличению коэффициента теплопередачи, так что α является наименьшим в естественной конвекции и увеличивается до 100 и более на плоских поверхностях со скоростями воздуха, большими чем около 50 м / с. Коэффициент теплопередачи значительно выше с потоками жидкости и снова больше с двухфазными потоками.

Таблица 1. Типичные значения коэффициента теплопередачи

Тип потока α (Вт / м 2 K)
Принудительная конвекция; медленный поток воздуха над поверхностью 10
Принудительная конвекция; умеренная скорость потока воздуха над поверхностью 100
Принудительная конвекция; умеренная скорость поперечного потока воздуха над цилиндром 200
Принудительная конвекция; умеренный поток воды в трубе 3000
Принудительная конвекция; кипяток в трубе 50 000
Свободная конвекция; вертикальная пластина на воздухе с перепадом температур 30 ° C 5

Следует отметить, что приведенные выше уравнения выражены в терминах размерных параметров.И легко увидеть, что комбинация этих двух факторов приведет к безразмерному параметру αx / λ, где α — коэффициент теплоотдачи стенки, x — характерное расстояние, а λ — проводимость жидкости; оно известно как число Нуссельта и может быть легко получено из анализа измерений, а также из безразмерных форм уравнений сохранения, как это предлагается в следующем разделе. Коэффициенты теплопередачи в Таблице 1 могут быть выражены через это безразмерное число, число Нуссельта, и аналитические и корреляционные уравнения обычно выражаются таким образом, как будет показано ниже.

Также полезно отметить, что коэффициент теплопередачи и число Нуссельта можно использовать для ссылки на локальные значения в местоположении x на поверхности или на интегрированное значение вплоть до местоположения x.

Концепция размерного анализа порождает несколько безразмерных групп, на которые будет сделана ссылка в этом разделе, и их удобно ввести здесь. В дополнение к номеру Нуссельта будет сделана ссылка на следующее:

Номер Прандтля Pr = ηc p / λ
Число Рейнольдса Re = ρux / η
Номер Нуссельта Nu = αx / λ
Число Стентона St = α / ρc p u = Nu / Pr Re
Число Грасгофа Gr = gβ (T w — T ) y 3 / ν 2

Число Прандтля зависит только от свойств жидкости; число Рейнольдса является отношением сил инерции к вязкости и имеет отношение ко всем предметам механики жидкости и конвекции; число Стентона представляет собой комбинацию Nu, Pr и Re; и число Грасгофа характеризует естественную конвекцию с гравитационным ускорением, g и β, коэффициентом объемного теплового расширения, и представляет собой комбинацию инерции u 2 / y, трения, vu / y 2 и плавучести, gβΔT, весы.Эти безразмерные группы могут быть получены из уравнений сохранения и удобны в представлении результатов и корреляций экспериментальных данных.

Полезно рассмотреть уравнения, которые представляют сохранение массы, импульса и энергии, и они написаны ниже для прямоугольных декартовых координат с упрощением однородных свойств.

где

Три уравнения, представляющие сохранение импульса, и уравнение, представляющее сохранение энергии, имеют одинаковую форму, а слагаемые в левой части представляют конвекцию импульса и энергии.Следует отметить, что эти конвективные члены являются нелинейными, что создает трудности для любого решения, и что существуют четыре отдельные части конвекции, соответствующие изменениям во времени и в трех направлениях. Термины с правой стороны представляют собой несколько упрощенные формы тех, которые представляют перенос посредством диффузии вместе с силами давления и источниками или поглотителями тепловой энергии. Условия плавучести могут быть добавлены, как показано в следующем разделе. Легко видеть, что безразмерные скорости и расстояния в уравнениях импульса приведут к обратному числу Рейнольдса и температурам, скоростям и расстояниям в уравнении энергии к безразмерной группе, которая включает (1 / PrRe).В последующих разделах эти уравнения будут упрощены для рассмотрения конвективного теплообмена в стационарных ламинарных потоках принудительной и свободной конвекции.

Из вышесказанного очевидно, что существует некоторое сходство между уравнениями для сохранения импульса и тепловой энергии, так что решения двух уравнений будут иметь сходные формы, когда исходные члены равны нулю, число Прандтля равно единице и представлены решения в безразмерной форме. Наличие плавучести часто ограничивается вторым уравнением импульса, в которое необходимо добавить дополнительный член вида ρβg (T w — T ).Там, где поверхность, которая вызывает перепад температур — и, следовательно, плавучую силу — не является вертикальной, необходимо учитывать угол поверхности относительно направления силы тяжести. Это приведет к разрешению сил, так что часть коэффициента плавучести будет отображаться в первом уравнении импульса с коэффициентом во втором уравнении, умноженном на синус угла угла к вертикали. Это приведет к появлению дополнительной безразмерной группы, числа Грасгофа.

