Как подобрать трубы для системы теплого пола и определить шаг укладки: руководство и примеры расчета.

Расчёт труб для тёплого пола: подбор труб по параметрам, выбор шага укладки + пример расчета

Несмотря на сложность монтажа, напольный подогрев с помощью водяного контура считается одним из наиболее рентабельных методов отопления помещения. Чтобы система функционировала максимально эффективно и не давала сбоев, надо правильно выполнить расчет труб для теплого пола – определить длину, шаг петли и схему укладки контура.

Параметры для расчета теплового контура

На стадии проектирования необходимо решить ряд вопросов, определяющих конструктивные особенности теплого пола и режим эксплуатации — подобрать толщину стяжки, насос и другое необходимое оборудование.

Технические аспекты организации отопительной ветки во многом зависят от ее назначения. Помимо назначения, для точного расчета метража водяного контура понадобится ряд показателей: площадь покрытия, плотность теплового потока, температура теплоносителя, вид напольного покрытия.

Площадь покрытия трубами

При определении габаритов основания под укладку труб в учет берется пространство, не загроможденное крупной техникой и встроенной мебелью. Необходимо заранее продумать компоновку предметов в помещении.

Если водяной пол используется как основной поставщик тепла, то его мощности должно хватать для возмещения 100% тепловых потерь. Если змеевик – дополнение к радиаторной системе, то он обязан покрывать 30-60% издержек теплоэнергии помещения

Тепловой поток и температура теплоносителя

Плотность теплового потока — это расчетный показатель, характеризующий оптимальное количество теплоэнергии для отопления комнаты. Величина зависит от ряда факторов: теплопроводности стен, перекрытий, площади остекления, наличия утепления и интенсивности воздухообмена. Исходя из теплового потока, определяется шаг укладки петли.

Максимальный показатель температуры теплоносителя – 60 °С. Однако толщина стяжки и напольное покрытие сбивают температуру – по факту на поверхности пола наблюдается около 30-35 °С. Разница между термопоказателями на входе и выходе контура не должна превышать 5 °С.

Вид напольного покрытия

Финишная отделка влияет на эффективность системы. Оптимальная теплопроводность у кафеля и керамогранита – поверхность быстро нагревается. Хороший показатель КПД водяного контура при использовании ламината и линолеума без теплоизоляционной прослойки. Наименьшая теплопроводность у деревянного покрытия.

Степень теплоотдачи зависит и от материала заливки. Максимально эффективна система при использовании тяжелого бетона с природным заполнителем, например, морской галькой мелкой фракции.

Цементно-песчаный раствор обеспечивает средний уровень теплоотдачи при разогреве теплоносителя до 45 °С . КПД контура существенно падает при устройстве полусухой стяжки

При расчете труб для теплого пола следует учесть установленные нормы температурного режима покрытия:

• 29 °С – жилая комната;
• 33 °С – помещения повышенной влажности;
• 35 °С – проходные зоны и пояса холода – участки вдоль торцевых стен.

Немаловажное значение для определения плотности укладки водяного контура отыграют климатические особенности региона. При расчете теплопотерь надо учитывать минимальную температуру зимой.

Как показывает практика, сократить нагрузку поможет предварительное утепление всего дома. Есть смысл сначала теплоизолировать помещение, а после приступать к расчету теплопотерь и параметров трубного контура.

Оценка технических свойств при выборе труб

Ввиду нестандартных условий эксплуатации к материалу и типоразмеру змеевика водяного пола предъявляются высокие требования:

• химическая инертность , стойкость к коррозийным процессам;
• наличие абсолютно гладкого внутреннего покрытия , не склонного к образованию известковых наростов;
• прочность – изнутри на стенки постоянно воздействует теплоноситель, а снаружи – стяжка; труба должна выдерживать напор до 10 Бар.

Желательно, чтоб отопительная ветвь имела небольшой удельный вес. Пирог водяного пола и без того оказывает существенную нагрузку на перекрытие, а тяжелый трубопровод только усугубит ситуацию.

Согласно СНиП в закрытых отопительных системах запрещено применение сварных труб независимо от вида шва: спирального или прямого

К перечисленным требованиям в той или иной мере соответствуют три категории трубного проката: сшитый полиэтилен, металлопластик, медь.

