Пример гидравлического расчета горизонтальной двухтрубной системы отопления с применением радиаторных узлов «ГЕРЦ-3000»

Отопление на основе циркуляции горячей воды – наиболее распространенный вариант обустройства частного дома. Для грамотной разработки системы необходимо иметь предварительные результаты анализа, так называемый гидравлический расчет системы отопления, увязывающий давление на всех участках сети с диаметрами труб.

В представленной статье подробно описана методика вычислений. Чтобы лучше понять алгоритм действий, мы рассмотрели порядок расчета на конкретном примере.

Придерживаясь описанной последовательности, получится определить оптимальный диаметр магистрали, количество отопительных приборов, мощность котла и прочие параметры системы, необходимые для обустройства эффективного индивидуального теплоснабжения.

Последовательность шагов расчета

Говоря о расчете системы отопления, отмечаем что эта процедура является наиболее неоднозначной и важной в части проектирования.

Перед выполнением расчёта нужно произвести предварительный анализ будущей системы, например:

• установить тепловой баланс во всех и конкретно каждой комнаты квартиры;
• одобрать терморегуляторы, клапаны и регуляторы давления;
• выбрать радиаторы, теплообменные поверхности, теплоотдающие панели;
• определить участки системы с максимальным и минимальным расходом носителя тепла.

Кроме того, надо определить общую схему транспортировки теплоносителя: полный и малый контур, однотрубная система или двухтрубная магистраль.

В результате проведения гидравлического расчёта получаем несколько важных характеристик гидравлической системы, которые дают ответы на следующие вопросы:

• какая должна быть мощность источника отопления;
• какой расход и скорость теплоносителя;
• какой нужен диаметр основной магистрали теплового трубопровода;
• какие возможные потери теплоты и самой массы теплоносителя.

Еще одним важным аспектом гидравлического расчёт является процедура баланса (увязки) всех частей (веток) системы во время экстремальных тепловых режимов с помощью регулирующих приборов.

Выделяют несколько основных видов отопительных изделий: чугунные и алюминиевые многосекционные, стальные панельные, биметаллические радиаторы и ковекторы. Но наиболее распространёнными являются алюминиевые многосекционные радиаторы

Расчетной зоной трубопроводной магистрали есть участок с постоянным диаметром самой магистрали, а также неизменяемым расходом горячей воды, который определён по формуле теплового баланса комнат. Перечисление расчётных зон начинается от насоса или источника тепла.

С чего начать расчет гидравлики для горизонтальной двухтрубной отопительной системы?

Начинать расчёты надо «от печки», в прямом смысле слова. Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления, можно выполнять только после того, как определено, на каком топливе будет работать установленный у вас котёл.

После этого можно приступать к собственно расчетам, главной целью которых является:

1. Определение требуемого количества отопительных приборов и мощности насоса.
2. Уточнение количества и суммарной длины трубопроводов, их требуемых диаметров.
3. Определение вероятных тепловых потерь.

Все расчёты выполняются по предварительно вычерченной в масштабе схеме отопления, на которую следует нанести все составляющие её элементы, до последнего крана. В дополнение к ней вам потребуются базовые формулы, специальные расчётные таблицы и соответствующая программа (всё это легко найти в интернете).

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.

Что такое гидравлический расчет и зачем он нужен?

Гидравлический расчет (далее ГР) — это математический алгоритм, в результате выполнения которого мы получим необходимый диаметр труб в данной системе (имеется ввиду внутренний диаметр). Кроме того, будет понятно какой нам необходимо использовать циркуляционный насос — определяется напор и расход насоса. Все это даст возможность сделать систему отопления экономически оптимальной. Производится он на основании законов гидравлики — специального раздела физики, посвященного движению и равновесию в жидкостях.

Как производится сбор данных

Гидравлический расчёт системы в большинстве своём основывается на вычислениях связанных с расчетом отопления по площади помещения.

Поэтому необходимо иметь следующую информацию:

• площадь каждого отдельного помещения;
• габариты оконных и дверных разъёмов (внутренние двери на потери теплоты практически не влияют);
• климатические условия, особенности региона.

