Особенности проектирования систем водяного отопления с внутрипольными конвекторами

В. А. Пухкал, канд. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

В системах водяного отопления жилых, общественных и административных зданий, в том числе детских учреждений, коттеджей и офисов, широко применяются внутрипольные конвекторы [1–4, 6, 8]. Конвекторы монтируются в конструкции пола вдоль окон и стен отапливаемых помещений и подключаются к системам водяного отопления.

В жилых зданиях конвекторы могут быть установлены, например, в вестибюлях, в зимних садах и других подобных помещениях. Конвекторы с естественной конвекцией применяются в качестве экранов на пути холодного воздуха у светопрозрачных конструкций. В этом случае предотвращается поступление потока холодного воздуха от остекления в обслуживаемую зону помещения, и тем самым создается комфортный микроклимат в помещении.

Конструкции конвекторов выпускаются с естественной и принудительной конвекцией. При монтаже внутрипольного конвектора короб с теплообменником скрывают в конструкции пола, погружая в цементную стяжку или проемы, организованные в фальшполах. Видимой остается только декоративная решетка. Решетка может быть жесткой или рулонной (сворачивающейся) с поперечными или продольными планками. Она изготавливается из анодированного или покрытого полимерной краской алюминия, а также из нержавеющей стали, латуни и ценных пород дерева.

У большинства встраиваемых конвекторов короб выполнен из оцинкованной или нержавеющей стали. В качестве нагревательного элемента чаще всего используется медно-алюминиевый теплообменник, но применяются и полностью медные нагревательные элементы (в помещениях с высокой влажностью).

При размещении отопительного прибора под световым проемом у внутренней поверхности остекления образуются три зоны [7]:

• зона холодной струи – холодный ниспадающий поток естественной конвекции в верхней части остекления;
• зона теплой струи – полуограниченная конвективная струя от отопительного прибора;
• вихревая область – область, образующаяся при слиянии теплой и холодной струй. В вихревой области происходит формирование новой струи.

Для практических расчетов, в связи со сложностью определения границ вихревой области, ею пренебрегают, и определяется условная точка встречи холодной и теплой струй x_в [7]. Тогда упрощенно можно считать, что у остекления образуются восходящая гравитационная струя протяженностью от x = 0 (уровень пола) до x = x_в и ниспадающий конвективный поток от x = x_в до x = h (здесь h – высота остекления, м).

Для детального исследования распределения скоростных и температурных полей в помещении со встроенным в конструкцию пола конвектором с естественной конвекцией выполнено моделирование в программе ANSYS Fluent 14.5. В качестве модели принято помещение с характерными для жилых и общественных зданий размерами: ширина – 3 м, глубина – 6 м, высота – 3 м. Остекление выполнено на всю ширину и высоту помещения. Под остеклением располагается внутрипольный конвектор. Тепловой поток отопительного прибора принят равным тепловым потерям через остекление.

При моделировании были заданы следующие условия:

• температуры внутренних поверхностей (боковые стенки, пол, потолок): +18 0 C;
• температура наружного воздуха: –24 0 C;
• коэффициент теплоотдачи наружной поверхности остекления: 23 Вт/(м 2 · 0 C);
• среднее термическое сопротивление остекления: 0,685 (м 2 · 0 C)/Вт.

Конвектор располагался на различном расстоянии от остекления.

На основании расчетов получена следующая картина взаимодействия нисходящего потока у остекления и восходящего от конвектора при равенстве теплового потока конвектора тепловым потерям через остекление:

• при расстоянии от остекления до конвектора до 400 мм происходит настилание потока теплого воздуха на остекление по всей высоте;
• при расстоянии 400 мм у внутренней поверхности окна образуются три зоны: холодный ниспадающий поток естественной конвекции (холодная струя воздуха), вихревая область и полуограниченная гравитационная (теплая) струя от конвектора (рис. 1). В вихревой области при слиянии теплой и холодной струй направление образовавшейся новой струи резко меняется. Струя отклоняется вглубь помещения. Координата места встречи струй ≈ 2,4 м от пола помещения;
• при отнесении конвектора от остекления на 1000 мм по всей высоте остекления образуется нисходящий конвективный поток, а конвектор создает восходящую струю, предотвращающую поступление холодного воздуха дальше в помещение.

Полученная картина взаимодействия нисходящего потока у остекления и восходящего от конвектора соответствует расчетной теплофизической модели, принятой при разработке инженерного метода расчета защиты обслуживаемой зоны помещения от холодных потоков при расположении отопительных приборов под остеклением [7]. Сопоставление и полученное совпадение результатов моделирования с расчетом, выполненным по методике [7], позволили распространить эту методику расчета для внутрипольных конвекторов.

Рассмотрим методику расчета теплообмена между ограждением и неизотермической полуограниченной струей при защите помещения от ниспадающих потоков охлажденного воздуха у светопрозрачного ограждения и пример расчета.

