Гидравлический расчет подающих трубопроводов систем ГВС

1.6-1. Основные положения гидравлического расчета

Задачей гидравлического расчета является определение диаметров подающих трубопроводов и потерь напора. Расчетным расходом для определения потерь напора на участке трубопровода является секундный расход с учетом остаточной циркуляции:

q h ,сir = q h (1 + k_сir), л/с,

где k_сir — коэффициент остаточной циркуляции.

Эта величина определяется по [1, Приложение 5] в зависимости от соотношения секундного и циркуляционного расходов в системе ГВС: k_сir = f(q h /q сir ).

Причем k_сir не равно нулю только на начальных участках системы (до первого водоразборного стояка) при q h /q сir >2,0. Во всех остальных случаях k_сir=0. Поскольку гидравлический расчет выполняется до расчета циркуляции, проектировщику приходится делать обоснованное предположение о величине соотношения q h /q сir (для жилых зданий обычно q h /q сir >2,0).

Потери напора в водоразборных стояках, объединенных кольцующей перемычкой в секционные узлы, определяются по расчетным расходам воды с коэффициентом 0,7. На самих кольцевых участках расчетный расход воды принимается не менее максимального секундного для одного из обслуживаемых приборов.

Скорость воды в системах ГВС должна быть не более 3 м/с [1]. Однако опыт эксплуатации систем показывает, что при v>1,5 м/с в трубопроводах начинается заметное шумообразование.

При неодинаковым сопротивлением стояков диаметр стояка определяется, исходя из расчетного расхода и располагаемого напора у основания данного стояка. При одинаковом сопротивлении стояков их диаметры принимаются по диаметру последнего стояка.

В основе гидравлического расчета в любой технической специальности лежат общие закономерности гидродинамики, в частности, известное из курса гидравлики уравнение Дарси-Вейсбаха. Однако традиционно в каждой специальности складываются характерные особенности конкретного выполнения гидравлического расчета. Так в системах ГВС набор местных сопротивлений настолько стандартен, что нет необходимости определять потери напора в них поштучно.

Потери напора на участках системы ГВС определяются по выражению

Н = i×l(1 + k_l), мм,

где i — удельные линейные потери напора, мм/м;

l — длина участка;

k_l — коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях (принимается по [1]).

Значение i принимается по справочным данным. В закрытых системах теплоснабжения, когда на нужды ГВС нагревается водопроводная, обычно не умягченная вода, необходимо учитывать зарастание стенок трубопроводов солями жесткости. В этом случае величину i удобно определять по номограмме [1, Приложение 6].

1.6-2. Располагаемый и требуемый напоры

в системах ГВС в режиме водоразбора

Располагаемым называется гарантированный на вводе напор, который может быть использован для подачи воды на нужды горячего водоснабжения. Требуемым называется напор, который необходим на преодоление всех гидравлических сопротивлений для подачи воды к наиболее удаленному и высоко расположенному прибору.

Так для закрытой системы горячего водоснабжения располагаемым является напор холодного водопровода в точке подключения к нему системы горячего водоснабжения. Требуемый напор в этом случае составляет

где Н_под — потери напора в подающих трубопроводах в режиме водоразбора;

Н_сч — потери напора в счетчике воды (водомере);

Н_вп — потери напора в водонагревателе;

Н_г — разность геодезических отметок наиболее высоко расположенного прибора и точки подключения системы ГВ к холодному водопроводу;

Н_св — свободный напор на приборе («на излив»).

В открытой системе теплоснабжения, когда водоразбор осуществляется непосредственно из теплосети, располагаемым является напор в обратном трубопроводе тепловой сети в точке подключения системы ГВ. Тогда требуемый напор (в силу отсутствия водонагревателя)

При этом Н_г исчисляется от указанной точки подключения к тепловой сети. В самотечных системах ГВ, работающих под давлением воды в верхних баках-аккумуляторах, располагаемым напором является сама геодезическая разность отметок уровня воды в баке и наиболее высоко расположенного прибора. Требуемый напор в этом случае

1.6-3. Подбор счетчика воды

Счетчик воды (техническое название — «водомер») служит для коммерческого учета расхода воды на систему ГВ. Условный проход (типоразмер) счетчика подбирается по среднему часовому расходу воды на систему, который не должен превышать т.наз. эксплуатационного расхода [1, табл. 4]. Подобранный таким образом счетчик проверяется на возможность пропуска максимального секундного и максимального суточного расходов. При этом потери напора при пропуске максимального секундного расхода (в пересчете на м 3 /час) не должны превышать 2,5 м для крыльчатых и 1,0 м для турбинных счетчиков. Потери напора в счетчике определяются, как

Н_сч = S×(q h ) 2 , м

где S — гидравлическая характеристика счетчика, м/(м 3 /час) 2 .

