Как сделать гидравлический расчет системы отопления?
Гидравлический расчет системы отопления это математический алгоритм, в результате выполнения которого мы получим необходимый диаметр труб в данной системе (имеется ввиду внутренний диаметр).
Кроме того, будет понятно какой нам необходимо использовать циркуляционный насос — определяется напор и расход насоса.
Все это даст возможность сделать систему отопления экономически оптимальной.
Производится он на основании законов гидравлики — специального раздела физики, посвященного движению и равновесию в жидкостях.
Для чего делается расчет
Вычисления производят в первую очередь для того, чтобы определить такие характеристики циркуляционного насоса, как производительность и напор, которые позволят системе отопления работать с наибольшей эффективностью.
Конечно, какую-то циркуляцию в контуре создаст любой насос, даже самый маломощный, но насколько экономичной будет такая схема? Часто бывает так, что и котел исправно работает и радиаторов в доме достаточно, но они не греют из-за слабой циркуляции в системе.
Чтобы контуры отопления работали в полную силу, необходимо, чтобы насос преодолел гидравлическое сопротивление элементов системы потоку воды в трубах, а также потери давления. Но и насос большей мощности, чем нужно, также приведет к нежелательным эффектам. Кроме повышенного расхода электроэнергии, превышение давления плохо скажется на долговечности соединений, а увеличение скорости продвижения теплоносителя приведет к возникновению шумов.
Правильно рассчитанное гидравлическое сопротивление и качественная регулирующая арматура – наиболее эффективное сочетание.
Соблюдение ключевых условий обеспечивают следующие факторы:
- снабжение отопительных приборов должно осуществляться в достаточном объеме для идеального баланса в помещении при температурных колебаниях воздуха снаружи и в жилище;
- минимизация затрат на эксплуатацию, чтобы преодолеть системное гидравлическое сопротивление;
- снижение капитальных затрат во время прокладки отопления.
Основные элементы, которые он определяет
- Определяется диаметр труб на комбинирующих отделах отопительной системы.
Условное обозначение элементов
Нужно обратить внимание на то, что гидравлический расчет является самым трудозатратным, сложным и главным этапом на стадии проектирования отопления. Желательно, чтобы вы поручили это дело настоящим специалистам.
До того как начать проводить непосредственные вычисления, нужно провести ряд графических и расчетных работ:
- Выявить показатель равновесия тепла помещения, которое предстоит отапливать;
- Разобраться с видом приборов отопления, теплообменных плоскостей и показать размещение всех деталей в плане помещения;
- Окончательно решить вопрос общей конструкции отопительной системы, вида труб, запорного и управляющего каркаса. Установить местоположение генератора тепла, приборных веток и всех трубопроводов. А также расположение для кранов, клапанов, вентилей, стабилизаторов давления и расходов и термоконтроллеров;
- Прочертить подробный чертеж отопительной системы. Не забыв указать номера нагрузок тепла и длину предполагаемых отделов;
- Выявить кольцо циркуляции, то есть контур замкнутого типа, подсоединяющий ступенчатые отделы трубопровода. В том участке, где предположительно будет происходить наибольшая потеря носителя тепла на определенном отделе от источника тепла до далеко расположенного прибора отопления, либо до ветки-стояка и обратно к обогревателю.
Пример в общих чертах и подробное видео расчета
Пример ввода данных в программу по расчету гидравлики труб
В роли расчетного трубопровода может выступать отдел с устойчивыми затратами носителя тепла и неизменяемого диаметра.
Этот отдел определяется на основании теплового баланса помещения. Пронумеровать участки, необходимо начиная от вашего источника тепла.
Для обозначения связующих узлов на подающем магистрально трубопроводе в участках ответвлений используют прописные буквы алфавита.
В узлах на сборных магистралях их обозначают штрихом.
