Гидравлический расчет системы отопления на конкретном примере

Примеры расчетов для СВО

Пусть температура подаваемого воздуха (t_r) – 55 °С, желаемая температура в помещении (t_v) – 22 °С, теплопотери дома (Q) – 16000 Вт.

Определение количества воздуха для РСВО

Для определения массы подаваемого воздуха при температуре t_r используется формула:

E_ot = Q/(c × (t_r – t_v)) 

Подставляя в формулу значения параметров, получим:

E_ot = 16000/(1.005 × (55 – 22)) = 483

Объемное количество подаваемого воздуха рассчитывается по формуле:

V_ot = E_ot /p_r,

где:

p_r = 353/(273 + t_r)

Для начала вычислим плотность p:

p_r = 353/(273 + 55) = 1.07

Тогда:

V_ot = 483/1.07 = 451.

Воздухообмен в помещении определяется по формуле:

Vp = E_ot /p_v

Определим плотность воздуха в помещении:

p_v = 353/(273 + 22) = 1.19

Подставляя значения в формулу, получим:

V_p = 483/1.19 = 405

Таким образом, воздухообмен в помещении равен 405 м3 за час, а объем подаваемого воздуха должен быть равен 451 м3 за час.

Расчет количества воздуха для ЧРСВО

Для вычисления количества воздуха для ЧРСВО возьмем полученные сведения из предыдущего примера, а также t_r = 55 °С,  t_v = 22 °С; Q=16000 Вт. Количество воздуха, необходимого для вентиляции, E_vent=110 м3/ч. Расчетная наружная температура t_n=-31 °С.

Для расчета ЧРСВО используем формулу:

Q₃ = [E_ot × (t_r – t_v) + E_vent × p_v × (t_r – t_v)] × c

Подставляя значения, получим:

Q₃ = × 1.005 = 27000

Объем рециркуляционного воздуха составит 405-110=296 м3 в ч. Дополнительный расход тепла равен 27000-16000=11000 Вт.

Определение начальной температуры воздуха

Сопротивление механического воздуховода D=0.27 и берется из его технических характеристик. Длина воздуховода вне отапливаемого помещения l=15 м. Определено, что Q=16 кВт, температура внутреннего воздуха равна 22 градуса, а необходимая температура для отопления помещения равна 55 градусам.

Определим E_ot по вышеизложенным формулам. Получим:

E_ot = 10 × 3.6 × 1000/ (1.005 × (55 – 22)) = 1085

Величина теплового потока q₁ составит:

q₁ = (55 – 22)/0.27 = 122

Начальная температура при отклонении η = 0 составит:

t_nach = 22 + (16 × 1000 + 137 × 15) × (55 – 22)/ 1000 × 16 = 60

Уточним среднюю температуру:

t_sr = 0.5 × (55 + 60) = 57.5

Тогда:

Q_otkl = ((574 -22)/0.27) × 15 = 1972

С учетом полученных сведений найдем:

t_nach = 22 + (16 × 1000 + 1972) × (55 – 22)/(1000 × 16) = 59

Из этого следует вывод, что при движении воздуха теряется 4 градуса тепла. Чтобы уменьшить потери тепла, необходимо теплоизолировать трубы. Также рекомендуем вам ознакомиться с другой нашей статьей, в которой подробно описывается процесс обустройства системы воздушного отопления.

Цели гидравлического расчета

Цели гидравлического расчета заключаются в следующем:

1. Подобрать оптимальные диаметры трубопроводов.
2. Увязать давления в отдельных ветвях сети.
3. Выбрать циркуляционный насос для системы отопления.

Раскроем подробнее каждый из этих пунктов.

1. Подбор диаметров трубопроводов

Сергей Булкин

Чем меньше диаметр трубопровода, тем больше сопротивление оказывается потоку теплоносителя из-за трения о стенки трубопровода и местных сопротивлений на поворотах и ответвлениях. Поэтому для малых расходов, как правило, берутся малые диаметры трубопроводов, для больших расходов, соответственно, большие диаметры, за счёт чего можно ограниченно отрегулировать систему.