В отсутствие конвекционных членов уравнение энергии сводится к уравнению для теплопроводности, а уравнения импульса больше не актуальны, когда проводимость имеет место в неподвижном материале.Возможны многие другие упрощения вышеприведенных уравнений, в том числе для двумерных потоков и потоков пограничного слоя, как будет показано ниже. Кроме того, можно интегрировать уравнения, и в их более простых формах это может иметь некоторые преимущества; например, в интегральных уравнениях импульса и энергии, где зависимая переменная разработана так, чтобы быть представленной в виде одной независимой переменной, и, следовательно, разрешимой с помощью простых численных методов. Более сложные формы также могут существовать, как описано в следующем разделе.

Ламинарные и турбулентные потоки

Большинство потоков в природе и в инженерном оборудовании происходят при умеренно высоких числах Рейнольдса, поэтому они описываются как турбулентные. Таким образом, свойства потока в любой точке зависят от времени со шкалами, которые варьируются от очень малых, колмогоровских, до масштабов, соответствующих максимально возможному измерению потока. Например, в комнате колмогоровская шкала может быть порядка 1 мм или менее 1 мс, если скорость составляет порядка 1 м / с, а наибольшая — порядка нескольких метров или более 10 3 больше.Для этого есть два важных следствия: во-первых, скорость теплопередачи от поверхности к потоку будет значительно выше, чем если бы поток был ламинарным при том же числе Рейнольдса; и, во-вторых, что уравнения сохранения еще сложнее решить, чем для ламинарного потока, поскольку теперь любое численное решение должно учитывать физические и временные масштабы, охватывающие три порядка. Первое означает, что турбулентная конвекция важна, гораздо важнее ламинарной конвекции; и второе, что уравнения сохранения не могут быть решены в их общем виде, за исключением тех случаев, когда граничные условия позволяют привести их к более простым формам и даже тогда, с дополнительными проблемами.Этот вывод привел к широкому использованию формул корреляции, основанных на измерениях, и они, по необходимости, охватывают ограниченные диапазоны потока. Некоторые примеры представлены и обсуждены в следующем разделе. Это также привело к широко распространенным попыткам решения сложных форм уравнений сохранения с допущениями, которые представляют турбулентные аспекты потока. Следующие параграфы обеспечивают введение в этот подход.

Введение усреднения Рейнольдса, то есть перезаписи переменных, зависящих от времени, в виде сумм средних и флуктуирующих компонент, для введения новой зависимой переменной в уравнения сохранения и усреднения общих результатов по времени в уравнениях вида:

где символы в верхнем регистре относятся к усредненным по времени величинам; нижний регистр, к колеблющимся величинам с q, колебания температуры; κ является λ / ρc р ; и надстрочные знаки, к средним умножениям двух зависящих от времени величин.Уравнения записаны в тензорной записи, чтобы сделать их более компактными, но сходство между сохранением усредненных по времени уравнений импульса и энергии все еще очевидно. Термины, представляющие конвекцию, все еще находятся на левой стороне, с диффузией на правой стороне. Теперь в каждом уравнении есть два диффузионных члена: один, представляющий ламинарную диффузию; и второе, корреляции между флуктуирующими компонентами. Есть еще пять уравнений, но теперь существует более пяти неизвестных, поскольку корреляции подразумевают шесть членов в уравнениях импульса и три в уравнении энергии.Таким образом, очевидно, что эти уравнения не представляют разрешимое множество без допущений, которые уменьшают число неизвестных до числа уравнений. Это требует моделей для напряжений Рейнольдса, и турбулентные тепловые потоки, и, как показано в другом месте, можно получить уравнения для этих членов корреляции. Каждый порождает корреляции более высокого порядка, поэтому необходимо принять решение о закрытии, а также о введении модельных допущений.

По аналогии с ламинарным потоком можно записать поток турбулентного импульса и поток турбулентного тепла в виде

или

и безразмерные формы этих выражений с турбулентной вязкостью и турбулентной проводимостью приведут к числам Рейнольдса и Прандтля, где последнее часто называют турбулентным числом Прандтля.