Узловые точки на приборных ветках в участках ответвлений отмечают арабскими цифрами. Каждая из точек соответствует номеру этажа (при горизонтальной системе) или номеру ветки стояка (при вертикальной). Узлы сбора потоков отмечают штрихами. Номера всегда содержат 2 цифры:
- Первая — начало участка;
- Вторя — конец участка;
В вертикальных конструкциях нумерация приборных ветвей производится арабскими цифрами по периметру строения по часовой стрелке.
Протяженность участков трубопровода определяется планом-сметой, точность равна 10 см.
Тепловой поток вычисляемого участка приравнивается к тепловой нагрузке, которую обязан дать либо передал теплоноситель, протекающий на участке трубопровода.
Кстати: Исполнение гидравлического и теплового вычисления отопительной конструкции при конструировании новой постройки лучше производить в особой программе, к примеру, HERZ С.О. Пример ввода данных в нее показан на 2 картинки выше.
Данная программа самостоятельно подберет:
- Диаметр у трубопровода;
- Габариты устройств обогрева;
- Регулировку балансировочных вентилей;
- Настройку регулирующих вентилей;
- Подготовительную регулировку термостатических клапанов (при необходимости);
- Настройку регуляторов перепада давления.
Смотрите видео наглядного гидравлического расчета отопления с примерами:
Естественно, приведенная в этой заметке информация является обобщающей и предназначена лишь для ознакомления.
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:
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:
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:
Δhмс = Кмс (V2/2g) или Δpмс = Кмс (ρV2/2)
- Δhмс — потери напора на местных сопротивлениях, м
- Δpмс — потери напора на местных сопротивлениях, Па
- Кмс — 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 — потеря напора, бар
- G — фактический расход теплоносителя, м3/час
- Kvs — пропускная способность, м3/час
Что определяет такой расчет? ↑
- Диаметр трубопровода на составных участках отопительной системы, при этом учитываются все рекомендованные и экономически целесообразные скорости движения теплоносителя.
- Гидравлические потери давления на разных участках системы.
- Гидравлическую увязку параллельных и иных ветвей системы. При этом используется регулирующая арматура, предназначенная для динамической балансировки в условиях нестационарных и тепловых режимов работы.
- Потери давления теплоносителя и его потери в системе.
Обратите внимание! Гидравлический расчет – наиболее трудоемкий, сложный и важный этап в процессе проектирования водяного отопления.
Пример схемы размещения конструкционных элементов отопительной системы
Однако прежде чем приступить непосредственно к вычислениям, необходимо выполнить такие расчетно-графические работы:
- определить показатель теплового баланса отапливаемого помещения;
- определиться с типом отопительных приборов, а также теплообменных поверхностей и указать на планах помещения их размещение;
- принять окончательное решение относительно конфигурации системы (размещение источник тепла, приборных веток и трассировка магистральных трубопроводов), типа трубопровода, запорной и регулирующей арматуры (краны, вентили, клапана, регуляторы давления и расхода, терморегуляторы);
- вычертить полную схему отопительной системы (желательно аксонометрической), указав при этом номер тепловых нагрузок и длину расчетных участков;
- определить главное циркулирующее кольцо, то есть замкнутый контур, включающий последовательные участки трубопровода, где ожидается максимальный расход теплоносителя на расстоянии от источника тепловой энергии до самого удаленного отопительного прибора (2-х контурная система) или до приборной ветки-стояка (1-о трубная система) и назад к нагревательному оборудованию.
Вычисления и работы которые нужно выполнить заранее
Гидравлический расчёт – самый трудоёмкий и сложный этап проектирования.
Поэтому перед тем, как рассчитать отопление в доме, нужно выполнить ряд вычислений.
- Во-первых, определяется баланс отапливаемых комнат и помещений.
- Во-вторых, необходимо выбрать тип теплообменников или отопительных приборов, а также выполнить их расстановку на плане дома.
- В-третьих, расчет отопления частного дома предполагает, что уже сделан выбор относительно конфигурации системы, типов трубопроводов и арматуры (регулирующей и запорной).
