Гидравлический расчет отопления

Комфорт в загородном доме во многом зависит от надёжной работы системы отопления. Теплоотдача при радиаторном отоплении, системе «тёплый пол» и «тёплый плинтус» обеспечивается за счёт движения по трубам теплоносителя. Поэтому правильному подбору циркуляционных насосов, запорно-регулирующей арматуры, фитингов и определению оптимального диаметра трубопроводов предшествует гидравлический расчёт системы отопления.

Данный расчёт требует профессиональных знаний, поэтому мы в данной части учебного курса «Системы отопления: выбор, монтаж», с помощью специалиста компании REHAU, расскажем:

• О каких нюансах следует знать перед выполнением гидравлического расчёта.
• Чем отличаются системы отопления с тупиковым и попутным движением теплоносителя.
• В чём состоят цели гидравлического расчёта.
• Как материал труб и способ их соединения оказывает влияние на гидравлический расчёт.
• Каким образом специальное программное обеспечивание позволяет ускорить и упростить процесс гидравлического расчета.

Нюансы, о которых надо знать перед выполнением гидравлического расчёта

В современной системе отопления протекают сложные гидравлические процессы с динамически меняющимися характеристиками. Поэтому на гидравлический расчёт оказывает влияние множество нюансов: начиная от типа системы отопления, вида отопительных приборов и способа их присоединения, режима регулирования и заканчивая материалом комплектующих.

Важно: Трубопроводная отопительная система загородного дома — это сложная разветвлённая сеть. Гидравлический расчет определяет её правильную работу так, чтобы ко всем отопительным приборам поступало необходимое количество теплоносителя. Правильно рассчитать и спроектировать систему отопления может только квалифицированный специалист, имеющий профильное образование по данной дисциплине.

Вне зависимости от того, какая система отопления смонтирована в доме, например, радиаторная разводка или тёплый пол, принцип гидравлического расчёта одинаков для всех, но каждая система требует индивидуального подхода.

Например, система отопления может быть заправлена водой, этилен- или пропиленгликолем, а это повлияет на гидравлические параметры системы.

Важно: вид теплоносителя, который будет циркулировать в системе отопления, определяется заранее. Соответственно: проектировщик при гидравлическом расчёте системы отопления должен учесть его характеристики.

Выбор одно- или двухтрубной системы отопления также влияет на методику гидравлического расчёта.

Это связано с тем, что в однотрубной системе вода последовательно проходит через все радиаторы, и расход через все приборы в расчетных условиях будет единым при различных небольших перепадах температур на каждом приборе. В двухтрубной системе вода через отдельные кольца поступает независимо в каждый радиатор. Поэтому в двухтрубной системе перепад температур на всех приборах будет одинаковым и большим, порядка 20 К, а вот расходы через каждый прибор будут существенно различаться.

При гидравлическом расчете выбирается самое нагруженное кольцо. Оно является расчётным. Все остальные кольца увязываются с ним так, чтобы потери в параллельных кольцах были одинаковыми, с соответствующими им участками главного кольца.

При выполнении гидравлического расчета обычно вводятся следующие допущения:

1. Скорость воды в подводках не более 0,5 м/с, в магистралях в коридорах 0,6-0,8 м/с, в магистралях в подвалах 1,0-1,5 м/с.
2. Удельные потери давления на трение в трубопроводах — не более 140 Па/м.

Системы отопления с тупиковым и попутным движением теплоносителя

Отметим, что в системах радиаторной разводки, при едином принципе гидравлического расчёта, существуют разные подходы, т.к. системы подразделяются на тупиковые и попутные.

При тупиковой схеме теплоноситель движется по трубам «подачи» и «обратки» в противоположные стороны. И, соответственно, в попутной схеме теплоноситель движется по трубам в одном направлении.

В тупиковых системах расчет ведётся через дальние — наиболее нагруженные участки. Для этого выбирается главное циркуляционное кольцо. Это самое неблагоприятное направление для воды, по которому прежде всего подбираются диаметры отопительных труб. Все остальные второстепенные кольца, которые возникают в этой системе, должны увязываться с главным. В попутной системе расчёт ведётся через средний, наиболее нагруженный, стояк.

В системах водопровода соблюдается аналогичный принцип. Система рассчитывается через самый удалённый и самый нагруженный стояк. Но есть особенность – в расчёте расходов.

