ЖКХ в России

Гидравлические потери и коэффициент затекания воды в отопительный прибор

Отношение воды к схемам подключения радиаторов отопления.

Вода – не дура, она, как и мы с вами, хорошо знает законы гидравлики и гидродинамики. Даже больше – в отличие от нас, людей, вода эти законы не только знает, но и выполняет! Ей больше некуда деваться, как только протекать (или – не протекать) по тем изгибам и сужениям труб, которые мы придумали и смонтировали.

В этой статье мы говорим только об однотрубной системе отопления. Двухтрубная система в подробных разъяснениях не нуждается, поэтому она и применяется, пожалуй, во всем мире, кроме России.

Если мы хотим, чтобы в наших квартирах было тепло, тем, кто забыл, придется вспомнить кратко то, чему нас пытались научить еще в школе (в техникуме, в институте) любимые учители физики (гидравлики)*.

Некоторые основные понятия в гидравлике:

• гидравлические потери;
• коэффициент затекания воды в отопительный прибор.

Гидравлические потери

Гидравлические потери — вид потерь энергии в трубопроводах и другом гидрооборудовании, обусловленный работой сил вязкого трения между слоями жидкости, а также силами взаимодействия между жидкостью и контактирующими с ней твёрдыми телами.

Гидравлические потери принято разделять на три вида:

• потери на трение воды о внутреннюю поверхность трубы по ее длине, которые определяются по формуле Дарси-Вейсбаха (наименование формул я привожу только для того, чтобы Вы убедились, что вода – тоже умная и течет по нашим трубам и радиаторам только по этим формулам!);
• потери в оборудовании (отопительном радиаторе). Эти потери называются «характеристика сопротивления радиатора», определяются как потеря давления в нем при расходе теплоносителя 360 кг/час, измеряются в Па/(кг/с) 2 и обозначаются S_{н у}.
  Характеристики сопротивления некоторых типов радиаторов см. в конце статьи в таблице 2.
• местные гидравлические потери ζ_ну, связанные с изменением сечения или конфигурации участка системы отопления.

Примеры местных потерь – входное и выходное отверстие радиатора, внезапное или постепенное расширение или сужение трубы, повороты трубы, запорный или регулировочный вентиль и др. Коэффициенты местных потерь (коэффициенты Дарси) вычисляются по эмпирическим формулам.

Коэффициенты местных потерь (местного сопротивления) радиаторов и ряда деталей трубопроводов отопления см. в конце статьи в таблицах 2 и 3.

Вы хотите, чтобы больше горячей воды затекало в ваши радиаторы, и меньше — протекало мимо, по стояку отопления? Тогда продолжайте внимательно читать дальше.

Коэффициент затекания воды в отопительный прибор

Коэффициент затекания воды в отопительный прибор – это доля воды, поступающей в отопительный прибор (далее наз. – радиатор), от всей массы воды, протекающей по стояку до места ответвления к радиатору.

Чем меньше коэффициент затекания воды в отопительный прибор (далее наз. – коэффициент затекания), тем меньшая часть воды из стояка поступает в радиатор.

Значения коэффициентов затекания зависят:

от различных сочетаний диаметров труб стояков (d_ст), байпасов (смещённых замыкающих участков) (d_зу), подводящих труб от стояков к радиаторам (d_п).

Наиболее распространенные сочетания диаметров d_ст х d_зу х d_п (мм):

[15х15х15], [20х15х15] и [20х15х20] (см. таблицу 1);

от геометрической конфигурации узла подводки к радиатору (см. схемы 1 – 10). В зависимости от схемы подключения радиатора к стояку коэффициент затекания

изменяется от 0,15 (схемы 3 и 6) до 1,0 (схемы 2 и 5);

от длины подводящих труб от стояков к радиаторам (d_п);

от характеристики сопротивления радиатора S_{н у};

от местных потерь во входном и выходном отверстии (патрубке) радиатора,

Усреднённые значения коэффициентов затекания α_пр узлов однотрубных систем водяного отопления с чугунными радиаторами МС-110 при расходе теплоносителя по стояку более 100 кг/ч

Значения α_пр при сочетании диаметров труб

Расчет теплопотерь трубопровода

Расчет тепловых потерь трубопроводов с помощью онлайн-калькулятора – рассчитайте теплопотери трубопроводов с изоляцией по длине по формулам.