- В-четвёртых, должны быть сделан чертёж отопительной системы. Лучше всего, если это будет аксонометрическая схема. На ней должны быть указаны номера, длина расчётных участков и тепловые нагрузки.
- В-пятых, установлено основное циркуляционное кольцо. Это замкнутый контур, включающий последовательные отрезки трубопровода, направленные к приборному стояку (при рассмотрении однотрубной системы) или к самому удалённому отопительному прибору(если имеет место двухтрубная система) и обратно к источнику тепла.
Расчёт отопления в деревянном доме выполняется по той же схеме, что и в кирпичном или в любом другом загородном коттедже.
Цель и ход выполнения расчета
Конечно, за результатами можно обратиться к специалистам либо воспользоваться онлайн-калькулятором, коих хватает на всяких интернет-ресурсах. Но первое стоит денег, а второе может дать некорректный результат и его все равно надо проверять.
Так что лучше набраться терпения и взяться за дело самому. Надо понимать, что практическая цель гидравлического расчета – это подбор проходных сечений труб и определение перепада давления во всей системе, чтобы верно выбрать циркуляционный насос.
Примечание. Давая рекомендации по выполнению вычислений подразумевается, что теплотехнические расчеты уже сделаны, и радиаторы подобраны по мощности. Если же нет, то придется идти старым путем: принимать тепловую мощность каждого радиатора по квадратуре помещения, но тогда точность расчета снизится.
Общая схема расчета выглядит таким образом:
- подготовка аксонометрической схемы: когда уже выполнен расчет отопительных приборов, то известна их мощность, ее надо нанести на чертеж возле каждого радиатора;
- определение расхода теплоносителя и диаметров трубопроводов;
- расчет сопротивления системы и подбор циркуляционного насоса;
- расчет объема воды в системе и вместительности расширительного бака.
Любой гидравлический расчет системы отопления начинается со схемы, нарисованной в 3 измерениях для наглядности (аксонометрия). На нее наносятся все известные данные, в качестве примера возьмем участок системы, изображенный на чертеже:
Формулы
К счастью, для автономной отопительной системы гидравлический расчет отопления может быть выполнен с приемлемой точностью и без углубления в дебри.
Скорость потока
С нижней стороны ее ограничивает рост перепада температур между подачей и обраткой, а заодно и повышенная вероятность завоздушивания. Быстрый поток вытеснит воздух из перемычек к автоматическому воздухоотводчику; медленный же с этой задачей не справится.
С другой стороны, слишком быстрый поток неизбежно породит гидравлические шумы. Элементы запорной арматуры и повороты розлива станут источником раздражающего гула.
Шум в системе отопления едва ли порадует вас ночью.
Для отопления диапазон приемлемой скорости потока берется от 0,6 до 1,5 м/с; при этом подсчет прочих параметров обычно выполняется для значения 1 м/с.
Диаметр
Его при известной тепловой мощности проще всего подобрать по таблице.
| Внутренний диаметр трубы, мм | Тепловой поток, Вт при Dt = 20С | ||
| Скорость 0,6 м/с | Скорость 0,8 м/с | Скорость 1 м/с | |
| 8 | 2453 | 3270 | 4088 |
| 10 | 3832 | 5109 | 6387 |
| 12 | 5518 | 7358 | 9197 |
| 15 | 8622 | 11496 | 14370 |
| 20 | 15328 | 20438 | 25547 |
| 25 | 23950 | 31934 | 39917 |
| 32 | 39240 | 52320 | 65401 |
| 40 | 61313 | 81751 | 102188 |
| 50 | 95802 | 127735 | 168669 |
Напор
В упрощенном варианте он рассчитывается по формуле H=(R*I*Z)/10000.
- H – искомое значение напора в метрах.
- I – потеря напора в трубе, Па/м. Для прямого участка трубы расчетного диаметра он принимает значение в диапазоне 100-150.
