Гидравлический расчёт системы отопления

Способы определения нагрузки

Сначала поясним значение термина. Тепловая нагрузка – это общее количество теплоты, расходуемое системой отопления на обогрев помещений до нормативной температуры в наиболее холодный период. Величина исчисляется единицами энергии – киловаттами, килокалориями (реже – килоджоулями) и обозначается в формулах латинской буквой Q.

Зная нагрузку на отопление частного дома в целом и потребность каждого помещения в частности, нетрудно подобрать котел, обогреватели и батареи водяной системы по мощности. Как можно рассчитать данный параметр:

1. Если высота потолков не достигает 3 м, производится укрупненный расчет по площади отапливаемых комнат.
2. При высоте перекрытий 3 м и более расход тепла считается по объему помещений.
3. Определение теплопотерь через внешние ограждения и затрат на подогрев вентиляционного воздуха согласно СНиП.

Фото здания, сделанное с помощью тепловизора

Две первые расчетные методики основаны на применении удельной тепловой характеристики по отношению к обогреваемой площади либо объему здания. Алгоритм простой, используется повсеместно, но дает весьма приближенные результаты и не учитывает степень утепления коттеджа.

Считать расход тепловой энергии по СНиП, как делают инженеры–проектировщики, гораздо сложнее. Придется собрать множество справочных данных и потрудиться над вычислениями, зато конечные цифры отразят реальную картину с точностью 95%. Мы постараемся упростить методику и сделать расчет нагрузки на отопление максимально доступным для понимания.

Определение расхода теплоносителя и диаметров труб

Вначале каждую отопительную ветвь надо разбить на участки, начиная с самого конца. Разбивка делается по расходу воды, а он изменяется от радиатора к радиатору. Значит, после каждой батареи начинается новый участок, это показано на примере, что представлен выше. Начинаем с 1-го участка и находим в нем массовый расход теплоносителя, ориентируясь на мощность последнего отопительного прибора:

G = 860q/ ∆t, где:

• G – расход теплоносителя, кг/ч;
• q – тепловая мощность радиатора на участке, кВт;
• Δt– разница температур в подающем и обратном трубопроводе, обычно берут 20 ºС.

Для первого участка расчет теплоносителя выглядит так:

860 х 2 / 20 = 86 кг/ч.

Полученный результат надо сразу нанести на схему, но для дальнейших расчетов он нам понадобится в других единицах – литрах в секунду. Чтобы сделать перевод, надо воспользоваться формулой:

GV = G /3600ρ, где:

• GV – объемный расход воды, л/сек;
• ρ– плотность воды, при температуре 60 ºС равна 0.983 кг / литр.

В данных таблицах опубликованы значения диаметров стальных и пластмассовых труб в зависимости от расхода и скорости движения теплоносителя. Если открыть страницу 31, то в таблице 1 для стальных труб в первом столбце указаны расходы в л/сек. Чтобы не производить полный расчет труб для системы отопления частого дома, надо просто подобрать диаметр по расходу, как показано ниже на рисунке:

Итак, для нашего примера внутренний размер прохода должен составлять 10 мм. Но поскольку такие трубы не используются в отоплении, то смело принимаем трубопровод DN15 (15 мм). Проставляем его на схеме и переходим ко второму участку. Так как следующий радиатор имеет такую же мощность, то применять формулы не нужно, берем предыдущий расход воды и умножаем его на 2 и получаем 0.048 л/сек. Снова обращаемся к таблице и находим в ней ближайшее подходящее значение. При этом не забываем следить за скоростью течения воды v (м/сек), чтобы она не превышала указанные пределы (на рисунках отмечена в левом столбце красным кружочком):

Как видно на рисунке, участок №2 тоже прокладывается трубой DN15. Далее, по первой формуле находим расход на участке №3:

860 х 1,5 / 20 = 65 кг/ч и переводим его в другие единицы:

65 / 3600 х 0,983 = 0.018 л/сек.