Если система разветвлённая – есть короткая и длинная ветка, то на длинной ветке идёт большой расход, а на короткой – меньший. В этом случае короткая ветка должна выполняться из труб меньших диаметров, а длинная ветка должна выполняться из труб большего диаметра.

И, по мере уменьшения расхода, от начала к концу ветки диаметры труб должны уменьшаться так, чтобы скорость теплоносителя была примерно одинакова.

2. Увязка давлений в отдельных ветвях сети

Увязка может производиться подбором соответствующих диаметров труб или, если возможности этого способа исчерпаны, то за счёт установки регуляторов расхода давления или регулировочных вентилей на отдельных ветвях.

Сергей Булкин

Частично мы, как это описано выше, можем увязать давление с помощью подбора диаметров трубопроводов. Но не всегда это удаётся сделать. Например, если берём самый маленький диаметр трубопровода на короткой ветке, а сопротивление в нём все равно недостаточно большое, тогда весь поток воды будет идти через короткую ветку, не заходя в длинную. В этом случае требуется дополнительная регулировочная арматура.

Регулировочная арматура может быть разной.

Бюджетный вариант — ставим регулировочный вентиль — т.е. вентиль с плавной регулировкой, который имеет градацию в настройке. Каждый вентиль имеет свою характеристику. При гидравлическом расчёте проектировщик смотрит, какое давление необходимо погасить, и определяется так называемая невязка давлений между длинной и короткой ветками. Тогда по характеристике вентиля проектировщик определяет, на сколько оборотов этот вентиль,  от полностью закрытого положения, надо будет открыть. Например, на 1, на 1.5 или на 2 оборота. В зависимости от степени открытия вентиля будет добавляться разное сопротивление.

Более дорогой и сложный вариант регулировочной арматуры — т.н. регуляторы давления и регуляторы расхода. Это устройства, на которых мы задаём необходимый расход или необходимый перепад давлений, т.е. падение давлений на этой ветке. В этом случае устройства сами контролируют работу системы и, если расход не соответствует требуемому уровню, то они открывают сечение, и расход увеличивается. Если расход слишком большой, то сечение перекрывается. Аналогично происходит и с давлением.

Если все потребители после ночного понижения теплоотдачи одновременно открыли утром свои отопительные приборы, то теплоноситель попытается, в первую очередь, поступать в ближние к тепловому пункту приборы, а до дальних дойдет спустя часы. Тогда сработает регулятор давления, прикрывая ближайшие ветки и, тем самым, обеспечит равномерное поступление теплоносителя во все ветки.

Самые продвинутые и дорогие системы – когда на каждую ветку ставится регулятор расхода и регулятор перепада давления, т.к. в этом случае контролируются оба параметра.

3. Подбор циркуляционного насоса по давлению (напору) и по расходу (подаче)

Сергей Булкин

Расчетные потери давления в главном циркуляционном кольце (с небольшим запасом) определят напор для циркуляционного насоса. А расчетный расход насоса – это суммарный расход теплоносителя по всем ветвям системы. Насос подбирается по напору и по расходу.

Эти данные (напор и расход) прописаны в технических характеристиках циркуляционного насоса. Насос подбирается по двум параметрам, которые мы определяем в ходе гидравлического расчёта.

Если в системе стоит несколько циркуляционных насосов, то в случае их последовательного монтажа у них суммируется напор, а расход будет общим. Если насосы работают параллельно, то у них суммируется расход, а напор будет одинаковым.

Важно: Определив в ходе гидравлического расчёта потери давления в системе, можно выбрать циркуляционный насос, который оптимально будет соответствовать параметрам системы, обеспечивая оптимум затрат – капитальных (стоимость насоса) и эксплуатационных (стоимость электроэнергии на циркуляцию)

Гидравлический расчет системы отопления

Централизованный тип постепенно уступает место автономной системе отопления. Многие принимают решение обогревать помещения собственными силами, желая создать идеальное сочетание экономичности, тепла и комфорта. Именно поэтому особую актуальность приобретает гидравлический расчет системы отопления.

