6.4. Расчет естественного циркуляционного давления в системе водяного отопления

Общим, многократно повторяющимся элементом каждой вертикальной или горизонтальной системы является стояк или ветвь. В стояке и ветви отдель-ные узлы соединения отопительных приборов с трубами (приборные узлы), объединенные промежуточными теплопроводами, создают основу системы отопления, определяющую принцип ее действия и величину естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды в приборах. Поэтому расчет естественного циркуляционного давления, связан-ного с охлаждением воды в отопительных приборах р_е.пр рассмотрим при различных приборных узлах, входящих в стояки или ветви систем отопления.

1. Вертикальные однотрубные системы отопления

Однотрубная система отопления с верхней разводкой. На рис. 6.7 приведена расчетная схема части однотрубной системы с верхней разводкой и тупиковым движением воды в магистралях. Стояки даны для трехэтажного здания с различными наиболее часто применяемыми приборными узлами. В стояке 1 (ст.1) показаны проточные узлы, в стояке 2 (ст.2) – проточно-регулируемые узлы со смещенными обходными участками и трехходовыми регулирующими кранами (типа КРТ) в стояке 3 (ст.3) – узлы со смещенными замыкающими участками и проходными регулирующими кранами (типа КРП). Присоединение приборов к стоякам принято односторонним.

Здесь и далее система отопления условно изображена со стояками различной конструкции для наглядности при сравнении. Обычно в системе преобладает какой-либо один тип приборного узла (например, проточно-регулируемые узлы), хотя может встретиться еще и другой тип (например, проточные узлы во вспомогательных помещениях). На рисунке над отопительными приборами нанесена тепловая нагрузка Q, т.е. теплопотребность помещений, Вт. Внутри контура каждого прибора кружком помечен центр охлаждения воды. Проставлено также вертикальное расстояние между центрами охлаждения и центром нагревания (ц.н) воды в тепловом пункте. Расход воды в стояке G_ст, кг/ч, при заданных теплопотребности помещений, виде отопительных приборов и температуре воды определяется по формуле:

где Q_ст = Q_п – тепловая нагрузка стояка, равная суммарной теплопотребности помещений, обслуживаемых стояком (при Q_ст в Вт вводится множитель 3,6), или, иначе, суммарной тепловой нагрузке приборов;

с – удельная теплоемкость воды (4,187 кДж/кг о С);

t_ст – расчетный перепад температуры воды в стояке.

Рис. 6.7. Расчетная схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой:

Ст.1 – проточный стояк; Ст.2 – проточно-регулируемый стояк; Ст.3 – стояк с замыкающими участками; кружки в контуре отопительных приборов – центры охлаждения воды в приборах; жирные точки на стояке 3 – центры охлаждения воды в стояке

Видно, что расход воды в однотрубном стояке прямо пропорционален тепловой нагрузке стояка Q_ст и обратно пропорционален расчетному перепаду температуры воды в стояке t_ст = t_г – t_о. Температура воды на каждом участке стояка будет промежуточной между значениями t_г и t_о в зависимости от степени ее охлаждения в том или ином помещении. Пропорция для определения температуры t₃ (рис. 6.7) Q_ст = (t_г – t_о) = Q₃ /(t_г – t₃), откуда

В общем виде температура воды на i-том участке однотрубного стояка будет равна

где Q_i – суммарная тепловая нагрузка всех отопительных приборов на стояке до рассматриваемого участка (считая по направлению движения воды).

На рис. 6.7 заштрихованы половины высоты двух приборов стояка 1, в которых температура воды условно принята постоянной и равной t₃. Можно считать, что температура воды t₃ (и плотность ее ρ₃) сохраняется в стояке по высоте h₃, а температура t₂ (и плотность ρ₂) – по высоте h₂.

Гидростатическое давление в стояке при его высоте, равной h₃+ h₂+ h₁ (рис. 6.7), не считая части стояка выше условного центра охлаждения верхнего прибора, где температура воды принята равной температуре воды в главном стояке, составит:

где ρ_о – плотность воды при расчетной температуре t_о обратной воды в системе.

Гидростатическое давление в главном стояке (Г.ст на рис. 6.7) с учетом той же высоты при температуре воды t_г

где ρ_г – плотность воды при расчетной температуре t_г горячей воды в системе.

