Применение полимерных труб в системах отопления

Выбираем лучший вариант труб для теплого пола

Если внимательно изучить анализ каждого типа трубопроводов, можно сделать предварительный вывод: медь выигрывает по всем эксплуатационным показателям, но существенно проигрывает полимерам в цене. Гофра из нержавейки тоже не станет альтернативой полиэтиленам – она вдвое дороже и хуже по гидравлике.

1. Теплые полы (сокращенно – ТП) – низкотемпературная система отопления, где вода греется максимум до 55 градусов, рабочий режим – примерно 40 / 30 °С. Для быстрой передачи энергии от теплоносителя бетонной плите трубные стенки должны обладать достаточной теплопроводностью.
2. Длина петель ТП нередко достигает 100—120 метров (в зависимости от выбранного диаметра трубопровода). Большая протяженность = высокое гидравлическое сопротивление, усугубляемое шероховатостью внутренней поверхности. Простым языком: чем глаже стенки труб, тем легче насосу прокачивать воду по длинному контуру и обеспечивать требуемый расход теплоносителя.
3. Нагрев вызывает удлинение труб теплого пола. Поскольку внутри бетонной стяжки увеличиваться некуда, должно выполняться одно из двух условий: малый коэффициент теплового расширения материала либо высокая эластичность и прочность оболочки, позволяющая трубе помещаться в ограниченном пространстве без разрушения.
4. Аварийная ситуация: из-за поломки регулирующей арматуры на смесительном узле коллектора греющие контуры наполняются котловой водой, нагретой до 70…90 °С. Материал труб должен выдерживать подобные скачки температур без последствий.
5. Другие важные моменты – коррозионная стойкость, защищенность от проникновения кислорода, удобство монтажа и отсутствие стыков внутри монолита.

Согласно результатам наших испытаний труб с различными типами изоляции (повторяем, что при неплотном контакте труб с изоляцией воздушная прослойка улучшает ее эффект), мы не отмечали КПД изоляции меньше 40 % (поправочный множитель на температуру труб не менее 0,4).

Таким образом, при использовании полимерных труб в системах отопления следует учитывать в полной мере их тепловые характеристики и не пренебрегать гидравлическими показателями. Для этого необходимо учитывать рекомендации ООО «Витатерм», приведенные в данной статье.

1. PP-R и PP-RCT — полипропилен рандомсополимер, армированный слоем алюминия, базальтового либо стекловолокна. Модификация пластика PP-RCT отличается повышенной термической стойкостью.
2. PE-X — полиэтилен сшитый марок A, B и C. В изделиях обязательно предусмотрен кислородозащитный барьер — тонкий слой непроницаемого полимера. Например, в трубах Rehau используется сложное соединение этиленвинилгликоль (EVOH).
3. PE-RT — полиэтиленовые термостабилизированные изделия с кислородным барьером.
4. PE-X / Al / PEX и PE-X / Al / PE – пятислойные металлопластиковые трубопроводы.

Полезный тепловой поток открыто проложенных вертикальных и горизонтальных у пола металлополимерных труб учитывается обычно в пределах 50–100 % от приведенного в табл. 1 и 2. При открытой прокладке горизонтальных труб под потолком рекомендуется учитывать 70–80 % их расчетного теплового потока с учетом его радиационной составляющей.

Трубы, армированные алюминием, между двумя слоями пропилена имеют прослойку из цельной или перфорированной алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм. Все три слоя спекаются воедино, образуя прочное «тело» трубы. Перфорированный способ отличается тем, что фольга имеет равномерно расположенные отверстия, благодаря которым происходит более прочное скрепление слоев.

Полиэтилены имеют двоякое свойство – молекулярную память, заставляющую трубопровод выгибаться к первоначальной форме бухты. Особенность усложняет крепление греющих петель к теплоизоляции пола – если трубу не провернуть вокруг собственной оси, концы станут задираться кверху. Как бороться с описанным явлением, смотрите на видео нашего эксперта.