Вариант #1 — сшитый полиэтилен (PEX)

Материал имеет сетчатую широкоячеистую структуру молекулярных связей. От обычного полиэтилена модифицированный отличается наличием как продольных, так и поперечных связок. Такое строение повышает удельный вес, механическую прочность и химическую стойкость.

Водяной контур из PEX-труб обладает рядом преимуществ:

• высокая эластичность , позволяющая укладывать змеевик с малым радиусом загиба;
• безопасность – при нагреве материал не выделяет вредных компонентов;
• термостойкость : размягчение – от 150 °С, плавление – 200 °С, горение – 400 °С;
• сохраняет структуру при температурных колебаниях;
• устойчивость к повреждениям — биологическим разрушителям и химическим реагентам.

Трубопровод сохраняет первоначальную пропускную способность – на стенках не откладывается осадок. Ориентировочный срок службы PEX-контура – 50 лет.

К недостаткам сшитого полиэтилена можно отнести: боязнь солнечных лучей, негативное воздействие кислорода при его проникновении вовнутрь структуры, необходимость жесткой фиксации змеевика при укладке

Различают четыре группы изделий:

PEX-a – пероксидная сшивка . Достигается наиболее прочная и равномерная структура с плотностью связей до 75%.

PEX-b – силановая сшивка . В технологии используются силаниды – токсичные вещества, недопустимые к бытовому использованию. Производители водопроводной продукции заменяют его безопасным реагентом. К установке допустимы трубы с гигиеническим сертификатом. Плотность сшивки – 65-70%.

PEX-c – радиационный метод . Полиэтилен подвергается облучению потоком гамма-лучей или электроном. В результате связи уплотняются до 60%. Недостатки PEX-с: небезопасность применения, неравномерность сшивки.

PEX-d – азотирование . Реакция по созданию сетки протекает за счет радикалов азота. На выходе получается материал с плотностью сшивки порядка 60-70%.

Прочностные характеристики PEX-труб зависят от метода сшивки полиэтилена.

Если вы остановились на трубах из сшитого полиэтилена, рекомендуем ознакомиться с правилами обустройства системы теплого пола из них.

Вариант #2 — металлопластик

Лидер трубного проката для обустройства теплых полов — металлопластик. Конструктивно материал включает пять слоев.

Внутреннее покрытие и внешняя оболочка – полиэтилен высокой плотности, придающей трубе необходимую гладкость и термостойкость. Промежуточный слой – алюминиевая прокладка

Металл увеличивает прочность магистрали, снижает показатель температурного расширения и выступает антидиффузным барьером – перекрывает поступление кислорода к теплоносителю.

Особенности металлопластиковых труб:

• хорошая теплопроводность;
• способность удерживать заданную конфигурацию;
• рабочая температура с сохранением свойств – 110 °С;
• малый удельный вес;
• бесшумность перемещения теплоносителя;
• безопасность применения;
• коррозийная стойкость;
• длительность эксплуатации – до 50 лет.

Недостаток композитных труб – недопустимость изгибания касательно оси. При многократном скручивании есть риск повреждения алюминиевой прослойки. Рекомендуем ознакомиться с правильной технологией монтажа металлопластиковых труб, что поможет избежать повреждений.

Вариант #3 — трубы из меди

По технико-эксплуатационным характеристикам желтый металл станет лучшим выбором. Однако его востребованность ограничивается высокой стоимостью.

По сравнению с синтетическими трубопроводами медный контур выигрывает по нескольким пунктам: теплопроводность, термическая и физическая прочность, неограниченная вариативность изгиба, абсолютная непроницаемость для газов

Кроме дороговизны, медному пайпингу присущ дополнительный минус – сложность монтажа . Для сгибания контура понадобится пресс-машина или трубогиб .

Вариант #4 — полипропилен и нержавейка

Иногда отопительную ветку создают из полипропиленовых или нержавеющих гофрированных труб. Первый вариант доступен по цене, но довольно жесткий на изгиб – минимальный радиус от восьми диаметров изделия.

Это значит, что трубы типоразмером в 23 мм придется располагать друг от друга на дистанции 368 мм — увеличенный шаг укладки не обеспечит равномерность обогрева.