Важно: если в радиаторной разводке расход зависит от количества тепла и перепадов температур, то в водопроводе расход зависит от норм водопотребления, а также от типа установленной водоразборной арматуры.

Цели гидравлического расчета

Цели гидравлического расчета заключаются в следующем:

1. Подобрать оптимальные диаметры трубопроводов.
2. Увязать давления в отдельных ветвях сети.
3. Выбрать циркуляционный насос для системы отопления.

Раскроем подробнее каждый из этих пунктов.

1. Подбор диаметров трубопроводов

Если система разветвлённая – есть короткая и длинная ветка, то на длинной ветке идёт большой расход, а на короткой — меньший. В этом случае короткая ветка должна выполняться из труб меньших диаметров, а длинная ветка должна выполняться из труб большего диаметра.

И, по мере уменьшения расхода, от начала к концу ветки диаметры труб должны уменьшаться так, чтобы скорость теплоносителя была примерно одинакова.

2. Увязка давлений в отдельных ветвях сети

Увязка может производиться подбором соответствующих диаметров труб или, если возможности этого способа исчерпаны, то за счёт установки регуляторов расхода давления или регулировочных вентилей на отдельных ветвях.

Регулировочная арматура может быть разной.

Бюджетный вариант — ставим регулировочный вентиль — т.е. вентиль с плавной регулировкой, который имеет градацию в настройке. Каждый вентиль имеет свою характеристику. При гидравлическом расчёте проектировщик смотрит, какое давление необходимо погасить, и определяется так называемая невязка давлений между длинной и короткой ветками. Тогда по характеристике вентиля проектировщик определяет, на сколько оборотов этот вентиль,  от полностью закрытого положения, надо будет открыть. Например, на 1, на 1.5 или на 2 оборота. В зависимости от степени открытия вентиля будет добавляться разное сопротивление.

Более дорогой и сложный вариант регулировочной арматуры — т.н. регуляторы давления и регуляторы расхода. Это устройства, на которых мы задаём необходимый расход или необходимый перепад давлений, т.е. падение давлений на этой ветке. В этом случае устройства сами контролируют работу системы и, если расход не соответствует требуемому уровню, то они открывают сечение, и расход увеличивается. Если расход слишком большой, то сечение перекрывается. Аналогично происходит и с давлением.

Если все потребители после ночного понижения теплоотдачи одновременно открыли утром свои отопительные приборы, то теплоноситель попытается, в первую очередь, поступать в ближние к тепловому пункту приборы, а до дальних дойдет спустя часы. Тогда сработает регулятор давления, прикрывая ближайшие ветки и, тем самым, обеспечит равномерное поступление теплоносителя во все ветки.

3. Подбор циркуляционного насоса по давлению (напору) и по расходу (подаче)

Если в системе стоит несколько циркуляционных насосов, то в случае их последовательного монтажа у них суммируется напор, а расход будет общим. Если насосы работают параллельно, то у них суммируется расход, а напор будет одинаковым.

Важно: Определив в ходе гидравлического расчёта потери давления в системе, можно выбрать циркуляционный насос, который оптимально будет соответствовать параметрам системы, обеспечивая оптимум затрат – капитальных (стоимость насоса) и эксплуатационных (стоимость электроэнергии на циркуляцию).

Как выбор комплектующих для системы отопления влияет на гидравлический расчёт

Материал, из которого изготовлены трубы системы отопления, фитинги, а также техника их соединения, оказывает существенное влияние на гидравлический расчет.

В местах соединений «фитинг-труба», в зависимости от способа их монтажа, могут быть большие потери, или, наоборот, потери на сопротивление потоку при движении теплоносителя сведены к минимуму.

Например, если используется техника соединения методом «надвижной гильзы», т.е. развальцовывается конец трубопровода, и внутрь вставляется фитинг, то за счёт этого не происходит заужения живого сечения. Соответственно: уменьшается местное сопротивление, и уменьшаются энергетические затраты на циркуляцию воды.

Подведение итогов

Выше уже говорилось, что гидравлический расчёт системы отопления — это сложная задача, требующая профессиональных знаний. Если предстоит спроектировать сильно разветвлённую систему отопления (большой дом), то расчёт вручную отнимает много сил и времени. Для упрощения данной задачи разработаны специальные компьютерные программы.

