Гидравлический расчет системы отопления на основе расчетного циркуляционного давления представляет собой отдельный этап проектирования. Этот расчет выполняется после определения тепловых нагрузок, выбора и конструирования системы, рассмотренных в предыдущих главах. Таким образом, проектирование системы можно разделить на четыре этапа, характерные не только для систем водяного, но и для систем парового и воздушного отопления.
Исходными данными для проектирования системы отопления служат: назначение, планировка и строительные конструкции здания; положение здания на местности; климатологические показатели для местности; источник теплоснабжения; температура и влажность воздуха в основных помещениях.
Расчет теплового режима. После проведения теплотехнического расчета наружных ограждений, расчета теплового режима в помещениях определяются теплопотери, подлежащие возмещению при помощи отопительных приборов. Расчеты выполняются с использованием сведений, изложенных в главах I и II.
Выбор системы. На этом этапе проектирования выбираются расчетная температура (параметры) воды, вид отопительных приборов и конструкция системы отопления с технико-экономическим обоснованием принятого решения в необходимых случаях. На основании сведений, приведенных в главах I, III, IV, можно установить следующие положения для выбора конструкции системы отопления.
В многоэтажных зданиях, имеющих более трех этажей, проектируются преимущественно вертикальные однотрубные системы отопления. В бесчердачных зданиях средней этажности используются однотрубные системы с нижней прокладкой обеих магистралей. В зданиях повышенной этажности применяются однотрубные системы с нижней разводкой подающей магистрали для создания «опрокинутой» циркуляции воды в стояках.
В зданиях массового строительства предпочтение отдается однотрубному стояку унифицированной конструкции, имеющему один диаметр и повторяющуюся длину его элементов.
зданиях ограниченного объема, имеющих разноэтажные части, устраиваются двухтрубные системы с нижней прокладкой обеих магистралей. В одноэтажных зданиях, в двух-трехэтажных пристройках к главному зданию используются в основном горизонтальные однотрубные системы, могут применяться и двухтрубные системы с верхней разводкой подающей магистрали.
Чем выше здание, тем меньше должно быть гидравлическое сопротивление узла каждого отопительного прибора вертикального однотрубного стояка, и, наоборот, тем больше должно быть сопротивление каждого приборного узла двухтрубного стояка или горизонтальной однотрубной ветви.
Конструирование системы. Размещают отопительные приборы и стояки на планах каждого этажа, отопительное оборудование в тепловом пункте здания, расширительный бак (если он имеется) и магистрали системы.
Магистрали предусматриваются раздельными для отопительных приборов постоянного действия, для воздухонагревателей лестничных клеток и воздушно-тепловых завес, для отопительных приборов дежурного или периодического действия. Рекомендуется при трассировке магистра- лей предусматривать возможность пофасадного регулирования действйя системы отопления.
При размещении магистралей принимаются также решения по величине и направлению уклона, по компенсации удлинения и тепловой изоляции труб, по организации движения, сбора И удаления воздуха, по спуску и наполнению водой системы и стояков, по выбору и размещению арматуры.
Этот этап проектирования завершается конструированием схемы труб и приборов системы отопления, основного чертежа, по которому можно выявить циркуляционные кольца системы, разделить их на участки и нанести тепловые нагрузки.
Термин «участок», встречающийся ранее, означает отрезок трубы, по которому протекает при определенной температуре неизменное количество воды.
Тепловая нагрузка отопительного прибора определяет тепловой поток, подводимый в расчетных условиях к прибору теплоносителем — водой. Этот тепловой поток QT по уравнению (III.1) принимается равным тепловому потоку Qnp, передаваемому прибором в помещение. Точнее, при установке отопительного прибора у наружной стены под окном QT> >Qnp приблизительно на 5%. Различие в тепловых потоках обусловлено увеличением теплопотери через наружную стену вследствие повышения температуры ее внутренней поверхности, непосредственно облучаемой прибором.