Прибавив его к сумме расходов двух предыдущих участков, получаем: 0.048 + 0.018 = 0.066 л/сек и вновь обращаемся к таблице. Поскольку у нас в примере делается не расчет гравитационной системы, а напорной, то по скорости теплоносителя труба DN15 подойдет и на этот раз:

Идя таким путем, просчитываем все участки и наносим все данные на нашу аксонометрическую схему:

Расчет объема расширительного бака

Для того чтобы рассчитать объем расширительного бачка мембранного типа следует знать количество теплоносителя, который находится в отопительном контуре. Зависимость такая: расширительный бак должен быть объемом в 10 % от количества теплоносителя.

Количество воды в СО рассчитывается по формуле: W = π (D2/4) L где:

• π – 3,14;
• D – внутренний диаметр участка трубопровода;
• L – длина участка трубопровода (если весь контур выполнен из трубы одного диаметра, то считаем длину контура).

Например, внутренний диаметр трубопровода из армированного полипропилена – 21,2 мм = 0,021м; длина контура – 100 м. 3,14 х (0,0212/4) х 100 = 0.0345м3 или 34,5 литра. От сюда вывод: при объеме теплоносителя в системе 34,5 л, в температурных пределах СО от 0 до 80°С и давлении в системе от 0,3 до 1 Бар, необходим расширительный бак, емкостью 3,5 л.

Чтобы рассчитать параметры циркуляционного насоса нужны данные о мощности котла, разница температур на входе и выходе котельной установки. Далее можно воспользоваться формулой Q = N /(t 2- t 1), где N – мощность котлоагрегата; T1 – температура теплоносителя на подающем патрубке, T2 – температура охлажденного теплоносителя на обратной ветке контура.

Совет: следует знать, что для построения грамотной однотрубной системы отопления, кроме полученных данных необходимо сделать расчет гидравлических сопротивлений, которые возникают на равнопроходных отводах, учесть гидравлические потери на точках сужения трубопровода, грязевике и обратном клапане (если предполагается). Данный расчет сделать самостоятельно достаточно просто, используя программы: «Гидравлические и тепловые расчеты» и HERZ. C. O. С.

Динамические параметры теплоносителя

Переходим к следующему этапу расчетов — анализ потребления теплоносителя. В большинстве случаев система отопления квартиры отличается от иных систем — это связанно с количеством отопительных панелей и протяженностью трубопровода. Давление используется в качестве дополнительной «движущей силы» потока вертикально по системе.

В частных одно- и многоэтажных домах, старых панельных многоквартирных домах применяются системы отопления с высоким давлением, что позволяет транспортировать теплоотдающее вещество на все участки разветвлённой, многокольцевой системы отопления и поднимать воду на всю высоту (до 14-ого этажа) здания.

Напротив, обычная 2- или 3- комнатная квартира с автономным отоплением не имеет такого разнообразия колец и ветвей системы, она включает не более трех контуров. А значит и транспортировка теплоносителя происходит с помощью естественного процесса протекания воды. Но также можно использовать циркуляционные бытовые электрические насосы, нагрев обеспечивается газовым/электрическим котлом.

Рекомендуем применять циркуляционный насос для отопления помещений более 100 м2. Монтировать насос можно как до так и после котла, но обычно его ставят на «обратку» — меньше температура носителя, меньше завоздушенность, больше срок эксплуатации насоса

Специалисты в сфере проектирования и монтажа систем отопления определяют два основных подхода в плане расчёта объёма теплоносителя.

1. По фактической емкости системы. Суммируются все без исключения объёмы полостей, где будет протекать поток горячей воды: сумма отдельных участков труб, секций радиаторов и т.д. Но это достаточно трудоёмкий вариант.
2. По мощности котла. Здесь мнения специалистов разошлись очень сильно, одни говорят 10, другие 15 литров на единицу мощности котла.

С прагматичной точки зрения нужно учитывать, тот факт что наверное система отопления будет не только подавать горячую воду для комнаты, но и нагревать воду для ванной/душа, умывальника, раковины и сушилки (а возможно и для гидромассажа или джакузи). Этот вариант попроще.

Поэтому в данном случае рекомендуем установить 13,5 литров на единицу мощности. Умножив этот число на мощность котла (8,08 кВт) получаем расчётный объём водяной массы — 109,08 литров.