Турбулентное число Прандтля нашло значительное применение в инженерных расчетах конвективного теплообмена, поскольку ему можно присвоить значение единицы. С ламинарным числом Прандтля, также близким к единице, для воздуха — и часто имеет второстепенное значение, поскольку ламинарная диффузия менее важна, чем турбулентная диффузия, — уравнения импульса и энергии можно решить один раз для потоков, где нет градиента давления и нет источников или стоков энергии , с аналогичными результатами, если представлены в безразмерных переменных.Этот подход применяется к сложным потокам со сложными численными решениями и к простым потокам пограничного слоя, как будет показано ниже.

При допущениях о больших числах Рейнольдса и локальном равновесии, так что влияние одной области потока на другую невелико, можно упростить усредненные по времени уравнения сохранения. Предполагая, что двумерные пограничные слои дают:

и

где C µ и C t являются постоянными, l m — это длина смешения для передачи импульса, а l t — соответствующая длина смешения для передачи тепловой энергии.Эти уравнения сводятся к уравнениям эффективной вязкости и числа Прандтля, упомянутым выше, когда шкалы длин и константы равны, а число Прандтля равно единице. Таким образом, понятие турбулентного числа Прандтля ограничено в его применимости, как и понятие турбулентной вязкости. Но диапазон принятия технических расчетов остается большим.

Как будет показано ниже, точное решение уравнения, соответствующее ламинарному потоку над плоской пластиной, где температуры набегающего потока и температуры пластины постоянны и различны, может быть записано как:

который признает важность чисел Рейнольдса и Прандтля и выражает коэффициент теплопередачи через число Нуссельта.Соответствующий результат для ламинарной естественной конвекции над вертикальной пластиной с аналогичными граничными условиями:

В турбулентных потоках приближения, соответствующие плоской пластине с принудительной конвекцией, привели к выражениям подобного вида; например,

Как следствие, уравнения, используемые для представления измерений сложных потоков, где аналитические и численные решения либо невозможны, либо подвержены большой неточности, имеют тенденцию принимать эту форму. Несколько примеров приведены в следующих разделах.

Принудительная конвективная передача тепла

Вынужденная конвекция связана с потоками, которые приводятся в действие насосами и вентиляторами или движением тела через стационарные жидкости, как в самолете или корабле, где каждый имеет в своем распоряжении значительные средства, чтобы заставить его двигаться. В отличие от естественной конвекции, где гравитация обеспечивает движущую силу, хотя возможно иметь смешанную конвекцию в ограниченном количестве потоков, где давление и гравитационные силы имеют одинаковый порядок величины, то есть Gr / Re 2 это примерно единство.Все точные аналитические решения являются упрощенными формами уравнений сохранения и для ламинарных течений. Некоторые другие случаи обсуждаются ниже.

Граничный теплопередача обсуждается в соответствующей статье.

Теплообмен между параллельными пластинами

Поток между плоскими пластинами изображен на рисунке 2. Он состоит из пограничных слоев, которые начинаются на передних кромках, растут на каждой из двух поверхностей, пока потенциальное ядро ​​не сузится до нуля, а затем продолжится в направлении полностью развитого ламинарного потока, после чего все градиенты в направлении х становятся равными нулю.

Рисунок 2. Ламинарный поток между плоскими пластинами.

Пограничные слои представлены уравнениями пограничного слоя

с граничными условиями

и

соответствует граничному условию симметрии.

В начальной области, где пограничные слои разделены областью потенциального потока, анализ аналогичен анализу для пограничного слоя, причем состояние свободного потока представлено потенциальной скоростью ядра и температурой.Далее по течению поток становится полностью развитым, так что профили скорости и температуры не изменятся, если они выражены в виде соответствующих безразмерных величин. Это будет продемонстрировано ниже. Однако полезно отметить, что существует промежуточная область, где нет потенциального ядра и где поток не полностью развит. В этой области необходимо решить уравнения, представляющие сохранение массы и импульса, чтобы каждое из них было выполнено; это может потребовать интерактивного подхода.

В случае полностью развитого ламинарного потока конвективные члены становятся равными нулю, так как

и уравнение импульса становится

с постоянной градиента давления, так что интегрирование с граничными условиями на стенке и на линии симметрии приводит к:

и, если одна пластина движется параллельно другой с постоянной скоростью U, решение становится

В первом случае температурный профиль имеет простую форму

Это также может быть затруднено, если учесть эффект вязкого нагрева, который требует добавления члена формы в уравнение сохранения для энергии и — для нулевого градиента давления и постоянных значений U — приводит к

и

Этот последний результат следует рассматривать как приблизительный, поскольку не было учтено изменений, которые могут возникнуть в транспортных и термодинамических свойствах.

