Экономичность теплового комфорта в доме обеспечивают расчет гидравлики, её качественный монтаж и правильная эксплуатация. Главные компоненты отопительной системы — источник тепла (котёл), тепловая магистраль (трубы) и приборы теплоотдачи (радиаторы). Для эффективного теплоснабжения необходимо сохранить первоначальные параметры системы при любых нагрузках независимо от времени года. Перед началом гидравлических расчётов выполняют:
- Сбор и обработку информации по объекту с целью: определения количества требуемого тепла;
- выбора схемы отопления.
- объёмов тепловой энергии;
Если водяное отопление признаётся оптимальным вариантом, выполняется гидравлический расчёт.
Для расчёта гидравлики с помощью программ требуется знакомство с теорией и законами сопротивления. Если приведенные ниже формулы покажутся вам сложными для понимания, можно выбрать параметры, которые мы предлагаем в каждой из программ.
Расчёты проводились в программе Excel. Готовый результат можно посмотреть в конце инструкции.
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.
Согласно полученным данным осуществляют подбор насосов.
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:
- капитальных – монтаж труб оптимального диаметра и качества;
- эксплуатационных:
- зависимость энергозатрат от гидравлического сопротивления системы;
- стабильность и надёжность;
- бесшумность.
Замена централизованного режима теплоснабжения индивидуальным упрощает методику вычислений
Для автономного режима применимы 4 метода гидравлического расчёта системы отопления:
- по удельным потерям (стандартный расчёт диаметра труб);
- по длинам, приведённым к одному эквиваленту;
- по характеристикам проводимости и сопротивления;
- сопоставление динамических давлений.
Два первых метода используются при неизменном перепаде температуры в сети.
Два последних помогут распределить горячую воду по кольцам системы, если перепад температуры в сети перестанет соответствовать перепаду в стояках/ответвлениях.
Расчет гидравлики системы отопления
Нам потребуются данные теплового расчёта помещений и аксонометрической схемы.
Аксонометрическая схема
Вынесите данные в эту таблицу:
| № расчётного участка | Тепловая нагрузка | Длина |
| записать | записать | записать |
Шаг 1: считаем диаметр труб
В качестве исходных данных используются экономически обоснованные результаты теплового расчёта:
1а. Оптимальная разница между горячим (tг) и охлаждённым( tо) теплоносителем для двухтрубной системы – 20º
- Δtco=tг- tо=90º-70º=20ºС
1б. Расход теплоносителя G, кг/час — для однотрубной системы.
2. Оптимальная скорость движения теплоносителя – ν 0,3-0,7 м/с.
Чем меньше внутренний диаметр труб — тем выше скорость. Достигая отметки 0,6 м/с, движение воды начинает сопровождаться шумом в системе.
3. Расчётная скорость теплопотока – Q, Вт.
Выражает количество тепла (W, Дж), переданного в секунду (единицу времени τ):
Формула для расчёта скорости теплопотока
4. Расчетная плотность воды: ρ = 971,8 кг/м3 при tср = 80 °С
5. Параметры участков:
| Участок | Длина участка, м | Число приборов N, шт |
| 1 — 2 | 1.78 | 1 |
| 2 — 3 | 2.60 | 1 |
| 3 — 4 | 2.80 | 2 |
| 4 — 5 | 2.80 | 2 |
| 5 — 6 | 2.80 | 4 |
| 6 — 7 | 2.80 | |
| 7 — 8 | 2.20 | |
| 8 — 9 | 6.10 | 1 |
| 9 — 10 | 0.5 | 1 |
| 10 — 11 | 0.5 | 1 |
| 11 — 12 | 0.2 | 1 |
| 12 — 13 | 0.1 | 1 |
| 13 — 14 | 0.3 | 1 |
| 14 — 15 | 1.00 | 1 |
Для определения внутреннего диаметра по каждому участку удобно пользоваться таблицей.