Добавим, что сейчас при проектировании промышленных и гражданских объектов наметилась тенденция к использованию BIM технологий (building information modeling). В этом случае все проектировщики работают в едином информационном пространстве. Для этого создаётся «облачная» модель здания. Благодаря этому любые нестыковки выявляются ещё на стадии проектировании, и своевременно вносятся необходимые изменения в проект. Это позволяет точно спланировать все строительные работы, избежать затягивания сроков сдачи объекта и тем самым сократить смету.

Источник: www.forumhouse.ru

В чем заключается суть подобного расчета?

Главным отличием современных систем является специальный механизм, обеспечивающий гидравлический режим. Современные разработки и высококачественные материалы, которые используются сегодня в системах отопления, дают возможность своевременного реагирования на малейшее температурное колебание. Казалось бы, это очень выгодно: экономится энергия, а следовательно, наши затраты на отопления минимизируются. Но с другой стороны такое оборудование требует специальных знаний касаемо использования высокотехнологичной арматуры регулировки, а также других элементов при обустройстве системы.

Важная информация! Сочетание гидрорасчета и арматуры регулировки – это залог эффективности и работоспособности современных систем отопления.

Существуют некие обстоятельства, ввиду которых мы должны соблюдать приведенные выше условия.

1. Теплоноситель должен подаваться в приборы нагрева в должном количестве – так вы добьетесь баланса тепла при условии, что вы будете задавать температуру в здании, а температура снаружи будет меняться.
2. Отсутствие шума, долговечность и стабильность работы отопительной системы.
3. Минимум затрат при эксплуатации, в частности, электроэнергии, которые направлялись бы на то, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление трубопровода.
4. Затраты на установку системы нужно свести к минимуму, что в большей мере зависит от диаметра трубопровода.

Видео инструкция

Что нам дает гидравлический расчет?

1. Потери носителя тепла и давления в самой системе.
2. Необходимый диаметр труб на самых ответственных участках магистрали. В этом случае необходимо учесть то, каковыми являются требуемые и материально целесообразные скорости перемещения теплоносителя.
3. Гидроувязка всех ветвей отопительной системы. При этом для того, чтобы сбалансировать систему в различных режимах функционирования, необходимо использовать упомянутую ранее арматуру регулировки.
4. Утеря давления на прочих отрезках магистрали.

Важная информация! Во время проектирования и установки обогревательной системы самым трудоемким и ответственным этапом работы считается именно гидравлический расчет.

Но до того как произвести гидравлический расчет системы отопления, нужно предварительно выполнить целый ряд процедур.

Образец гидравлики отопительной системы

А теперь давайте на примере рассмотрим, каким образом нужно провести гидравлический расчет системы отопления. Для этого мы берем тот участок магистрали, на котором наблюдаются относительно стабильные теплопотери. Характерно то, что диаметр трубопровода меняться не будет.

Чтобы определить подобный участок, нам необходимо основываться на информации о балансе тепла в здании, где будет находиться сама система. Помните, что нумеровать подобные участки следует, начиная от теплогенератора. Касаемо узлов, которые будут находиться на участке подачи, то их следует подписывать прописными буквами.

Если подобных узлов на магистрали не будет, то мы лишь помечаем их небольшими штрихами. Для узловых точек (они будут находиться в ответвленных участках) применяем арабские цифры. Если применяется горизонтальная система отопления, то цифра у каждой такой точки будет обозначать номер этажа. Узлы для сбора потока также должны отмечаться маленькими штрихами. Заметьте, что каждый из таких номеров должен обязательно состоять из двух цифр: одна для начала участка, вторая, следовательно, для его окончания.

Таблица сопротивлений

Важная информация! Если рассчитывается система вертикального типа, то все стояки также должны отмечаться арабскими цифрами идти строго по часовой стрелке.

Составьте заранее подробную план-смету, чтобы было удобнее определять общую протяженность магистрали. Точность сметы – не просто слово, точность должна соблюдаться до десяти сантиметров!

О специальных программах для расчетов

Существую специальные программы, которые можно использовать для того, чтобы существенно упростить гидравлический расчет системы отопления. Конечно же, их не так уж и много, тем не менее, они есть, притом весьма эффективные. Некоторые из них можно скачать бесплатно, другие же, напротив, доступны лишь в пробных версиях. Как бы то ни было, а все необходимые расчеты можно сделать без каких-либо особых капиталовложений.