Нержавеющие трубы отличаются высокой теплопроводностью и хорошей гибкостью. Минусы: недолговечность уплотнительных резинок, создание гофрой сильного гидравлического сопротивления

Возможные способы укладки контура

Для того чтобы определить расход трубы на обустройство теплого пола, следует определиться со схемой размещения водного контура. Основная задача планирования раскладки – обеспечение равномерного обогрева с учетом холодных и неотапливаемых зон помещения.

Возможны следующие варианты раскладки: змейкой, двойной змейкой и улиткой. При выборе схемы надо учитывать размеры, конфигурацию помещения и расположение наружных стен

Способ #1 — змейка

Теплоноситель подается к системе вдоль стены, проходит по змеевику и возвращается к распределительному коллектору . В этом случае половина помещения прогревается горячей водой, а остаток – охлажденной.

При укладке змейкой невозможно добиться равномерности обогрева – разница температур может достигать 10 °С. Метод применим в узких помещениях.

Схема угловой змейки оптимально подходит, если необходимо максимально утеплить холодную зону у торцевой стены или в прихожей

Двойная змейка позволяет достичь более мягкого перехода температур. Прямой и обратный контур идет параллельно друг другу.

Способ #2 — улитка или спираль

Это считается оптимальной схемой, обеспечивающей равномерность нагрева напольного покрытия. Прямые и обратные ветки укладываются попеременно.

Дополнительный плюс «ракушки» – монтаж нагревательного контура с плавным поворотом загиба. Этот способ актуален при работе с трубами недостаточной гибкости

На больших площадях реализуют комбинированную схему. Поверхность делят на секторы и под каждый разрабатывают отдельный контур, идущий к общему коллектору. По центру помещения трубопровод выкладывается улиткой, а вдоль наружных стен – змейкой.

Методика расчета труб

Чтобы не запутаться в вычислениях, предлагаем разделить решение вопроса на несколько этапов. Прежде всего, надо оценить теплопотери помещения, определить шаг укладки, а потом и рассчитать длину отопительного контура.

Принципы построения схемы

Приступая к расчетам и созданию эскиза, следует ознакомиться с базовыми правилами расположения водного контура:

Желательно укладывать трубы вдоль оконного проема – это значительно снизит теплопотери здания.

Рекомендованная площадь покрытия одним водным контуром – 20 кв. м. В больших помещениях необходимо делить пространство на зоны и для каждой прокладывать отдельную отопительную ветку.

Дистанция от стены к первой ветке – 25 см. Допустимый шаг витков труб в центре помещения – до 30 см, по краям и в холодных зонах – 10-15 см.

Определение максимальной длины трубы для теплого пола должно основываться на диаметре змеевика.

Для контура сечением 16 мм допустимо не больше 90 м, ограничение для трубопровода толщиной 20 мм – 120 м. Соблюдение норм обеспечит нормальное гидравлическое давление в системе.

В таблице приведен ориентировочный расход трубы, зависимо от шага петли. Для получения уточненных данных следует учесть запас на повороты и расстояние до коллектора

Базовая формула с пояснениями

Расчет длины контура теплого пола выполняется по формуле:

L=S/n*1,1+k ,

Где:

• L — искомая протяженность отопительной магистрали;
• S – покрываемая площадь пола;
• n – шаг укладки;
• 1,1 – стандартный коэффициент десятипроцентного запаса на изгибы;
• k – удаленность коллектора от пола – учитываются расстояние до разводки контура на подаче и обратке.

Решающее значение отыграет площадь покрытия и шаг витков.

Для наглядности на бумаге надо составить план помещения с указанием точных размеров и обозначить прохождение водного контура

Следует помнить, что размещение отопительных труб не рекомендовано под крупной бытовой техникой и встроенной мебелью. Параметры обозначенных предметов надо вычесть из общей площади.

Чтобы подобрать оптимальную дистанцию между ветками необходимо провести более сложные математические манипуляции, оперируя теплопотерями помещения.

Теплотехнический расчет с определением шага контура

Плотность размещения труб напрямую влияет на величину теплопотока, исходящего от отопительной системы. Для определения требуемой нагрузки необходимо рассчитать издержки тепла зимой.

