Гидравлический расчет системы отопления с примерами

Методы гидравлического расчета системы отопления. Что такое гидравлический расчет и зачем он нужен? Теория гидравлического расчета системы отопления. Как на практике считают гидравлическое сопротивление системы отопления. Приближенные формулы расчета гидравлического сопротивления. Программы для расчета гидравлического сопротивления в системах отопления.

Что такое гидравлический расчёт

Это третий этап в процессе создания тепловой сети. Он представляет собой систему вычислений, позволяющих определить:

  • диаметр и пропускную способность труб;
  • местные потери давления на участках;
  • требования гидравлической увязки;
  • общесистемные потери давления;
  • оптимальный расход воды.

Согласно полученным данным осуществляют подбор насосов.

Для сезонного жилья, при отсутствии в нём электричества, подойдёт система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (ссылка на обзор).

Основная цель гидравлического расчёта — обеспечить совпадение расчётных расходов по элементам цепи с фактическими (эксплуатационными) расходами. Количество теплоносителя, поступающего в радиаторы, должно создать тепловой баланс внутри дома с учётом наружных температур и тех, что заданы пользователем для каждого помещения согласно его функциональному назначению (подвал +5, спальня +18 и т.д.).

Комплексные задачи — минимизация расходов:

  1. капитальных – монтаж труб оптимального диаметра и качества;
  2. эксплуатационных:
    • зависимость энергозатрат от гидравлического сопротивления системы;
    • стабильность и надёжность;
    • бесшумность.

Автономное отоплениеЗамена централизованного режима теплоснабжения индивидуальным упрощает методику вычислений

Для автономного режима применимы 4 метода гидравлического расчёта системы отопления:

  1. по удельным потерям (стандартный расчёт диаметра труб);
  2. по длинам, приведённым к одному эквиваленту;
  3. по характеристикам проводимости и сопротивления;
  4. сопоставление динамических давлений.

Два первых метода используются при неизменном перепаде температуры в сети.

Два последних помогут распределить горячую воду по кольцам системы, если перепад температуры в сети перестанет соответствовать перепаду в стояках/ответвлениях.

Корзина руб. евро

Наименование Кол-во Цена
{{CATALOG[CODE].name || CODE}} {{COUNT | number:0 | formatNumber}} {{PRICES.formatPrice(COUNT, CODE)}}

Скидка по купону {{COUPON()}}: {{BASKET_COUPON()}}{{BASKET_COUPON_CENTS()}} {{PRICES.units()}}

Итого: {{BASKET_FINAL()}}{{BASKET_FINAL_CENTS()}} {{PRICES.units()}}

Подробнее Оформить заказ Оформление заказа...

Условная проходимость DN

Параметр условной проходимости DN (номинального диаметра) выступает безразмерной величиной, его численное значение приблизительно соответствует внутреннему поперечному сечению труб (например, DN 125). Числовые значения условного перехода подбирают для увеличения пропускной способности трубопроводной сети в пределах 60 — 100% при переходе от одной условной проходимости к следующей.

проходимость труб
 

Согласно ГОСТ 28338-89, параметры условной проходимости (Ду в прошлом) подбирают из размерного ряда:

размеры трубопроводов

Значения подобраны с учетом исключения проблем, относительно припасовки деталей друг к другу. Номинальный диаметр на основе параметров внутреннего сечения подбирают на основе диаметра трубы в свету.

Расчет гидравлики системы отопления

Нам потребуются данные теплового расчёта помещений и аксонометрической схемы.

Аксонометрическая схемаАксонометрическая схема

Вынесите данные в эту таблицу:

№ расчётного участка Тепловая нагрузка Длина
записать записать записать

Шаг 1: считаем диаметр труб

В качестве исходных данных используются экономически обоснованные результаты теплового расчёта:

1а. Оптимальная разница между горячим (tг) и охлаждённым( tо) теплоносителем для двухтрубной системы – 20º

  • Δtco=tг- tо=90º-70º=20ºС 

1б. Расход теплоносителя G, кг/час — для однотрубной системы.