Вычисляемая скорость теплоносителя в системе является именно тем параметром, который позволяет подбирать определённый диаметр трубы для системы отопления. Она высчитывается по следующей формуле:

V = (0,86*W*k)/t-to

где W — мощность котла, t — температура подаваемой воды, to — температура воды в обратном контуре, k — кпд котла (0,95 для газового котла). (0.86 * 8080* 0.95)/80-60 = 6601,36/20=330кг/ч. Таким образом за один час в системе перемещается 330 килограмм теплоносителя (литров воды), а ёмкость системы около 110 литров.

Как на практике считают гидравлическое сопротивление системы отопления.

Часто инженерам приходится рассчитывать системы отопления на больших объектах. В них большое количество приборов отопления и много сотен метров труб, но считать все равно нужно. Ведь без ГР не получится правильно подобрать циркуляционный насос. К тому же ГР позволяет установить еще до монтажа будет ли работать все это.

Для упрощения жизни проектировщикам разработаны различные численные и программные методы определения гидравлического сопротивления. Начнем от ручного к автоматическому.

Приближенные формулы расчета гидравлического сопротивления.

Для определения удельных потерь на трение в трубопроводе используется следующая приближенная формула:

R = 5104 v1.9 /d1,32   Па/м;

Здесь сохраняется практически квадратичная зависимость от скорости движения жидкости в трубопроводе. Данная формула справедлива для скоростей 0,1-1,25 м/с.

Если у вас известен расход теплоносителя, то есть приближенная формула для определения внутреннего диаметра труб:

d = 0.75√G  мм;

Получив результат необходимо воспользоваться следующей таблицей для получения диаметра условного прохода:

Наиболее трудоемким будет расчет местных сопротивлений в фитингах, запорной арматуре и приборах отопления. Ранее я упоминал коэффициенты местного сопротивления ξ, их выбор делается по справочным таблицам. Если с углами и запорной арматурой все ясно, то вот выбор КМС для тройников превращается в целое приключение. Чтобы стало понятно о чем я говорю, посмотрим на следующую картинку:

По картинке видно, что у нас имеется целых 4 вида тройников, для каждого из которых будут свои КМС местного сопротивления. Трудность тут будет состоять в правильном выборе направления тока теплоносителя. Для тех кому очень нужно, приведу здесь таблицу с формулами из книги О.Д. Самарина «Гидравлические расчеты инженерных систем»:

Эти формулы можно перенести в MathCAD или любую другую программу и рассчитать КМС с погрешностью до 10 %. Формулы применимы для скоростей движения теплоносителя от 0,1 до 1,25 м/с и для труб с диаметром условного прохода до 50 мм. Такие формулы вполне подойдут для отопления коттеджей и частных домов. Теперь рассмотрим некоторые программные решения.

Программы для расчета гидравлического сопротивления в системах отопления.

Сейчас в интернете можно найти много различных программ для расчета отопления платных и бесплатных. Понятное дело, что платные программы обладают более мощным функционалом, чем бесплатные и позволяют решать более широкий круг задач. Такие программы имеет смыл приобретать профессиональным инженерам-проектировщикам. Обывателю, который хочет самостоятельно посчитать систему отопления в своем доме будет вполне достаточно бесплатных программ. Ниже приведу список наиболее распространенных программных продуктов:

• Valtec.PRG — бесплатная программа для расчета отопления и водоснабжения. Есть возможности расчета теплых полов и даже теплых стен
• HERZ — целое семейство программ. С их помощью можно рассчитывать как однотрубные так и двухтрубные системы отопления. Программа имеет удобное графическое представление и возможность разбивки на поэтажные схемы. Имеется возможность расчета тепловых потерь
• Поток — отечественная разработка, представляющая из себя комплексную САПР, которая может проектировать инженерные сети любой сложности. В отличии от предыдущих, Поток — платная программа. Поэтому простой обыватель вряд ли станет ей пользоваться. Она предназначена для профессионалов.

Есть еще несколько других решений. В основном от производителей труб и фитингов. Производители затачивают программы для расчета под свои материалы и тем самым в какой-то степени вынуждают покупать их материалы. Это такой маркетинговый ход и в нем нет ничего плохого.