Профиль скорости для полностью развитого ламинарного потока является параболой, когда стенки неподвижны, при условии, что свойства жидкости постоянны, а скорости низки; оно линейно, когда градиент давления отсутствует и стенка движется с постоянной скоростью относительно другой. Эффект движущейся поверхности заключается в создании силы, которая может действовать против или с воздействием давления. Это отражается на скоростях, которые могут быть в положительном и отрицательном направлениях.Профиль температуры выражается через температуру поверхности, и ясно, что объемная температура увеличится, если одна или обе стенки будут горячее, чем начальная температура, T 1 Таким образом, профиль температуры часто выражается через Начальная температура и среднегодовая температура, определяемая как:

где U — объемная скорость, как обсуждается ниже.

Поток и теплообмен в трубе имеют гораздо большее значение, чем между параллельными пластинами, поскольку они чаще встречаются в инженерной практике.Поток может снова начаться с передней кромки, так что решения ламинарного потока могут быть получены как для параллельных пластин, но на этот раз для уравнений в цилиндрических координатах и ​​без перспективы движения одной поверхности относительно другой. При малых значениях числа Рейнольдса, ρud / η, длина, необходимая для достижения полностью развитого ламинарного потока, может быть задана выражением

и происходит из асимптотических решений уравнений пограничного слоя. Поток в трубах малого диаметра, необходимый для достижения этих малых чисел Рейнольдса, исходит из труб большего диаметра или из приточных камер, поэтому вполне вероятно, что пограничные слои не имеют своего происхождения в начале трубы малого диаметра.Скорее, есть внезапное сжатие, для которого поток должным образом представлен более полными формами уравнений сохранения, чем их формы пограничного слоя. Действительно, поток может отделяться внутри трубы с более быстрым движением к полностью развитым условиям, чем в случае с прикрепленными пограничными слоями.

Во многих случаях область развивающегося потока может быть небольшой, и полностью развитый поток обычно более важен, чем развивающийся поток. Уравнения сохранения в цилиндрических координатах могут быть уменьшены для полностью развитого потока так же, как между двумя пластинами, в результате чего

и это, с граничными условиями

и

может быть интегрирован, чтобы дать

где

Коэффициент трения Муди, определяемый как f = — (dp / dx) / 0.5ρU 2 / D, обычно представляет связь между перепадом давления, геометрией и свойствами жидкости и может быть выведена для полностью развитого потока ламинарной трубы как:

который иногда называют законом трения Хагена-Пуазейля.

Уравнение энергии в цилиндрических координатах имеет вид

и это уменьшает для полностью развитого потока в

где T b — это объемная температура, определяемая как:

Интегрирование дифференциального уравнения с граничными условиями, соответствующими симметрии на центральной линии, и для конкретного условия, что

приводит к

и к

который не зависит от чисел Рейнольдса и Прандтля, при условии, что поток остается ламинарным.Итеративное решение требуется для решения уравнений для граничного условия

и приводит к результату

что показывает, что решение зависит от теплового граничного условия.

Конечно, поток останется ламинарным только в том случае, если число Рейнольдса меньше, чем около 2300 или больше, если оно настолько свободно от возмущений, что ни одно из них не может распространяться и вызывать турбулентный поток, как это обычно бывает. В тех случаях, когда турбулентный поток возникает из-за того, что возмущение распространяется и приводит к флуктуациям во всех областях потока, кроме вязкого подслоя, характер потока и проблемы изменились.Можно вернуться к рассмотрению последствий начала перехода и переходной области в контексте пограничного слоя во входной области трубы. Но общий эффект будет состоять в том, чтобы быстро вызывать турбулентный поток, чтобы акцент снова и в еще большей степени был сделан на области полностью развитого потока, который теперь соответствует турбулентному, а не ламинарному потоку. Можно удерживать поток пограничного слоя, возможно, с переходными областями на некотором расстоянии, но общая форма слегка закругленной входной геометрии обычно приводит к полностью развитому турбулентному потоку на расстояниях, не намного превышающих 50 диаметров, и в более коротких расстояния для инженерных расчетов.

