Введение

Трубопровод как способ транспортировки жидких и газообразных сред является самым экономичным способом во всех отраслях народного хозяйства

А значит он  всегда будет пользоваться повышенным вниманием у специалистов.

Гидравлический расчет при проектировании трубопроводной системы позволяет определить внутренний диаметр труб и падение напора в случае максимальной пропускной способности трубы. При этом обязательным является наличие следующих параметров: материал, из которого изготовлены трубы, вид трубы, производительность, физико-химические свойства перекачиваемых сред.

Производя вычисления по формулам, часть заданных величин можно взять из справочной литературы. Ф.А.Шевелев, профессор, доктор технических наук разработал таблицы для точного расчета пропускной способности. Таблицы содержат значения внутреннего диаметра, удельного сопротивления и др параметры. Помимо этого, существует таблица приближенных значений скоростей для жидкостей, газа, водяного пара для упрощения работы с определением пропускной способности труб. Используется в коммунальной сфере, где точные данные  не столь необходимы.

Способ установки гидравлических трубопроводов

Определение сопротивления

Часто инженерам приходится рассчитывать системы отопления на больших объектах. В них большое количество приборов отопления и много сотен метров труб, но считать все равно нужно. Ведь без ГР не получится правильно подобрать циркуляционный насос. К тому же ГР позволяет установить еще до монтажа будет ли работать все это.

Для упрощения жизни проектировщикам разработаны различные численные и программные методы определения гидравлического сопротивления. Начнем от ручного к автоматическому.

R = 5104 v1.9 /d1,32   Па/м;

Здесь сохраняется практически квадратичная зависимость от скорости движения жидкости в трубопроводе. Данная формула справедлива для скоростей 0,1-1,25 м/с.

d = 0.75√G  мм;

Эти формулы можно перенести в MathCAD или любую другую программу и рассчитать КМС с погрешностью до 10 %. Формулы применимы для скоростей движения теплоносителя от 0,1 до 1,25 м/с и для труб с диаметром условного прохода до 50 мм. Такие формулы вполне подойдут для отопления коттеджей и частных домов. Теперь рассмотрим некоторые программные решения.

Сейчас в интернете можно найти много различных программ для расчета отопления платных и бесплатных. Понятное дело, что платные программы обладают более мощным функционалом, чем бесплатные и позволяют решать более широкий круг задач. Такие программы имеет смыл приобретать профессиональным инженерам-проектировщикам.

  • Valtec.PRG — бесплатная программа для расчета отопления и водоснабжения. Есть возможности расчета теплых полов и даже теплых стен
  • HERZ — целое семейство программ. С их помощью можно рассчитывать как однотрубные так и двухтрубные системы отопления. Программа имеет удобное графическое представление и возможность разбивки на поэтажные схемы. Имеется возможность расчета тепловых потерь
  • Поток — отечественная разработка, представляющая из себя комплексную САПР, которая может проектировать инженерные сети любой сложности. В отличии от предыдущих, Поток — платная программа. Поэтому простой обыватель вряд ли станет ей пользоваться. Она предназначена для профессионалов.

Есть еще несколько других решений. В основном от производителей труб и фитингов. Производители затачивают программы для расчета под свои материалы и тем самым в какой-то степени вынуждают покупать их материалы. Это такой маркетинговый ход и в нем нет ничего плохого.

Использование таблиц Excel очень удобно, поскольку результаты гидравлического расчёта всегда сводятся к табличной форме. Достаточно определить последовательность действий и подготовить точные формулы.

Выбирается ячейка и вводится величина. Вся остальная информация просто принимается к сведению.

Ячейка Величина Значение, обозначение, единица выражения
D4 45,000 Расход воды G в т/час
D5 95,0 Температура на входе tвх в °C
D6 70,0 Температура на выходе tвых в °C
D7 100,0 Внутренний диаметр d, мм
D8 100,000 Длина, L в м
D9 1,000 Эквивалентная шероховатость труб ∆ в мм
D10 1,89 Сумма коэф. местных сопротивлений — Σ(ξ)
  • значение в D9 берётся из справочника;
  • значение в D10 характеризует сопротивления в местах сварных швов.

Формулы и алгоритмы

Выбираем ячейки и вводим алгоритм, а также формулы теоретической гидравлики.