Программа Oventrop CO

Это абсолютно бесплатная программа, которая широко применяется для того, чтобы рассчитать загородный дом. Необходимо всего лишь предварительно задать все необходимые настройки и указать приборы отопления, трубы – далее можно с легкостью прорабатывать новые системы. Более того, при желании вы сможете корректировать уже наличествующую систему. Это осуществляется следующим образом: мощность уже имеющихся приборов подбирается в соответствии с требованиями отапливаемого здания.

Оба способа проектировки превосходно объединены в едином программном обеспечении, что дает возможность создавать новые проекты и производить регулировку старых. Вне зависимости от способа программа сама подбирает настройку арматуры. Касаемо интересующих нас расчетов, то Oventrop CO дает просто неограниченные возможности – от анализа расхода теплоносителя до диаметра труб. Вся информация выводится в виде рисунков, таблиц или схем.

Программа HERZ C.O.

Еще один представитель бесплатных программ, позволяющий произвести расчет любого рода отопительной системы. Утилита характеризуется тем, что позволяет производить такие расчеты даже в новых или недавно реконструированных объектах, в которых теплоносителем является гликолей. Соответствует всем мировым требованиям, следовательно, владеет всеми необходимыми сертификатами.

Ниже приведены основные возможности, которые может предоставить вам немецкая HERZ C.O.

1. Подобрать трубопровод по диаметру.
2. Снизить давление в кольцах циркуляции путем автоподбора параметров вентилей.
3. Настроить «регулировщиков» разницы в давлении.
4. Учесть необходимые параметры вентилей термостатики.
5. Проанализировать будущий расход теплоносителя, а также определить снижение давления в системе.
6. Вычислить гидравлическое сопротивление колец циркуляции.

Чтобы вам было удобнее пользоваться программой, всю информацию можно вводить в графическом виде. В результате утилита выдаст вам поэтажный план строения.

Важная информация! Еще одной отличительной чертой программы является так называемая контекстная помощь. Она дает возможность подробнее узнать о вводимой команде или каком-либо показателе.

Также доступно открытие сразу нескольких окон (что большая редкость для подобного рода продуктов), благодаря чему вы сможете изучать несколько типов информации одновременно. Возможна работа с принтерами и плоттерами – она крайне просто организована, каждый лист, который планируется распечатать, можно предварительно посмотреть.

Программа Instal-Therm HCR

Еще одна утилита, дающая возможность с предельной точностью рассчитать поверхностную либо радиаторную систему. Она не идет в одиночку, а поставляется в пакете, куда помимо нее входят еще программы для создания чертежей, проектировки подачи горячей/холодной воды, а также для определения теплопотерь.

Ниже мы привели основные вычислительные способности данной программы.

1. Подбор диаметра будущего трубопровода.
2. Подбор отопительных приборов, при котором учитывается охлаждения теплоносителя в магистрали.
3. Определение размеров муфт, фитингов и тройников.
4. Гидравлический расчет системы отопления.
5. Подбор мощности насосов (иными словами, высоты поднятия жидкости), которые установлены по периметру.
6. Автоматическая регулировка необходимой температуры.

Характерно то, что программа доступна бесплатно исключительно в демо-версии, имеющей целый ряд ограничений. Прежде всего, в ней (равно как и в большинстве бесплатных утилит) вы не сможете ни импортировать полученные результаты, ни распечатать их. Кроме того, вы сможете создать только три проекта – для большего требуется покупка программы. Зато! Вы можете изменять эти три проекта неограниченное количество раз! наконец, все проекты сохраняются в специальном доработанном формате, который не сможет прочесть ни одна лицензированная или, разумеется, пробная программа.

В качестве заключения

Сегодня регулирующие системы отопления, в которых показатель тепла перманентно изменяется, нуждаются в постоянном мониторинге и контроле. Но если не знать современный рынок, то едва ли удастся правильно подобрать арматуру. Так что идеальный вариант для расчета системы – воспользоваться одной из специальных программ, которая включала бы в себя большой каталог параметров и данных. От того, насколько правильно будет произведен расчет, будет зависеть не только эффективность отопления, но и первоначальные финансовые затраты на ее монтаж.