Тепловая нагрузка участка определяет тепловой поток, передающийся в помещения от воды, протекающей по участку. Этот тепловой поток равняется сумме тепловых нагрузок отопительных приборов. Для участка подающего теплопровода он выражает количество тепла, подлежащее передаче от горячей воды на ее дальнейшем пути, для участка обратного теплопровода — количество тепла, отведенное от охлажденной воды. Тепловая нагрузка участка носит условный характер и в действительности выражает расход воды на участке — величину, необходимую для гидравлического расчета.
Например, если тепловая нагрузка участка обратного теплопровода равняется 7000 Вт (6000 ккал/ч), то это означает, что вода, протекающая по участку, передала в помещения тепловой поток в 7000 Вт (6000 ккал/ч). Если же при этом вода охладилась на 25°, то по участку протекает 240 кг/ч воды [согласно формуле (IV.2)].
Расчет системы состоит из гидравлического расчета и теплового расчета нагревательной поверхности труб и приборов .
Гидравлический и тепловой расчеты системы отопления взаимно связаны, и, строго говоря, требуется многократное повторение расчетов по методу итерации для выявления действительного расхода воды и необходимой площади нагревательной поверхности приборов. Поэтому наиболее точным является расчет системы на ЭЦВМ. При ручном счете расчет повторяется 1—2 раза, причем гидравлический и тепловой’расчеты выполняются в различной очередности.
В первом случае тепловой расчет отопительных приборов предшествует гидравлическому расчету. Это случай, когда длина греющих элементов отопительных приборов существенно влияет на гидравлическое сопротивление стояка. К таким приборам относятся конвекторы, панели и ребристые трубы, основанные на применении греющих труб dy 15 и 20 мм. Тогда до гидравлического расчета определяется предварительная длина труб приборов, а после уточнения расхода и температуры воды в стояках вносятся поправки в размеры приборов.
Окончательный тепловой расчет любых приборов может выполняться сразу (до гидравлического расчета) в двухтрубных системах при скрытой прокладке стояков и подводок к приборам.
Во втором случае, наоборот, гидравлический расчет предшествует тепловому расчету приборов. Это случай, когда длина приборов практически не отражается на гидравлическом сопротивлении стояка. К таким приборам относятся радиаторы, полые панели, ребристые и гладкие трубы с?у=50—100 мм. В результате гидравлического расчета определяются диаметр труб, расход и температура воды в стояках, а затем размер отопительных приборов с учетом теплопередачи труб в каждом помещении.
Гидравлический расчет системы отопления выполняется двумя способами: с равным и неравным (часто говорят с постоянным и переменным) перепадом температуры воды в стояках.
Расчет с равным перепадом температуры воды в стояках заключается в подборе диаметра труб по заданному расходу воды на всех участках системы, i
Расчет с неравным перепадом температуры воды в стояках заключается в определении расхода и температуры обратной воды в каждом стояке по заданному диаметру труб на всех участках системы.
2. Гидравлический расчет систем водяного отопления
Трубопроводы в систем отопления выполняют важную функцию распределения теплоносителя по отдельным отопительным приборам. Они являются теплопроводами, задача которых состоит в передаче определенного расчетного количества тепла каждому прибору.
Система отопления представляет собой сильно разветвленную и сложно закольцованную сеть теплопроводов, по каждому участку которой должно переноситься определенное количество тепла. Выполнение точного расчета такой сети является сложной гидравлической задачей, связанной с решением большого числа нелинейных уравнений. В инженерной практике эта задача решается методом подбора.
В водяных системах количество принесенного тепла теплоносителем зависит от его расхода и перепада температуры при охлаждении воды в приборе. Обычно при расчете задают общий для системы перепад температуры теплоносителя и стремятся к тому, чтобы этот перепад был выдержан в двухтрубных системах — для всех приборов и системы в целом; в отднотрубных системах — для всех стояков. При известном перепаде температуры теплоносителя по теплопроводам системы должен быть подведен определенный расчетом расход воды к каждому отопительному прибору.