Ячейка Алгоритм Формула Результат Значение результата
D12 !ERROR! D5 does not contain a number or expression tср=(tвх tвых)/2 82,5 Средняя температура воды tср в °C
D13 !ERROR! D12 does not contain a number or expression n=0,0178/(1 0,0337*tср 0,000221*tср2) 0,003368 Кинематический коэф. вязкости воды — n, cм2/с при tср
D14 !ERROR! D12 does not contain a number or expression ρ=(-0,003*tср2-0,1511*tср 1003, 1)/1000 0,970 Средняя плотность воды ρ,т/м3 при tср
D15 !ERROR! D4 does not contain a number or expression G’=G*1000/(ρ*60) 773,024 Расход воды G’, л/мин
D16 !ERROR! D4 does not contain a number or expression v=4*G:(ρ*π*(d:1000)2*3600) 1,640 Скорость воды v, м/с
D17 !ERROR! D16 does not contain a number or expression Re=v*d*10/n 487001,4 Число Рейнольдса Re
D18 !ERROR! Cell D17 does not exist λ=64/Re при Re≤2320
λ=0,0000147*Re при 2320≤Re≤4000
λ=0,11*(68/Re ∆/d)0,25 при Re≥4000
0,035 Коэффициент гидравлического трения λ
D19 !ERROR! Cell D18 does not exist R=λ*v2*ρ*100/(2*9,81*d) 0,004645 Удельные потери давления на трение R, кг/(см2*м)
D20 !ERROR! Cell D19 does not exist dPтр=R*L 0,464485 Потери давления на трение dPтр, кг/см2
D21 !ERROR! Cell D20 does not exist dPтр=dPтр*9,81*10000 45565,9 и Па соответственно
D20
D22 !ERROR! D10 does not contain a number or expression dPмс=Σ(ξ)*v2*ρ/(2*9,81*10) 0,025150 Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/см2
D23 !ERROR! Cell D22 does not exist dPтр=dPмс*9,81*10000 2467,2 и Па соответственно D22
D24 !ERROR! Cell D20 does not exist dP=dPтр dPмс 0,489634 Расчетные потери давления dP, кг/см2
D25 !ERROR! Cell D24 does not exist dP=dP*9,81*10000 48033,1 и Па соответственно D24
D26 !ERROR! Cell D25 does not exist S=dP/G2 23,720 Характеристика сопротивления S, Па/(т/ч)2
  • значение D15 пересчитывается в литрах, так легче воспринимать величину расхода;
  • ячейка D16 — добавляем форматирование по условию: «Если v не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки красный/шрифт белый».

Для трубопроводов с перепадом высот входа и выхода к результатам добавляется статическое давление: 1 кг/см2 на 10 м.

Авторское цветовое решение несёт функциональную нагрузку:

  • Светло-бирюзовые ячейки содержат исходные данные – их можно менять.
  • Бледно-зелёные ячейка — вводимые константы или данные, мало подверженные изменениям.
  • Жёлтые ячейки — вспомогательные предварительные расчёты.
  • Светло-жёлтые ячейки — результаты расчётов.
  • Шрифты:
    • синий — исходные данные;
    • чёрный — промежуточные/неглавные результаты;
    • красный — главные и окончательные результаты гидравлического расчёта.

Результаты в таблице Эксель

Пример несложного гидравлического расчёта в программе Excel для горизонтального участка трубопровода.

Исходные данные:

  • длина трубы100 метров;
  • ø108 мм;
  • толщина стенки 4 мм.

Таблица результатов расчёта местных сопротивлений

Усложняя шаг за шагом расчёты в программе Excel, вы лучше осваиваете теорию и частично экономите на проектных работах. Благодаря грамотному подходу, ваша система отопления станет оптимальной по затратам и теплоотдаче.

Чтобы произвести расчет расхода тепла на отопление, нужен, во-первых, проект дома.

План дома позволяет получить практически все исходные данные, которые нужны для определения теплопотерь и нагрузки на отопительную систему

Он должен содержать внутренние и наружные размеры каждого помещения, окон, наружных дверных проёмов. Внутренние двери остаются без внимания, поскольку на тепловые потери они не оказывают никакого влияния.

Во-вторых, понадобятся данные о расположении дома по отношению к сторонам света и районе строительства – климатические условия в каждом регионе свои, и то, что подходит для Сочи, не может быть применено к Анадырю.

В-третьих, собираем информацию о составе и высоте наружных стен и материалах, из которых изготовлены пол (от помещения до земли) и потолок (от комнат и наружу).

После сбора всех данных можно приступать к работе. Расчет тепла на отопление можно выполнить по формулам за один-два часа. Можно, конечно, воспользоваться специальной программой от компании Valtec.

Для расчёта теплопотерь отапливаемых помещений, нагрузки на систему отопления и теплоотдачи от отопительных приборов в программу достаточно внести только исходные данные. Огромное количество функций делают её незаменимым помощником и прораба, и частного застройщика

Она значительно всё упрощает и позволяет получить все данные по тепловым потерям и гидравлическому расчету системы отопления.

Рассмотрим порядок и формулы расчета в Excel на примере прямого горизонтального трубопровода длиной 100 метров из трубы ø108 мм с толщиной стенки 4 мм.

1. Расход воды через трубопровод G в т/час вводим

в ячейку D4: 45,000

Главная

2. Температуру воды на входе в расчетный участок трубопровода  tвхв °C заносим

в ячейку D5: 95,0

3. Температуру воды на выходе из расчетного участка трубопровода  tвыхв °C записываем

в ячейку D6: 70,0

4. Внутренний диаметр трубопровода  dв мм вписываем

в ячейку D7: 100,0

5. Длину трубопровода  Lв м записываем

в ячейку D8: 100,000

6. Эквивалентную шероховатость внутренних поверхностей труб  ∆ в мм вносим

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

в ячейку D9:  1,000

Выбранное значение эквивалентной шероховатости соответствует стальным старым заржавевшим трубам, находящимся в эксплуатации много лет.