При подборе отопительного прибора в виде внутрипольного конвектора возможны два варианта расчета.

— расчетная температура наружного воздуха: t_н = –24 °C;
— расчетная температура внутреннего воздуха: t_в = 20 °C;
— высота остекления: h = 3 м;
— средняя температура теплоотдающей поверхности:
t₀ = 82,5 0 C;
— нормируемое значение приведенного сопротивления
теплопередаче остекления (без учета отопительного
прибора): R₀ = 0,43 (м 2 · 0 C)/Вт;
— коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности:
α_в = 8 Вт/(м 2 · 0 C);
— коэффициент теплопроводности воздуха при температуре t_в: λ_в = 0,0259 Вт/(м· 0 C);
— кинематический коэффициент вязкости воздуха при
температуре t_в: υ_в = 15,06·10 –6 м 2 /с;
— длина конвектора равна длине светового проема.

Вариант 1. Отопительный прибор подбирается из условий восполнения конвективных тепловых потерь через остекление. Решается задача защиты обслуживаемой зоны помещения от проникновения холодных потоков воздуха при минимальных затратах энергии. Для восполнения остальных тепловых потерь помещения предусматривается дополнительный отопительный прибор.

Вариант 2. Отопительный прибор подбирается из условий восполнения полных тепловых потерь (конвективного и лучистого теплового потока) через остекление или полных тепловых потерь помещения.

Расчет защиты обслуживаемой зоны помещения от холодных потоков воздуха при восполнении отопительным прибором конвективных тепловых потерь через остекление.

Результаты моделирования скоростного поля в помещении: а – l = 0 мм, б – l = 400 мм, в – l = 1000 мм

Исходные данные для примера (г. Санкт-Петербург):

1. Определяется в первом приближении температура на внутренней поверхности остекления:

2. Удельные тепловые потери через остекление при отсутствии отопительного прибора под остеклением:

3. Принимается эквивалентный (по удельному тепловому потоку) диаметр отопительного прибора (конвектор условно заменяется трубчатым нагревателем, расположенным под остеклением).

Ориентировочные удельные конвективные тепловые потери при установке отопительного прибора под остеклением:

β ‘ _к – ориентировочная доля конвективного теплового потока в полном тепловом потоке на внутренней поверхности остекления при установке отопительного прибора конвективного типа.

Получена следующая зависимость для определения значения β ‘ _к:

R₀ – приведенное сопротивление теплопередаче остекления (без учета отопительного прибора), (м 2 · 0 C)/Вт.

β ‘ _к = 2,9335-9,3056 •0,43+12,638•0,43 2 -5,6869•0,43 3 =0,817;

Q ‘ _уд.к = 307 • 0,817 = 251 Вт/м.

Эквивалентный диаметр отопительного прибора рассчитывается по зависимости:

d_э = 0,151 · 251 1,333 · (82,5–20) –1,667 = 0,242 м

4. Определяется критерий Грасгофа:

5. Определяется координата точки встречи теплой и холодной струй:

6. Относительная координата точки встречи теплой и холодной струй:

7. Среднее значение критерия Нуссельта для поверхности остекления:

8. Среднее значение коэффициента конвективной теплоотдачи:

9. Средний температурный напор в восходящей теплой конвективной полуограниченной струе воздуха:

10. Средняя температура воздуха на оси восходящей теплой конвективной струи:

11. Средний коэффициент теплоотдачи излучением на поверхности светопрозрачного ограждения:

12. Средний коэффициент теплоотдачи на поверхности светопрозрачного ограждения в восходящей теплой конвективной струе:

α ‘ _в = α ‘ _к + α ‘ _л, Вт/ (м 2 ·°C); (14)

α ‘ _в = 12,42 + 4,71 = 17,13 Вт/(м 2 ·°C).

13. Сопротивление теплопередаче остекления:

14. Температура на внутренней поверхности остекления в зоне действия теплой конвективной струи воздуха:

15. Для дальнейших расчетов принимается средняя температура на внутренней поверхности остекления:

Далее, начиная с п. 5, расчет повторяется, при этом в зависимость (7) вместо τ_в подставляется значение τ »’ _в.

Для окончательного выбора τ_в, °C, в зоне действия теплой конвективной струи воздуха необходимо выполнить 5–7 приближений. При этом в последнем приближении температура tв должна отличаться от предыдущего значения не более чем на 0,01 °C.

