Гидравлический расчет системы отопления: главные цели и задачи выполнения данного действия

Эффективность отопительной системы вовсе не гарантируют качественные трубы и высокопроизводительный теплогенератор.

Наличие ошибок, допущенных при монтаже, может свести на нет работу котла, работающего на полную мощность: либо в помещениях будет холодно, либо затраты на энергоносители будут неоправданно высокими.

Поэтому важно начинать с разработки проекта, одним из важнейших разделов которого является гидравлический расчет системы отопления.

Расчет гидравлики водяной системы отопления

Теплоноситель циркулирует по системе под давлением, которое не является постоянной величиной. Оно снижается из-за наличия сил трения воды о стенки труб, сопротивления на трубной арматуре и фитингах. Домовладелец также вносит свою лепту, корректируя распределение тепла по отдельным помещениям.

Давление растет, если температура нагрева теплоносителя повышается и наоборот – падает при ее снижении.

Чтобы избежать разбалансировки отопительной системы, необходимо создать условия, при которых к каждому радиатору поступает столько теплоносителя, сколько необходимо для поддержания заданной температуры и восполнения неизбежных теплопотерь.

Главной целью гидравлического расчета является приведение в соответствие расчетных расходов по сети с фактическими или эксплуатационными.

На данном этапе проектирования определяются:

• диаметр труб и их пропускная способность;
• местные потери давления по отдельным участкам системы отопления;
• требования гидравлической увязки;
• потери давления по всей системе (общие);
• оптимальный расход теплоносителя.

Для производства гидравлического расчета необходимо проделать некую подготовку:

1. Собрать исходные данные и систематизировать их.
2. Выбрать методику расчета.

Первым делом проектировщик изучает теплотехнические параметры объекта и выполняет теплотехнический расчет. В итоге у него появляется информация о количестве тепла, необходимом для каждого помещения. После этого выбираются отопительные приборы и источник тепла.

Схематичное изображение отопительной системы в частном доме

На стадии разработки принимается решение о типе отопительной системы и особенностях ее балансировки, подбираются трубы и арматура. По окончании составляется аксонометрическая схема разводки, разрабатываются планы помещений с указанием:

• мощности радиаторов;
• расхода теплоносителя;
• расстановки теплового оборудования и пр.

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.

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/м 3 ;
• 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.

Гидравлическая увязка

Балансировка перепадов давления в отопительной системе выполняется посредством регулирующей и запорной арматуры.

Гидравлическая увязка системы производится на основании:

• проектной нагрузки (массового расхода теплоносителя);
• данных производителей труб по динамическому сопротивлению;
• количества местных сопротивлений на рассматриваемом участке;
• технических характеристик арматуры.

Установочные характеристики – перепад давления, крепление, пропускная способность – задаются для каждого клапана. По ним определяют коэффициенты затекания теплоносителя в каждый стояк, а затем – в каждый прибор.

Потери давления прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя и измеряются в кг/ч, где

S – произведение динамического удельного давления, выраженного в Па/(кг/ч), и приведенного коэффициента для местных сопротивлений участка (ξпр).

Приведенный коэффициент ξпр является суммой всех местных сопротивлений системы.

Определение потерь

Гидравлическое сопротивление главного циркуляционного кольца представляет собой сумму потерь его составляющих элементов:

• первичного контура – ∆Plk;
• местных систем – ∆Plм;
• генератора тепла – ∆Pтг;
• теплообменника ∆Pто.

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 = 75 0 С, tо = 60 0 С;
• расход теплоносителя (расчетный) – Vсо = 7,6 м 3 /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 = 80 0 С;
• 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.

Варианты двухтрубной отопительной системы

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

Суммарные потери давления в системе снабжения теплом распределителей будут равняться 21514 Па или приблизительно 21,5 кПа.

Самодельная печь хорошо подойдет для обогрева дачного домика или подсобного помещения. Печка из газового баллона своими руками – смотрите инструкцию по изготовлению.

Как собрать пресс для топливных брикетов своими руками, вы узнаете в этой статье.

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.

Видео на тему

Сначала рассчитай, а потом собирай. Гидравлический расчет системы отопления.

Даже самое новое и инновационное тепловое оборудование, установленное в доме, может оказаться бесполезным, поскольку не способно работать слаженно в едином отопительном комплексе. Связывающим звеном многочисленных узлов и элементов тепловой системы является теплоноситель и его оптимальный гидравлический режим. Если собственник жилого дома решил создать экономичную и работоспособную систему теплоснабжения, ему понадобится знать, как выполнить гидравлический расчет системы отопления.

Этапы проектирования отопительных систем

Гидравлический вместе с тепловым расчетом считаются одними из базовых в процессе создания работоспособной внутридомовой системы теплоснабжения. Главная задача гидравлического расчета — обеспечить соответствие расчётных расходов с ее реальными рабочими показателями. Объем теплоносителя, циркулирующего в сети должен сформировать устойчивый тепловой баланс, обеспечивающий необходимую санитарную температуру внутри здания.