Определение диаметра труб

Для окончательного определения диаметра и толщины отопительных труб осталось обсудить вопрос относительно потерь теплоты.

Максимальное количество тепла уходит из помещения через стены — до 40%, через окна — 15%, пол — 10%, всё остальное через потолок/крышу. Для квартиры характерны потери в основном через окна и балконные модули

Существует несколько видов потерь теплоты в отапливаемых помещениях.

1. Потери давления потока в трубе. Этот параметр прямо пропорционален произведению удельной потери на трение внутри трубы (предоставляет производитель) на общую длину трубы. Но учитывая текущую задачу такие потери можно не учитывать.
2. Потери напора на местных трубных сопротивлениях — утери теплоты на фитингах и внутри оборудования. Но учитывая условия задачи, небольшое количество фитинг-изгибов и число радиаторов, такими потерями можно пренебречь.
3. Существует ещё один тип тепловых потерь, но он больше связан с расположением помещения относительного остального здания. Для обычной квартиры, которая находиться в средине дома и соседствует слева/справа/сверху/снизу с другими квартирами, тепловые потери через боковые стены, потолок и пол практически равны «0».

В расчёт можно только взять потери через фасадную часть квартиры — балкон и центральное окно общей комнаты. Но это вопрос закрывается за счёт дополнения 2-3 секций к каждому из радиаторов.

Как видно из таблицы, диаметр металлической трубы должен составлять 16-18 мм с толщиной 1,5-2 мм или 20-25 мм пластиковые ПВХ-трубы с толщиной стенки 3-4 мм

Анализируя выше изложенную информацию, стоит отметить что для рассчитанной скорости горячей воды в системе отопления известна табличная скорость перемещения частиц воды относительно стенки трубы в горизонтальном положении 0,3-0,7 м/с.

В помощь мастеру представляем так называемый чек-лист проведения вычислений для типичного гидравлического расчёта системы отопления:

• сбор данных и расчёт мощности котла;
• объём и скорость теплоносителя;
• потери теплоты и диаметр труб.

Иногда при просчёте можно получить достаточно большой диаметр трубы, что бы перекрыть расчётный объём теплоносителя. Эту проблему можно решить увеличением литража котла или добавлением дополнительного расширительного бака.

Обозначения и порядок выполнения

На планах обязательно должно быть указано, определённое заранее, циркуляционное кольцо, называемое главным. Оно обязательно представляет собой замкнутый контур, включающий все отрезки трубопровода системы с наибольшим расходом теплоносителя. Для двухтрубных систем эти участки идут от котла (источника тепловой энергии) до самого удалённого теплового прибора и обратно к котлу. Для однотрубных систем берётся участок ветки — стояка и обратной части.

Единицей расчёта является отрезок трубопровода, имеющий неизменный диаметр и ток (расход) носителя тепловой энергии. Его величина определяется исходя из теплового баланса помещения. Принят определённый порядок обозначения таких отрезков, начиная от котла (источника тепла, генератора тепловой энергии), их нумеруют. Если от подающей магистрали трубопровода есть ответвления, их обозначение выполняется заглавными буквами в алфавитном порядке. Такой же буквой со штрихом обозначается сборная точка каждой ветки на обратном магистральном трубопроводе.

В обозначении начала ветки приборов отопления указывается номер этажа (горизонтальные системы) или ветки — стояка (вертикальные). Тот же номер, но со штрихом ставится в точке их подключения к обратной линии сбора потоков теплоносителя. В паре, эти обозначения составляют номер каждой ветки расчётного участка. Нумерация ведётся по часовой стрелке от левого верхнего угла плана. По плану определяется и длина каждой ветки, погрешность составляет не более 0,1 м.

величины тепловой нагрузкидлины участка в метрах.

Не вдаваясь в детали, следует сказать, что дальнейшие расчёты позволяют определить диаметры труб каждого из участков системы отопления, потери давления на них, произвести гидравлическую увязку всех циркуляционных колец в сложных системах водяного отопления.