Будем исходить из следующих данных. Площадь общей комнаты – 18,83 м2, спальня – 14,86 м2, кухня – 10,46 м2, балкон – 7,83 м2 (сумма), коридор – 9,72 м2 (сумма), ванная – 3,60 м2, туалет – 1,5 м2. Входные двери – 2,20 м2, оконная витрина общей комнаты – 8,1 м2, окно спальни – 1,96 м2, окно кухни – 1,96 м2.

Высота стен квартиры – 2 метра 70 см. Внешние стены изготовлены с бетона класса В7 плюс внутренняя штукатурка, толщиной 300 мм. Внутренние стены и перегородки – несущие 120 мм, обычные – 80 мм. Пол и соответственно потолок из бетонных плит перекрытия класса В15, толщина 200 мм.

Планировка данной квартиры предоставляет возможность создать одну единственную ветку отопления, проходящую через кухню, спальню и общую комнату, что обеспечит среднюю температуру 20-22⁰C в помещениях (+)

Что касаемо окружающей среды? Квартира находится в доме, который расположен в средине микрорайона небольшого города. Город расположен в некой низменности, высота над уровнем моря 130-150 м. Климат умеренно континентальный с прохладной зимой и достаточно тёплым летом.

Средняя годовая температура, +7,6°C. Средняя температура января -6,6°C, июля +18,7°C. Ветер — 3,5 м/с, влажность воздуха средняя — 74 %, количество осадков 569 мм.

Анализируя климатические условия региона, нужно отметить, что имеем дело с большим разбросом температур, что в свою очередь влияет на особое требование к регулировке системы отопления квартиры.

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.

Если в доме стоит печка, отопить она сможет лишь небольшое помещение. Установка батарей отопления в частном доме большой площади обязательна, так как в противном случае отдаленные от печи комнаты отапливаться не будут.

Основные характеристики газового котла Buderus представлены в этом обзоре.

О том, как запустить газовый котел, расскажем в этой статье.

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:

• северные области – 1,5 – 2 кВт/м2;
• центральная зона – 1 – 1,5 кВт/м2;
• южные регионы – 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, то есть – 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.

Расчёт объема воды и вместительность расширительного бака

Объем расширительного бачка должен равняться 1/10 всего объема жидкости
Для расчета рабочих характеристик расширительного бачка, обязательного для любой системы отопления закрытого типа, потребуется разобраться с явлением увеличения объема жидкости в ней. Этот показатель оценивается с учетом изменения основных рабочих характеристик, включая колебания ее температуры. Она в этом случае изменяется в очень широком диапазоне – от комнатных +20 градусов и вплоть до рабочих значений в пределах 50-80 градусов.

Вычислить объем расширительного бака удастся без лишних проблем, если воспользоваться проверенной на практике приблизительной оценкой. Она основана на опыте эксплуатации оборудования, согласно которому объем расширительного бачка составляет примерно одну десятую часть от общего количества теплоносителя, циркулирующего в системе

При этом во внимание принимаются все ее элементы, включая отопительные радиаторы (батареи), а также водяную рубашку котельного агрегата. Для определения точного значения искомого показателя потребуется взять паспорт эксплуатируемого оборудования и найти в нем пункты, касающиеся емкости батарей и рабочего бака котла

После их определения излишки теплоносителя в системе найти совсем несложно. Для этого сначала вычисляется площадь поперечного сечения полипропиленовых труб, а затем полученное значение умножается на длину трубопровода. После суммирования по всем веткам отопительной системы к ним добавляются взятые из паспорта цифры для радиаторов и котла. От итоговой суммы затем отсчитывается одна десятая часть.

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 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 может 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 л.

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).

Подставив в формулу расчетные данные, имеем: (0.86 * 8080* 0.95)/80-60 = 6601,36/20=330кг/ч. Таким образом за один час в системе перемещается 330 л теплоносителя (воды), а ёмкость системы около 110 л.

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

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.