Расшифровка сокращений:
- зависимость скорости движения воды — ν, с
- теплового потока — Q, Вт
- расхода воды G, кг/час от внутреннего диаметра труб
| Ø 8 | Ø 10 | Ø 12 | Ø 15 | Ø 20 | Ø 25 | Ø 50 | ||||||||||||||
| ν | Q | G | v | Q | G | v | Q | G | v | Q | G | v | Q | G | v | Q | G | v | Q | G |
| 0.3 | 1226 | 53 | 0.3 | 1916 | 82 | 0.3 | 2759 | 119 | 0.3 | 4311 | 185 | 0.3 | 7664 | 330 | 0.3 | 11975 | 515 | 0.3 | 47901 | 2060 |
| 0.4 | 1635 | 70 | 0.4 | 2555 | 110 | 0.4 | 3679 | 158 | 0.4 | 5748 | 247 | 0.4 | 10219 | 439 | 0.4 | 15967 | 687 | 0.4 | 63968 | 2746 |
| 0.5 | 2044 | 88 | 0.5 | 3193 | 137 | 0.5 | 4598 | 198 | 0.5 | 7185 | 309 | 0.5 | 12774 | 549 | 0.5 | 19959 | 858 | 0.5 | 79835 | 3433 |
| 0.6 | 2453 | 105 | 0.6 | 3832 | 165 | 0.6 | 5518 | 237 | 0.6 | 8622 | 371 | 0.6 | 15328 | 659 | 0.6 | 23950 | 1030 | 0.6 | 95802 | 4120 |
| 0.7 | 2861 | 123 | 0.7 | 4471 | 192 | 0.7 | 6438 | 277 | 0.7 | 10059 | 433 | 0.7 | 17883 | 769 | 0.7 | 27942 | 1207 | 0.7 | 111768 | 4806 |
Пример
Задача: подобрать диаметр трубы для отопления гостиной площадью 18 м², высота потолка 2,7 м.
Данные проекта:
- двухтрубная схема разводки;
- циркуляция — принудительная (насос).
Среднестатистические данные:
- расход мощности – 1 кВт на 30 м³
- запас тепловой мощности – 20%
Расчёт:
- объём помещения: 18 * 2,7 = 48,6 м³
- расход мощности: 48,6 / 30 = 1,62 кВт
- запас на случай морозов: 1,62 * 20% = 0,324 кВт
- итоговая мощность: 1,62 + 0,324 = 1,944 кВт
Находим в таблице наиболее близкое значения Q:
Получаем интервал внутреннего диаметра: 8-10 мм. Участок: 3-4. Длина участка: 2.8 метров.
Шаг 2: вычисление местных сопротивлений
Чтобы определиться с материалом труб, необходимо сравнить показатели их гидравлического сопротивления на всех участках отопительной системы.
Факторы возникновения сопротивления:
Трубы для отопления
- в самой трубе: шероховатость;
- место сужения/расширения диаметра;
- поворот;
- протяжённость.
- тройник;
Расчетным участком является труба постоянного диаметра с неизменным расходом воды, соответствующим проектному тепловому балансу помещения.
Для определения потерь берутся данные с учётом сопротивления в регулирующей арматуре:
- длина трубы на расчётном участке/l,м;
- диаметр трубы расчётного участка/d,мм;
- принятая скорость теплоносителя/u, м/с;
- данные регулирующей арматуры от производителя;
- справочные данные:
- коэффициент трения/λ;
- потери на трение/∆Рl, Па;
- расчетная плотность жидкости/ρ = 971,8 кг/м3;
- технические характеристики изделия:
- эквивалентная шероховатость трубы/kэ мм;
- толщина стенки трубы/dн×δ, мм.
Для материалов со сходными значениями kэ производители предоставляют значение удельных потерь давления R, Па/м по всему сортаменту труб.
Чтобы самостоятельно определить удельные потери на трение/R, Па/м, достаточно знать наружный d трубы, толщину стенки/dн×δ, мм и скорость подачи воды/W, м/с (или расход воды/G, кг/ч).