2. Оптимальная скорость движения теплоносителя – ν 0,3-0,7 м/с.

Чем меньше внутренний диаметр труб — тем выше скорость. Достигая отметки 0,6 м/с, движение воды начинает сопровождаться шумом в системе.

3. Расчётная скорость теплопотока – Q, Вт.

Выражает количество тепла (W, Дж), переданного в секунду (единицу времени τ):

Формула для QФормула для расчёта скорости теплопотока

4. Расчетная плотность воды: ρ = 971,8 кг/м3 при tср = 80 °С

5. Параметры участков:

Участок Длина участка, м Число приборов N, шт
1 – 2 1.78 1
2 – 3 2.60 1
3 – 4 2.80 2
4 – 5 2.80 2
5 – 6 2.80 4
6 – 7 2.80
7 – 8 2.20
8 – 9 6.10 1
9 – 10 0.5 1
10 – 11 0.5 1
11 – 12 0.2 1
12 – 13 0.1 1
13 – 14 0.3 1
14 – 15 1.00 1

Для определения внутреннего диаметра по каждому участку

удобно пользоваться таблицей.

Расшифровка сокращений:

  • зависимость скорости движения воды — ν, с
  • теплового потока — Q, Вт
  • расхода воды G, кг/час от внутреннего диаметра труб
Ø 8 Ø 10 Ø 12 Ø 15 Ø 20 Ø 25 Ø 50
ν Q G v Q G v Q G v Q G v Q G v Q G v Q G
0.3 1226 53 0.3 1916 82 0.3 2759 119 0.3 4311 185 0.3 7664 330 0.3 11975 515 0.3 47901 2060
0.4 1635 70 0.4 2555 110 0.4 3679 158 0.4 5748 247 0.4 10219 439 0.4 15967 687 0.4 63968 2746
0.5 2044 88 0.5 3193 137 0.5 4598 198 0.5 7185 309 0.5 12774 549 0.5 19959 858 0.5 79835 3433
0.6 2453 105 0.6 3832 165 0.6 5518 237 0.6 8622 371 0.6 15328 659 0.6 23950 1030 0.6 95802 4120
0.7 2861 123 0.7 4471 192 0.7 6438 277 0.7 10059 433 0.7 17883 769 0.7 27942 1207 0.7 111768 4806

Пример

Задача: подобрать диаметр трубы для отопления гостиной площадью 18 м², высота потолка 2,7 м.

Данные проекта:

  • двухтрубная схема разводки;
  • циркуляция — принудительная (насос).

Среднестатистические данные:

  • расход мощности – 1 кВт на 30 м³
  • запас тепловой мощности – 20%

Расчёт:

  • объём помещения: 18 * 2,7 = 48,6 м³
  • расход мощности: 48,6 / 30 = 1,62 кВт
  • запас на случай морозов: 1,62 * 20% = 0,324 кВт
  • итоговая мощность: 1,62 + 0,324 = 1,944 кВт

Находим в таблице наиболее близкое значения Q:
Q

Получаем интервал внутреннего диаметра: 8-10 мм.
Участок: 3-4.
Длина участка: 2.8 метров.

Шаг 2: вычисление местных сопротивлений

Чтобы определиться с материалом труб, необходимо сравнить показатели их гидравлического сопротивления на всех участках отопительной системы.

Факторы возникновения сопротивления:

ТрубыТрубы для отопления

  • в самой трубе:
    • шероховатость;
    • место сужения/расширения диаметра;
    • поворот;
    • протяжённость.
  • в соединениях:
    • тройник;
    • шаровой кран;
    • приборы балансировки.

Расчетным участком является труба постоянного диаметра с неизменным расходом воды, соответствующим проектному тепловому балансу помещения.