Горячее водоснабжение. Расчет сетей

Проектирование сетей горячего водоснабжения часто выполняют эмпирически или очень приближенно. Между тем значимость сетей требует совершенно иного, более глубокого подхода, в котором нет места импровизации и случайностям.

Одна из проблем, требующих особого внимания при проектировании сети горячего водоснабжения, это дискомфорт пользователя, обусловленный определенным периодом ожидания с момента открытия водоразборного прибора (смесителя, крана) до момента, когда из него потечет действительно горячая вода. Подающая сеть горячей воды (рис. 1) в при отсутствии водоразбора заполнена холодной водой, а не горячей. При открытии водоразборного прибора из емкостного или проточного водонагревателя горячая вода начинает поступать в трубопровод, но горячая вода потечет из водоразборного прибора только через некоторое время, когда из подающего трубопровода выльется вся холодная вода. В такой сети продолжительный период времени между открытием водоразборного прибора и поступлением горячей воды вполне допустим для односемейных жилых домов и совершенно недопустим для крупных распределительных сетей, таких как гостиничные или иные общественные объекты.

Схема сети горячей воды традиционного типа

За и против циркуляционных сетей

Наиболее очевидное решение заключается в устройстве постоянной циркуляционной сети (рис. 2). Такая сеть обеспечивает практически мгновенную подачу горячей воды и, безусловно, является оптимальной, радикально решающей вышеуказанную проблему. Ее недостаток – высокая стоимость, в силу которой сеть оправдывает себя только при значительном числе пользователей. Кроме того, постоянная циркуляция горячей воды ведет к потерям тепла, а это немалые дополнения к общему счету за энергоносители. Поэтому на сетях средней протяженности целесообразно предварительно внимательно изучить принципиальную схему расположения водоразборных приборов для сокращения протяженности подающих трубопроводов и понять, целесообразно ли применение системы без циркуляции с допустимым периодом ожидания подачи горячей воды.

В Италии нет соответствующего регламента на период ожидания. Считается вполне приемлемым период до 60 секунд, но только в жилищном строительстве. Для остальных объектов более высокого статуса приемлемый период ожидания сокращен до 30 секунд.

Схема сети горячей воды с циркуляцией

Обоснование схемы горячего водоснабжения (расчет периода ожидания)

Для оптимизации периода ожидания вычисляется время, необходимое для поступления горячей

воды в наиболее удаленный от накопителя или теплогенератора водопроводный прибор. Если результат превышает общепринятые показатели, ставится задача модифицировать сеть таким образом, чтобы период ожидания укладывался в установленные пределы. В связи с этим следует учитывать, что период ожидания:

– тем короче, чем выше давление воды, приходящей в точку водоразбора;

– тем короче, чем больше пропускная способность водоразборного прибора;

– тем дольше, чем больше объемы участков, образующих наиболее удаленный контур, а также чем больше сечение трубопровода.

Расчет производится в следующем порядке:

1. Определяют пиковые (максимальные) расходы горячей воды на водоразбор (см. далее), затем длину, тип и диаметр каждого участка подающего трубопровода;

2. Умножают общую длину, м трубопровода каждого диаметра на удельный объем воды, л/м (табл. 1);

3. Определяют расчетный путь для наименее выгодно расположенного водоразборного прибора (наиболее удаленного от оборудования для нагрева воды) и суммируют объемы воды на участках трубопровода до водоразборного прибора.

4. Рассчитывают время фактического поступления горячей воды, для чего делят сумму объемов воды в трубопроводах по расчетному пути на секундный расход водоразборного прибора при расчетном давлении перед ним (секундный расход водоразборного прибора обычно указывается изготовителем).

Таблица 1 Удельные объемы воды, л/м в трубопроводах, используемых на подающих сетях горячей воды для наиболее распространенных диаметров

Номинальный диаметр трубопровода Медный трубопровод (внутр. диаметр, мм), л/м CPVC-трубопровод (внутр. диаметр, мм), л/м Стальной трубопровод (внутр. диаметр, мм), л/м 3/8” (10,5) 0,086 – (12,5) 0,122 1/2” (12,5) 0,122 (12,7) 0,127 (16) 0,201 3/4” (20) 0,314 (18,2) 0,261 (21,6) 0,366 1” (26) 0,530 (24,0) 0,433 (27,3) 0,585

Наиболее трудоемким при расчете является вычисление удельных объемов трубопроводов Cs. Для этого используется следующая формула:

Cs = 10 • ( F /100) 2 • 3,14/4

где F – внутренний диаметр трубопровода (не внешний или номинальный), мм.