Естественное циркуляционное давление в вертикальной однотрубной проточной и проточно-регулируемой системе отопления с верхней разводкой (стояки 1 и 2 на рис. 6.7), возникающее вследствие охлаждения воды в приборах, определяется как разность гидростатического давления в рассматриваемом и главном стояках:

При увеличении числа этажей в здании число слагаемых в формуле (6.14), а следовательно и значение р_е.пр, будут возрастать.

Выражение для определения р_е.пр можно представить в другом виде (более удобном для вычисления, хотя и менее точном), обозначив среднее уменьшение плотности при увеличении температуры воды на 1 о С через  = (ρ_о — ρ_г)/ /(t_г – t_о), кг/(м 3  о С):

Для получения более общей и краткой записи выразим разности темпера-туры через тепловые нагрузки и расход воды в стояке примем обозначения:

Получим более короткое выражение:

где h_III, h_II, h_I – вертикальные расстояния между центрами охлаждения воды в приборах соответственно на III, II и I этажах и центром нагревания, м.

В общем виде при N отопительных приборах в однотрубном стояке

р_е.пр = (g/(сG_ст))₁₂, (6.16)

где Q_i h_i – произведение тепловой нагрузки i-того прибора на вертикальное расстояние h_i от его условного центра охлаждения до центра нагревания воды в системе отопления.

В стояках вертикальной однотрубной системы с замыкающими участками (стояк 3 на рис. 6.7) температура и плотность воды изменяются не только в отопительных приборах (условные центры охлаждения – кружки внутри контура приборов), но и в точках стояка (черные точки на рисунке), где смешивается вода, выходящая из прибора и из замыкающего участка.

Естественное циркуляционное давление в такой системе по аналогии с формулой (6.14) составит:

Некоторое различие в значениях естественного циркуляционного давления по формулам (6.13) и (6.17) определяется тем, что h’₁ 3 , соответственно при температуре t_вых и t_вх (для прибора на III этаже на рис. 6.7 — t_вх = t_г, t_вых 3 , соответственно при средней температуре в приборе и при ее температуре в замыкающем участке.

Отметим, что в параллельно соединенных участках малого циркуляцион-ного кольца протекают два различных потока воды. Один поток с расходом G_пр, обеспечивая теплоотдачу прибора охлаждается до температуры t_вых. Другой в количестве G_з.у = G_ст — G_пр сохраняет свою температуру, равную t_вх. В точке смешения этих двух потоков один из них нагревается (вода из прибора), второй – охлаждается (вода из замыкающего участка). Поэтому температуру воды в участках стояка (например, t₃) и называют температурой смеси.

Естественное давление в малом циркуляционном кольце при движении во-ды в стояке сверху вниз способствует возрастанию расхода воды в приборе или, как принято говорить, увеличению затекания воды в отопительный прибор.

Калькулятор расчета напора циркуляционного насоса

Чтобы система отопления с принудительной циркуляцией работала с требуемой эффективностью, необходимо, чтобы насос не только обеспечивал перекачивание определенного объёма теплоносителя за единицу времени. Чрезвычайно важное значение имеет создаваемый циркуляционным насосом напор.

Калькулятор расчета напора циркуляционного насоса

Несоответствие этого параметра реальным условиям может привести к «запиранию» контуров, то есть неработоспособности отдельных участков или даже всей системы отопления в целом. Правильно определиться с нужной характеристикой прибора поможет калькулятор расчета напора циркуляционного насоса.

Ниже будут приведены и необходимые пояснения

Калькулятор расчета напора циркуляционного насоса

Пояснения к проведению расчетов

Циркуляционный насос имеет основную задачу — он должен обеспечивать перекачку теплоносителя в определенных объемах для доставки требуемого количества тепловой энергии на все приборы теплообмена. Провести расчет производительности — несложно: можно воспользоваться специальным калькулятором.

Но для того чтобы в полной мере справиться со своей функцией, насос должен обладать способностью преодолеть гидравлическое сопротивление контуров отопления. А оно может быть весьма немалым.

• Во-первых, любая система отопления, даже самая простейшая – это определенная длина труб, которые обязательно обладают своим гидравлическим сопротивлением.
• Во-вторых, серьезными препятствиями для свободного перемещения теплоносителя становятся элементы запорной и регулировочной арматуры. Особенно это актуально для систем отопления, оснащенных термостатическими приборами регулировки температуры в приборах теплообмена.