На начальном этапе предстоят финансовые траты. Однако новейшее отопительное оборудование обладает инновационным подходом к процессу регулирования подачи тепла по сравнению со старым, поэтому вложенные деньги быстро окупаются. Но такую гармонию могут обеспечить лишь системы, созданные по всем правилам. Они смогут профессионально преодолеть возникающее гидравлическое сопротивление.

Методы гидравлического расчета

Как мы уже сказали, гидравлический расчет можно сделать на онлайн-калькуляторе, при помощи специальной программы или же в таблице Excel. Первый вариант подойдет даже для тех, кто ничего не понимает в теплотехнике и гидравлике. Естественно, что таким методом можно получить только приблизительные значения, использовать которые в больших и сложных проектах нельзя.

Пример аксонометрической схемы.

Программное обеспечение стоит очень дорого и покупать его на один раз смысла нет, а вот сделать таблицу в Excel можно без вложений. Выполнить расчет, можно используя разные формулы:

• теоретической гидравлики;
• СНИПа 2.04.02-84.

Но также может отличаться и метод вычислений: удельных потерь давления или характеристик сопротивления. Последний не может применяться для гравитационных систем с естественной циркуляцией теплоносителя. При монтаже маленьких двухтрубных контуров обогрева с принудительной циркуляцией достаточно придерживаться нескольких простых правил. Основные магистрали делаются из полипропиленовых труб с наружным диаметром 25 мм. Отводы к радиаторам выполняется из труб 20 мм. А о том, как подобрать насос мы писали .

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.

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.

Нюансы

При гидравлическом расчете с помощью компьютера excel – не единственная, хоть и наиболее простая. Для данного вида подсчетов разработаны специализированные программы, с которыми работать значительно проще.

В роли расчетного трубопровода обычно выступает участок, имеющий неизменный расход носителя тепла и постоянный диаметр. Так будет проще получить правильные данные. Он определяется по тепловому балансу помещения.

Нумерация участков должна происходить от теплового источника. Чтобы обозначить узловые точки на трубопроводе, который осуществляет подачу, в местах ответвлений применяют буквы алфавита. На магистралях сборного типа в соответствующих узлах их обозначают штрихами (пример хорошо это иллюстрирует).

Узловые точки на ответвлениях приборных веток обозначаются арабскими цифрами. Каждая соответствует номеру этажа, если применяется система горизонтального типа, или номеру ветки-стояка с приборами, если речь идет о вертикальной системе. В номер всегда входят две цифры – начало и конец участка. Длина трубопроводных участков определяется по плану, который вычерчивается в масштабе. Точность составляет 0,1 м.

Расчет однотрубной системы отопления рекомендуется проводить при одинаковых (постоянных) или различных (переменных) перепадах температуры воды в стояках методом характеристик сопротивления. При этом следует применять верхнюю разводку, при которой обеспечивается движение воды к отопительному прибору «сверху-вниз».

Последовательность выполнения гидравлического расчета

1. Выбирается главное циркуляционное кольцо системы отопления (наиболее невыгодно расположенное в гидравлическом отношении). В тупиковых двухтрубных системах это кольцо, проходящее через нижний прибор самого удаленного и нагруженного стояка, в однотрубных – через наиболее удаленный и нагруженный стояк.

Например, в двухтрубной системе отопления с верхней разводкой главное циркуляционное кольцо пройдет от теплового пункта через главный стояк, подающую магистраль, через самый удаленный стояк, отопительный прибор нижнего этажа, обратную магистраль до теплового пункта.

В системах с попутным движением воды в качестве главного принимается кольцо, проходящее через средний наиболее нагруженный стояк.

2. Главное циркуляционное кольцо разбивается на участки (участок характеризуется постоянным расходом воды и одинаковым диаметром). На схеме проставляются номера участков, их длины и тепловые нагрузки. Тепловая нагрузка магистральных участков определяется суммированием тепловых нагрузок, обслуживаемых этими участками. Для выбора диаметра труб используются две величины:

а) заданный расход воды;

б) ориентировочные удельные потери давления на трение в расчетном циркуляционном кольце R_ср.

