В статье представлены результаты численного моделирования 9 схем раскладки труб водяного теплого пола для типового помещения. Основное внимание уделено зоне у наружной стены, где наблюдаются наибольшие теплопотери.

Исследование позволило сравнить эффективность различных вариантов укладки (спираль, змейка, двойной змеевик) по таким критериям, как теплоотдача, равномерность распределения температуры, гидравлические потери и удобство монтажа. Результаты показали, что универсального решения не существует, однако определены оптимальные схемы для различных эксплуатационных условий.

Системы напольного отопления завоевали популярность благодаря высокой энергоэффективности и комфортному распределению температуры. Однако их эффективность во многом зависит от выбранной схемы раскладки труб. Несмотря на обилие вариантов укладки, вопрос выбора оптимальной схемы до сих пор остается актуальным, особенно для помещений с повышенными теплопотерями, таких как зоны у наружных стен.

Цель данного исследования — провести сравнительный анализ 9 схем раскладки труб, используя методы CFD-моделирования. Основные задачи:

• Оценить теплоотдачу и равномерность распределения температуры для каждой схемы.

• Сравнить гидравлические потери в контурах.

• Определить преимущества и недостатки каждой схемы с точки зрения монтажа и эксплуатации.

Методология

Расчетная модель

Моделирование выполнено для помещения размером 6×5,5×3,5 м с окном. Зона раскладки теплого пола составила 4×4 м. Использовались следующие параметры:

• Труба: PEX (сшитый полиэтилен) 20×2,0 мм.

• Стяжка: 70 мм (толщина слоя над трубой — 45 мм).

• Напольное покрытие: кафельная плитка (10 мм).

 Параметры теплоносителя:

• Расход: 110 кг/ч.

• Температура подачи: 38°C.

Исследуемые схемы раскладки

Были рассмотрены 9 вариантов укладки:

1. Спираль с шагом 200 мм (длина контура: 70,3 м) 

2. Спираль с шагом 150 мм (длина контура: 98,3 м) 

3. Спираль с граничной зоной (длина контура: 81,5 м) 

4. Змейка с шагом 200 мм (длина контура: 67,8 м) 

5. Змейка с шагом 150 мм (длина контура: 100,4 м) 

6. Змейка с граничной зоной (длина контура: 93,2 м) 

7. Двойной змеевик с шагом 150 мм (длина контура: 100,2 м) 

8. Двойной змеевик с граничной зоной (длина контура: 93,7 м) 

9. Двойной змеевик с отдельным контуром ГЗ (длина контура: 93,8 м)

Результаты моделирования

Расчетная сетка состоит из ≈ 3,5 млн ячеек. Для каждой схемы было выполнено по 3000 итераций.

Поскольку в помещении возникает естественная конвекция воздуха (ниспадающий поток от холодного окна и наружной стены), то для лучшей наглядности в результатах представлены осредненные значения (без конвективных струй воздуха).

В результате моделирования получены поля температур и плотности теплового потока на поверхности пола, а также значения температуры и потери давления на выходе из контура.

Распределение температуры и теплового потока

Выводы

Сравнивать схемы можно по множеству параметров, вот основные из них:

• Общая мощность системы

• Удельная мощность на один метр трубы или метр квадратный пола

• Равномерность распределения температур

• Потери давления в контуре

• Простота монтажа и др

Наибольшей эффективности (теплоотдачи) можно добиться только за счет большой разности температур, то есть при более плотной укладке горячей подающей трубы возле холодной наружной стены. И результаты моделирования это подтверждают: схемы с граничной зоной возле наружной стены имеют большую плотность теплового потока в этих местах. Однако в вопросе выбора схемы раскладки труб важным фактором является равномерность распределения температуры. Здесь схемы с граничной зоной, а также «змеевик» значительно уступают спирали и двойному змеевику.

Наибольшая теплоотдача — Змеевик (за счет высоких температур вблизи наружной стены можно снять большое кол‑во тепловой энергии)

Наиболее равномерное распределение температуры — Спираль (параллельно уложенные трубы подачи и обратки дают комфортное распределение температуры на поверхности пола)

Наименьшие потери давления в контуре — Спираль (за счет плавных и больших поворотов потери давления в таких раскладках минимальные)

Наиболее простая в монтаже — Змеевик (простая укладка от одной стены к противоположной

Компромиссный вариант — Двойной змеевик (более плотная укладка подающей трубы возле наружной стены повысит теплоотдачу, а параллельно идущие трубы подачи и обратки дадут равномерное распределение температуры по сравнению с классической «Змейкой»)

Таким образом, выбор схемы раскладки труб теплого пола должен основываться на конкретных требованиях: приоритете энергоэффективности, комфорте или простоте монтажа.