Мощность генератора тепла

Одним из основных узлов отопительной системы является котел: электрический, газовый, комбинированный — на данном этапе не имеет значения. Поскольку нам важна главная его характеристика — мощность, то есть количество энергии за единицу времени, которая будет уходить на отопление. Мощность самого котла определяется по ниже приведённой формуле:

Wкотла = (Sпомещ*Wудел) / 10

где Sпомещ — сумма площадей всех комнат, которые требую отопления, Wудел — удельная мощность с учётом климатических условий местоположения (вот для чего нужно было знать климат региона). Что характерно, для разных климатических зон имеем следующие данные:

• для северных областей — 1,5 — 2 кВт/м2;
• для центральных областей — 1 — 1,5 кВт/м2;
• для южных областей — 0,6 — 1 кВт/м2.

Эти цифры достаточно условны, но тем не менее дают явный численный ответ относительно влияния окружающей среды на систему отопления квартиры.

На данной карте представлены климатические зоны с разными температурными режимами. От расположения жилья относительно зоны и зависит сколько нужно тратить на обогрев метра квадратного кВатт энергии

Сумма площади квартиры которую необходимо отапливать — равна общей площади квартиры и равна 65,54-1,80-6,03=57,71 м2 (минус балкон). Удельная мощность котла для центрального региона с холодной зимой — 1,4 кВт/м2. Таким образом, в нашем примере расчётная мощность котла отопления эквивалентна 8,08 кВт.

Начальные условия примера

Для более конкретного пояснения всех деталей гидравлического просчёта возьмем конкретный пример обычного жилищного помещения. В наличии имеем классическую 2-комнатную квартиру панельного дома, общей площадью 65,54 м2, которая включает две комнаты, кухню, раздельные туалет и ванная, двойной коридор, спаренный балкон.

После сдачи в эксплуатацию получили следующую информацию относительно готовности квартиры. Описываемая квартира включает обработанные шпаклевкой и грунтом стены из монолитных железо-бетонных конструкций, окна из профиля с двух камерными стеклами, тырсо-прессованные межкомнатные двери, керамическая плитка на полу санузла.

Типичный панельный 9-этажный дом на четыре подъезда. На каждом этаже по 3 квартиры: одна 2-комнатная и две 3-комнатных. Квартира расположена на пятом этаже

Кроме того, представленное жильё уже оснащено медной проводкой, распределителями и отдельным щитком, газовой плитой, ванной, умывальником, унитазом, полотенцесушителем, мойкой. И самое главное в жилых комнатах, ванной и кухне уже имеются алюминиевые отопительные радиаторы. Вопрос относительно труб и котла остаётся открытым.

Гидравлический расчет системы отопления – пример расчета

В качестве примера рассмотрим двухтрубную гравитационную систему отопления.

Исходные данные для расчета:

• расчетная тепловая нагрузка системы – Qзд. = 133 кВт;
• параметры системы – tг = 750С, tо = 600С;
• расход теплоносителя (расчетный) – Vсо = 7,6 м3/ч;
• присоединение отопительной системы к котлам производится через гидравлический разделитель горизонтального типа;
• автоматика каждого из котлов в течение всего года поддерживает постоянную температуру теплоносителя на выходе – tг = 800С;
• автоматический регулятор перепада давления устанавливается на вводе каждого распределителя;
• система отопления от распределителей смонтирована из металлопластиковых труб, а теплоснабжение распределителей производится посредством стальных труб (водогазопроводных).

Диаметры участков трубопроводов подобраны с использованием номограммы для заданной скорости теплоносителя 0,4-0,5 м/с.

На участке 1 установлен клапан dу 65. Его сопротивление согласно информации производителя составляет 800 Па.

На участке 1а установлен фильтр диаметром 65 мм и с пропускной способностью 55 м3/ч. Сопротивление этого элемента составит:

0,1 х (G/kv) х 2 = 0,1 х (7581/55) х 2 = 1900 Па.

Сопротивление трехходового клапана dу = 40 мм и kv = 25 м3/ч составит 9200 Па.

Аналогичным образом производится расчет остальных частей системы теплоснабжения распределителей. При расчете системы отопления от распределителя выбирается основное циркуляционное кольцо через наиболее нагруженное отопительное устройство. Гидравлический расчет производится с использованием 1-го направления.

Опубликовано 02.06.2020 Обновлено 13.06.2020 Пользователем admin