Для определения потерь берутся данные с учётом сопротивления в регулирующей арматуре:

  1. длина трубы на расчётном участке/l,м;
  2. диаметр трубы расчётного участка/d,мм;
  3. принятая скорость теплоносителя/u, м/с;
  4. данные регулирующей арматуры от производителя;
  5. справочные данные:
    • коэффициент трения/λ;
    • потери на трение/∆Рl, Па;
    • расчетная плотность жидкости/ρ = 971,8 кг/м3;
  6. технические характеристики изделия:
    • эквивалентная шероховатость трубы/kэ мм;
    • толщина стенки трубы/dн×δ, мм.

Для материалов со сходными значениями kэ производители предоставляют значение удельных потерь давления R, Па/м по всему сортаменту труб.

Чтобы самостоятельно определить удельные потери на трение/R, Па/м, достаточно знать наружный d трубы, толщину стенки/dн×δ, мм и скорость подачи воды/W, м/с (или расход воды/G, кг/ч).

Для поиска гидросопротивления/ΔP в одном участке сети подставляем данные в формулу Дарси-Вейсбаха:
Darsi-Vejsbaha
Для стальных и полимерных труб (из полипропилена, полиэтилена, стекловолокна и т.д.) коэффициент трения/ λ наиболее точно вычисляется по формуле Альтшуля:
formula Altshulya
Re — число Рейнольдса, находится по упрощённой формуле (Re=v*d/ν) или с помощью онлайн-калькулятора:
chislo Rejnoldsa

Шаг 3: гидравлическая увязка

Для балансировки перепадов давления понадобится запорная и регулирующая арматура.

Исходные данные:

  • проектная нагрузка (массовый расход теплоносителя — воды или низкозамерзающей жидкости для систем отопления);
  • данные производителей труб по удельному динамическому сопротивлению/А, Па/(кг/ч)²;
  • технические характеристики арматуры.
  • количество местных сопротивлений на участке.

Задача: выровнять гидравлические потери в сети.

В гидравлическом расчёте для каждого клапана задаются установочные характеристики (крепление, перепад давления, пропускная способность).  По характеристикам сопротивления определяют коэффициенты затекания в каждый стояк и далее — в каждый прибор.

Характеристики затвораФрагмент заводских характеристик поворотного затвора

Выберем для вычислений метод характеристик сопротивления S,Па/(кг/ч)².

Потери давления/∆P, Па прямо пропорциональны квадрату расхода воды по участку/G, кг/ч:
Потери давления2
В физическом смысле S — это потери давления на 1 кг/ч теплоносителя:
Потери - формула
где:

  • ξпр — приведенный коэффициент для местных сопротивлений участка;
  • А — динамическое удельное давление, Па/(кг/ч)².

Удельным считается динамическое давление, возникающее при массовом расходе 1 кг/ч теплоносителя в трубе заданного диаметра (информация предоставляется производителем).

Σξ — слагаемое коэффициентов по местным сопротивлениям в участке.

Приведенный коэффициент:
Коэффициент2
Он суммирует все местные сопротивления:
Сумма сопротивлений
С величиной:
Величина
которая соответствует коэффициенту местного сопротивления с учётом потерь от гидравлического трения.

Шаг 4: определение потерь

Гидравлическое сопротивление в главном циркуляционном кольце представлено суммой потерь его элементов:

  • первичного контура/ΔPIк ;
  • местных систем/ΔPм;
  • теплогенератора/ΔPтг;
  • теплообменника/ΔPто.

Сумма величин даёт нам гидравлическое сопротивление системы/ΔPсо:

Результат

Для примера – проект одноэтажного дома 100 м²

Чтобы доходчиво пояснить все способы определения количества тепловой энергии, предлагаем взять в качестве примера одноэтажный дом общей площадью 100 квадратов (по наружному обмеру), показанный на чертеже. Перечислим технические характеристики здания:

  • регион постройки – полоса умеренного климата (Минск, Москва);
  • толщина внешних ограждений – 38 см, материал – силикатный кирпич;
  • наружное утепление стен – пенопласт толщиной 100 мм, плотность – 25 кг/м³;
  • полы – бетонные на грунте, подвал отсутствует;
  • перекрытие – ж/б плиты, утепленные со стороны холодного чердака пенопластом 10 см;
  • окна – стандартные металлопластиковые на 2 стекла, размер – 1500 х 1570 мм (h);
  • входная дверь – металлическая 100 х 200 см, изнутри утеплена экструдированным пенополистиролом 20 мм.