Формулы расчета суммарного гидравлического сопротивления системы – достаточно слоны и громоздки. Но в предлагаемом калькуляторе применен упрощенный алгоритм, который, однако, дает результат со вполне допустимой погрешностью, и имеющий определенный эксплуатационный резерв. Таким образом, приобретая насос с показателями, не ниже расчётных, можно быть уверенным в работоспособности системы по этому критерию.

Цены на циркуляционные насосы

• В калькуляторе будет запрошена длина труб в системе. Указывается полная, суммарная длина всех вертикальных и горизонтальных участков, и подачи и «обратки».
• В поле особенностей применяемой запорно-регулировочной арматуры следует выбрать пункт, наиболее близко подходящий к условиям создаваемой системы отопления.

Что еще важно знать о циркуляционных насосах?

Подробная информация об устройстве этих приборов, об их основных характеристиках, критериях выбора, о правилах врезки в систему – в специальной статье, посвящённой циркуляционным насосам для отопления .

Формула расчета насоса для системы отопления

При эксплуатации отопительных систем с естественной циркуляцией теплоносителя владельцы квартир и частных домов часто сталкиваются с проблемой недостаточного прогрева радиаторов, установленных в отдаленных комнатах.

Все зависит от протяженности отопительного контура. Если его длина составляет более 30 метров, уровень давления воды становится недостаточным для сохранения необходимой температуры в его максимально удаленных точках.

Чтобы добиться стабильной работы оборудования, используются устройства, обеспечивающие ритмичную циркуляцию теплоносителя. Предварительный расчет насоса для системы отопления дает возможность определить параметры, необходимые для выбора наиболее оптимальной модели.

Для чего необходимы расчеты

Большинство современных систем автономного обогрева, использующихся для поддержания определенной температуры в жилых помещениях, укомплектованы насосами центробежного типа, которые обеспечивают бесперебойную циркуляцию жидкости в отопительном контуре.

За счет увеличения давления в системе можно снизить температуру воды на выходе отопительного котла, сократив тем самым суточный расход потребляемого им газа.

Правильный выбор модели циркуляционного насоса, позволяет на порядок повысить уровень эффективности работы оборудования в отопительный сезон и обеспечить комфортную температуру в помещениях любой площади.

Что нужно знать, чтобы рассчитать мощность

Чтобы понять сам алгоритм расчета циркулярного насоса, необходимо оттолкнуться от какого-либо параметра, в точности которого сомневаться не приходится. Для этого нужно открыть технический паспорт помещения, в котором планируется установка автономной отопительной системы, и узнать его площадь. Например, возьмем отдельно стоящее здание (частный дом) площадью 300 м².

Следующим шагом будет определение величин, необходимых для расчета.

Нужно узнать три основных параметра:

• Qn — мощность источника тепла (кВт);
• Qpu — производительность циркуляционного насоса, показатель объемной подачи теплоносителя для выбранного нами типа помещения (м³/час);
• Hpu — мощность напора, необходимого для преодоления гидравлического сопротивления системы (м).

Расчет мощности источника тепла (АОГВ)

Для каждого помещения в зависимости от его площади или объема существуют определенные технические нормы мощности источника обогрева.

Для вычисления этого параметра воспользуемся следующей формулой:

Qn = Sn × Qуд ÷ 1000

мощность источника тепла

удельная тепловая потребность помещения

Площадь отапливаемого помещения нам известна (300 м²), а второй показатель зависит от типа сооружения: если это многоквартирный дом, то его значение равно 70 Вт/м², в нашем же случае (отдельно стоящее здание), он составит 100 Вт/м².

Подставим эти значения в формулу и посмотрим, что у нас получится:

300 × 100 ÷ 1000 = 30 кВт.

Итак, мощность отопительного агрегата для нашего помещения составила 30 кВт. Существует еще один метод определения этой величины.

Объем отапливаемого помещения и мощность отопительного агрегата можно найти в следующей таблице.

Обозначение	Параметр	Единицы измерения

Объем помещения новый дом (м³)

Напомню, что объем помещения равен произведению его площади на высоту.

• V — объем помещения;
• S — отапливаемая площадь;
• h — высота комнат.

В нашем случае при высоте потолков 2,5 м, он будет составлять:

Ищем этот показатель во второй графе таблицы и получаем те же 30 кВт.