VALTEC армированные алюминием полипропиленовые трубы PN25

Из приведенного примера видно, что основным термическим сопротивлением является сопротивление наружной теплоотдаче. Термическое сопротивление полимерной гладкой трубы, несмотря на низкое значение коэффициента теплопроводности, существенно меньше и не превышает 10 % общего термического сопротивления. И, наконец, влиянием эффективности внутреннего теплообмена α_вн можно пренебречь и поэтому считать, что при рассмотренных диаметрах труб их теплоотдача практически не зависит от характерных для систем отопления расходов воды.

Проблема отопительных полипропиленовых систем – невозможность визуально проверить качество сварки соединений. Иногда стыки текут спустя год после испытаний высоким давлением (опрессовки). Представьте последствия утечки внутри бетонного монолита — поиски дефекта, разрушение стяжки и ремонт.

1. Труба для теплого водяного пола «ПЕКС» и «ПЕРТ» имеет одинаковую теплопроводность — 0.38 Вт/(м•°С). Рассчитаем термическое сопротивление стенок толщиной 2 мм: R = 0.002 / 0.38 ≈ 0.005 м²•°С/Вт — почти в 3 раза ниже, чем у ППР. То есть, полиэтиленовые контуры гораздо лучше передают тепло стяжке.
2. Эквивалентная шероховатость поверхности – 0.007 мм – отличный показатель гладкости труб.
3. Нагревшись на 50 °С, 100-метровый свободный участок трубопровода «ПЕКС» удлинится на целых 100 см. Но благодаря эластичности и некоторым приемам монтажа расширение внутри бетонной плиты спокойно компенсируется материалом.
4. Максимальная рабочая температура материала PE-X составляет 90 °С, PE-RT — 80 градусов, кратковременно допустимая – 95 и 90 °С соответственно. Эксплуатационное давление теплоносителя – 6…10 Бар в зависимости от степени нагрева. Параметры удовлетворяют требованиям к водяным контурам отопления.

В отечественной практике, часто в рекламных целях, предлагается пренебречь теплоотдачей стояков и подводок из полимерных теплопроводов из-за низкой теплопроводности полимеров, якобы выполняющих роль теплоизоляции. Рассмотрим этот вопрос подробнее на примере расчета теплового потока через цилиндрическую стенку (рис. 3а) на основе зависимостей, приведенных в учебнике «Теплопередача» [2].

Чтобы правильно выбрать трубы для теплого пола, нужно хорошо представлять условия эксплуатации материала. Находясь внутри стяжки, греющая линия не только передает тепло монолиту, но вдобавок испытывает механические нагрузки от давления воды и собственного расширения.

В ООО «Витатерм» для оценки реальных условий эксплуатации полимерных теплопроводов были проведены гидравлические испытания металлополимерных труб «KITEC» [4], принятых в качестве представительных. Эти испытания проведены согласно методике НИИсантехники [6]. Она позволяет определять значения приведенных коэффициентов местного сопротивления ζ_ну и характеристик сопротивления S_ну при нормальных условиях (при расходе воды через прибор 0,1 кг/с или 360 кг/ч) после периода эксплуатации, в течение которого коэффициенты трения мерных участков стальных новых труб на подводках к испытываемым элементам системы отопления достигают значений, соответствующих коэффициенту трения стальных труб с эквивалентной шероховатостью 0,2 мм, принятой в качестве расчетной для стальных теплопроводов отечественных систем отопления.

Параметры сшитого и термостойкого полиэтилена

Важное отличие металлопластика – отсутствие молекулярной памяти. При изгибе жесткий алюминиевый каркас принимает требуемую форму, преодолевая силу упругости полиэтиленовых слоев. Указанное свойство – большое подспорье при монтаже, главное, выдержать минимальный радиус изгиба 6 и 8 см для труб Ø16 и 20 мм соответственно.

Более низкая цена на ПП трубы должна вызвать подозрения у покупателя относительно качества товара, ведь снижения его стоимости производитель, как правило, достигает за счет удешевления стоимости первичного сырья. Дешевый полипропилен первого и второго типа уступает в надежности своему «собрату», не выдерживает повышенных температур и давления.