В коттедже устроены межкомнатные перегородки в полкирпича (12 см), котельная располагается в отдельно стоящей постройке. Площади комнат обозначены на чертеже, высоту потолков будем принимать в зависимости от поясняемой расчетной методики – 2.8 либо 3 м.

Типы фасонных элементов

При разработке труб из пластичных материалов, пригодных для сварочных работ, их сборка производится на месте монтажа. К ним относят стальные, алюминиевые, пластиковые и медные конструкции. Подсоединения прямых участков производится с помощью фасонных элементов (колен, отводов, затворов).

фасонные элементы

Обзор программ

Для удобства расчётов применяются любительские и профессиональные программы вычисления гидравлики.

Самой популярной является Excel.

Можно воспользоваться онлайн-расчётом в Excel Online, CombiMix 1.0, или онлайн-калькулятором гидравлического расчёта. Стационарную программу подбирают с учётом требований проекта.

Главная трудность в работе с такими программами — незнание основ гидравлики. В некоторых из них отсутствуют расшифровки формул, не рассматриваются особенности разветвления трубопроводов  и вычисления сопротивлений в сложных цепях.

Особенности программ:

  • HERZ C.O. 3.5 – производит расчёт по методу удельных линейных потерь давления.
  • DanfossCO и OvertopCO – умеют считать системы с естественной циркуляцией.
  • «Поток» (Potok) — позволяет применять метод расчёта с переменным (скользящим) перепадом температур по стоякам.

Следует уточнять параметры ввода данных по температуре — по Кельвину/по Цельсию.

От чего зависит теплопроводность

Теплопередача зависит от таких факторов, как:

  • Материал, из которого возведено строение, – различные материалы отличаются по способности проводить тепло. Так, бетон, различные виды кирпича способствуют большой потере тепла. Оцилинрованное бревно, брус, пено- и газоблоки, наоборот, при меньшей толщине имеют меньшую теплопроводность, что обеспечивает сохранение тепла внутри помещения и намного меньшие затраты на утепление и отопление здания.
  • Толщина стены – чем данное значение больше, тем меньше теплоотдача происходит через ее толщу.
  • Влажность материала – чем больше влажность сырья, из которого возведена конструкция, тем больше он проводит тепла и тем быстрее она разрушается.
  • Наличие воздушных пор в материале – заполненные воздухом поры препятствуют ускоренным теплопотерям. Если эти поры заполняются влагой, теплопотери увеличиваются.
  • Наличие дополнительного утепления – облицованная слоем утеплителя снаружи или внутри стены по потерям тепла имеют значения в разы меньше чем неутепленные.

В строительстве наряду с теплопроводностью стен большое распространение приобрел такая характеристика, как термическое сопротивление (R). Рассчитывается она с учетом следующих показателей:

  • коэффициента теплопроводности стенового материала (λ) (Вт/м×0С);
  • толщины конструкции (h), (м);
  • наличия утеплителя;
  • влажности материала (%).

Чем ниже величина термического сопротивления, тем в большей мере стена подвержена теплопотерям.

Теплотехнический расчет ограждающих конструкций по данной характеристике выполняется по следующей формуле:

R= h/ λ; (м2×0С/Вт)

Пример расчета термического сопротивления:

Исходные данные:

  • несущая стена выполнена из сухого соснового бруса толщиной 30 см (0,3 м);
  • коэффициент теплопроводности составляет 0,09 Вт/м×0С;
  • расчёт результата.

Таким образом, термическое сопротивление такой стены будет составлять:

R=0,3/0,09=3,3 м2×0С/Вт

Если полученное значение равно или больше нормативного, то материал и толщина стеновых конструкций выбраны правильно. В противном случае следует произвести утепление здания для достижения нормативного значения.

