Системы отопления, основанные на циркуляции горячей воды, представляют собой наиболее популярный выбор для обустройства частных домов. Для эффективного проектирования такой системы необходим предварительный анализ, известный как гидравлический расчет, который связывает давление в различных участках сети с диаметрами труб.
В этой статье будет детально объяснена методология расчетов. Для наглядности мы рассмотрим порядок вычислений на конкретном примере.
Следуя описанному методу, можно будет определить оптимальный диаметр трубопровода, количество отопительных приборов, мощность котла и другие ключевые параметры для создания эффективной системы индивидуального отопления.
Краткое содержание статьи
Понятие гидравлического расчета
Ключевым фактором, способствующим развитию технологий отопления, стала необходимость экономии на энергетических ресурсах. Желание сэкономить заставляет проектировщиков более тщательно подбирать материалы, методы монтажа и эксплуатации систем отопления для домов.
Если вы хотите создать экологически чистую и, прежде всего, экономичную отопительную систему для своей квартиры или дома, настоятельно рекомендуется ознакомиться с правилами проектирования и расчета.
Галерея изображений
Функция тепловой сети заключается в передаче необходимого объема тепловой энергии к приборам, которые обеспечивают нагрев помещения.
Задача гидравлического расчета состоит в выборе труб, минимизирующих теплопотери при движении теплоносителя по разветвленной системе отопления.
Количество передаваемой энергии зависит как от расхода тепла, так и от перепада температуры, возникающего при охлаждении теплоносителя. В двухтрубных системах уделяется внимание перепаду температур между всеми приборами.
При проведении гидравлического расчета однотрубной схемы в качестве ориентира используется перепад температуры по всем стоякам.
Цель расчета — выбрать трубы, позволяющие обеспечить необходимый расход теплоносителя. Обычно трубы подбираются из готового ассортимента, что иногда приводит к неточностям в расчетах.
Расход теплоносителя не задается заранее, а определяется путем увязки давления на всех участках системы.
Сначала расчет выполняется для главного циркуляционного кольца. Оно делится на участки, и вычисляются расход теплоносителя и потери давления, вызванные трением, при движении воды или пара по системе.
После оценки параметров главного циркуляционного кольца аналогичные расчеты проводятся для вторичных колец, на основании полученных данных подбирается диаметр труб для балансировки давления по всей системе.
Автономная тепловая сеть
Сложность систем отопления
Ориенти́р для расчета двухтрубных систем
Ориентиры для расчета однотрубных систем
Специфика проектирования систем отопления
Закольцованная система
Первоначальные шаги в расчетах
Расчет для вторичных колец
Перед тем как подробно рассмотреть гидравлический расчет, необходимо четко осознать, что индивидуальная система отопления квартиры или дома принципиально отличается от центральной системы отопления крупных зданий.
Личная отопительная система строится на совершенно иных принципах организации тепла и энергетического обеспечения.
Суть гидравлического расчета заключается в том, что расход теплоносителя не задается заранее, а определяется в результате привязки диаметров труб к параметрам давления во всех кольцах системы.
Чтобы лучше понять отличия, проведем несложное сравнение этих двух систем по нескольким критериям.
- Центральная отопительная система (котельная-дом-квартира) основана на использовании стандартных энергоносителей, таких как уголь и газ. В автономных системах можно задействовать практически любые вещества с высокой теплотой сгорания или их комбинации.
- Централизованные системы используют стандартные элементы: металлические трубы, простые радиаторы, запорные устройства. В то время как индивидуальные системы отопления допускают использование разнообразных элементов: многосекционных радиаторов с высокой теплоотдачей, современными термостатами и различными типами труб (ПВХ и медные), кранами, заглушками, фитингами и, конечно, более экономичными котлами и насосами.
- В обычной квартире типичного панельного дома, построенного 20-40 лет назад, отопительная система представляет собой простейшую конструкцию с 7-секционным радиатором под окном в каждой комнате и вертикальной трубой, соединяющей этажи. В отличие от этого, автономная система отопления (АСО) позволяет создать систему любой сложности, соответствующую индивидуальным потребностям жильцов.
- В отличие от централизованных систем, автономная система отопления учитывает множество различных параметров, влияющих на энергопередачу, расход энергии и теплопотери: температурные условия окружающей среды, необходимый температурный диапазон в помещениях, площадь и объем помещений, число окон и дверей, назначения помещений и т.д.
Таким образом, гидравлический расчет системы отопления (ГРСО) представляет собой совокупность расчетных характеристик системы, предоставляющих полную информацию о таких параметрах, как диаметр труб, число радиаторов и вентилей.
Типичные радиаторы, используемые в большинстве панельных домов на постсоветском пространстве, свидетельствуют о сэкономленных материалах и отсутствии продуманного дизайнерского подхода.