- Z – дополнительный компенсационный коэффициент, который зависит от наличия в контуре дополнительного оборудования.
| Элементы контура | Значение коэффициента |
| Арматура и фитинги | 1,3 |
| Термостатические головки и клапаны | 1,7 |
| Смеситель с трех- или двухходовым клапаном | 1,2 |
На фото – смесительный узел для отопления.
Если в системе присутствует несколько элементов из списка, соответствующие коэффициенты перемножаются. Так, для системы с шаровыми вентилями, резьбовыми фитингами для труб и термостатом, регулирующим проходимость розлива, Z=1,3*1,7=2,21.
Производительность
Инструкция по расчету своими руками производительности насоса тоже не отличается сложностью.
Производительность вычисляется по формуле G=Q/(1,163*Dt), в которой:
- G – производительность в м3/час.
- Q -тепловая мощность контура в киловаттах.
- Dt – разница температур между подающим и обратным трубопроводами.
Последствия ошибок расчёта и способы их исправления
Очевидно, что гидравлический расчёт является достаточно сложным и ответственным этапом разработки отопления. Для облегчения подобных вычислений разработан целый математический аппарат, существуют многочисленные версии компьютерных программ, предназначенных для автоматизации процесса его выполнения.
Несмотря на это, от ошибок никто не застрахован. Среди наиболее распространённых выбор мощности тепловых приборов без проведения расчёта, указанного выше. В этом случае, помимо более высокой стоимости самих радиаторных батарей (если мощность больше требуемой), система будет затратной, расходуя повышенное количество топлива и требуя более значительных на свое содержание. Проще говоря, в комнатах будет жарко, форточки постоянно открыты и придётся дополнительно оплачивать обогрев улицы. В случае заниженной мощности попытки обогрева приведут к работе котла на повышенной мощности и также потребуют высоких финансовых затрат. Исправить такую ошибку достаточно сложно, возможно потребуется полностью переделывать всё отопление.
Если неверно проведен монтаж радиаторных батарей, эффективность работы всего отопительного комплекса также падает. К таким ошибкам относится нарушение правил установки батареи. Ошибки этой группы могу вдвое снизить теплоотдачу самых качественных тепловых приборов. Как и в первом случае, стремление повысить температуру в помещении, приведёт к дополнительным расходам энергоносителя. Чтобы исправить ошибки установки, зачастую достаточно переустановить и подключить заново радиаторные батареи.
Следующая группа ошибок относится к ошибке определения требуемой мощности источника тепла и приборов отопления. Если мощность котла заведомо выше мощности отопительных приборов, он будет работать неэффективно, потребляя большее количество топлива. Налицо двойной перерасход средств: в момент покупки такого котла и в ходе эксплуатации. Чтобы исправить положение, такой котёл, радиаторы или насос, а то и все трубы системы, придётся менять.
При расчёте требуемой мощности котла, может быть допущена ошибка в определении потерь тепла зданием. В результате мощность генератора тепловой энергии будет завышена. Результатом будет перерасход топлива. Чтобы исправить ошибку, придётся заменить котёл.
Ошибочный расчёт балансировки системы, нарушение требований примерного равенства веток может привести к необходимости установки более мощного насоса, позволяющего доставить носитель к дальним приборам отопления в нагретом состоянии. Однако в этом случае возможно появление «звукового сопровождения» в виде гула, свиста Если подобные ошибки допущены в системе тёплого водяного пола, то результатом установки мощного насоса может стать «поющий пол».
При ошибках определения требуемого количества теплоносителя или переводе гравитационной системы на принудительную циркуляцию, объём его может оказаться слишком велик, и дальние приборы отопления не будут работать. Как и ранее, попытки решения проблемы увеличением интенсивности прогрева, приведут к перерасходу газа, износу котла. Решить вопрос можно применением нового насоса и гидрострелки, тепловой пункт придётся всё равно переделывать.
После всего можно однозначно сказать, что проведение гидравлического расчёта системы отопления позволит гарантированно минимизировать расходы на всех этапах проектирования, устройства, монтажа и долговременной эксплуатации высокоэффективной системы водяного отопления.