Эквивалентные шероховатости для других типов и состояний труб приведены на листе «Справка» расчетного файла Excel«gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls», ссылка на скачивание которого дана в конце статьи.

7. Сумму коэффициентов местных сопротивлений  Σ(ξ) вписываем

в ячейку D10: 1,89

Мы рассматриваем пример, в котором местные сопротивления присутствуют в виде стыковых сварных швов (9 труб, 8 стыков).

Для ряда основных типов местных сопротивлений данные и формулы расчета представлены на листах «Расчет коэффициентов» и «Справка» файла Excel «gidravlicheskiy-raschet-truboprovodov.xls».

Предлагаем ознакомиться:  Изготовление своими руками горизонтальной и вертикальной печи из трубы DN 500 для бани

8. Среднюю температуру воды tср в °C вычисляем

Выбор радиаторов отопления

Традиционно мощность отопительного радиатора рекомендовано выбирать по площади отапливаемой комнаты, причем с 15-20% завышением мощностных потребностей на всякий случай. На примере рассмотрим, насколько корректна методика выбора радиатора «10 м2 площади – 1,2 кВт».

Тепловая мощность радиаторов зависит от способа их подключения, что необходимо учитывать при проведении расчетов системы отопления

3 (ширина) · 4 (длина) = 12 м2

Т.е. необходимая мощность радиатора отопления с 20% надбавкой получается 14,4 кВт. А теперь посчитаем мощностные параметры отопительного радиатора на основании теплопотерь комнаты.

3 (ширина) · 3 (высота) 4 (длина) · 3 (высота) = 21 м2

0,91 (сопротивление теплопередачи м2 комнатных стен, выходящих «на улицу») · 21 (площадь «уличных» стен) · 30 (разница температур внутри и снаружи дома) : 1000 (число ватт в киловатте) = 0,57 кВт

Согласно строительным стандартам приборы отопления располагают в местах максимальных теплопотерь. Например, радиаторы устанавливаются под оконными проемами, тепловые пушки — над входом в дом. В угловых комнатах батареи устанавливаются на глухие стены, подверженные максимальному воздействию ветров

Выходит, что для компенсации потерь тепла через фасадные стены данной конструкции, при 30о разнице температур в доме и на улице достаточно отопления мощностью 0,57 кВт·ч. Увеличим необходимую мощность на 20, даже на 30% — получаем 0,74 кВт·ч.

Таким образом, реальные мощностные потребности отопления могут быть значительно ниже, чем торговая схема «1,2 кВт на квадратный метр площади помещения». Причем корректное вычисление необходимых мощностей отопительных радиаторов позволит сократить объем теплоносителя в системе отопления, что уменьшит нагрузку на котел и расходы на топливо.

Определение расхода теплоносителя и диаметров труб

G = 860q/ ∆t, где:

  • G – расход теплоносителя, кг/ч;
  • q – тепловая мощность радиатора на участке, кВт;
  • Δt– разница температур в подающем и обратном трубопроводе, обычно берут 20 ºС.

860 х 2 / 20 = 86 кг/ч.

GV = G /3600ρ, где:

  • GV – объемный расход воды, л/сек;
  • ρ– плотность воды, при температуре 60 ºС равна 0.983 кг / литр.

kotelnya.jpg

Чтобы определить относительные теплопотери на сцепление в магистрали, применяют следующее приближенное уравнение: R = 510 4 v 1.9 / d 1,32 (Па/м). Применение данного уравнения оправдано для скоростей не более 1,25 м/с.

Если известно значение потребления горячей воды, то применяют приближенное уравнение для нахождения сечения внутри трубы: d = 0,75 √G (мм). После получения результата потребуется обратиться к специальной таблице, чтобы получить сечение условного прохода.

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.

Переходим к следующему этапу расчетов – анализ потребления теплоносителя. В большинстве случаев система отопления квартиры отличается от иных систем – это связанно с количеством отопительных панелей и протяженностью трубопровода. Давление используется в качестве дополнительной “движущей силы” потока вертикально по системе.

В частных одно- и многоэтажных домах, старых панельных многоквартирных домах применяются системы отопления с высоким давлением, что позволяет транспортировать теплоотдающее вещество на все участки разветвлённой, многокольцевой системы отопления и поднимать воду на всю высоту (до 14-ого этажа) здания.

Напротив, обычная 2- или 3- комнатная квартира с автономным отоплением не имеет такого разнообразия колец и ветвей системы, она включает не более трех контуров.

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

А значит и транспортировка теплоносителя происходит с помощью естественного процесса протекания воды. Но также можно использовать циркуляционные насосы, нагрев обеспечивается газовым/электрическим котлом.

Рекомендуем применять циркуляционный насос для отопления помещений более 100 м2. Монтировать насос можно как до так и после котла, но обычно его ставят на “обратку” – меньше температура носителя, меньше завоздушенность, больше срок эксплуатации насоса

Специалисты в сфере проектирования и монтажа систем отопления определяют два основных подхода в плане расчёта объёма теплоносителя:

  1. По фактической емкости системы. Суммируются все без исключения объёмы полостей, где будет протекать поток горячей воды: сумма отдельных участков труб, секций радиаторов и т.д. Но это достаточно трудоёмкий вариант.
  2. По мощности котла. Здесь мнения специалистов разошлись очень сильно, одни говорят 10, другие 15 литров на единицу мощности котла.