Для поиска гидросопротивления/ΔP в одном участке сети подставляем данные в формулу Дарси-Вейсбаха: Для стальных и полимерных труб (из полипропилена, полиэтилена, стекловолокна и т.д.) коэффициент трения/ λ наиболее точно вычисляется по формуле Альтшуля: Re — число Рейнольдса, находится по упрощённой формуле (Re=v*d/ν) или с помощью онлайн-калькулятора:
Шаг 3: гидравлическая увязка
Для балансировки перепадов давления понадобится запорная и регулирующая арматура.
Исходные данные:
- проектная нагрузка (массовый расход теплоносителя — воды или низкозамерзающей жидкости для систем отопления);
- данные производителей труб по удельному динамическому сопротивлению/А, Па/(кг/ч)²;
- технические характеристики арматуры.
- количество местных сопротивлений на участке.
Задача: выровнять гидравлические потери в сети.
В гидравлическом расчёте для каждого клапана задаются установочные характеристики (крепление, перепад давления, пропускная способность). По характеристикам сопротивления определяют коэффициенты затекания в каждый стояк и далее — в каждый прибор.
Фрагмент заводских характеристик поворотного затвора
Выберем для вычислений метод характеристик сопротивления S,Па/(кг/ч)².
Потери давления/∆P, Па прямо пропорциональны квадрату расхода воды по участку/G, кг/ч: В физическом смысле S — это потери давления на 1 кг/ч теплоносителя: где:
- ξпр — приведенный коэффициент для местных сопротивлений участка;
- А — динамическое удельное давление, Па/(кг/ч)².
Удельным считается динамическое давление, возникающее при массовом расходе 1 кг/ч теплоносителя в трубе заданного диаметра (информация предоставляется производителем).
Σξ — слагаемое коэффициентов по местным сопротивлениям в участке.
Приведенный коэффициент: Он суммирует все местные сопротивления: С величиной: которая соответствует коэффициенту местного сопротивления с учётом потерь от гидравлического трения.
Шаг 4: определение потерь
Гидравлическое сопротивление в главном циркуляционном кольце представлено суммой потерь его элементов:
- первичного контура/ΔPIк ;
- местных систем/ΔPм;
- теплогенератора/ΔPтг;
- теплообменника/ΔPто.
Сумма величин даёт нам гидравлическое сопротивление системы/ΔPсо:
Вычисление местных сопротивлений
Местные сопротивления возникают в трубе и арматуре. На величину данных показателей влияют:
- шероховатость внутренней поверхности трубы;
- наличие мест расширения или сужения внутреннего диаметра трубопровода;
- повороты;
- протяженность;
- наличие тройников, шаровых кранов, приборов балансировки и их количество.
Сопротивление рассчитывается для каждого участка, который характеризуется постоянным диаметром и неизменным расходом теплоносителя (в соответствии с тепловым балансом помещения).
Исходные данные для расчета:
- длина расчетного участка – l, м;
- диаметр трубы – d, мм;
- заданная скорость теплоносителя – u, мм;
- характеристики регулирующей арматуры, предоставляемые производителем;
- коэффициент трения (зависит от материала трубы), λ;
- потери на трение – ∆Pl, Па;
- плотность теплоносителя (расчетная) – ρ = 971,8 кг/м3;
- толщина стенки трубы – dн х δ, мм;
- эквивалентная шероховатость трубы – kэ, мм.
Гидравлическое сопротивление – ∆P на участке сети рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха.
Символ ξ в формуле означает коэффициент местного сопротивления.
Обзор программ
Для удобства расчётов применяются любительские и профессиональные программы вычисления гидравлики.
Самой популярной является Excel.
Можно воспользоваться онлайн-расчётом в Excel Online, CombiMix 1.0, или онлайн-калькулятором гидравлического расчёта. Стационарную программу подбирают с учётом требований проекта.