Гидравлический расчет системы отопления состоит из системы вычислений, способных установить важные характеристики тепловой сети:

• Минимально допустимые внутренние диаметры труб и объем теплоносителя, который способен пропустить выбранный сортамент и типоразмер трубопроводов;
• все гидравлические потери на рассчитываемых участках;
• условия гидромеханической наладки;
• общие потери напора воды;
• оптимизированный объем воды.

В соответствии с полученными расчетными данными, выполняют подбор электронасосов и типоразмеры прямых и обратных труб.

Гидравлический расчет системы отопления: цели и задачи

Практическая цель такого расчета — это выбор внутренних Д вн труб и установление перепада напора в сети, для профессионального подбора электронасоса, способного обеспечить надежную циркуляцию теплоносителя.

Диаметр труб обязан обеспечить радиатор таким объемом греющей воды, которое требуется ему для функционирования с рабочей производительностью. Одновременно с этим принимается скорость циркуляции теплоносителя, она должна находится в промежутке от 0.2 до 0.5 л/с, а разница температур воды на входе/выходе из прибора отопления — 15-20 С.

Чем дальше размещена батарея от котла, тем большую дистанцию обязана пройти жидкость и, следовательно, тем более значимое гидросопротивление станет мешать ее продвижению. Для выполнения корректировки скорости течения воды необходимо использовать трубы разного диаметра.

Технология выполнения гидравлического расчета системы отопления

Перед тем как начинать выполнять гидравлический расчет системы отопления делают тепловой расчет объекта отопления с установлением теплового баланса и мощности основного оборудования: котла и приборов отопления. Если этих данных нет, то пользуются приблизительным методом определения по размеру отапливаемой площади исходя из соотношения: 1 кВт на 10 м2. Данная формула хорошо работает для объектов расположенных в центральных районах России, для северных и южных регионов вводятся соответствующие повышающие/понижающие коэффициенты.

Далее приступают непосредственно к выполнению гидравлического расчета.

Стандартная схема расчета:

• Выполняют аксонометрическую схему;
• наносят на чертеж около каждого прибора его тепловую мощность, кВт;
• определяют объемные расходы греющей воды и внутренние Д труб;
• рассчитывают общее сопротивления сети;
• выполняют выбор электронасоса;
• рассчитывают расширительный бак.

Гидравлический расчет однотрубной и двухтрубной системы

Для установления потерь потока в сети, ее разделяют на ответвления. Одно ответвление — это расстояние от источника нагрева до каждого прибора отопления. Они в свою очередь подразделяют на расчетные участки — части труб с равным объемным расходом сетевой воды. Для любого такого участка устанавливают температуру теплоносителя, разницу температур, общий тепловой поток — сумму мощностей всех установленных батарей на данном отрезке сети. В обязательном порядке учитывают местные сопротивления в виде запорной арматуры, фитингов, тройников и других элементов по схеме.

Для однотрубной/двухтрубных систем теплоснабжения с простой геометрией контура, не имеющей большого количества нагревательных приборов, расчеты можно провести ручным способом с применением калькулятора. Для более сложных развитых схем тепловой сети – с помощью программных методов.

Объемный расход греющей воды устанавливают по формуле:

• Мт — общая мощность тепловой сети, определенная при теплотехническом расчете или по проекту, кВт;
• Ср — физическая величина теплоемкости воды, кДж/(кг х C);
• ΔТ – перепад температур на входе/выходе горячей воды из котлоагрегата, C.

Скорость жидкой среды, циркулирующей по трубам:

• Рт — расчетный расход воды на расчетном участке, кг/с;
• ρ – плотность жидкой среды, кг/ м3;
• Пс — площадь сечения трубопровода, м2

Гидравлические потери в трубопроводе определяются:

• R – справочные данные удельных потерь в трубах на трение, Па/м;
• Дт — длина трубопровода, м.

ΔPм.с = Σξ х (V²/2) х ρ

• Σξ – сумма потерь;
• V – скорость воды м/сек.

Системы с естественной циркуляцией

При выполнении гидравлического расчета пользуются исключительно внутренними Д труб и соответствующим им условному проходу — Ду. Для таких систем применяют следующие рекомендации:

• Протяженность горизонтальных линий труб не могут быть больше 20 м.
• Магистральный трубопровод от источника нагрева принимают не менее Ду 50 мл.
• Аналогичный диаметр трубопроводов принимают на отдельные 35 секций алюминиевых радиаторов.
• Для ответвлений с количеством радиаторов от 25-35 шт., Ду = 40 мм.
• А также для ответвлений с количеством радиаторов 10-25 шт., Ду = 25 мм.
• И для ответвлений с количеством радиаторов до 10шт., Ду = 20 мм.

На любые 10 м ровного участка без размещенных батарей к Ду нужно прибавить еще 1/2 дюйма для уменьшения скорости циркуляции воды и потерь напора по длине.

Системы с принудительной циркуляцией

В схемах с принудительным движением среды, обеспечиваемого электронасосом Д труб непосредственно связан со скоростью циркуляции воды, состоянием внутренней шероховатости труб или материала из которого они изготовлены. Полимерные трубы или выполненные из меди, обладают наименьшим показателем и чем стальные.