С прагматичной точки зрения нужно учитывать, тот факт что наверное система отопления будет не только подавать горячую воду для комнаты, но и нагревать воду для ванной/душа, умывальника, раковины и сушилки, а может и для гидромассажа или джакузи. Этот вариант попроще.

Поэтому в данном случае рекомендуем установить 13,5 литров на единицу мощности. Умножив этот число на мощность котла (8,08 кВт) получаем расчётный объём водяной массы – 109,08 л.

Вычисляемая скорость теплоносителя в системе является именно тем параметром, который позволяет подбирать определённый диаметр трубы для системы отопления.

V = (0,86*W*k)/t-to,

  • W – мощность котла;
  • t – температура подаваемой воды;
  • to – температура воды в обратном контуре;
  • k – кпд котла (0,95 для газового котла).

Подставив в формулу расчетные данные, имеем: (0.86 * 8080* 0.95)/80-60 = 6601,36/20=330кг/ч. Таким образом за один час в системе перемещается 330 л теплоносителя (воды), а ёмкость системы около 110 л.

Возможная схема двухтрубной системы отопления.

При расчете, выборе систем отопления ключевую роль имеет и правильных монтаж трубопроводов теплоносителя.

Разновидность труб достаточно большая, бывают:

  • стальные оцинкованные, нержавеющие и т. д;
  • медные;
  • из полимерных материалов.

Основные недостатки стальных труб: необходимость сварки при монтаже отопительной системы, коррозия метала. Оцинкованные трубы не имеют подобных недостатков, если используются резьбовые соединения.

Основными достоинствами стальных труб являются:

  • непроницаемость кислорода, дает возможность приостановить процесс износа;
  • имеют очень низкий уровень линейно расширения;
  • прочность;
  • очень малый коэффициент гидравлического сопротивления;
  • простота в использовании.

Схема отопления с естественной циркуляцией.

Трубы из металлопластика монтируются прессовыми или резьбовыми соединениями без использования сварки. Данный метод позволяет снизить стоимость работ с монтажа оборудования. Укомплектована система такими деталями как: запорная арматура, тройники, отводы, колена.

В последние годы нашли свое широкое применение трубы из полипропилена, они способны выдерживать высокую температуру до 1000 0С. Желающим спрятать трубы в стеновых проемах дома, необходимо использовать медные трубы, они соединяются методом пайки при высокой температуре. Медь имеет свойства стойкости к высоким температурам до 2000 0С, а трубопроводы из нее могут выдержать высокое давление до 150 атм. Данный вид труб очень дорогой и обращение с ними требует квалификации.

Необходимое количество трубопроводов зависит от выбранной схемы (однотрубная, двухтрубная) системы отопления. При проведении расчета отопительных систем, особенно большой площади, необходимо использовать двухтрубную разводку, это позволяет при помощи терморегуляторов отдельно регулировать температуру в помещении. По сравнению с двухтрубной системой отопления в однотрубной системе есть одно преимущество — меньшая себестоимость.

Простой пример расчета отопления

Почему специалисты рекомендуют использовать программу для проектирования отопления? Этот вид ПО предназначен для определения характеристики системы, а также в некоторых случаях может моделировать различные ситуации в работе теплоснабжения.

Существует определенный ряд требований, которым должна соответствовать программа для расчета отопления в частном доме. Главное из них правильная методика вычислений для конкретной системы. Так,  нельзя адаптировать основные характеристики водяного теплого пола для нагрева воздуха ИК обогревателями. В функциях ПО обязательно должны быть заложены схемы расчета для каждого типа теплоснабжения.

Кроме этого программа для создания систем отопления должна иметь следующие свойства:

  • Интуитивно понятный интерфейс. В первую очередь это касается полупрофессиональных и бесплатных комплексов. Каждый пользователь должен свободно владеть всеми возможностями ПО после их краткого предварительного изучения;
  • Наличие справочных данных. К ним относятся технические характеристики материалов изготовления труб, радиаторов, основных видов котлов и т.д. Без них невозможно сделать корректный расчет отопления;
  • Удобный вывод результатов. Он должен быть в двух видах – табличный и графический. Каждая программа для составления схем отопления должна иметь возможность визуализировать результат в виде готового проекта с функцией распечатки.

Результатом вычислений с помощью специализированного ПО является полная информация о будущей системе теплоснабжения. В него входят гидравлический, температурный расчет, а также готовая схема разводки трубопроводов и места установки отопительных приборов.

Каждая программа для моделирования отопления может быть платная, бесплатная или условно бесплатная. В последнем случае пользователю предоставляется ограниченный функционал.

Для окончательного определения диаметра и толщины отопительных труб осталось обсудить вопрос относительно потерь теплоты.

Максимальное количество тепла уходит из помещения через стены — до 40%, через окна — 15%, пол — 10%, всё остальное через потолок/крышу. Для квартиры характерны потери в основном через окна и балконные модули

Существует несколько видов потерь теплоты в отапливаемых помещениях.