Главная трудность в работе с такими программами — незнание основ гидравлики. В некоторых из них отсутствуют расшифровки формул, не рассматриваются особенности разветвления трубопроводов и вычисления сопротивлений в сложных цепях.
Особенности программ:
- HERZ C.O. 3.5 – производит расчёт по методу удельных линейных потерь давления.
- DanfossCO и OvertopCO – умеют считать системы с естественной циркуляцией.
- «Поток» (Potok) — позволяет применять метод расчёта с переменным (скользящим) перепадом температур по стоякам.
Следует уточнять параметры ввода данных по температуре — по Кельвину/по Цельсию.
Как работать в EXCEL
Использование таблиц Excel очень удобно, поскольку результаты гидравлического расчёта всегда сводятся к табличной форме. Достаточно определить последовательность действий и подготовить точные формулы.
Ввод исходных данных
Выбирается ячейка и вводится величина. Вся остальная информация просто принимается к сведению.
| Ячейка | Величина | Значение, обозначение, единица выражения |
| D4 | 45,000 | Расход воды G в т/час |
| D5 | 95,0 | Температура на входе tвх в °C |
| D6 | 70,0 | Температура на выходе tвых в °C |
| D7 | 100,0 | Внутренний диаметр d, мм |
| D8 | 100,000 | Длина, L в м |
| D9 | 1,000 | Эквивалентная шероховатость труб ∆ в мм |
| D10 | 1,89 | Сумма коэф. местных сопротивлений — Σ(ξ) |
Пояснения:
- значение в D9 берётся из справочника;
- значение в D10 характеризует сопротивления в местах сварных швов.
Формулы и алгоритмы
Выбираем ячейки и вводим алгоритм, а также формулы теоретической гидравлики.
| Ячейка | Алгоритм | Формула | Результат | Значение результата |
| D12 | !ERROR! D5 does not contain a number or expression | tср=(tвх+tвых)/2 | 82,5 | Средняя температура воды tср в °C |
| D13 | !ERROR! D12 does not contain a number or expression | n=0,0178/(1+0,0337*tср+0,000221*tср2) | 0,003368 | Кинематический коэф. вязкости воды — n, cм2/с при tср |
| D14 | !ERROR! D12 does not contain a number or expression | ρ=(-0,003*tср2-0,1511*tср+1003, 1)/1000 | 0,970 | Средняя плотность воды ρ,т/м3 при tср |
| D15 | !ERROR! D4 does not contain a number or expression | G’=G*1000/(ρ*60) | 773,024 | Расход воды G’, л/мин |
| D16 | !ERROR! D4 does not contain a number or expression | v=4*G:(ρ*π*(d:1000)2*3600) | 1,640 | Скорость воды v, м/с |
| D17 | !ERROR! D16 does not contain a number or expression | Re=v*d*10/n | 487001,4 | Число Рейнольдса Re |
| D18 | !ERROR! Cell D17 does not exist | λ=64/Re при Re≤2320 λ=0,0000147*Re при 2320≤Re≤4000 λ=0,11*(68/Re+∆/d)0,25 при Re≥4000 | 0,035 | Коэффициент гидравлического трения λ |
| D19 | !ERROR! Cell D18 does not exist | R=λ*v2*ρ*100/(2*9,81*d) | 0,004645 | Удельные потери давления на трение R, кг/(см2*м) |
| D20 | !ERROR! Cell D19 does not exist | dPтр=R*L | 0,464485 | Потери давления на трение dPтр, кг/см2 |
| D21 | !ERROR! Cell D20 does not exist | dPтр=dPтр*9,81*10000 | 45565,9 | и Па соответственно D20 |
| D22 | !ERROR! D10 does not contain a number or expression | dPмс=Σ(ξ)*v2*ρ/(2*9,81*10) | 0,025150 | Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/см2 |
| D23 | !ERROR! Cell D22 does not exist | dPтр=dPмс*9,81*10000 | 2467,2 | и Па соответственно D22 |
| D24 | !ERROR! Cell D20 does not exist | dP=dPтр+dPмс | 0,489634 | Расчетные потери давления dP, кг/см2 |
| D25 | !ERROR! Cell D24 does not exist | dP=dP*9,81*10000 | 48033,1 | и Па соответственно D24 |
| D26 | !ERROR! Cell D25 does not exist | S=dP/G2 | 23,720 | Характеристика сопротивления S, Па/(т/ч)2 |
Пояснения:
- значение D15 пересчитывается в литрах, так легче воспринимать величину расхода;
- ячейка D16 — добавляем форматирование по условию: «Если v не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки красный/шрифт белый».
