Как сделать гидравлический расчет системы отопления

Нужно отметить, что инженерные расчеты систем водоснабжения и отопления никак нельзя назвать простыми, но без них обойтись невозможно, только очень опытный специалист-практик может нарисовать систему отопления «на глазок» и безошибочно подобрать диаметры труб. Это если схема достаточно проста и предназначена для обогрева небольшого дома высотой 1 или 2 этажа. А когда речь идет о сложных двухтрубных системах, то рассчитывать их все равно придется. Эта статья для тех, кто решился самостоятельно выполнить расчет системы отопления частного дома. Мы изложим методику несколько упрощенно, но так, чтобы получить максимально точные результаты.

Цель и ход выполнения расчета

Конечно, за результатами можно обратиться к специалистам либо воспользоваться онлайн-калькулятором, коих хватает на всяких интернет-ресурсах. Но первое стоит денег, а второе может дать некорректный результат и его все равно надо проверять.

Так что лучше набраться терпения и взяться за дело самому. Надо понимать, что практическая цель гидравлического расчета – это подбор проходных сечений труб и определение перепада давления во всей системе, чтобы верно выбрать циркуляционный насос.

Примечание. Давая рекомендации по выполнению вычислений подразумевается, что теплотехнические расчеты уже сделаны, и радиаторы подобраны по мощности. Если же нет, то придется идти старым путем: принимать тепловую мощность каждого радиатора по квадратуре помещения, но тогда точность расчета снизится.

Общая схема расчета выглядит таким образом:

• подготовка аксонометрической схемы: когда уже выполнен расчет отопительных приборов, то известна их мощность, ее надо нанести на чертеж возле каждого радиатора;
• определение расхода теплоносителя и диаметров трубопроводов;
• расчет сопротивления системы и подбор циркуляционного насоса;
• расчет объема воды в системе и вместительности расширительного бака.

Любой гидравлический расчет системы отопления начинается со схемы, нарисованной в 3 измерениях для наглядности (аксонометрия). На нее наносятся все известные данные, в качестве примера возьмем участок системы, изображенный на чертеже:

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.

Имеем: 86 / 3600 х 0,983 = 0.024 л/сек. Потребность в переводе единиц объясняется необходимостью использования специальных готовых таблиц для определения диаметра трубы в частном доме. Они есть в свободном доступе и называются «Таблицы Шевелева для гидравлических расчетов». Скачать их можно, перейдя по ссылке: http://dwg.ru/dnl/11875

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:

Примечание. В левом столбце под диаметром сразу же указывается скорость движения воды. Для систем отопления ее значение должно лежать в пределах 0.2—0.5 м/сек.

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):

Важно. Для систем отопления с естественной циркуляцией скорость движения теплоносителя должна составлять 0.1—0.2 м/сек.

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 циркуляционного насоса

Подбор и расчет насоса заключается в том, чтобы выяснить потери давления теплоносителя, протекающего по всей сети трубопроводов. Результатом станет цифра, показывающая, какое давление следует развивать циркуляционному насосу, чтобы «продавить» воду по системе. Это давление вычисляют по формуле:

P = Rl + Z, где:

• Р – потери давления в сети трубопроводов, Па;
• R – удельное сопротивление трению, Па/м;
• l – длина трубы на одном участке, м;
• Z – потеря давления в местных сопротивлениях, Па.

Примечание. Двух – и однотрубная система отопления рассчитываются одинаково, по длине трубы во всех ветвях, а в первом случае — прямой и обратной магистрали.

Данный расчет достаточно громоздкий и сложный, в то время как значение Rl для каждого участка можно легко найти по тем же таблицам Шевелева. В примере синим кружочком отмечены значения 1000i на каждом участке, его надо только пересчитать по длине трубы. Возьмем первый участок из примера, его протяженность 5 м. Тогда сопротивление трению будет:

Rl = 26.6 / 1000 х 5 = 0.13 Бар.

Так же производим просчет всех участков попутной системы отопления, а потом результаты суммируем. Остается узнать значение Z, перепад давления в местных сопротивлениях. Для котла и радиаторов эти цифры указаны в паспорте на изделие. На все прочие сопротивления мы советуем взять 20% от общих потерь на трение Rl и все эти показатели просуммировать. Полученное значение умножаем на коэффициент запаса 1.3, это и будет необходимый напор насоса.