  1. Потери давления потока в трубе. Этот параметр прямо пропорционален произведению удельной потери на трение внутри трубы (предоставляет производитель) на общую длину трубы. Но учитывая текущую задачу такие потери можно не учитывать.
  2. Потери напора на местных трубных сопротивлениях — утери теплоты на фитингах и внутри оборудования. Но учитывая условия задачи, небольшое количество фитинг-изгибов и число радиаторов, такими потерями можно пренебречь.
  3. Существует ещё один тип тепловых потерь, но он больше связан с расположением помещения относительного остального здания. Для обычной квартиры, которая находиться в средине дома и соседствует слева/справа/сверху/снизу с другими квартирами, тепловые потери через боковые стены, потолок и пол практически равны «0».

В расчёт можно только взять потери через фасадную часть квартиры — балкон и центральное окно общей комнаты. Но это вопрос закрывается за счёт дополнения 2-3 секций к каждому из радиаторов.

Предлагаем ознакомиться:  Глубина промерзания грунта по регионам России

Как видно из таблицы, диаметр металлической трубы должен составлять 16-18 мм с толщиной 1,5-2 мм или 20-25 мм пластиковые ПВХ-трубы с толщиной стенки 3-4 мм

Анализируя выше изложенную информацию, стоит отметить что для рассчитанной скорости горячей воды в системе отопления известна табличная скорость перемещения частиц воды относительно стенки трубы в горизонтальном положении 0,3-0,7 м/с.

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.

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

Если неверно проведен , эффективность работы всего отопительного комплекса также падает. К таким ошибкам относится

. 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 и т. п. 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 и т. п. 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, т. е. 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.

Гидравлическая увязка

Балансировка перепадов давления в отопительной системе выполняется посредством регулирующей и запорной арматуры.

Гидравлическая увязка системы производится на основании:

  • проектной нагрузки (массового расхода теплоносителя);
  • данных производителей труб по динамическому сопротивлению;
  • количества местных сопротивлений на рассматриваемом участке;
  • технических характеристик арматуры.

Установочные характеристики – перепад давления, крепление, пропускная способность – задаются для каждого клапана. По ним определяют коэффициенты затекания теплоносителя в каждый стояк, а затем – в каждый прибор.

Потери давления прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя и измеряются в кг/ч, где

S – произведение динамического удельного давления, выраженного в Па/(кг/ч), и приведенного коэффициента для местных сопротивлений участка (ξпр).

Приведенный коэффициент ξпр является суммой всех местных сопротивлений системы.

Расчет мощности отопительных приборов

Одним из основных узлов отопительной системы является котел: электрический, газовый, комбинированный – на данном этапе не имеет значения. Поскольку нам важна главная его характеристика – мощность, то есть количество энергии за единицу времени, которая будет уходить на отопление.

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

Wкотла = (Sпомещ*Wудел) / 10,

  • Sпомещ – сумма площадей всех комнат, которые требую отопления;
  • Wудел – удельная мощность с учётом климатических условий местоположения (вот для чего нужно было знать климат региона).

Что характерно, для разных климатических зон имеем следующие данные:

  • северные области – 1,5 – 2 кВт/м2;
  • центральная зона – 1 – 1,5 кВт/м2;
  • южные регионы – 0,6 – 1 кВт/м2.

Эти цифры достаточно условны, но тем не менее дают явный численный ответ относительно влияния окружающей среды на систему отопления квартиры.

На данной карте представлены климатические зоны с разными температурными режимами. От расположения жилья относительно зоны и зависит сколько нужно тратить на обогрев метра квадратного кВатт энергии ( )

Перед тем, как рассчитать отопление в доме, делать это необходимо с расчета мощности котла. От мощности котла, в первую очередь, будет зависеть эффективность всей отопительной системы. Главное в этом вопросе – не переусердствовать, так как слишком мощный котел будет потреблять больше топлива, чем необходимо. А если котел будет слишком слабый, то не получится обогреть дом должным образом, а это негативно повлияет на комфорт в доме

Поэтому расчет системы отопления загородного дома – это важно. Подобрать котел необходимой мощности можно, если параллельно высчитать удельные теплопотери здания за весь отопительный период

qдом=Qгод/Fh

Qгод – это расход теплоэнергии за весь период отопления;

Fh – площадь дома, которая отапливается;

Таблица выбора мощности котла в зависимости от отапливаемой площади

Qгод=βh*[Qk-(Qвн б Qs)*ν

βh – это коэффициент учета дополнительно потребления тепла, отопительной системой.

Qвн б – тепловые поступления бытового характера, которые характерны для всего отопительного периода.

Qk – это значение общих домовых теплопотерь.

Qs – это поступления тепла в виде солнечной радиации, которые попадают в дом через окна.

Далее представлена таблица, в которой показаны коэффициенты затенения прореза светового типа и относительного количества солнечной радиации, которая поступает через окна.

Если планируется установить водяное отопление, то площадь дома будет во многом определяющим фактором. Если дом имеет общую площадь не более чем 100 кв. метров, то подойдет и отопительная система с циркуляцией естественного типа. Если дом имеет площадь большего размера, то в обязательном порядке необходима система отопления с циркуляцией принудительного характера. Расчет системы отопления дома должен производиться точно и правильно.