Для трубопроводов с перепадом высот входа и выхода к результатам добавляется статическое давление: 1 кг/см2 на 10 м.
Оформление результатов
Авторское цветовое решение несёт функциональную нагрузку:
- Светло-бирюзовые ячейки содержат исходные данные – их можно менять.
- Бледно-зелёные ячейка — вводимые константы или данные, мало подверженные изменениям.
- Жёлтые ячейки — вспомогательные предварительные расчёты.
- Светло-жёлтые ячейки — результаты расчётов.
- Шрифты: синий — исходные данные;
- чёрный — промежуточные/неглавные результаты;
- красный — главные и окончательные результаты гидравлического расчёта.
Результаты в таблице Эксель
Пример от Александра Воробьёва
Пример несложного гидравлического расчёта в программе Excel для горизонтального участка трубопровода.
Исходные данные:
- длина трубы100 метров;
- ø108 мм;
- толщина стенки 4 мм.
Таблица результатов расчёта местных сопротивлений
Усложняя шаг за шагом расчёты в программе Excel, вы лучше осваиваете теорию и частично экономите на проектных работах. Благодаря грамотному подходу, ваша система отопления станет оптимальной по затратам и теплоотдаче.
Расчет диаметра труб
Расчет сечения труб должен опираться на результаты теплового расчета, обоснованные экономически:
- для двухтрубной системы – разность между tr (горячим теплоносителем) и to (охлажденным – обраткой);
- для однотрубной – расход теплоносителя G, кг/ч.
Кроме того, в расчете должна учитываться скорость движения рабочей жидкости (теплоносителя) – V . Ее оптимальная величина находится в диапазоне 0,3-0,7 м/с. Скорость обратно пропорциональна внутреннему диаметру трубы.
При скорости движения воды, равной 0,6 м/с в системе появляется характерный шум, если же она менее 0,2 м/с, появляется риск возникновения воздушных пробок.
Для расчетов потребуется еще одна скоростная характеристика – скорость теплопотока. Она обозначается буквой Q, измеряется в ваттах и выражается в количестве тепла, переданного в единицу времени
Q (Вт) = W (Дж)/t (с)
Кроме вышеперечисленных исходных данных для расчета потребуются параметры отопительной системы – длина каждого участка с указанием приборов, подключенных к нему. Эти данные для удобства можно свести в таблицу, пример которой приведен ниже.
Таблица параметров участков
| Обозначение участка | Длина участка в метрах | Количество приборов а участке, шт. |
| 1-2 | 1,8 | 1 |
| 2-3 | 3,0 | 1 |
| 3-4 | 2,8 | 2 |
| 4-5 | 2,9 | 2 |
Расчет диаметров труб достаточно сложный, поэтому проще воспользоваться справочными таблицами. Их можно найти на сайтах производителей труб, в СНиП или специальной литературе.
Монтажники при подборе диаметра труб пользуются правилом, выведенным на основании анализа большого числа отопительных систем. Правда, это касается только небольших частных домов и квартир. Практически все отопительные котлы оборудованы патрубками подачи и обратки ¾ и ½ дюйма. Такой трубой и выполняется разводка до первого разветвления. Далее на каждом участке размер трубы уменьшают на один шаг.
Такой подход не оправдывает себя, если в доме имеется два или более этажей. В этом случае приходится производит полноценный расчет и обращаться к таблицам.