>> Программа для расчёта системы отопления

Для расчёта параметров, необходимых при проектировании системы отопления дома, есть специальные программы, калькуляторы, в т. ч и on-line. Я предпочитаю программу для расчета системы отопления Valtec. В ней есть все нужные инструменты для определения тепловых потерь дома и гидравлических сопротивлений системы.

Прежде чем начинать расчет системы отопления, ознакомимся с возможностями программы Valtec.

Распакуйте скачанный архив с программой. У вас появится папка, в которую нужно зайти и запустить программу, дважды кликнув на значке:

1. Значок программы для расчёта системы отопления.

Сразу откроется рабочее окно программы, т. к. программа не требует установки:

2. Окно программы для расчёта системы отопления.

Итак, что можно сделать в программе Valtec?

Инструменты в Главном меню программы Valtec

У Valtec, как и у любой другой программы, вверху расположено главное меню.

Кликаем на кнопку «Файл» и в открывшемся подменю видим стандартные инструменты, известные любому пользователю компьютера по другим программам:

Запускается программа «Калькулятор», встроенная в Windows – для выполнения расчётов:

С помощью «Конвертера» мы будем переводить одни единицы измерения в другие:

Здесь три столбца:

В крайнем левом выбираем ту физическую величину, с которой работаем, например, давление. В среднем столбце — единицу, из которой нужно перевести (например, Паскали – Па), а в правом – в которую нужно перевести (например, в атмосферы технические). В левом верхнем углу калькулятора есть две строки, в верхнюю будем вбивать полученное при расчетах значение, а в нижней будет сразу отображаться перевод в требуемые единицы измерения… Но обо всём этом поговорим в своё время, когда дойдёт до практики.

А пока продолжаем знакомиться с меню «Инструменты». «Генератор бланков»:

Это нужно для проектировщиков, выполняющих проекты на заказ. Если мы делаем отопление только в своём доме, то «Генератор бланков» нам без надобности.

Следующая кнопка в главном меню программы Valtec – «Стили»:

Она для управления внешним видом окна программы – подстраивает под то программное обеспечение, которое установлено на вашем компьютере. По мне так ненужный прибамбас, т. к. я из тех, для кого главное не «шашечки», а доехать. А вы для себя решайте сами.

Рассмотрим более подробно инструменты, находящиеся под этой кнопкой.

В «Климатологии» выбираем район строительства:

Потери тепла в доме зависят не только от материалов стен и прочих конструкций, а и от климата местности, где здание находится. Следовательно, и требования к системе отопления зависят от климата.

В левой колонке находим район, в котором живём (республику, область, край, город). Если нашего населённого пункта здесь нет, то выбираем ближайший.

«Материалы». Здесь перечислены параметры разных строительных материалов, применяемых в конструкциях домов. Именно поэтому при сборе исходных данных (см. предыдущие материалы по проектированию) мы перечисляли материалы стен, полов, потолков:

Инструмент «Проёмы». Здесь сведения по дверным и оконным проёмам:

«Трубы». Здесь собраны сведения о параметрах труб, применяемых в системах отопления: размеры внутренние, наружные, коэффициенты сопротивления, шероховатость внутренних поверхностей:

Это нам понадобится при гидравлических расчётах – для определения мощности циркуляционного насоса .

«Теплоносители». Собственно, здесь ничего кроме характеристик тех теплоносителей, которые могут быть залиты в систему отопления дома:

Эти характеристики — теплоёмкость, плотность, вязкость.

Не всегда в качестве теплоносителя используют воду, бывает, что в систему заливают антифризы, называемые в простонародии «незамерзайками». О выборе теплоносителя поговорим в отдельной статье.

«Потребители» для расчета системы отопления не нужны, т. к. этот инструмент для расчётов систем водоснабжения:

«КМС» (коэффициенты местного сопротивления):

Любой отопительный прибор (радиатор, вентиль, термостат и пр.) создаёт сопротивление для движения теплоносителя, и эти сопротивления нужно учесть, чтобы правильно подобрать мощность циркуляционного насоса.