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

Насос для циркуляции должен устанавливаться в обратку. Такой насос должен быть не только надежным и долговечным, но также экономным в плане потребления энергии и не производить неприятный шум. Нередко современные котлы уже оснащены циркуляционным насосом.

Перед тем как рассчитать мощность отопительного котла, следует определить, какой его тип будет использоваться. У отопительных котлов разный КПД и от этого выбора будет зависеть не только уровень теплоотдачи, но и финансовая составляющая последующей эксплуатации при выборе топлива:

  • Электрокотлы,

  • Газовые котлы,

  • Котлы на твердом топливе,

  • Котлы на жидком топливе,

  • Комбинированный котел электричество/твердое топливо.

Когда сделан выбор типа котла, необходимо определиться с его пропускной способностью. Именно от этого будет зависеть функционирование всей системы. Вычисление мощности водонагревательного котла производят, учитывая количество теплоэнергии, требующегося на м3. Калькулятор может помочь посчитать объем отапливаемых комнат:

  • спальня: 9 м2 3 м = 27 м3,

  • спальня: 12 м2 3 м = 36 м3,

  • спальня: 15 м2 3 м = 45 м3,

  • гостиная: 25 м2 3 м = 75 м3,

  • коридор: 6 м2 3 м = 18 м3,

  • кухня: 12 м2 3 м = 36 м3,

  • санузел: 8 м2 3 м = 24 м3.

При расчете учитываются все помещения дома, даже если в них не планируется ставить радиаторыНа нашем сайте Вы можете найти контакты строительных компаний, которые предлагают услугу утепления домов. Напрямую пообщаться с представителями можно посетив выставку домов «Малоэтажная Страна».

Далее суммируются результаты, и получается общий объем дома – 261 м3. При подсчетах обязательно учитываются комнаты и переходы, в которых не планируется ставить приборы обогрева, например, коридор, кладовая, или прихожая. Это делается, чтобы тепла от установленных в доме радиаторов, хватило на отопление всего дома.

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

При расчетах системы отопления обязательно следует учитывать климатическую зону и температуру снаружи в зимний период.

Возьмем произвольный показатель для региона в 50 Вт/м3 и площадь дома 261 м3, которую планируется обогревать. Формула расчета мощности: 50 Вт 261 м3 = 13050 Вт. Результат умножается на коэффициент 1,2 и вычисляется мощность котла – 15,6 кВт. Коэффициент позволяет добавить 20% резервной мощности котлу. Она даст возможность котлу работать в сберегательном режиме, избегая особых перегрузок.

Дополнительные датчики температуры помогут контролировать процесс

Поправка коэффициента на климатические условия регионов меняется от 0,7 в южных регионах России, до 2,0 в северных регионах. Коэффициент 1,2 применяют в центральной части России.

Чтобы получить предварительный результат требуемой мощности котла, можно площадь комнаты умножить на климатический коэффициент и, полученный результат, разделить на 10.

Nk=120*2,0/10=24 кВт

Это может быть интересно! В статье по следующей ссылке читайте про то, .

Поверхностьнагрева отопительных приборов воднотрубных системах отоплениярассчитывается с учетом температурытеплоносителя на входе в каждый приборtвх, 0С,количества теплоносителя, проходящегочерез прибор Gпр,кг/ч, и величины тепловой нагрузкиприбора Qпр,Вт.

а)Вычерчивается расчетная схема стояка,принимается тип отопительного прибораи место установки, схема подачитеплоносителя в прибор, конструкцияузла прибора. На расчетной схемепроставляются диаметры труб, тепловаянагрузка прибора, равная теплопотерямданного помещения, Qт.п.,Вт.

Предлагаем ознакомиться:  Подключение радиатора отопления к двухтрубной системе

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

где—коэффициент учета дополнительноготеплового потока, (для данного видаотопительных приборов=1,02);

—коэффициент учета дополнительных потерьтеплоты отопительных приборов у наружныхограждений, принимаемый по таблице 4.1;

с=4,187 кДж/(кг.оС)удельная массовая теплоемкость воды;

–суммарныетеплопотери в помещениях, обслуживаемыхстояком, Вт.

Таблица4.1 — Коэффициент учета дополнительныхпотерь теплоты отопительных приборову наружных ограждений

Наименование
отопительного прибора

Коэффициент
учета,
у наружной стены, в том числе под
световыми проемами

Радиатор
чугунный секционный

1,02

Рекомендуемыедиаметры трубопроводов узла нагревательныхприборов приведены в таблице 4.2.

Таблица4.2 — Рекомендуемые диаметры трубопроводовузла нагревательного прибора

Наименование
узла стояка

Диаметр
труб Dу,
мм

стояка

замыкающего
участка

подводки

1

3

4

5

Этажестояк
со смещенным обходным участком

15

20

25

15

20

20

15

20

25/20

Этажестояк
с осевым замыкающим участком и краном
типа КРП

15

20

15

15

15

20

Этажестояк
проточный

15

20

15

20

То
же

15

20

15

20

15

20

Узел
верхнего этажа при нижней разводке
и кране типа КРП

15

20

15

15

15

20

То
же

15

20

15

20

15

20

Тепловаянагрузка Qст,Вт и общее количество воды Gст,кг/ч, циркулирующей по стояку, сведеныв таблицу 4.3.