Для расчета R_cp необходимо знать длину главного циркуляционного кольца и расчетное циркуляционное давление.

3. Определяется расчетное циркуляционное давление по формуле

, (5.1)

где– давление, создаваемое насосом, Па. Практика проектирования системы отопления показала, что наиболее целесообразно принять давление насоса, равное

, (5.2)

где

– сумма длин участков главного циркуляционного кольца;

– естественное давление, возникающее при охлаждении воды в приборах, Па, можно определить как

, (5.3)

где– расстояние от центра насоса (элеватора) до центра прибора нижнего этажа, м.

Значение коэффициента можно определить из табл.5.1.

Таблица 5.1 – Значение в зависимости от расчетной температуры воды в системе отопления

(),C	, кг/(м3К)
85-65	0,6
95-70	0,64
105-70	0,66
115-70	0,68

– естественное давление, возникающее в результате охлаждения воды в трубопроводах .

В насосных системах с нижней разводкой величинойможно пренебречь.

1. Определяются удельные потери давления на трение

, (5.4)

где к=0,65 определяет долю потерь давления на трение.

5. Расход воды на участке определяется по формуле

(5.5)

гдеQ – тепловая нагрузка на участке, Вт:

(t_г – t_о) – разность температур теплоносителя.

6. По величинамиподбираются стандартные размеры труб .

6. Для выбранных диаметров трубопроводов и расчетных расходов воды определяется скорость движения теплоносителя v и устанавливаются фактические удельные потери давления на трение R_ф.

При подборе диаметров на участках с малыми расходами теплоносителя могут быть большие расхождения междуи. Заниженные потерина этих участках компенсируются завышением величинна других участках.

7. Определяются потери давления на трение на расчетном участке, Па:

. (5.6)

Результаты расчета заносят в табл.5.2.

8. Определяются потери давления в местных сопротивлениях, используя или формулу:

, (5.7)

где– сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном участке .

Значение ξ на каждом участке сводят в табл. 5.3.

Таблица 5.3 – Коэффициенты местных сопротивлений

№ п/п	Наименования участков и местных сопротивлений	Значения коэффициентов местных сопротивлений	Примечания

9. Определяют суммарные потери давления на каждом участке

. (5.8)

10. Определяют суммарные потери давления на трение и в местных сопротивлениях в главном циркуляционном кольце

. (5.9)

11. Сравнивают Δр с Δр_р. Суммарные потери давления по кольцу должны быть меньше величины Δр_р на

. (5.10)

Запас располагаемого давления необходим на неучтенные в расчете гидравлические сопротивления.

Если условия не выполняются, то необходимо на некоторых участках кольца изменить диаметры труб.

12. После расчета главного циркуляционного кольца производят увязку остальных колец. В каждом новом кольце рассчитывают только дополнительные не общие участки, параллельно соединенные с участками основного кольца.

Невязка потерь давлений на параллельно соединенных участках допускается до 15% при тупиковом движении воды и до 5% – при попутном.

Таблица 5.2 – Результаты гидравлического расчета для системы отопления

На схеме трубопровода

По предварительному расчету

По окончательному расчету

Номер участка

Тепловая нагрузка Q, Вт

Расход теплоносителя G, кг/ч

Длина участка l,м

Диаметрd, мм

Скоростьv, м/с

Удельные потери давления на трение R, Па/м

Потери давления на трение Δртр, Па

Сумма коэффициентов местных сопротивлений∑ξ

Потери давления в местных сопротивлениях Z

d, мм

v, м/с

R, Па/м

Δртр, Па

∑ξ

Z, Па

Rl+Z, Па

Занятие 6

Особенности расчета сечения металлических труб

Для больших отопительных систем с трубами из металлов необходимо учитывать потери тепла через стенки. Потери не так и велики, но при большой протяженности могут привести к тому, что на последних радиаторах температура будет совсем низкой из-за неправильного выбора диаметра.

q = k*3.14*(tв-tп)

q — тепловые потери метра трубы,

tв — температура воды в трубе — 80°С;

tп — температура воздуха в помещении — 22°С.

q = 0,272*3,15*(80-22)=49 Вт/с

Получается, что на каждом метре теряется почти 50 Вт тепла. Если протяженность значительная, это может стать критическим. Понятно, что чем больше сечение, тем больше будут потери. Если нужно учесть и эти потери, то при расчете потерь к снижению тепловой нагрузки на радиаторе добавляют потери на трубопроводе, а затем, по суммарному значению находят требуемый диаметр.