«Приборы по DIN». Это, как и «Потребители», больше касается систем водоснабжения:

Источник: stroyew.ru

Цели и задачи гидравлического расчёта

С инженерной точки зрения жидкостная система отопления представляется достаточно сложным комплексом, включающим устройства генерации тепла, его транспортировки и выделения в обогреваемых помещениях. Идеальным режимом работы гидравлической системы отопления считается такой, при котором теплоноситель поглощает максимум тепла от источника и передаёт его комнатной атмосфере без потерь в процессе перемещения. Конечно, такая задача видится совершенно недостижимой, однако более вдумчивый подход позволяет предсказать поведение системы в различных условиях и максимально приблизиться к эталонным показателям. Это и есть главная цель проектирования систем отопления, важнейшей частью которого по праву считается гидравлический расчёт.

Практические цели гидравлического расчёта таковы:

1. Понять, с какой скоростью и в каком объёме осуществляется перемещение теплоносителя в каждом узле системы.
2. Определить, какое влияние оказывает изменение режима работы каждого из устройств на весь комплекс в целом.
3. Установить, какая производительность и рабочие характеристики отдельных узлов и устройств будут достаточными для выполнения отопительной системой своих функций без значительного удорожания и обеспечения необоснованно высокого запаса надёжности.
4. В конечном итоге — обеспечить строго дозированное распределение тепловой энергии по различным зонам отопления и гарантировать, что это распределение будет сохраняться с высоким постоянством.

Можно сказать больше: без хотя бы базовых расчётов невозможно добиться приемлемой стабильности работы и долговечного использования оборудования. Моделирование действия гидравлической системы, по сути, является базисом, на котором строится вся дальнейшая проектная разработка.

Виды систем отопления

Задачи инженерных расчётов такого рода осложняются высоким разнообразием систем отопления, как с точки зрения масштабности, так и в плане конфигурации. Различают несколько видов отопительных развязок, в каждой из которых действуют свои закономерности:

1. Двухтрубная тупиковая система — наиболее распространённый вариант устройства, неплохо подходящий для организации как центральных, так и индивидуальных контуров обогрева.

Двухтрубная тупиковая система отопления

2. Однотрубная система или «Ленинградка» считается лучшим способом устройства гражданских отопительных комплексов тепловой мощностью до 30–35 кВт.

Однотрубная система отопления с принудительной циркуляцией: 1 — котёл отопления; 2 — группа безопасности; 3 — радиаторы отопления; 4 — кран Маевского; 5 — расширительный бак; 6 — циркуляционный насос; 7 — слив

3. Двухтрубная система попутного типа — наиболее материалоёмкий вид развязки отопительных контуров, отличающийся при этом наивысшей из известных стабильностью работы и качеством распределения теплоносителя.

Двухтрубная попутная система отопления (петля Тихельмана)

4. Лучевая разводка во многом схожа с двухтрубной попуткой, но при этом все органы управления системой вынесены в одну точку — на коллекторный узел.

Лучевая схема отопления: 1 — котёл; 2 — расширительный бак; 3 — коллектор подачи; 4 — радиаторы отопления; 5 — коллектор обратки; 6 — циркуляционный насос

Прежде чем приступить к прикладной стороне расчётов, нужно сделать пару важных предупреждений. В первую очередь нужно усвоить, что ключ к качественному расчёту лежит в понимании принципов работы жидкостных систем на интуитивном уровне. Без этого рассмотрение каждой отдельно взятой развязки превращается в переплетение сложных математических выкладок. Второе — практическая невозможность изложить в рамках одного обзора больше, чем базовые понятия, за более подробными разъяснениями лучше обратиться к такой литературе по расчёту отопительных систем:

• Пырков В. В. «Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика» 2-е издание, 2010 г.
• Р. Яушовец «Гидравлика — сердце водяного отопления».
• Пособие «Гидравлика котельных» от компании De Dietrich.
• А. Савельев «Отопление дома. Расчёт и монтаж систем».

Определение расхода и скорости движения теплоносителя

Наиболее известная методика расчёта гидравлических систем основывается на данных теплотехнического расчёта, которым определяется норма восполнения теплопотерь в каждом помещении и, соответственно, тепловая мощность радиаторов, в них установленных. На первый взгляд всё просто: мы имеем общее значение тепловой мощности и затем дозируем поступление теплоносителя к каждому нагревательному прибору. Для большего удобства предварительно строится аксонометрический эскиз гидравлической системы, который аннотируется требуемыми показателями мощности радиаторов или петель водяного тёплого пола.