Тепловые издержки через конструктивные элементы здания и вентиляцию должны полностью компенсироваться выработанной теплоэнергией водяного контура

Мощность отопительной системы определяется формулой:

M=1,2*Q ,

Где:

• М – производительность контура;
• Q – общие теплопотери помещения.

Величину Q можно разложить на составляющие: расход энергии через ограждающие конструкции и издержки, обусловленные работой вентсистемы. Разберемся, как рассчитать каждый из показателей.

Теплопотери через элементы здания

Необходимо определить расход теплоэнергии для всех ограждающих конструкций: стен, потолка, окон, дверей и т. д. Расчетная формула:

Q1=(S/R)*Δt ,

Где:

• S – площадь элемента;
• R – термическое сопротивление;
• Δt – разница между температурой внутри помещения и на улице.

При определении Δt используется показатель для наиболее холодного времени года.

Термическое сопротивление высчитывается следующим образом:

R=A/Кт ,

Где:

• А – толщина слоя, м;
• Кт – коэффициент теплопроводности, Вт/м*К.

Для комбинированных элементов сооружения сопротивление всех слоев надо просуммировать.

Коэффициент теплопроводности стройматериалов и утеплителей можно взять из справочника или посмотреть в сопроводительной документации к конкретному изделию Вентиляционные теплопотери

Для расчета показателя используется формула:

Q2=(V*K/3600)*C*P*Δt ,

Где:

• V – объем помещения, куб. м;
• K – кратность воздухообмена;
• C – удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг*К;
• P – плотность воздуха при нормальной комнатной температуре – 20 °С.

Кратность воздухообмена большинства помещений приравнивается единице. Исключение составляют дома с внутренней пароизоляцией – для поддержания нормального микроклимата воздух должен обновляться дважды в час.

Удельная теплоемкость – справочный показатель. При стандартной температуре без давления величина составляет 1005 Дж/кг*К.

В таблице приведена зависимость плотности воздуха от окружающей температуры в условиях атмосферного давления – 1,0132 бара (1 Атм) Суммарные теплопотери

Итоговое количество теплопотерь помещения будет равно: Q=Q1*1,1+Q2 . Коэффициент 1,1 – увеличение энергозатрат на 10% в связи с инфильтрацией воздуха через щели, неплотности строительных конструкций.

Умножив полученное значение на 1,2, получим требуемую мощность теплого пола для возмещения теплопотерь. Используя график зависимости теплового потока от температуры теплоносителя можно определить подходящий шаг и диаметр трубы.

Вертикальная шкала – средний температурный режим водяного контура, горизонтальная – показатель выработки теплоэнергии отопительной системой из расчета на 1 кв. м

Данные актуальны для теплых полов на песчано-цементной стяжке толщиной 7 мм, материал покрытия – керамическая плитка. Для других условий требуется корректировка значений с учетом теплопроводности финишной отделки.

Например, при настиле ковролина значение температуры теплоносителя следует повысить на 4-5 °C. Каждый дополнительный сантиметр стяжки понижает отдачу тепла на 5-8%.

Окончательный выбор длины контура

Зная шаг укладки витков и покрываемую площадь несложно определить расход труб. Если полученная величина больше допустимого значения, то необходимо обустраивать несколько контуров.

Оптимально, если петли имеют одинаковую длину – не надо ничего настраивать и балансировать. Однако на практике чаще возникает необходимость разрыва отопительной магистрали на разные участки.

Разброс длин контуров должен оставаться в пределах 30-40%. Зависимо от назначения, формы помещения можно «играть» шагом петли и диаметрами труб

Конкретный пример расчета отопительной ветки

Предположим, что требуется определить параметры теплового контура для дома площадью 60 квадратных метров.

Для расчета понадобятся следующие данные и характеристики:

• габариты помещения: высота – 2,7 м, длина и ширина – 10 и 6 м соответственно;
• в доме 5 металлопластиковых окна по 2 кв. м;
• внешние стены – газобетон, толщина – 50 см, Кт=0,20 Вт/мК;
• дополнительное утепление стен – пеноплистирол 5 см, Кт=0,041 Вт/мК;
• материал потолочного перекрытия – ж/б плита, толщина – 20 см, Кт=1,69 Вт/мК;
• утепление чердака – плиты пенополистирола толщиной 5 см;
• габариты входной двери – 0,9*2,05 м, теплоизоляция – пенополиуретан, слой – 10 см, Кт=0,035 Вт/мК.