Расчет производительности насоса

Правильный расчет мощности насоса позволяет обеспечить систему отопления необходимым количеством теплоносителя в любой ее точке. Определив технические характеристики обогревательного котла, можно вычислить производительность циркуляционного оборудования, достаточную для нашего помещения.

Воспользуемся следующей формулой:

Qpu = Qn ÷ kτ × Δt

Тепловая мощность

мощность источника тепла (АОГВ)

коэффициент теплоемкости жидкости

температурный перепад на входе и выходе системы

Если в качестве теплоносителя используется вода, ее удельная теплоемкость составляет 1,164. Если применяется иная жидкость, то значение этого параметра нужно искать в соответствующих таблицах.

При функционирующей отопительной системе значение температурного перепада (Δt ) можно вычислить методом элементарного вычитания показателей, снятых с измерительных приборов, установленных на входе и выходе системы (Δt = t1 – t2 , где t1 – температура на входе отопительного контура, а t2 – температура на выходе с него).

В противном случае придется использовать стандартные показатели. Разница температур на входе и выходе системы (Δt ) колеблется в пределах 10—20 ⁰С.

Возьмем среднее значение — 15 ⁰С и подставим полученные результаты в формулу:

Qpu = 30 ÷ 1,163 × 15 = 1,72 м³/час

Теперь один из пунктов технической характеристики циркуляционного насоса известен.

Расчет необходимой мощности (высоты) напора

Мощность отопительного котла и производительность насоса известны, следующим шагом будет определение напора теплоносителя, достаточного для преодоления внутреннего гидравлического сопротивления труб и элементов отопительной системы.

Для этого берутся в расчет тепловые потери на самом протяженном отрезке контура — от источника тепла до дальнего радиатора. Чтобы доставить тепло в любую его точку, мощность напора подаваемой жидкости должна быть выше суммарного гидравлического сопротивления всех отопительных приборов.

Расчет напора насоса отопления производится по следующей формуле:

Hpu = R × L × ZF ÷ 10000

Обозначение	Параметр	Единицы измерения

Мощность (высота) напора

Потери в трубах подачи и «обратки»

Протяженность отопительного контура

коэффициент гидравл. сопротивления фасонной и запорной арматуры системы

В зависимости от диаметра труб, значение параметра R находятся в диапазоне 50–150 Па/м (минимальный показатель применим для водопроводных систем с диаметром трубы от 2-х дюймов и выше, для современных пластиковых и металлических труб потери составляют 150 Па/м). Для нашего помещения необходимо использовать максимальное значение.

Если точную длину контура (L) определить сложно, этот параметр рассчитывают, исходя из габаритов отапливаемого помещения. Показатели длины, ширины и высоты дома складываются, а затем удваиваются. При общей площади 300 м² можно предположить, что длина дома составляет 30 м, ширина – 10 м, а высота 2,5 м. В этом случае L = (30 + 10 + 2,5) × 2, то есть 85 метров.

Самый простой вариант определения значения ZF выглядит следующим образом: при отсутствии термостатического вентиля в системе он равен 1,3, а при его наличии — 2,2.

Для расчета возьмем максимальную величину этого коэффициента и подставим все полученные значения в формулу:

150 × 85 × 2,2 ÷ 10000 = 2,8 м.

Предложенная методика расчета не является единственной. Для более точного определения напорных показателей насоса существуют формулы, в которых учитывается не коэффициент потерь, а реальные значения этих показателей.

Гидравлическое сопротивление

Этим термином выражаются суммарные потери давления в системе. Отопительный контур состоит из отдельных элементов, каждый из которых имеет свое значение этой характеристики.

К ним можно отнести:

• вентили;
• клапаны;
• фильтры;
• измерительные и регулирующие приборы;
• радиаторы;
• конвекторы и т. д.

Для точного определения потерь в системе обычно пользуются значениями, указанными в технической документации на каждый компонент отопительного контура.

Если же такой возможности нет, найти эту информацию можно в следующей таблице:

Обозначение	Параметр	Единицы измерения

В этом случае для расчета высоты напора удобно воспользоваться несколько иной формулой.

H = 1,3 × (R1L1 + R2L2 + Z1 + Z2 + …. + Zn) ÷ 10000, где:

• R1, R2 – потери в трубах подачи и «обратки» (Па/м);
• L1, L2 – длина линий трубопровода подачи и «обратки» (м);
• Z1, Z2 … Zn – потери давления на отдельных элементах системы (Па).