Аксонометрическая схема системы отопления

Переход от теплотехнического расчёта к гидравлическому осуществляется путём введения понятия массового потока, то есть некой массы теплоносителя, подводимого к каждому участку отопительного контура. Массовый поток есть отношение требуемой тепловой мощности к произведению удельной теплоёмкости теплоносителя на разность температур в подающем и возвратном трубопроводе. Таким образом, на эскизе отопительной системы отмечают ключевые точки, для которых указывается номинальный массовый поток. Для удобства параллельно определяется и объёмный поток с учётом плотности используемого теплоносителя.

G = Q / (c (t₂ – t₁))

• G — расход теплоносителя, кг/с
• Q — необходимая тепловая мощность, Вт
• c — удельная теплоёмкость теплоносителя, для воды принимаемая 4200 Дж/(кг·°С)
• ΔT = (t₂ — t₁) — разность температур между подачей и обраткой, °С

Логика здесь проста: чтобы доставить необходимое количество тепла к радиатору, нужно сперва определить объём или массу теплоносителя с заданной теплоёмкостью, проходящего через трубопровод за единицу времени. Для этого требуется определить скорость движения теплоносителя в контуре, которая равна отношению объёмного потока к площади сечения внутреннего прохода трубы. Если расчёт скорости ведётся относительно массового потока, в знаменатель нужно добавить значение плотности теплоносителя:

V = G / (ρ · f)

• V — скорость движения теплоносителя, м/с
• G — расход теплоносителя, кг/с
• ρ — плотность теплоносителя, для воды можно принять 1000 кг/м³
• f — площадь сечения трубы, находится по формуле π­·r², где r — внутренний диаметр трубы, делённый на два

Данные о расходе и скорости необходимы для определения условного прохода труб развязки, а также подачи и напора циркуляционных насосов. Устройства принудительной циркуляции должны создавать избыточное давление, позволяющее преодолеть гидродинамическое сопротивление труб и запорно-регулирующей арматуры. Наибольшую сложность представляет гидравлический расчёт систем с естественной (гравитационной) циркуляцией, для которых требуемое избыточное давление рассчитывается по скорости и степени объёмного расширения нагреваемого теплоносителя.

Потери напора и давления

Расчёт параметров по описанным выше соотношениям был бы достаточен для идеальных моделей. В реальной жизни и объёмный поток, и скорость теплоносителя всегда будут отличаться от расчётных в разных точках системы. Причина тому — гидродинамическое сопротивление движению теплоносителя. Оно обусловлено рядом факторов:

1. Силами трения теплоносителя о стенки труб.
2. Местными сопротивлениями протоку, образуемыми фитингами, кранами, фильтрами, термостатирующими клапанами и прочей арматурой.
3. Наличием разветвлений присоединительного и ответвительного типов.
4. Турбулентными завихрениями на поворотах, сужениях, расширениях и т. д.

Задача нахождения падения давления и скорости на разных участках системы по праву считается наиболее сложной, она лежит в области расчётов гидродинамических сред. Так, силы трения жидкости о внутренние поверхности трубы описываются логарифмической функцией, учитывающей шероховатость материала и кинематическую вязкость. С расчётами турбулентных завихрений всё ещё сложнее: малейшее изменение профиля и формы канала делает каждую отдельно взятую ситуацию уникальной. Для облегчения расчётов вводится два опорных коэффициента:

1. Кvs — характеризующий пропускную способность труб, радиаторов, разделителей и прочих участков, приближенных к линейным.
2. К_мс — определяющий местные сопротивления в различной арматуре.