Определение диаметра труб системы отопления — непростая задача

Но для систем индивидуального отопления эти значения обычно некритичны. Тем более что при расчете теплопотерь и мощности оборудования, чаще всего округление расчетных величин делают в сторону увеличения. Это дает определенный запас, который позволяет не делать столь сложных расчетов.

Что такое гидравлический расчёт

Это третий этап в процессе создания тепловой сети. Он представляет собой систему вычислений, позволяющих определить:

• диаметр и пропускную способность труб;
• местные потери давления на участках;
• требования гидравлической увязки;
• общесистемные потери давления;
• оптимальный расход воды.

Для сезонного жилья, при отсутствии в нём электричества, подойдёт система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (ссылка на обзор ).

Основная цель гидравлического расчёта — обеспечить совпадение расчётных расходов по элементам цепи с фактическими (эксплуатационными) расходами. Количество теплоносителя, поступающего в радиаторы, должно создать тепловой баланс внутри дома с учётом наружных температур и тех, что заданы пользователем для каждого помещения согласно его функциональному назначению (подвал 5, спальня 18 и т.д.).

Комплексные задачи — минимизация расходов :

1. капитальных – монтаж труб оптимального диаметра и качества;
2. эксплуатационных:
   • зависимость энергозатрат от гидравлического сопротивления системы;
3. стабильность и надёжность;
4. бесшумность.

Замена централизованного режима теплоснабжения индивидуальным упрощает методику вычислений

Для автономного режима применимы 4 метода гидравлического расчёта системы отопления:

1. по удельным потерям (стандартный расчёт диаметра труб);
2. по длинам, приведённым к одному эквиваленту;
3. по характеристикам проводимости и сопротивления;
4. сопоставление динамических давлений.

Два последних помогут распределить горячую воду по кольцам системы, если перепад температуры в сети перестанет соответствовать перепаду в стояках/ответвлениях.

Согласно полученным данным осуществляют подбор насосов.

Для сезонного жилья, при отсутствии в нём электричества, подойдёт система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (ссылка на обзор).

Комплексные задачи — минимизация расходов:

1. капитальных – монтаж труб оптимального диаметра и качества;
2. эксплуатационных:
   • зависимость энергозатрат от гидравлического сопротивления системы;
3. стабильность и надёжность;
4. бесшумность.

Итоги гидравлического расчета

В итоге необходимо просуммировать сопротивления всех участков до каждого радиатора и сравнить с контрольными значениями. Для того, чтобы насос, встроенный в газовый котел, обеспечил теплом все радиаторы, потери напора на самой длинной ветке не должны превышать 20000 Па. Скорость движения теплоносителя на любом участке должна быть в диапазоне 0,25 — 1,5 м/с. При скорости выше 1,5 м/с в трубах может появиться шум, а минимальная скорость в 0,25 м/с рекомендуется по СНиП 2.04.05-91 во избежание завоздушивания труб.

Для того, чтобы выдержать вышеуказанные условия, достаточно правильно подобрать диаметры труб. Это можно сделать по таблице.

Труба	Минимальная мощность, кВт	Максимальная мощность, кВт
Металлопластиковая труба 16 мм	2,8	4,5
Металлопластиковая труба 20 мм	5	8
Металлопластиковая труба 26 мм	8	13
Металлопластиковая труба 32 мм	13	21
Полипропиленовая труба 20 мм	4	7
Полипропиленовая труба 25 мм	6	11
Полипропиленовая труба 32 мм	10	18
Полипропиленовая труба 40 мм	16	28

В ней указана суммарная мощность радиаторов, которые труба обеспечивает теплом.