Теплопотери трубопровода – это суммарные потери тепловой энергии, которые происходят при перемещении теплоносителя от источника до конечного потребителя. С помощью нашего калькулятора вы сможете выполнить расчет теплопотерь трубопровода по длине с учетом изоляции и температуры окружающей среды. Теоретическое обоснование алгоритма и формулы расчета представлены ниже. Если вы хотите узнать потери тепла в трубе без учета изоляции, укажите толщину равную нулю. Значение коэффициента теплопроводности для материалов указан в таблице. Коэффициент запаса по умолчанию равен 1.3 (без необходимости не меняйте данное значение). Рекомендуется брать температуру наиболее холодной пятидневки по СП 131.13330.2018 «Строительная климатология». Чтобы получить результат, нажмите кнопку «Рассчитать».

Смежные нормативные документы:

• СП 50.13330.2010 «Тепловая защита зданий»
• СП 124.13330.2012 «Тепловые сети»
• СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»
• СП 131.13330.2018 «Строительная климатология»
• ГОСТ Р 56779-2015 «Системы распределения бытового горячего водоснабжения»

Как рассчитать теплопотери самостоятельно?

Формула расчета теплопотерь трубопровода: Q = (2π × λ × L × (T_вн — T_нар) / ln(D / d) × k

3,14);

λ – коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/м°С (см. таблицу ниже);

L – длина трубы, м;

T_вн – температура жидкости в трубопроводе, °С;

T_нар – температура окружающей среды, °С;

D – наружный диаметр трубопровода с теплоизоляцией, м;

d – внутренний диаметр трубопровода, м;

k – коэффициент запаса мощности (1,3).

Калькулятор теплопотерь дома

Расчет тепловых потерь дома с помощью удобного калькулятора по СНиП – расчет теплопотерь помещения через стены/пол/потолок/окна онлайн и по формулам.

Калькулятор теплопотерь дома позволяет выполнить расчет тепловых потерь здания или отдельного помещения через ограждающие конструкции по СНиП – теоретическое обоснование указано ниже. Для начала расчета укажите город проживания или ближайшую столицу субъекта (только Россия), чтобы получить значения температуры воздуха наиболее холодной пятидневки по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» (можно указать значения самостоятельно). Далее требуется выбрать ограждения, которые необходимо учитывать при подсчете (стены, окна, потолок, пол), также можно рассчитать потери на инфильтрацию (вентиляцию). Для каждого параметра можно выбрать два слоя (внешний, внутренний). Чтобы получить результат, нажмите кнопку «Рассчитать».

Смежные нормативные документы:

• СП 50.13330.2010 «Тепловая защита зданий»
• СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»
• СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование»
• СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети»
• СНиП 2.08.01-89* «Жилые здания»
• СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника»
• ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»
• ГОСТ 22270-76 «Оборудование для кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления»
• ГОСТ 31311-2005 «Приборы отопительные»

Теоретическое обоснование расчета тепловых потерь

Для расчета потерь теплоты через ограждающие конструкции помещений используют законченную формулу из СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование»:

• S – площадь помещения, м 2 ;
• t_в – температура внутренняя, °С;
• t_н – температура наружная, °С;
• R – термическое сопротивление материала, (м 2 × °С)/Вт.

Для расчета общего термического сопротивления стен дополнительно применяются поправочные коэффициенты:

• R_м – термическое сопротивление материала, Вт/(м 2 × °С);
• R_в – термическое сопротивление внутренней поверхности стены, Вт/(м 2 × °С);
• R_н – термическое сопротивление наружной поверхности стены, Вт/(м 2 × °С).

В свою очередь, показатели термического сопротивления равны:

• L – толщина материала, м;
• λ – теплопроводность материала, Вт/(м × °С)
• α_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м 2 × °С);
• α_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м 2 × °С).

Все параметры подбираются согласно СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника».

Теплопотери для многослойных стен рассчитываются аналогичным образом, за исключением того, что значение суммарного термического сопротивление складывается для каждого слоя:

Иным способом производится расчет тепловых потерь на инфильтрацию, формулу можно найти в СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование»:

• G_i – расход воздуха, м 3 /ч;
• c – удельная теплоемкость воздуха, 1.006 кДж/(кг × °С)
• t_в – температура внутренняя, °С;
• t_н – температура наружная, °С;
• k – коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях (по умолчанию 0.8).

Расход удаляемого воздуха G_i, не компенсируемый приточным воздухом определяется следующим образом:

Как определить фактические тепловые потери в тепловых сетях

Как рассчитать фактические тепловые потери в тепловых сетях

Главная цель данной задачи – определить реальные тепловые потери в тепловых сетях и сравнить их с нормативными значениями

В зависимости от полученного результата, обосновать необходимость (или отсутствие необходимости) проведения работ по модернизации тепловой сети с заменой трубопроводов и теплоизоляции.