При таком подходе выполнить гидравлический расчет сети теплопроводов системы отопления значит (с учетом располагаемого циркуляционного давления) так подобрать диаметры отдельных участков, чтобы по ним проходил расчетный расход теплоносителя. Расчет ведется подбором диаметров по имеющемуся сортаменту труб, поэтому он всегда связан с некоторой погрешностью. Для различных систем и отдельных элементов допускаются определенные невязки.
В отличие от рассмотренного выше метода в настоящее время нашел широкое распространение, применительно к расчету однотрубных систем отопления, метод с переменным перепадом температуры воды в стояках, предложенный А. И. Орловым в 1932 г. Принцип расчета заключается в том, что расходы воды в стояках не задаются заранее, а определяются в процессе гидравлического расчета исходя из полной увязки давлений во всех кольцах системы и принятых диаметров теплопроводов сети.
Перепад температуры теплоносителя в отдельных стояках при этом получается различным — переменным. Площадь теплоотдающей/ поверхности отопительных приборов находится по температуре и расходу воды, определенным гидравлическим расчетом.
Метод расчета с переменным перепадом температуры точнее отражает действительную картину работы системы, исключает необходимость монтажной регулировки, облегчает унификацию трубной заготовки, так как дает возможность избежать применения разнообразных сочетаний диаметров радиаторных узлов и составных стояков.
Этот метод получил распространение после того, как в 1936 г, Г, И. Фихман доказал возможность применения при расчете теплопроводов систем водяного отопления усредненных значений коэффициентов трения и ведения всего расчета по квадратичному закону. Наиболее детально этот метод разработан Е. А. Белинким.
Мастер-класс: проектирование современных систем отопления
В марте НП «АВОК» провело мастер-класс на очень актуальную тему – проектирование современных систем отопления зданий. Перенять опыт и познакомиться с новыми подходами съехались проектировщики, инженеры, теплотехники со всей России. Мастер-класс проводил главный специалист технического отдела по отоплению ОАО «Моспроект» В. Н. Карпов.
Очень четко и подробно Валерий Николаевич разъяснял особенности, достоинства и недостатки основных систем отопления, которые наиболее часто применяют при проектировании жилых зданий. Интерес к проблеме был настолько велик, что за целый день занятий ему не удалось отвлечься даже на чашечку кофе. Слушатели не отпускали его и во время перерывов: задавали вопросы, советовались, рассказывали о своем опыте. Перед вами основные подходы, изложенные В. Н. Карповым на мастер-классе.
Вице-президент НП «АВОК» М. М. Бродач вручила В. Н. Карпову диплом лектора мастер-класса «АВОК»
Современными системами отопления можно назвать такие, в которых нагревательные приборы оснащены термостатическими клапанами. Термостаты позволяют экономить до 20 % тепла, идущего на нужды отопления. Чем беднее регион, тем настоятельнее требование установки термостатов.
Можно выделить три основных группы систем отопления многоэтажных жилых и общественных зданий: вертикальные однотрубные, вертикальные двухтрубные и горизонтальные поквартирные системы отопления.
Вертикальные однотрубные системы
Хочется развеять один из мифов инженерного сообщества о том, что вертикальные однотрубные системы устарели. На самом деле в наших условиях эксплуатации однотрубная система обладает неоспоримыми преимуществами. Во всяком случае, для зданий серийной постройки, которые будут обслуживаться не всегда квалифицированными работниками.
Главное достоинство системы в том, что она значительно надежней двухтрубной. В узле обвязки нагревательного прибора теплоноситель разветвляется на два потока. Один затекает в прибор, другой проходит по замыкающему участку, минуя его. Конструкция термостата создается таким образом, чтобы обеспечить максимальное количество теплоносителя в первом потоке. Для этого отверстие для прохода воды и диаметр плунжера делаются максимальными. В этом одно их преимуществ однотрубной системы: через большое отверстие в термостате спокойно проскочит песок, окалина или другие твердые фракции, которые вполне могут присутствовать в теплоносителе низкого качества. А вот в двухтрубной системе в аналогичной ситуации засорение гораздо вероятнее: там отверстие в термостате очень маленькое.