Эти коэффициенты указываются производителями труб, клапанов, кранов, фильтров для каждого отдельно взятого изделия. Пользоваться коэффициентами достаточно легко: для определения потери напора Кмс умножают на отношение квадрата скорости движения теплоносителя к двойному значению ускорения свободного падения:

Δh_мс = К_мс (V²/2g) или Δp_мс = К_мс (ρV²/2)

• Δh_мс — потери напора на местных сопротивлениях, м
• Δp_мс — потери напора на местных сопротивлениях, Па
• К_мс — коэффициент местного сопротивления
• g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с²
• ρ — плотность теплоносителя, для воды 1000 кг/м³

Потеря напора на линейных участках представляет собой отношение пропускной способности канала к известному коэффициенту пропускной способности, причём результат деления нужно возвести во вторую степень:

Р = (G/Kvs)²

• Р — потеря напора, бар
• G — фактический расход теплоносителя, м³/час
• Kvs — пропускная способность, м³/час

Предварительная балансировка системы

Важнейшей финальной целью гидравлического расчёта системы отопления является вычисление таких значений пропускной способности, при которых в каждую часть каждого контура отопления поступает строго дозированное количество теплоносителя с определённой температурой, чем обеспечивается нормированное выделение тепла на нагревательных приборах. Эта задача лишь на первый взгляд кажется сложной. В действительности балансировка выполняется за счёт регулировочных клапанов, ограничивающих проток. Для каждой модели клапана указывается как коэффициент Kvs для полностью открытого состояния, так и график изменения коэффициента Kv для разной степени открытия регулировочного штока. Изменяя пропускную способность клапанов, которые, как правило, устанавливаются в точках подключения нагревательных приборов, можно добиться искомого распределения теплоносителя, а значит, и количества переносимой им теплоты.

Есть, однако, небольшой нюанс: при изменении пропускной способности в одной точке системы меняется не только фактический расход на рассматриваемом участке. Из-за снижения или увеличения протока в некой степени меняется баланс во всех остальных контурах. Если взять для примера два радиатора с разной тепловой мощностью, соединённых параллельно при встречном движении теплоносителя, то при увеличении пропускной способности прибора, стоящего в цепи первым, второй получит меньше теплоносителя из-за увеличения разницы в гидродинамическом сопротивлении. Напротив, при снижении протока за счёт регулировочного клапана все остальные радиаторы, стоящие по цепочке дальше, получат больший объём теплоносителя автоматически и будут нуждаться в дополнительной калибровке. Для каждого типа разводки действуют свои принципы балансировки.

Программные комплексы для расчётов

Очевидно, что выполнение расчётов вручную оправдано только для малых систем отопления, имеющих максимум один или два контура с 4–5 радиаторами в каждом. Более сложные системы отопления тепловой мощностью свыше 30 кВт требуют комплексного подхода при расчёте гидравлики, что расширяет спектр используемых инструментов далеко за пределы карандаша и листа бумаги.

Danfoss C.O. 3.8

На сегодняшний день существует достаточно большое количество программного обеспечения, предоставляемого крупнейшими производителями отопительной техники, такими как Valtec, Danfoss или Herz. В подобных программных комплексах для расчёта поведения гидравлики используется та же методология, которая была описана в нашем обзоре. Сначала в визуальном редакторе моделируется точная копия проектируемой системы отопления, для которой указываются данные о тепловой мощности, типе теплоносителя, протяжённости и высоте перепадов трубопроводов, используемой арматуре, радиаторах и змеевиках тёплого пола. В библиотеке программы имеется широкий спектр гидротехнических устройств и арматуры, для каждого изделия производитель заблаговременно определил рабочие параметры и базовые коэффициенты. При желании можно добавить и сторонние образцы устройств, если для них известен требуемый перечень характеристик.

В финале работы программа даёт возможность определить подходящий условный проход труб, подобрать достаточную подачу и напор циркуляционных насосов. Расчёт завершается балансировкой системы, при этом в ходе симуляции работы гидравлики происходит учёт зависимостей и влияния изменения пропускной способности одного узла системы на все остальные. Практика показывает, что освоение и использование даже платных программных продуктов оказывается дешевле, чем если бы выполнение расчётов поручалось подрядным специалистам.

рмнт.ру

05.02.18

Источник: www.rmnt.ru

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:

Рт = Мт/(Ср х ΔТ)

Где:

• 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:

Ст= Рт /(ρ х Пс)

Где:

• 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:

ΔPpтр = R х Дт

Где:

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

ΔPм.с = Σξ х (V²/2) х ρ

Где:

• 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:

Рт = Мт/(Ср х ΔТ)

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,

Где:

• 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.

Источник: pechiexpert.ru

Другие статьи по теме:

Как получить водород из воды Установка агв Закрытая система отопления с принудительной циркуляцией схема Система отопления 2 х трубная система отопления Гравитационная система отопления двухэтажного дома