Корреляция измерений перепада давления с объемной скоростью и диаметром побудила Блазиуса предложить выражение

который вместе с результатом ламинарного потока

позволяют нарисовать рис. 3, и в котором результат ламинарного потока может быть расширен до чисел Рейнольдса, значительно превышающих 10 5 , при условии, что будут приняты меры с характером начальных условий, с гладкой поверхностью трубы и с отсутствие каких-либо нарушений.Чаще всего ламинарного потока не существует при числах Рейнольдса, превышающих 2300, выше которых происходит переход к кривой турбулентного потока с переходной областью, которая может быть короткой или длинной в зависимости от характера возмущений. Коэффициент трения, таким образом, изменяется в зависимости от числа Рейнольдса, в зависимости от диаметра трубы, а также от ламинарных, переходных и турбулентных областей, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение коэффициента трения в зависимости от числа Рейнольдса для потока в трубе.

Коэффициент трения обшивки (или коэффициент трения Фаннинга) связан с коэффициентом трения как

так что коэффициент для турбулентного потока может быть выражен как

с константами, вытекающими из рассмотрения результатов эксперимента, и поэтому имеют ограниченную применимость. На рисунке 3 показано изменение коэффициента трения в зависимости от числа Рейнольдса в зависимости от диаметра трубы, а также различия между ламинарным и турбулентным потоком. При большом числе Рейнольдса результаты становятся менее определенными, как показано двумя линиями, но график подходит для многих целей проектирования.

Рассмотрение аналогичной природы уравнений, представляющих сохранение импульса и энергии, подразумевает, что изменение числа Нуссельта будет также зависеть от числа Рейнольдса вместе с числом Прандтля, где оно отличается от единицы. Пример выражения, описывающего изменение числа Нуссельта при турбулентном течении в трубе:

Как и на рисунке 3, а также коэффициент трения и коэффициент трения кожи, неопределенность возрастает при больших числах Рейнольдса, а также в переходной области, где разница между результатами для ламинарных и турбулентных течений широко расходятся.Это может происходить в диапазоне чисел Рейнольдса в зависимости от начальных и граничных условий. Следует отметить, что шероховатые поверхности увеличивают значения коэффициента трения кожи и числа Нуссельта. Соответствующие расчеты могут быть выполнены для некруглых воздуховодов с гидравлическим диаметром, заменяющим геометрический диаметр.

Общие коэффициенты теплопередачи для жидкостей

Общий коэффициент теплопередачи используется для расчета общего теплопередачи через конструкцию стены или теплообменника. Общий коэффициент теплопередачи зависит от жидкостей и их свойств с обеих сторон стенки, свойств стенки и поверхности пропускания.

Для практически неподвижных жидкостей — средние значения общего коэффициента теплопередачи через различные комбинации жидкостей с обеих сторон стены и типа стены — указаны в таблице ниже:

Пар Мягкая сталь 902

Обратите внимание, что эти Коэффициенты очень грубые.Они зависят от скорости жидкости, вязкости, состояния поверхностей нагрева, величины разности температур и так далее. Для точных расчетов — всегда проверяйте производственные данные.

Пример — теплообменник вода-воздух, выполненный из меди

Примерная оценка удельной теплоотдачи в медном теплообменнике с водой (средняя температура 80 o C ) с одной стороны и воздухом (средняя температура 20 o C ) с другой стороны, где общий коэффициент теплопередачи U составляет 13.1 Вт / (м 2 K) — можно рассчитать как

q = (13,1 Вт / (м 2 K)) ((80 o C) — (20 o C))

= 786 Вт / м 2

≈ 750 — 800 Вт / м 2

.
Опубликовано в категории: Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2019 © Все права защищены. Карта сайта
Жидкость Материал на поверхности передачи Жидкость Общий коэффициент теплопередачи
— U —
(БТЕ / (футы 2 ч o F)) (Вт / (м 2 К))
Вода Чугун Воздух или газ 1.4 7,9
Вода Мягкая сталь Воздух или газ 2.0 11.3
Вода Медь Воздух или газ 2.3 13.1
Вода Чугун Вода 40 — 50 230 — 280
Вода Мягкая сталь Вода 60 — 70 340 — 400
Вода Медь Вода 60 — 80 340 — 455
Воздух Чугун Воздух 1.0 5.7
Воздух Мягкая сталь Воздух 1.4 7.9
Пар Чугун Воздух 2.0 11.3
Пар Мягкая сталь Воздух 2.5 14.2
Пар Медь Воздух 3.0 17
Пар Чугун Вода 160 910
Пар Вода 185 1050
Пар Медь Вода 205 1160
Пар Нержавеющая сталь Вода 120 680