Литература

1. Здания и сооружения со светопрозрачными фасадами и кровлями. Теоретические основы проектирования светопрозрачных конструкций / Под общ. ред. И. В. Борискиной. СПб.: Изд. Инж.-информ. центра оконных систем, 2012.
2. Крупнов Б. А., Крупнов Д. Б. Отопительные приборы, производимые в России и ближнем зарубежье: Науч.-попул. издание. 3-е изд., доп. и перераб. М.: Изд. Ассоциации строительных вузов, 2010.
3. Майоров В. А. Передача теплоты через окна: Учеб. пособие. М.: АСВ, 2014.
4. Махов Л. М. Отопление: Учеб. для вузов. М.: Изд. Ассоциации строительных вузов, 2014.
5. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.
6. Отопительные приборы и поверхности М.: Изд. центр «Аква-Терм», 2012.
7. Савин В. К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. М.: Лазурь, 2005.
8. Pukhkal V. Studies of Application Conditions of In-floor Convectors With Natural Air Circulation in Water Heating Systems // Architecture and Engineering [S. l]. – 2016. – V. 1. – N 2. – P. 49–52. URL: http://aej.spbgasu.ru/index.php/AE/article/view/45 / Дата обращения: 30.07.2017.

В следующем номере будут приведены результаты расчета для условий примера.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Монтаж внутрипольного конвектора

Назначение и область применения

Монтаж отопительных конвекторов может быть выполнен в двухтрубных и однотрубных системах водяного отопления зданий различного назначения и высотности с вертикальным или горизонтальным расположением трубопроводов. Конвекторы могут применяться в насосных системах отопления.

Конвекторы предназначены для применения исключительно во внутренних помещениях (например, в жилых и офисных помещениях, выставочных залах и т.д.) и монтируются в конструкции пола вдоль окон и стен отапливаемых помещений. Категорически нельзя монтировать конвектор туда, где предполагается мебель, например, шкаф или диван: прибор отопления просто не будет работать.

Варианты размещения относительно окна внутрипольного конвектора с принудительной конвекцией

У владельцев конвекторов с принудительной конвекцей часто возникает вопрос: как монтировать прибор — вентилятором к окну, или от окна? Отвечаем: можно и так, и так, в зависимости от того, какую задачу Вы ставите перед прибором отопления. Вариантов два:

• К окну ставим теплопакет, вентилятор — к помещению. Задача: создать тепловой барьер у окон. В этом случае вентилятор втягивает воздух из помещения, направляет на теплопакет, теплый воздух нагревает поверхность стекла. Циркуляция воздушного потока конвекторов схожа с циркуляцией классических настенных приборов, располагаемых под окнами. Данное размещение целесообразно для жилых помещений с небольшим объемом остекления, с длительным нахождением людей, работой электроприборов (компьютеры и т.д.).

• К окну ставим вентилятор, теплопакетом — к помещению. Задача: отопление помещения и защиты от конденсата. В этом случае вентилятор втягивает холодный воздух, поступающий от окна, направляет на тплопакет. Основной объем нагретого воздуха поступает вглубь помещения. Данное размещение целесообразно для помещений с большой площадью остекления, либо интенсивным воздухообменом (коридоры, вестибюли).

Требования к теплоносителю и материалам трубопроводов для подвода теплоносителя в отопительный прибор

Вода, используемая в качестве теплоносителя должна быть свободной от примесей, таких, как взвешенные частицы и активные вещества.

Параметры теплоносителя должны соответствовать нормам:

Параметр	Значение	Единица измерения
pH-значение	8,3 — 9,0
Содержание растворенного кислорода	3
Содержание железа	3
Общая жесткость	3

Допускается в качестве теплоносителя использовать незамерзающие жидкости на основе этиленгликоля и пропиленгликоля. Заполнение системы антифризом допускается не ранее, чем через 2-3 дня после ее монтажа.

Трубопроводы для систем отопления с конвекторами следует предусматривать из стальных, медных, полимерных (в том числе металлополимерных) труб, разрешенных к применению в строительстве. Трубопроводы из полимерных труб следует выбирать с учетом изменяющихся в течение отопительного периода параметров теплоносителя (температуры, давления) и соответствующего им срока службы.

Подготовка изделия к монтажу

Монтаж конвекторов в системах водяного отопления должен быть произведен согласно теплотехническому проекту, созданному проектной организацией и заверенному организацией, ответственной за эксплуатацию системы отопления помещения в соответствии со строительными нормами и правилами.

Конвекторы поставляются в сборе, упакованными в полиэтиленовую пленку и картонную коробку вместе с сопроводительной документацией. Конвекторы, длиной более 3 м поставляются из 2-х частей.

Следует соблюдать требования манипуляционных знаков на упаковке. Запрещается вытягивать конвектор с торца упаковки и извлекать прибор без полного раскрытия упаковки.

Перед монтажом следует убедиться в правильности расположения теплоподводящих и теплоотводящих трубопроводов, соответствии межосевых расстояний, левом и правом подключении. Важно! Необходимо проследить, чтобы конвектор не соприкасался с силовыми и сигнальными кабелями.