При наличии утеплителя его термическое сопротивление рассчитывают отдельно и суммируют с аналогичным значением основного стенового материала. Также если материал стеновой конструкции имеет повышенную влажность, применяют соответствующий коэффициент теплопроводности.

Для более точного расчета термического сопротивления данной конструкции к полученному результату добавляют аналогичные значения окон и выходящих на улицу дверей.

Скорость потока и расчет сопротивления

Нежелательно, чтобы теплоноситель двигался по трубам медленнее, чем 0,2 – 0,3 м/с. Это грозит образованием воздушных пробок, за счет выделения газа из воды. Как результат, эффективность системы, как минимум, снизится. Что касается верхнего порога скорости, то он рекомендован на уровне 0,7 – 1,5 м/с.

При его превышении теплоноситель будет сильно шуметь. Рекомендованный показатель, на который необходимо ориентироваться при расчете скорости теплоносителя ― 0,5 – 0,7 м/с.

Линейное расширение

Смена геометрической формы изделий производится под силовым или температурным действием.

Физические нагрузки, приводящие к линейному расширению или сжатию, негативно отражаются на эксплуатационных характеристиках. При невозможности компенсации расширения, трубы деформируются, что приводит к повреждению фланцевых уплотнителей и участков стыковки труб между собой.

Компонуя трубопроводные магистрали, следует ориентироваться на возможную смену длины при увеличении температурного режима или теплового линейного расширения (ΔL). Этот параметр определяется длиной труб, обозначаемой Lo и разностью температурных режимов Δϑ =ϑ2-ϑ1.

линейное расширение

В приведенной формуле коэффициент теплового линейного расширения для трубопровода протяженностью 1 м при увеличении температурного режима составляет 1°C.

Определение потерь

Гидравлическое сопротивление главного циркуляционного кольца представляет собой сумму потерь его составляющих элементов:

  • первичного контура — ∆Plk;
  • местных систем — ∆Plм;
  • генератора тепла — ∆Pтг;
  • теплообменника ∆Pто.

Сумма всех этих величин и дает полное гидравлическое сопротивление системы ∆Pсо.

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.

thumb_585.jpg

Сергей Булкин

Трубы, имеющие гладкую внутреннюю поверхность, уменьшают потери на трение при движении теплоносителя. Это даёт нам преимущества – берём трубопроводы меньшего диаметра и экономим на материале. Также уменьшаются затраты электроэнергии, необходимые для работы циркуляционного насоса. Можно взять насос меньшей мощности, т.к. за счёт меньшего сопротивления в трубопроводах требуется меньший напор.

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.

Тепловая нагрузка здания:

кВт

Внимание!
Представленные програмные продукты не заменяют профессиональное проектирование, необходимое для получения достоверных результатов в конкретных условиях применения. Используя данный продукт, Вы выражаете свое согласие с “Отказом от ответственности” и установленными Правилами и принимаете всю ответственность, которая может быть на Вас возложена. Расчеты производятся согласно нормативной методики в соответствии с действующих законодательством, но не учитывают частных ситуаций. Предлагаемые результаты носят оценочных характер.

Зачем нужен точный расчет теплопотерь здания?

Каждый владелец дома должен не только знать, как рассчитать теплопотери, но и чем именно будут полезны полученные сведения. Сравнивая данные калькулятора теплопотерь по разным комнатам, можно определить насколько продуктивным является использование обогревательных систем. При получении оптимальных показателей для нескольких помещений и неудовлетворительных результатов по остальным комнатам можно сделать полезные выводы.

Полученный коэффициент укажет на необходимости дополнительного утепления или замены окон. В помещениях, защищенных от холода, следует установить термостат на систему обогрева. Это позволит регулировать температуру и создать нужные условия для комфортного проживания. Также пригодится точный расчет и владельцам коммерческих построек офисного типа, которые желают создать оптимальную рабочую атмосферу в зимние периоды для своих коллег и подчиненных.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...