Число, находящееся в знаменателе формулы (10000), – коэффициент пересчета Паскалей в метры.

Выбираем насос

После того, как все необходимые параметры для приобретения циркуляционного насоса определены, можно приступить к выбору конкретной модели. Технические характеристики устройств этого типа отражены в графиках соотношения производительности устройства и высоты напора, приложенных к их паспорту. Эти данные можно легко найти в Интернете.

В зависимости от количества скоростей в координатной системе выстроены один, два или три графика с указанием точки оптимального соотношения этих величин. Откладываем по оси Х значение производительности насоса, а по оси Y высоту его напора. Точка пересечения этих параметров должна находиться как можно ближе к точке, указанной на графике – полное их совмещение будет идеальным вариантом.

Самые распространенные модели имеют трехскоростной режим эксплуатации. Если вы остановитесь на одной из них, то выбор характеристик необходимо проводить по графику, соответствующему второй скорости, то есть среднему. В иных случаях совмещение параметров производится по любому из них.

Цены на разные модели насосов для системы отопления

Как рассчитать насос, если известна мощность котла

Часто возникают ситуации, когда котел приобретается заблаговременно или же насос добавляется в уже функционирующую систему отопления. В этом случае мощность отопительного агрегата известна, и все остальные элементы контура выбираются в зависимости от значения этого показателя.

Для расчета производительности циркуляционного насоса при заданной мощности источника нагрева, пользуются следующей формулой.

Q = N ÷ (t2 — t1), где:

• Q – производительность насоса (м³/час);
• N – мощность отопительного устройства (Вт);
• t2 – температура теплоносителя на входе системы (⁰С);
• t1 – температура жидкости на выходе из контура (⁰С).

Если возможность точно определить указанные параметры подачи и «обратки» отсутствует, воспользуйтесь средним значением температурного перепада — 15 ⁰С.

Количество скоростей у насосов

По своей конструкции насос циркуляционного типа представляет собой электродвигатель, механически связанный с валом крыльчатки, лопасти которой выталкивают из рабочей камеры нагретую жидкость в магистраль отопительного контура.

В зависимости от степени контакта с теплоносителем, насосы делятся на устройства с сухим и мокрым ротором. У первых в воду погружена только нижняя часть крыльчатки, вторые пропускают весь поток через себя.

Модели с сухим ротором отличаются более высоким коэффициентом полезного действия (КПД), но создают ряд неудобств из-за шума во время работы. Их аналоги с мокрым ротором более комфортны в эксплуатации, но обладают меньшей производительностью.

Современные циркуляционные насосы могут эксплуатироваться в двух или трех скоростных режимах, поддерживая различное давление в отопительной системе. Использование этой опции дает возможность на максимальной скорости быстро прогреть помещение, а затем выбрать оптимальный режим работы и сократить энергопотребление устройства до 50 %.

Переключение скоростей осуществляется с помощью специального рычага, установленного на корпусе насоса. Некоторые модели имеют автоматическую систему регулирования, изменяющую скорость вращения двигателя в соответствии с температурой воздуха в отапливаемом помещении.

Полезные рекомендации

При выборе насоса для системы отопления преимущество стоит отдавать конструкциям с «мокрым» ротором, поскольку они очень тихо работают и выдерживают более высокие нагрузки, чем гидравлические приспособления иных модификаций.

Корме того, обратите внимание на материал корпуса – остановите свой выбор на изделиях из нержавеющей стали, бронзы или латуни. Так же предпочтение стоит отдавать моделям с подшипниками и валом, изготовленными из керамики. Срок эксплуатации такого оборудования превышает 20 лет.

При установке устройства в систему необходимо проследить, чтобы вал крыльчатки располагался горизонтально, то есть параллельно трубе. Если в процессе работы насоса появляется подозрительный шум, это еще не говорит о его неисправности или фабричном дефекте. Попробуйте спустить воздух, оставшийся в системе после запуска.

Видео

С практическими рекомендациями по расчету насосного оборудования для отопительных контуров можно познакомиться, просмотрев это видео.

Евгений Афанасьев главный редактор

Автор публикации 26.10.2018

Понравилась статья?
Сохраните, чтобы не потерять!

Элемент системы	Потери давления	Единицы измерения