Далее рассмотрим пошаговый пример выполнения расчета.

Шаг 1 — расчет теплопотерь через конструктивные элементы

Термическое сопротивление стеновых материалов:

• газобетон: R1=0,5/0,20=2,5 кв.м*К/Вт;
• пенополистирол: R2=0.05/0.041=1.22 кв.м*К/Вт.

Термосопротивление стены в целом составляет: 2,5+1,22=3,57 кв. м*К/Вт. Среднюю температуру в доме принимаем за +23 °C, минимальную на улице 25 °C со знаком минус. Разница показателей – 48 °C.

Вычисление общей площади стены: S1=2,7*10*2+2,7*6*2=86,4 кв. м. От полученного показателя необходимо отнять величину окон и двери: S2=86,4-10-1,85=74,55 кв. м.

Подставляя полученные показатели в формулу, получим стеновые теплопотери: Qc=74,55/3,57*48=1002 Вт

По аналогии рассчитываются тепловые издержки через окна, дверь и потолок. Для оценки энергетических потерь через чердак учитывают теплопроводность материала перекрытия и утеплителя

Итоговое термическое сопротивление потолка равно: 0,2/1,69+0,05/0,041=0,118+1,22=1,338 кв. м*К/Вт. Теплопотери составят: Qп=60/1,338*48=2152 Вт.

Чтобы подсчитать утечку тепла через окна необходимо определить средневзвешенное значение теплового сопротивления материалов: стеклопакета – 0,5 и профиля – 0,56 кв. м*К/Вт соответственно.

Rо=0,56*0,1+0,5*0,9=0,56 кв.м*К/Вт. Здесь 0,1 и 0,9 – доля каждого материала в оконной конструкции.

Теплопотери окна: Qо=10/0,56*48=857 Вт.

С учетом теплоизоляции двери ее тепловое сопротивление составит: Rд=0,1/0,035=2,86 кв. м*К/Вт. Qд=(0,9*2,05)/2,86*48=31 Вт.

Итого теплопотери через ограждающие элементы равны: 1002+2152+857+31=4042 Вт. Результат надо увеличить на 10%: 4042*1,1=4446 Вт.

Шаг 2 — тепло на обогрев + общие теплопотери

Сначала вычислим расход тепла на обогрев поступающего воздуха. Объем помещения: 2,7*10*6=162 куб. м. Соответственно вентиляционные теплопотери составят: (162*1/3600)*1005*1,19*48=2583 Вт.

По данным параметрам помещения, суммарные тепловые издержки составят: Q=4446+2583=7029 Вт.

Шаг 3 — необходимая мощность теплового контура

Рассчитываем оптимальную мощность контура, необходимую для возмещения теплопотерь: N=1.2*7029=8435 Вт.

Далее: q=N/S=8435/60=141 Вт/кв.м.

Исходя из требуемой производительности системы отопления и активной площади помещения, можно определить плотность потока тепла на 1 кв. м

Шаг 4 — определение шага укладки и длины контура

Полученное значение сравниваем с графиком зависимости. Если температура теплоносителя в системе составляет 40 °C, то подойдет контур с параметрами: шаг – 100 мм, диаметр – 20 мм.

Если в магистрали циркулирует вода, разогретая до 50 °C, то интервал между ветками можно увеличить до 15 см и использовать трубу сечением 16 мм.

Считаем длину контура: L=60/0,15*1,1=440 м.

Отдельно необходимо учесть расстояние от коллекторов до тепловой системы.

Как видно из расчетов, для обустройства водяного пола придется делать не менее четырех петель отопления. А как правильно уложить и закрепить трубы, а также другие секреты монтажа мы рассмотрели здесь .

Выбор наиболее эффективного расстояния между ветками напольной системы отопления:

Пособие о том, как узнать длину петли эксплуатируемого теплого пола:

Методику расчета нельзя назвать простой. Одновременно следует учитывать множество факторов, влияющих на параметры контура. Если водяной пол планируется использовать как единственный источник тепла, то эту работу лучше доверить профессионалам – ошибки на этапе планирования могут дорого обойтись .