Другое достоинство однотрубной системы в том, что несанкционированная замена отопительного прибора (чего делать нельзя, но что с удовольствием делают жильцы без каких-либо согласований) может привести к некоторым неудобствам, но систему кардинально не сломает. Система более надежная, поэтому некачественная эксплуатация меньше влияет на ее работоспособность. Кроме того, минимальны затраты на монтаж, поскольку и стояки, и прочие заготовки могут быть унифицированы. Двухстороннее же присоединение приборов к стояку может создать неопределенность в распределении теплоносителя между приборами, что трудно учесть при расчете.
В то же время у однотрубных систем есть свои недостатки. Главный из них — завышение температуры обратного теплоносителя в режиме «минимум» (термостаты закрыты при больших теплопоступлениях). Еще один недостаток – затрудненный поквартирный учет расхода тепла.
Применение вертикальных однотрубных систем с термостатами ограничено минимальным количеством этажей в стояке. Если их меньше семи, то температура воды, выходящей из последних приборов, при коэффициенте затекания 0,2–0,3 снижается даже в расчетном режиме до 18–20 °С, что недопустимо. Мы рекомендуем применять однотрубные системы при количестве приборов в стояке не меньше 9–10. Максимальное число приборов в стояке – 25. Это объясняется возможностями компьютерных программ.
Вертикальные двухтрубные системы
В отличие от однотрубных систем, двухтрубные напрямую экономят тепло. В случае, когда помещение перегрето, термостат прекращает или уменьшает доступ теплоносителя в прибор. Так теплоноситель попадет в прибор соседнего помещения, и, если это помещение также перегреется, то прикроется и его термостат. Таким образом, из циркуляции исключается излишний теплоноситель. Расход теплоносителя в системе – величина переменная. В режиме «минимум» в двухтрубную систему поступает теплоноситель, циркулирующий только по нерегулируемым стоякам (на лестничных клетках, в лифтовых холлах, межквартирных коридорах). В этом отношении двухтрубные системы прогрессивнее однотрубных.
Для обеспечения необходимой тепловой и гидравлической устойчивости в узлах обвязки нагревательных приборов устанавливают термостаты, способные сдросселировать значительную потерю давления. Для обеспечения такой потери размер дросселирующего отверстия термостата должен быть очень маленьким – с булавочное острие. Если теплоноситель имеет загрязнения, то такое отверстие легко засоряется.
Чтобы этого не происходило, требуется качественное обслуживание системы, постоянная очистка грязевиков и ряд других мероприятий. Если заказчик не может гарантировать такое обслуживание (а также сохранность термостатических клапанов у приборов), применение двухтрубной системы нельзя считать оптимальным.
Преимущества двухтрубной системы – экономия тепла и автономность отопления квартир. Система эффективная, но в тоже время слишком «интеллигентная». К недостаткам можно отнести также уязвимость системы в случае несанкционированной замены нагревательных приборов. При отсутствии термостата происходит «короткое замыкание» системы, которое практически невозможно отрегулировать. Кроме того, система сложна для поквартирного учета тепла.
Сфера применения двухтрубных систем начинается с одноэтажных зданий. Однако высотность двухтрубных систем желательно ограничить. Несмотря на то, что существующие программы позволяют проектировать 25-этажные системы, мы рекомендуем ограничивать высотность хотя бы 15–19 этажами. При уменьшении высоты системы снижаются вертикальные разрегулировки и экономится большее количество тепла.
С учетом наших реалий и условий эксплуатаций однотрубная система обладает неоспоримыми преимуществами. Главное достоинство системы в том, что она значительно надежней двухтрубной.
Горизонтальные поквартирные системы
Эти системы оптимальны с точки зрения теплотехники и гидродинамики. Зона их применения – от одного этажа до максимума, ограниченного прочностью элементов системы или высотой пожарного отсека. Эти системы наиболее экономичны и наименее уязвимы в случае несанкционированной реконструкции, а также обладают эстетическими и другими достоинствами. Одно из них – возможность поквартирного учета расходования тепловой энергии. Горизонтальные системы хороши практически во всем, за исключением цены: они самые дорогие из рассматриваемых. Поэтому применяются, в основном, в высокодоходных индивидуальных зданиях.