В данном примере, определить тепловые потери в тепловых сетях было необходимо для государственной организации ФГУП ВНИИФТРИ, расположенной в Московской области, Солнечногорский район, городской поселок Менделеево.

В обследование включены наружный осмотр, замер температуры, тепловизионное обследование и расчет тепловых потерь в тепловых сетях Ду 400 мм, Ду 250 мм, Ду 200 мм, Ду 150мм.

Содержание

Краткое описание тепловой сети

Для покрытия тепловых нагрузок используется производственно-отопительная котельная, основным топливом которой является природный газ.

• пар на технологические нужды – круглогодично
• горячую воду на нужды отопления – в течении отопительного сезона и
• горячее водоснабжение – круглогодично.
• Проектом предусмотрена работа тепловой сети по температурному графику 98/60 град. С.

Схема подключения системы отопления – зависимая.

Тепловые сети, обеспечивающие передачу тепловой энергии на нужды отопления всего поселка и горячего водоснабжения правобережной его части, смонтированы в надземном и подземном исполнении.

Тепловая сеть разветвлённая, тупиковая.

Год ввода в эксплуатацию тепловых сетей – 1958. Строительство продолжалось до 2007 года.

• матами из стекловаты толщиной 50 мм, с покровным слоем из рулонного материала,
• экструдированного пенополистирола типа ТЕРМОПЛЭКС толщиной 40 мм, с покрывным слоем из оцинкованного листа и вспененного полиэтилена толщиной 50 мм.

За время эксплуатации часть участков тепловой сети подвергались ремонту с заменой трубопроводов и тепловой изоляции.

Определяем фактические тепловые потери в тепловых сетях

Мы исходим из того, что тепловые потери в тепловых сетях не зависят от скорости движения воды в трубопроводе, а зависят от

• диаметра трубы,
• температуры теплоносителя,
• материала теплоизоляции и
• состояния теплоизоляция.

Стационарная теплопроводность цилиндрической стенки – описание методики расчета

Под цилиндрической стенкой понимают трубу бесконечной длины с внутренним радиусом R1 (диаметром D1) и внешним радиусом R2 (диаметром D2).

На поверхностях стенки заданы постоянные температуры t1 и t2. Перенос теплоты осуществляется только теплопроводностью, внешние поверхности изотермические (эквипотенциальные) и температурное поле изменяется только по толщине стенки трубы в направлении радиуса.

Тепловой поток, проходящий через цилиндрическую стенку единичной длины, обозначается ql и называется линейным тепловым потоком, Вт/м:

где λ – коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(м∙К);

D1, D2 – соответственно внутренний и внешний диаметры цилиндрического слоя материала;

t1, t2 – средние температуры внутренней и внешней поверхности цилиндрического слоя материала.

Тепловой поток, Вт:

где l – длина трубы, м.

Рассмотрим теплопроводность многослойной цилиндрической стенки, состоящей из n однородных и концентричных цилиндрических слоев с постоянным коэффициентом теплопроводности и в каждом слое, температура и диаметр внутренней поверхности первого слоя равны t1 и R1, на наружной поверхности последнего n–ого слоя – tn+1 и Rn+1.

Линейный тепловой поток цилиндрической стенки ql – величина постоянная для всех слоев и направлен в сторону понижения температуры, например, от внутреннего слоя к наружному.

Записывая величину ql для каждого произвольного i–того слоя и преобразуя это уравнение, имеем

Так как теплосеть имеет три разных вида изоляции проводим расчет тепловых потерь трубопроводов для каждого вида отдельно, а также случай без изоляции трубопровода для оценки тепловых потерь на поврежденных участках теплосети.

Далее мы провели расчет тепловых потерь в тепловых сетях с разными видами теплоизоляции.

В примере, который следует, расчет тепловых потерь в тепловой сети с теплоизоляцией из вспененного полиэтилена.

Расчет потерь тепловой энергии в тепловых сетях с теплоизоляцией из вспененного полиэтилена

В примере приведены расчеты по трем участкам.

Номер участка	Протя-женность участка, м	Назначение трубопровода	Наружный диаметр водоводов, мм	Толщина стенки, мм	Коеэф. Тепло-проводности стали, Вт/м*градус	Толщина изоляции, мм
1	41,2	от	426	9	55	50
41,2	от	426	9	55	50
41,2	гв	108	4	55	50
2	152	от	426	9	55	50
152	от	426	9	55	50
3	274,3	от	426	9	55	50
274,3	от	426	9	55	50

Номер участка	Коеэф. Тепло-проводности изоляции, Вт/м*градус	Температура теплоносителя, °С	Температура на поверхности заизолированной трубы, °С	Удельные теплопотери на 1 м, Вт	Общие теплопотери, Вт
1	0,05	68	6	83,1	3 425
0,05	53	6	63,0	2 596
0,05	73	6	28,9	1 191
2	0,05	68	6	83,1	12 634
0,05	53	6	63,0	9 578
3	0,05	68	6	83,1	22 800
0,05	53	6	63,0	17 284

Всего теплосеть состоит из 56 участков.