С целью профилактики увеличения шума от работающей отопительной системы, скорости циркуляции воды ограничивают, соответственно для Ду от 10 до 20 мм, соответственно от 1.5 м/с до 1.0 м/с.

Расчет по отапливаемой площади

Наиболее точный гидравлический расчет системы отопления основывается на размерах нагреваемой площади объекта. Кроме того при этом учитывают площадь оконных и внешних дверных проемов, степень утепления здания и кровли, а также климатические район размещения здания.

С помощью такого расчета не только правильно подбирают Ду и протяженность трубопроводов, но устанавливают балансировку системы с применением радиаторных клапанов.

Имея суммарную мощность всех батарей, определяют по вышеперечисленной формуле:

Например, для дома 150 м2, минимальная мощность тепловой сети – 15 кВт, тогда расход теплоносителя составит 0.239 л/сек или 14,34 л/мин.

С тем чтобы обеспечить вышеуказанные условия, потребуется грамотно выбрать диаметры труб. Это можно сделать по следующей таблице.

В ней указана суммарная мощность радиаторов, которые трубопровод может обеспечить теплом.

Для объектов с отапливаемой площадью до 200 м2 с принудительным контуром циркуляции и установленными радиаторными термоклапанами, возможно не выполнять полный гидрорасчет, а подобрать Д труб по таблице ниже.

Расчет расширительного бака

Для того чтобы рассчитать рабочий объем расширительного бака, нужно установить общий объем отопительной системы.

Объем емкости бака вычисляют по формуле

Орб = (О сис x Е) / Д,

• О сис — общий внутренний объём сети;
• Е – коэффициент расширения водной среды;
• Д – эффективность бачка.

Объем системы теплоснабжения весьма трудно определяется. Поэтому для приблизительных расчетов его можно взять из соотношения 1.0 кВт – 15.0 литров

К примеру, нагрузка на отопление дома составляет 40 кВт, тогда Осис = 15 х 40 = 600 л. Для упрощения расчета можно воспользоваться онлайн расчетом. Для данных условий расчет онлайн показал, что минимальный объем бака должен быть 91 литр.

Возможные модификации баков, подходящие для полученных расчетов:

• Wester Heating 100, 5508 руб.;
• WRV 100, 6100 руб.;
• STOUT 100, 5084 руб.

Предварительная балансировка системы

Профессионально выполненный гидравлический расчет устанавливает, в каких контурах движения теплоносителя его расход будет большим. Это имеет существенное значение, поскольку в неуравновешенной системе нагрев дома по помещениям будет неравномерный. Если расчеты показали, что потери напора в контурах циркуляции очень сильно различаются, то ее регулируют дополнительной установкой клапанов.

Если гидравлическая балансировка в сети не произведена, то тепло преимущественно расходуется на первой к котлу батареи, а самые крайние останутся холодными.

Первый метод балансировки довольно точный, требует наличие проекта и гидравлического расчета тепловой сети с обозначением расходов теплоносителя на каждом ответвлении труб. Без этого точная наладка сети неосуществима. Второй метод осуществляется с использованием регулировочной арматуры, встроенной на каждом участке либо стояке. И третий выполняется с применением специально предназначенного электронного прибора, присоединяемого к контрольной арматуре.

Обзор программ для гидравлических вычислений

Прежде всего, с целью упрощения гидравлического расчета внутридомовых систем теплоснабжения лучше обратиться к узкоспециализированным программам. Но их не очень много, хотя выбрать всё же есть из чего. Некоторые из них бесплатные, а иные – в демо вариантах.

Наиболее популярные программы для расчета гидравлики отопительной сети:

1. «Oventrop CO» – ПО вполне справится с расчетами для загородного домовладения для однотрубной/двухтрубной системы. У нее широкий потенциал: от выбора Ду труб до выполнения анализов расхода теплоносителя. Все итоги можно перевести в Виндовс, работает программа бесплатно.
2. «Instal-Therm HCR» способна рассчитать схему радиаторного и наружного теплоснабжения. В нее включены еще 3 ПО: San для любой воды, Heat&Energy – для определения потерь тепла и Scan – для анализа схем отопления. Распространяется бесплатно в виде пробной версии.
3. «HERZ C.O.» – бесплатное ПО для гидравлического расчёта одно и двухтрубной схемы теплоснабжения, как для новых, так и для отремонтированных помещениях, с водяным и гликолиевым теплоносителем. Программа обладает свидетельство качества ООО ЦСПС.

Фотографии по тексту для наглядности о сказанном

Потери напора жидкости на внезапном сужении

Потери напора при внезапном расширении труб

Расчет гидросопротивления в тепловой сети

Схема гидравлического расчета участка сети

Формулы расчета Д труб отопления

Выбор расширительного бака

Таким образом, можно подвести итог, что гидравлический расчет тепловых сетей очень важный и ответственный этап проектирования систем теплоснабжения любого объекта от небольшого дачного домика до жилого квартала с десятками тысяч квадратных метров. Прежде всего, такой расчет помогает правильно выбрать все необходимое оборудование и запорно-регулировочную арматуру, чтобы обеспечить оптимальные характеристики работы тепловой сети.