Монтаж внутрипольного конвектора

Внутрипольные конвекторы предназначены для установки, как в подготовленную нишу (с последующей заливкой бетонной стяжки), так и в фальшполы. Монтаж конвектора должен быть произведен с обязательной возможностью перекрывания входа и выхода теплоносителя.

Размещение и монтаж внутрипольного конвектора в нишу пола

• Разместить конвектор в помещении в соответствии с требованиями проекта системы отопления, дизайн-проекта помещения. Рекомендуемое расстояние от окна до края конвектора должно составлять 80…200 мм. При размещении учесть, что оси подающего и обратного трубопроводов совпадают с соответствующими патрубками конвектора.
• Снять декоративную решетку. Для сохранения внешнего вида, в период монтажных и отделочных работ, рекомендуется убрать декоративную решётку в чистое место.
• Установить конвектор на место монтажа. По отверстиям в опорах произвести разметку. На время убрать конвектор, и выполнить отверстия в отмеченных местах. Установить дюбели.
• Удалить на корпусе заглушки, необходимые для гидравлических соединений.
• Установить конвектор или секции конвектора (для конвектора длиной более 3 м) на место монтажа, завести трубы внутрь корпуса. Отрегулировать высоту конвектора с помощью вертикальных упорных болтов 1 (рис. 1) и строительного уровня таким образом, чтобы верхний край конвектора совпадал с уровнем чистового пола. Конвектор должен быть установлен в нише строго горизонтально.
• Для конвектора длиной более 3 м соединить болтами с гайками секции конвектора между собой.
• Закрепить конвектор опорами 2 к черновому полу (рис. 1).

Гидравлическое подключение к системе

• Для конвектора длиной более 3 м при помощи медных труб и обжимных фитингов из комплекта монтажных частей, соединить теплообменники секций (рис. 2, 3). Для этого необходимо через отверстие в корпусе вставить трубки в патрубки теплообменников, закрутить гайки рукой до упора, после этого гаечным ключом завернуть гайки на 1¼ оборота.
• Выполнить соединение конвектора с подводящим и отводящим трубопроводами системы отопления.

ВНИМАНИЕ! При соединении конвекторов с подводками следует соблюдать осторожность. Во избежание деформирования тонкостенных медных труб теплообменника и латунных присоединительных патрубков необходимо удерживать шестигранник патрубков гаечным ключом.

Конвекторы, предназначенные для работы во влажных помещениях, оснащены дренажными патрубками ø16 мм, позволяющими присоединиться к канализации, водостоку или другим системам.

Заливка бетонной стяжки

Пустое пространство вокруг конвектора и под ним необходимо залить жидким бетонным раствором на 1/3 высоты конвектора таким образом, чтобы пустот под конвектором не оставалось. Далее залить оставшиеся 2/3 высоты конвектора густым бетонным раствором, при этом во избежание деформации корпуса необходимо проверить наличие установленных распорных планок.

Размещение и монтаж внутрипольного конвектора в фальшпол

Принцип монтажа внутрипольного конвектора в фальшпол аналогичен монтажу в нишу пола, за исключением процесса заливки бетонной стяжкой.

Установка декоративного профиля окантовки корпуса

После укладки напольного покрытия щель между покрытием и конвектором рекомендуется заполнить силиконовым герметиком. При исполнении конвектора с F-образной окантовкой установить их сверху по периметру корпуса (рис. 4). П-образный профиль поставляется уже в собранном виде с корпусом конвектора.

Установка запорно-регулирующей арматуры

Термостатический элемент устанавливается вместо защитного колпачка регулировочного клапана после предварительной настройки и окончания отделочных работ.

Монтаж термостатического клапана

Термостатический клапан устанавливается на подающем трубопроводе прибора отопления (с протоком в направлении стрелки на корпусе). Ось штока клапана для обеспечения оптимальной регулировки комнатной температуры должна находиться в горизонтальном положении.

Термостатический элемент, расположенный на стене и соединенный с клапаном капиллярной трубкой, не должен подвергаться воздействию прямых солнечных лучей и дополнительных источников тепла.

Настенный термостат для приборов с принудительной конвекцией устанавливается в том же помещении, где и сам внутрипольный конвектор, на одной высоте с остальными выключателями. Конвектор и термостат соединяются в соответствии со схемой электроподключений.

Удаление воздуха

При первом запуске в работу необходимо выполнить обезвоздушивание прибора из воздухоспускного клапана. Для этого свободный конец пластиковой трубки опустить в заранее приготовленную емкость для слива воды. Ключом воздухоспускного клапана отвернуть воздухоспускной клапан на 1-1,5 оборота. После того, как из трубки вода пойдет сплошной струей без пузырьков воздуха, воздухоспускной клапан закрыть.

До окончания отделочных работ закрыть конвектор сверху защитной крышкой (заказывается отдельно), можно использовать упаковочную коробку или подручные материалы.