Кроме очевидных достоинств горизонтальных поквартирных систем (независимость, ремонтопригодность, легкость поквартирного учета расхода тепла и т. д.), они превосходят вертикальные двухтрубные системы в том, что балансировочный клапан максимально приближен к отопительным приборам и снимает все разрегулировки, которые возникают до него в процессе работы системы.
Горизонтальная система может быть проложена внутри квартиры радиально и по периметру. Преимущества радиальной системы в том, что можно использовать стандартные детали и трубы, например, диаметром 20 или 15 мм. Фасонные детали, стоимость которых значительно выше, здесь не требуются. Да и рассчитать такую систему можно без компьютерной программы.
А недостаток системы в том, что слишком много труб скапливается под дверным проемом, т. е. они могут быть повреждены при отделочных работах. Такой проблемы не возникнет, если трубы будут проложены по периметру. Но в этом случае нужны трубы разных диаметров и фасонные детали, увеличивающие стоимость. Рассчитывать такую систему сложнее.
На мастер-классе НП «АВОК» рассматривали типовые системы отопления. Те, что имеют широкое распространение в нашей стране, где большей частью не слишком профессионально обслуживают жилье и не очень усердно экономят тепло. Однако есть и другие подходы к «отопительному» вопросу, которые пока еще не нашли широкого применения.
Мария Васильева
инженер-проектировщик фирмы «БалтРегионСтрой» (Калининград), участница мастер-класса
У нас в Калининграде, как правило, новые многоквартирные дома строят в расчете на автономное отопление. Здания проектируют так, чтобы в каждой квартире стоял газовый котел. Проектировщики предусматривают место установки котла, вентиляцию, дымоходы.
Есть ли центральное отопление в таких домах в качестве запасного варианта?
Нет, это не предусматривают проектом. Сейчас в Калининградской области, как и в Литве, многие отказываются от центрального отопления из-за очень высокой стоимости тепла – стараются переводить квартиры на автономное отопление, даже в домах старой постройки. Правда в Литве, в старых домах, чаще оборудуют систему центрального отопления с поквартирной терморегуляцией и поквартирным учетом. А в Калининграде больше используют в квартирах автономное отопление.
А если к дому не подведен газ?
В таких случаях в Калининграде проектируют центральное отопление. Хотя иногда в квартирах устанавливают электрические котлы.
Поквартирный учет тепла
Несмотря на то, что в вертикальных однотрубных и двухтрубных системах отопления затруднена возможность поквартирного учета расхода тепла, страны Балтии, где большинство домов построены или реконструированы по типовым советским проектам и нормативам, вводят поквартирный учет тепла в массовом порядке. Потому что там тепло стоит очень дорого, его приходится экономить. Выходит, что вопрос введения поквартирного учета при вертикальных системах отопления (по сути, по всей России) это проблема не столько техническая, сколько политическая и экономическая. А также хозяйственная, поскольку расчетным центрам придется внедрять другие способы расчетов с населением, а это лишние хлопоты…
Однако в России уже есть здания с вертикальными системами отопления, где внедрен поквартирный учет расхода тепла. Жильцы этих домов платят за тепло в среднем вдвое меньше, чем все остальные граждане того же региона.
Светлана Никитина
руководитель направления индивидуального учета тепла компании «Данфосс»
Прибор учета, который называется радиаторный счетчик-распределитель, крепится на поверхности каждой батареи (по европейскому стандарту прибор называется «распределитель стоимости потребленной теплоты»). Прибор замеряет температуру батареи в определенной точке. Для каждого типа отопительных приборов существует своя точка, характеризующая среднюю температуру поверхности батареи, куда и устанавливается прибор. Счетчик-распределитель также замеряет температуру воздуха в комнате. По полученным данным он рассчитывает температурный напор, т. е. вычисляет количество тепла, которое ушло от батареи в комнату за определенный период. Счетчик начинает отсчет с начала отопительного сезона – по накопительной системе. Показания он выдает не в гигакалориях, а в неких пропорциональных единицах, которые соответствуют некоторому количеству гигакалорий. В зависимости от конкретных условий – холодной или теплой зимы, конструктивных особенностей здания (ведь необходимо учесть расход тепла на отопление подъезда) – количество гигакалорий в одной расчетной единице может быть разным. Чтобы затем определить стоимость потребленного тепла для каждой квартиры, делается общедомовой перерасчет по так называемой схеме распределения. В результате оплата для каждой квартиры напрямую зависит от того, сколько тепла отдали батареи, а сумма всех оплат в точности совпадает со стоимостью тепла по общедомовому счетчику.