Следует знать, что производительность насоса – это не емкость системы отопления, а общий расход воды по всем ветвям и стоякам. Пример его расчета представлен в предыдущем разделе, только для подбора перекачивающего агрегата нужно тоже предусмотреть запас не менее 20%.

Расчет расширительного бака

Чтобы произвести расчет расширительного бака для закрытой системы отопления, необходимо выяснить, насколько увеличивается объем жидкости при ее нагреве от комнатной температуры +20 ºС до рабочей, находящейся в пределах 50—80 ºС. Эта задача тоже не из простых, но ее можно решить другим способом.

Вполне корректным считается принимать объем бака в размере десятой части от всего количества воды в системе, включая радиаторы и водяную рубашку котла. Поэтому снова открываем паспорта оборудования и находим в них вместительность 1 секции батареи и котлового бака.

Далее, расчет объема теплоносителя в системе отопления выполняется по простой схеме: вычисляется площадь поперечного сечения трубы каждого диаметра и умножается на ее длину. Полученные значения суммируются, к ним прибавляются паспортные данные, а потом от результата берется десятая часть. То есть, если во всей системе 150 л воды, то вместительность расширительного бака должна составлять 15 л.

Заключение

Многие, прочитав данную статью, могут отказаться от намерения считать гидравлику самостоятельно ввиду явной сложности процесса. Рекомендация для них – обратиться к специалисту-практику. Те же, кто проявил желание и уже сделал расчет тепловой мощности отопления на здание, наверняка справятся и с этой задачей. Но готовую схему с результатами все равно стоит показать опытному монтажнику для проверки.

Гидравлический расчет системы отопления

Доброго всем времени суток! Сегодня я опишу как нужно делать гидравлический расчет системы отопления и что это вообще такое. Начнем с последнего вопроса.

Что такое гидравлический расчет и для чего он нужен?

Гидравлический расчет системы отопления 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.

Теория гидравлического расчета системы отопления

Теоретически ГР отопления основан на следующем уравнении:

Данное равенство справедливо для конкретного участка.

Расшифровывается это уравнение следующим образом:

• ΔP — линейные потери давления.
• R — удельные потери давления в трубе.
• l — длина труб.
• z — потери давления в отводах, запорной арматуре.

Из формулы видно, что потери давления тем больше, чем она длиннее и чем больше в ней отводов или других элементов, уменьшающих проход или меняющих направление потока жидкости.

Давайте выведем чему равны R и z. Для этого рассмотрим еще одно уравнение, показывающее потери давления от трения об стенки труб:

Это уравнение Дарси — Вейсбаха. Давайте расшифруем его:

• λ — коэффициент, зависящий от характера движения трубы.
• d — внутренний диаметр трубы.
• v — скорость движения жидкости.
• ρ — плотность жидкости.

Из этого уравнения устанавливается важная зависимость — потери давления на трение тем меньше, чем больше внутренний диаметр труб и меньше скорость движения жидкости.

Причем, зависимость от скорости здесь квадратичная. Потери в отводах, тройниках и запорной арматуре определяются по другой формуле:

• ξ — коэффициент местного сопротивления (далее КМС).
• v — скорость движения жидкости.
• ρ — плотность жидкости.

Из данного уравнения также видно, что падение давления возрастает с увеличением скорости жидкости.

Также, стоит сказать, что в случае применения низкозамерзающего теплоносителя также будет играть важную роль его плотность — чем она выше тем тяжелее циркуляционному насосу.

Поэтому при переходе на «незамерзайку» возможно придется заменить циркуляционный насос.

Из всего вышеизложенного выведем следующее равенство:

Отсюда получаем следующие равенства для R и z:

Теперь давайте разберемся в том, как используя эти формулы рассчитать гидравлическое сопротивление.

Гидравлический расчет системы отопления: пример расчета

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:

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:

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.

Итоги статьи

Расчет гидравлического сопротивления системы отопления дело прямо-таки не самое простое и требующее опыта.

Ошибки здесь могут стоить очень дорого. Отдельные ветки и стояки могут не работать. По ним просто не будет циркуляции.

По этой причине лучше чтобы этим занимались люди с образованием и опытом таких работ.

Сами монтажники практически никогда не занимаются расчетами.

Они везде стремятся делать одни и те же решения, которые работали у них ранее.

Но то, что работало у другого человека не обязательно будет работать у вас.

По этому настоятельно рекомендую обратиться к инженеру и сделать полноценный проект. На этом пока все, жду ваших вопросов в комментариях.