Например:Qст1определяется суммированием теплопотерьв помещениях 101, 201, 301; Qст2— в помещениях 102, 202, 302.

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

Таблица4.3 — Сводная таблица расчета расходаводы в стояках

№ ст

Qст,
Вт

Gст,
кг/ч

1

2

3

Qст

Gст

Вданном курсовомпроекте проводимоценочный расчет нагревательныхприборов.

гдеQпр– тепловая нагрузка на прибор, Вт,Qпр=Qпом;

—для радиаторов чугунных — qном=595,Вт/м2.

гдеа1– площадь одной секции радиатора маркиМ140-АО (ГОСТ8690-75),м2,а1= 0,254 м2;

3— поправочный коэффициент, учитывающийчисло секций в одном радиаторе; 3=;

4– поправочный коэффициент, учитывающийспособ установки радиатора в помещении;4= 1.

Таблица4.4 — Значения поправочного коэффициентаβ3,учитывающего число секций в одномрадиаторемарки МС 140-АО

Число
секций

до
15

15-20

21

β3

1,0

0,98

0,96

Приокруглении дробного числа элементовприборов любого типа до целого допускаетсяуменьшать их расчетную площадь Апрне более чем на 5% (0,1 м2).При других условиях принимается ближайшийнагревательный прибор.

Результатырасчетов отопительных приборов каждогостояка системы водяного отоплениясведены в таблицу 4.5.

Таблица4.5 — Результаты расчета отопительныхприборов системы водяного отопления

помещения

Qпр,

Вт

Апр,

м2

,

секц.

,
секц.

Расчетная часть

Гидравлический расчет однотрубной системы отопления

q = v*ω,

где q — расчетный расход

v — экономическая скорость течения.

ω — площадь поперечного сечения круглой трубы с диаметром d.

ω = πd² / 4,

где d — внутренний диаметр

отсюда  d = √4*q/ v*π

Скорость движения жидкости в трубопроводе принимается равной 1,5-2,5 м/с. Это то значение, которое соответствует оптимальной работе линейной системы.

f2cf0465260158021a714ea6247e65cd.jpg

h = λ*( L/ d)*( v2/2g),

Как проводится гидравлический расчет

где g — ускорение свободного падения,

L — длина участка трубы,

v2/2g — параметр, обозначающий скоростной (динамический) напор,

ε = е/r.

Шероховатость различна по форме и неравномерна по длине трубы. В связи с этим в расчетах принимается усредненная шероховатость k1 — поправочный коэффициент. Данная величина зависит от целого ряда моментов: материал труб, длительность эксплуатации системы, различные дефекты в виде коррозии и др. При стальном исполнении трубопровода значение применяется равным 0,1-0,2 мм. В то же время, в иных ситуациях параметр k1 можно взять из таблиц Ф.А.Шевелькова.

h = P/ρ*g, где

3549e51d63287f3675b2fef364827114.jpg

ρ — плотность среды

h = I*L Σζ* v2/2g

ζ — коэффициент местного сопротивления

Разность отметок лотков труб в начале и конце дюкера принимается равной потерям напора.

Материал для гидравлических трубопроводов

hм = ζ* v2/2g.

Движения жидкости бывают ламинарные и турбулентные. Коэффициент hм зависит от турбулентности потока (число Рейнольдса Re). С увеличением турбулентности создаются дополнительные завихрения жидкости, за счет чего величина коэффициента гидравлического сопротивления увеличивается. При Re › 3000 всегда наблюдается турбулентный режим.

λ = 64/ Re

Н = hтр Σ hтр ≈ 1,15 hтр

840689.jpg

Производя расчеты, выбирается насос, исходя из параметров подачи, напора, действительной производительности.

Обзор программ для гидравлических вычислений

По существу любой гидравлический расчет систем водяного отопления считается непростой инженерной задачей. Для ее решения были разработаны ряд программных комплексов, которые облегчают выполнение такой процедуры.

Можно попытаться выполнить гидравлический расчет системы обогрева в оболочке Excel, воспользовавшись уже готовыми формулами. Однако при этом возможно появление следующих проблем:

  • Большая погрешность. Во многих случаях как пример гидравлического расчета системы для отопления берутся с одной или двумя трубами схемы. Найти такие же вычисления для коллекторной проблематично;
  • Для правильного учета сопротивления в плане гидравлики трубопровода нужны справочные данные, которые отсутствуют в форме. Их необходимо искать и вводить дополнительно.

Oventrop CO

Наиболее простая и ясная программа для гидравлического расчета теплосети. Интуитивный интерфейс и гибкая настройка смогут помочь быстро разобраться с невидимыми моментами ввода данных. Маленькие проблемы могут появиться при первой настройке комплекса. Потребуется ввести все параметры системы, начиная от самого материала труб и завершая размещением ТЕНОВ.

Отличается гибкостью настроек, возможностью делать самый простой гидравлический расчет теплоснабжения как для новой теплосети, так же и для модернизации старой. Выделяется от заменителей хорошим графическим интерфейсом.