Для упрощения расчетов в табл. 1 приведены удельные объемы воды в стальном, CPVC, медном трубопроводах для наиболее распространенных диаметров труб, применяемых на сетях горячего водоснабжения.

Стоимость такой сети ниже, но на сетях большой протяженности время ожидания поступления горячей воды к удаленному водоразборному прибору слишком большое.

Данное решение практически во всех случаях обеспечивает быстрое поступление горячей воды из водоразборного прибора, но имеет более высокие стоимостные строительные (закупочные) и эксплуатационные показатели. Постоянная циркуляция горячей воды ведет к существенным потерям тепла и технически менее надежна из-за наличия насосного агрегата.

Пример расчета

В качестве примера рассмотрим сеть горячего водоснабжения, аналогичную изображенной на рис. 1. Наиболее удаленный водоразборный прибор имеет расчетный секундный расход (пропускную мощность) 0,15 л/с и подключен к первичному источнику горячей воды (оборудованию для нагрева воды) тремя участками: первый (А) – медный трубопровод диаметром 3/4” длиной 8 м, второй (Б) – медный 1/2” длиной 18 м и последний (В) – медный 3/8” длиной 1 м.

Расчет объемов воды в трубопроводах в соответствии с рекомендациями табл. 1:

А) объем воды на участке 3/4”: 8 м х 0,314 л/м = 2,512 л

Б) объем воды на участке 1/2”: 18 м х 0,122 л/м = 2,196 л

В) объем воды на участке 3/8”: 1 м х 0,086 л/м = 0,086 л

Общий объем воды в трубопроводах составит

(2,512 + 2,196 + 0,086) = 4,794 л.

Время поступления горячей воды на водоразборную точку: (4,794 л / 0,15 л/с) = примерно 32 с.

В водопроводной сети с коллекторной разводкой (рис. 3), к которой присоединены разводящие трубопроводы к водоразборным приборам, и подключенной непосредственно к оборудованию для нагрева и подачи горячей воды, наиболее удаленной из числа подключенных к коллектору является точка трубопровода на 3/8” длиной (8 + 18 + 1) = 27 м. Объем воды в контуре при этом сокращается до (27 х 0,086) = 2,332 л. Время ожидания поступления горячей воды на самый дальний водоразборный прибор сокращается до 2,332 / 0,15 = примерно 15,5 с, что можно считать безусловно приемлемым показателем.

Схема сети горячей воды с коллектором

Такая сеть имеет среднюю стоимость и, если длина сети не слишком значительна, позволяет обеспечивать вполне приемлемое время ожидания горячей воды на наиболее удаленном водоразборном приборе

Диаграмма определения расчетного расхода участка трубопровода в зависимости от суммы элементов FU и типа здания (ASHRAE)

А – рестораны; Б – больницы, хосписы, дома престарелых, пансионы и гостиницы; В – квартиры и коттеджи; Г – административные здания и школьные учреждения

Расчет суточного потребления горячей воды

Определение объемов потребления горячей воды и тепла, необходимых для инженерного расчета емкостных и скоростных водонагревателей, возможно только при наличии достоверных данных о социальном назначении объекта, в котором проектируется горячее водоснабжение. Другими словами, было бы неправильно брать за основу применительно к нашей стране параметры североевропейских государств или, хуже того, Америки, где образ жизни решительно отличается от нашего, вследствие чего расходы горячей воды имеют мало или не имеют ничего общего с итальянской моделью.

В качестве иллюстрации в табл. 2 приведены расходы горячей воды в жилом секторе, а также на предприятиях торговли и сферы услуг.

Примечание: данные предоставлены компанией ENEL

Расчет трубопроводов

Во-первых (и это главное), трубопровод горячего водоснабжения должен рассчитываться на пиковые (максимальные) периоды водоразбора на основе таблиц и диаграмм, используемых для расчета трубопроводов отопления. Применяемые материалы (в порядке роста популярности): оцинкованная сталь, медь и CPVC.

По методике расчета трубопровода из практического руководства ассоциации ASHRAE (ASHRAE Handbook 2003 Application) для каждого типа водоразборного прибора назначается условный элемент – эквивалентный прибор FU (Fixture Unit).

Расчет выполняют по следующей методике:

1. Определяется эквивалент FU на каждой точке водоразбора по табл. 3;

2. Подающая (распределительная) сеть делится на участки по тому же принципу, что и сети отопительных контуров;

3. Определяется сумма эквивалентных приборов FU, обслуживаемых каждым участком трубопровода;

4. Определяется расчетный расход на каждом участке в зависимости от суммарного показателя FU и типа здания по табл. 4;

5. Определяется диаметр каждого участка в зависимости от расчетного расхода (пропускного объема) и длины участка так, чтобы в целом по сети потери давления не выходили за приемлемые границы.