Даются рекомендации, что для повышения экономической эффективности использования полимерных труб целесообразно уменьшить на следующий размер расчетный диаметр теплопровода при замене стального на полимерный. При экспертных оценках таких «решений», проведенных ООО «Витатерм», было отмечено, что замена стальных труб, например, условным диаметром 20 мм, на следующий размер полимерных – 16 мм фактически приводит к уменьшению внутреннего диаметра труб не на один, а на два размера (не до 16, а до 12 мм), т. к. у стальных труб условный диаметр характеризует их внутренний размер, а у полимерных – наружный. Ситуация осложняется и дополнительным гидравлическим сопротивлением мест соединения теплопроводов (особенно у металлополимерных труб с использованием пресс-фитингов), т. к. в этих местах нарушается постоянство диаметра теплопровода по ходу теплоносителя. И, наконец, еще одно обстоятельство, которое практически не учитывается при гидравлических расчетах систем отопления, а именно: отмеченное выше «искривление» полимерных труб при подаче горячего теплоносителя относительно прямолинейности, обеспечиваемой при их монтаже.

1. Теплопроводность 0.24 Вт/(м•°С) – худшая среди полимерных изделий. Если учесть толщину стенки 3.4 мм при Ø20 мм (армированные PP-R трубопроводы не производятся диаметром 16 мм), получим сопротивление теплопередаче R = 0.0034 / 0.24 = 0.014 м²•°С/Вт. Для активного теплообмена показатель сопротивления слишком высок.
2. По гладкости внутренних стенок к полипропилену нет вопросов – шероховатость 0.01 мм не создает повышенное гидравлическое сопротивление.
3. При нагреве на 50 градусов 100-метровая труба ПП-Р с алюминиевым слоем прибавит в длине 150 мм, со стекловолокном – 31 см. Эластичность полипропилена весьма низкая, из-за чего изделие внутри монолита окажется под высокой нагрузкой. Материал может треснуть, в первую очередь, на стыках.

Проанализируем металлопластик по заданным изначально критериям:
1. Теплопроводность пятислойной конструкции – 0.45 Вт/(м•°С), толщина стенок труб диаметром 16 и 20 мм – 2 мм. Значит, сопротивление передаче теплоты R равно 0.002 / 0.45 = 0.004 м²•°С/Вт.
2. Удлинение от нагрева 100-метрового отрезка на 50 °С – всего 13 см.
3. Рабочая температура при напоре 10 Бар – до 95 градусов, кратковременная аварийная – 130 °С. Кислородопроницаемость стенок близка к нулевой.
Обратите внимание: показатели теплопроводности, рабочей температуры и относительного удлинения металлопластиковых конструкций – лучшие среди всех полимерных труб. Гладкость материала не упомянута, поскольку значение шероховатости идентично полиэтилену — 0.007 мм.

В ходе исследований ООО «Витатерм» отмечено, что гидравлические характеристики полимерных труб, развернутых из рулона, зависят от качества размотки, поэтому при укладке труб из рулона рекомендуется использовать специальное устройство с целью обеспечения соответствия гидравлических характеристик труб паспортным.

Следует учитывать, что приведенные в табл. 1 данные о теплопередаче моно- и металлополимерных труб можно принять в качестве средних для большинства аналогов при их горизонтальной прокладке, т. к. возможные отклонения от «горизонтальности» при характерных для систем отопления температурах теплоносителя (50–90 °C) и его скорости (0,5–1 м/с) мало отражается на эффективности теплопередачи. В то же время при вертикальной прокладке монополимерных труб при тех же условиях они будут заметнее отклоняться от «вертикальности», чем металлополимерные. Поэтому теплопередача условно вертикальных монополимерных труб, согласно нашим предварительным данным, отличается от теплопередачи горизонтальных труб не на 11–17 %, а всего лишь на 5–7 %, и будет соответственно выше значений, приведенных в табл. 2.

Неармированные (цельные) трубы изготавливаются из полипропилена с повышенным коэффициентом теплового расширения, они эффективны при температуре перекачиваемой жидкости не выше 95ºC. При 140º материал размягчается, что может стать причиной деформации трубопровода. Коэффициент теплового расширения составляет 0,15 мм/мК.