По итогам расчетов, общие тепловые потери в тепловых сетях с изоляцией из вспененного полиэтилена составляют 864 687 Вт, из термоплэкса 730 602 Вт, из стекловаты 864 687 Вт.

Суммарные тепловые потери в тепловых сетях

В результате обследования тепловой сети установлено, что

• 60 % трубопроводов тепловых сетей заизолировано стекловатой с 70 % износом,
• 30 % экструдированным пенополистиролом типа ТЕРМОПЛЭКС и
• 10 % вспененным полиэтиленом.

Теплоизоляция	Общие потери тепловой энергии в тепловых сетях с учетом процента покрытия и износа, кВт	Расчет тепловых потерь в тепловых сетях с учетом процента покрытия и износа, Гкал/час
Стекловата	803,589	0,69092
ТЕРМОПЛЭКС	219,180	0,18845
Вспененный полиэтилен	86,468	0,07434
Всего:	1109,238	0,95372

Расчет износа трубопровода

Средний возраст трубопроводов тепловой сети составляет 36,5 лет.

При обследовании в натуре было установлено, что остаточный срок службы для него принимается в 15 лет, в то время как нормативный срок службы составляет 25 лет. Износ трубопровода определяется следующим образом:

36,5/(36,5+20) х (100- 15) = 54,9115%

Результаты обследования и расчета потерь тепла в тепловой сети

Общие тепловые потери в тепловых сетях с учетом процента покрытия и износа составляют 0,95372 Гкал/час.

По результатам обследования установлено что теплотрасса имеет средний износ 54,91%.

При наружном обследование установлены участки с износом или повреждениями тепловой изоляции, что подтверждается результатами тепловизионного обследования трубопроводов.

Вывод по результатам замеров и расчетам

Согласно полученных данных в ходе измерений и анализа трубопроводы системы теплоснабжения находятся в удовлетворительном техническом состоянии и пригодны для дальнейшей эксплуатации.

В дальнейшим требуется провести работы по восстановлению участков с нарушенной тепловой изоляцией.

Тепловизионное обследование тепловой сети

Расчет тепловых потерь в тепловых сетях был дополнен тепловизионным обследованием.

Тепловизионное обследование тепловой сети помогает обнаружить локальные дефекты трубопроводов и теплоизоляции для последующего ремонта или замены.

Повреждена теплоизоляция трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 59,3 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 54,5 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 56,2 °C

Повреждена теплоизоляция трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 66,3 °C

Открытые участки трубопроводов без изоляции.

Открытые участки трубопроводов без изоляции.

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем.

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 62,5 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 63,2 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 63,8 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 66,5 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 63,5 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 69,5 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 62,2 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 52,0 °C

Открытые участки трубопроводов без изоляции. Максимальная температура на открытых участках составляла 62,4 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем под воздействием окружающей среды.

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем под воздействием окружающей среды.

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 67,6 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем. Максимальная температура на открытых участках составляла 58,8 °C

Частичное разрушение теплоизоляции трубопроводов с теплоносителем под воздействием окружающей среды.

Тепловизионное обследование тепловой сети

Участки объекта без дефектов, аномалий и тепловых потерь

Трубопроводы полностью заизолированы, тепловые потери соответствуют нормативным потерям.

Трубопроводы полностью заизолированы, тепловые потери соответствуют нормативным потерям.

Трубопроводы полностью заизолированы, тепловые потери соответствуют нормативным потерям.

Трубопроводы полностью заизолированы, тепловые потери соответствуют нормативным потерям.

Трубопроводы полностью заизолированы, тепловые потери соответствуют нормативным потерям.

Трубопроводы полностью заизолированы, тепловые потери соответствуют нормативным потерям.

Трубопроводы полностью заизолированы, тепловые потери соответствуют нормативным потерям.

Тепловизионное обследование от 15 000 руб.

Приборы и средства контроля

Контроль качества теплоизоляции конструкций выполнен с использованием термографа (тепловизора) «testo 871».

При теплотехническом обследовании дополнительно использовали следующую аппаратуру:

• термогигрометр Testo 622,
• измеритель плотности теплового потока и температуры ИТП-МГ4.03 «ПОТОК»,
• термоанемометр Testo 405.