Таблица 2 Минимальный и максимальный расход горячей воды в жилых домах, учреждениях и организациях сферы услуг в зависимости от занимаемой площади

Назначение объекта Потребление горячей воды, л/чел.•сут Мини- мальная площадь помеще- ния, м 2 Мини- мальное потребление горячей воды в сутки, л Макси- мальная площадь поме- щения, м 2 Макси- мальное потребление горячей воды в сутки, л Банк 10 100 100 1000 1000 Бар 2,5 50 25 300 150 Боулинг 5 500 125 2000 500 Дом престарелых 200 – 4000 – 40 000 Бизнес-центр 10 500 385 10 000 7.700 Кино, театр 0,5 – – – – Дискотека 1 200 80 2000 800 Государственное учреждение 10 500 500 10 000 10 000 Оптовый склад 10 200 50 2000 500 Розничный магазин 10 20 10 200 100 Больница 200 – 40 000 – 160 000 Парикмахерская 20 20 80 200 800 Жилой дом класса «люкс» 35–75 – – – – Жилой дом обыч-ной категории 25–50 – – – – Ресторан 15 – 750 – 3750 Зал игровых авто-матов 1 100 20 1000 200 Магазин самооб-служивания 10 – 500 – 1500 Частный кабинет 10 50 25 200 100 Супермаркет, гипермаркет 10 200 50 10 000 2500 Административ-ное здание 10 100 100 5000 5000

Примечание: значения эквивалентного прибора FU ( Fixture Units) могут корректироваться в зависимости от температуры горячей воды следующим образом:
корректное значение FU = значение FU из таблицы х (60 – 15) / (температура, °С имеющейся горячей воды – 15)

Диаметр циркуляционной сети (если таковую решено организовать) можно определить, если принять по каждому расчетному участку трубопровода пропускной объем 3 л/с на каждый условный элемент FU подающего линейного ответвления, от которого он отходит. Рециркуляционный насос должен рассчитываться на пропускную мощность, равную сумме элементов FU водоразборных точек всей подающей сети.

Для предотвращения непроизводительного расхода энергии, свойственного любой циркуляционной сети, рекомендуется оборудовать насос термостатом, который должен включать насос при снижении температуры циркуляционной (обратной) воды ниже определенного установленного уровня и выключать насос, когда температура обратной воды примерно на 5 °С ниже установленного значения горячей воды.

Водоразборные приборы являются смесительными устройствами (смешивают холодную и горячую воду для получения на изливе температуры, нужной потребителю) и не всегда такое устройство (смеситель) термостатического типа. Расчет необходимо выполнить для подающей (распределительной) сети и холодного, и горячего водоснабжения так, чтобы в каждой точке водоразбора (на подводках смесителей холодной и горячей воды) разница давления была минимальной, во-первых, и давление холодной и горячей воды были постоянными, во-вторых. Эти особенно важно при установке на конечных участках сети ванны или душевой кабины, в которых любой внезапный перепад давления в холодном или горячем водопроводе приводит к произвольному нерегулируемому снижению или росту температуры подаваемой воды.

Контроль содержания легионелл (Legionella Pneumophila)

Бактерия Legionella Pneumophila, о которой достаточно написано в специальной литературе, размножается на застойных участках сети распределения горячей воды. Но размножается она в воде, температура которой не превышает 46 °С. Логично предположить, что решить проблему можно, если нагревать и подавать в сеть горячую воду с температурой выше 60 °С. В Италии, однако, законодательно запрещена температура воды более 46 °С. Поэтому для профилактики возникновения очагов легионелл в сети водоснабжения необходима периодическая дезинфекции трубопровода. Для дезинфекции через трубопроводы прокачивают в течение нескольких часов очень горячую воду или воду с антибактериальными добавками.

Перепечатано с сокращениями из журнала Impianti № 27/2005

Таблица 3 Эквивалентные приборы FU ( Fixture Units) в зависимости от типа водоразборного прибора

Тип здания Кварти-ра, кот-тедж Клуб Спорт. зал Боль- ница Гости- ница Пром. пред-приятие Офис Школа Пан- сион Индивидуальный Умывальник 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 Общественный умывальник – 1 1 1 1 1 1 1 1 Ванная 1,5 1,5 – 1,5 1,5 – – – – Посудомоечная машина 1,5 5 на каждые 250 обслуживаемых человек Ванна терапевтическая – – – 5 – – – – – Мойка кухонная домашняя 0,75 1,5 – 3 1,5 3 – 0,75 3 Мойка кухонная общепит – 2,5 – 2,5 2,5 – – 2,5 2,5 Умывальник служебный 1,5 2,5 – 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Душ 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 2,5 – 1,5 1,5