Эта схема описана в «Правилах предоставления коммунальных услуг гражданам», утвержденных постановлением Правительством № 307 от 23.05.2006. В этом постановлении как раз предусмотрен вариант поквартирного учета при вертикальной разводке, а в приложении № 2 приведена методика расчетов. Есть также методические документы, утвержденные в Госстрое России, где схема распределения прописана более детально. Монтаж счетчика-распределителя на поверхности батареи очень прост, срок службы – 10 лет, а стоимость каждого прибора – 20 евро.
Значит, в двухкомнатной квартире, где, допустим, три батареи, поквартирный учет тепла обойдется примерно в 100 евро – с учетом стоимости монтажа приборов?
Да, но такая стоимость получится, если устанавливать у каждого радиатора обычные шаровые краны – для отключения батарей (ведь учитывать расход целесообразно с целью экономии). Однако это не самый удобный вариант. Шаровый кран может только полностью перекрыть батарею, и в комнате быстро станет холодно. В зимнее время мало кто станет это делать, и экономии не получится. Целесообразней на каждый отопительный прибор в квартире устанавливать термостатические регуляторы. Они будут более эффективно экономить тепло, автоматически регулируя его подачу и удерживая заданную температуру в комнате. В частности, можно установить режим отопления рабочего дня: уменьшать температуру, когда семья на работе, и увеличивать ближе к вечеру. Оборудование двухкомнатной квартиры приборами учета и терморегуляторами обойдется примерно в 200 евро.
Может ли один жилец в доме установить себе такую систему?
К сожалению, с одним не станут заключать договор на обслуживание. Чтобы была возможность сделать расчеты, нужно как минимум 50 % жильцов.
В Москве уже есть такие дома?
В Москве достаточно много домов с терморегуляторами, но полностью квартирным учетом и регулированием оборудовано пока только три дома. Впервые система была установлена в здании 1995 года постройки на Жулебинском бульв., 36, корп. 2. В этом году в районе Метрогородка оборудовали еще два дома 1970-х годов постройки. Это рядовые дома, в которых было панельное отопление. В рамках капремонта там заменили систему отопления и установили новую двухтрубную систему с вертикальной разводкой, терморегуляторами и поквартирным учетом тепла. Для этого на вводы вместо элеваторных узлов поставили автоматизированные узлы управления. Хотя счетчики будут работать и без автоматизированных узлов. Узлы нужны для гидравлической стабильности, чтобы не было сбоев в работе терморегуляторов. Кроме того, узлы управления регулируют количество тепла, поданного в дом – в зависимости от температуры воздуха на улице. По полной схеме в Москве оборудовано три дома, но расчет с жильцами по новой системе пока не организован. Нужна «политическая воля» или хотя бы инициатива жильцов, чтобы соответствующие указания дали единому расчетному центру.
Дома, оборудованные поквартирными системами учета, есть в Западной Сибири, Липецке и других городах. А в Пензе, где такая система работает уже четыре года, хорошо организовали сбор информации от жильцов. Люди очень довольны, поскольку оплата за тепло в среднем для них сократилась вдвое. Там в подъездах установили специальные ящики. Жильцы сами снимают показания приборов и складывают в общий ящик заполненные квитанции. Бухгалтер ТСЖ заносит показания счетчиков в электронные таблицы, делает перерасчет по утвержденной методике и выставляет жильцам счета.
Системы водяного отопления многоэтажных зданий. Технические рекомендации по проектированию