Instal-Therm HCR

Программный комплекс рассчитывается для профессионального сопротивления в плане гидравлики теплосети. Бесплатная версия имеет очень много противопоказаний. Сфера использования – проектирование теплоснабжения в больших общественных и производственных зданиях.

В практических условиях для теплоснабжения автономного типа частных квартир и домов гидравлический расчет делается не всегда. Однако это способно привести к ухудшению работы системы обогрева и быстрой поломке его компонентов – отопительных приборов, труб и котла. Что этого избежать нужно вовремя высчитать параметры системы и сопоставить их с фактическими для последующей оптимизации работы теплоснабжения.

HERZ C.O.

j8oehxfp.png

Характеризуется гибкостью настроек, возможностью делать упрощенный гидравлический расчет отопления как для новой системы теплоснабжения, так и для модернизации старой. Отличается от аналогов удобным графическим интерфейсом.

Формулы для расчётов и справочные данные

Мк=1,2* Тп, где:

  • Мк – тепловая производительность системы отопления, кВт;
  • Тп – тепловые потери дома;
  • 1,2 – коэффициент запаса (составляет 20%).

Двадцатипроцентный коэффициент запаса позволяет учесть возможное падение давления в газопроводе в холодное время года и непредвиденные потери тепла (например, разбитое окно, некачественная теплоизоляция входных дверей или небывалые морозы). Он позволяет застраховаться от ряда неприятностей, а также даёт возможность широкого регулирования режима температур.

Как видно из этой формулы мощность котла напрямую зависит от теплопотерь. Они распределяются по дому не равномерно: на наружные стены приходится порядка 40% от общей величины, на окна – 20%, пол отдаёт 10%, крыша 10%. Оставшиеся 20% улетучиваются через двери, вентиляцию.

Плохо утеплённые стены и пол, холодные чердак, обычное остекление на окнах — всё это приводит к большим потерям тепла, а, следовательно, к увеличению нагрузки на систему отопления

При строительстве дома важно уделить внимание всем элементам, ведь даже непродуманная вентиляция в доме будет выпускать тепло на улицу .

Материалы, из которых построен дом, оказывают самое непосредственное влияние на количество потерянного тепла. Поэтому при расчётах нужно проанализировать, из чего состоят и стены, и пол, и всё остальное.

В расчётах, чтобы учесть влияние каждого из этих факторов, используются соответствующие коэффициенты:

  • К1 – тип окон;
  • К2 – изоляция стен;
  • К3 – соотношение площади пола и окон;
  • К4 – минимальная температура на улице;
  • К5 – количество наружных стен дома;
  • К6 – этажность;
  • К7 – высота помещения.

Для окон коэффициент потерь тепла составляет:

  • обычное остекление – 1,27;
  • двухкамерный стеклопакет – 1;
  • трёхкамерный стеклопакет – 0,85.

Естественно, последний вариант сохранит тепло в доме намного лучше, чем два предыдущие.

Правильно выполненная изоляция стен является залогом не только долгой жизни дома, но и комфортной температуры в комнатах.  В зависимости от материала меняется и величина коэффициента:

  • бетонные панели, блоки – 1,25-1,5;
  • брёвна, брус – 1,25;
  • кирпич (1,5 кирпича) – 1,5;
  • кирпич (2,5 кирпича) – 1,1;
  • пенобетон с повышенной теплоизоляцией – 1.
Соотношение площади окон к площади пола Значение коэффициента
10% 0,8
10-19% 0,9
20% 1,0
21-29% 1,1
30% 1,2
31-39% 1,3
40% 1,4
50% 1,5

Температура за окном тоже вносит свои коррективы. При низких показателях теплопотери возрастают:

  • До -10С – 0,7;
  • -10С – 0,8;
  • -15C — 0,90;
  • -20C — 1,00;
  • -25C — 1,10;
  • -30C — 1,20;
  • -35C — 1,30.

Теплопотери находятся в зависимости и от того, сколько внешних стен у дома:

  • четыре стены – 1,33;%
  • три стены – 1,22;
  • две стены – 1,2;
  • одна стена – 1.

Хорошо, если к нему пристроен гараж, баня или что-то ещё.  А вот если его со всех сторон обдувают ветра, то придётся покупать котёл помощнее.

Количество этажей или тип помещения, которые находится над комнатой определяют коэффициент К6 следующим образом: если над дом имеет два и более этажей, то для расчётов берём значение 0,82, а вот если чердак, то для теплого – 0,91 и 1 для холодного.

Что касается высоты стен, то значения будут такими:

  • 4,5 м – 1,2;
  • 4,0 м – 1,15;
  • 3,5 м – 1,1;
  • 3,0 м – 1,05;
  • 2,5 м – 1.

Помимо перечисленных коэффициентов также учитываются площадь помещения (Пл) и удельная величина теплопотерь (УДтп).

Тп = УДтп * Пл * К1 * К2 * К3 * К4 * К5 * К6 * К7.

Коэффициент УДтп равен 100 Ватт/м2.

2tlt8tmy.png

в ячейку D4: 45,000

в ячейку D5: 95,0

в ячейку D6: 70,0

в ячейку D7: 100,0

в ячейку D9:  1,000

в ячейку D10: 1,89