ГРСО помогает правильно подобрать насос (отопительного котла), который будет обеспечивать циркуляцию горячей воды к конечным элементам системы (радиаторам) и, в итоге, создавать сбалансированную систему, что в свою очередь влияет на финансовые затраты на отопление жилья.
Также существует еще один тип радиаторов для централизованных систем отопления. Это продукт с возможностью менять количество ребер, что позволяет изменять площадь теплообмена.
Последовательность шагов расчета
Говоря о проектировании системы отопления, необходимо отметить, что этот процесс является наиболее сложным и критически важным для реализации проекта.
Перед началом расчетов следует провести предварительный анализ предполагаемой системы, включая:
- определение теплового баланса для каждой комнаты;
- выбор терморегуляторов, клапанов и регуляторов давления;
- подбор радиаторов и теплообменных панелей;
- выявление участков системы с наибольшим и наименьшим расходом теплоносителя.
Так же стоит продумать общую схему распределения теплоносителя: полный и малый контур, однотрубная или двухтрубная система.
Результаты гидравлического расчета дают ответ на несколько ключевых вопросов:
- какой мощности должен быть источник тепла;
- какой будет расход и скорость теплоносителя;
- какова необходимая ширина основного трубопровода;
- какие могут быть потери тепла и массы теплоносителя.
Еще один важный аспект гидравлического расчета заключается в том, что необходимо обеспечивать баланс и согласование всех компонентов системы во время работы при экстремальных температурных условиях с помощью регулирующих устройств.
Существует несколько основных типов отопительных установок: чугунные и алюминиевые многосекционные, стальные панельные, биметаллические радиаторы и конвекторы, но наиболее популярными являются многосекционные радиаторы из алюминия.
Расчетный участок трубопроводной магистрали включает в себя участок с постоянным диаметром всей магистрали, а также неизменяемым расходом горячей воды, который определяется на основе формулы теплового баланса помещения. Начало расчетных зон идет от насоса или источника тепла.
Начальные условия примера
Для более глубокого понимания всех аспектов гидравлического расчета рассмотрим конкретный пример обычной residential квартиры. Мы имеем дело с классической двухкомнатной квартирой в панельном доме с общей площадью 65,54 м², которая включает в себя две комнаты, кухню, раздельный туалет и ванну, двойной коридор и объединенный балкон.
После завершения строительства была зафиксирована следующая информация о готовности квартиры. Описываемая квартира имеет стены, оштукатуренные и обработанные грунтом, выполненные из монолитных железобетонных конструкций, окна с двухкамерными стеклопакетами, межкомнатные двери из прессованного материала, а также керамическую плитку на полу в санузле.
Это типичный девятиэтажный панельный дом с четырьмя подъездами. На каждом этаже расположены три квартиры: одна двухкомнатная и две трехкомнатные. Квартира находится на пятом этаже.
Кроме того, это жилье уже оснащено медной проводкой, распределительными устройствами и отдельным электрощитом, газовой плитой, ванной, умывальником, туалетом, полотенцесушителем и кухонной мойкой.
Наконец, в жилых комнатах, ванной и кухне уже установлены алюминиевые радиаторы. Вопрос о трубах и котле все еще остается открытым.
Как производится сбор данных
Гидравлический расчет системы отопления преимущественно основывается на вычислениях, связанных с определением отопления по площади помещений.
Для этого необходимо иметь следующую информацию:
- площадь каждого помещения;
- габариты окон и дверей (внутренние двери имеют незначительное влияние на теплопотери);
- климатические условия, характерные для региона.
Начнём с имеющихся данных. Общая площадь квартиры составляет 18,83 м², спальня — 14,86 м², кухня — 10,46 м², балкон — 7,83 м² (в сумме), коридор — 9,72 м² (в сумме), ванная комната — 3,60 м², туалет — 1,5 м². Площадь входных дверей — 2,20 м², витрина окна в общей комнате — 8,1 м², окно спальни — 1,96 м², окно кухни — 1,96 м².
Высота стен в квартире составляет 2 метра 70 сантиметров. Внешние стены выполнены из бетона класса В7, с внутренней отделкой в виде штукатурки толщиной 300 мм. Внутренние стены и перегородки — несущие 120 мм и обычные 80 мм. Пол и потолок из бетонных плит перекрытия класса В15 с толщиной 200 мм.
Данная планировка квартиры позволяет организовать единую систему отопления, проходящую через кухню, спальню и общую комнату, что гарантирует поддержание температуры в пределах 20-22°C в помещениях (+).
Теперь о внешней среде: квартира расположена в домe, находящемся в центре микрорайона небольшого городка, который находится в низменности на высоте 130-150 метров над уровнем моря. Климат здесь умеренно континентальный, с холодной зимой и достаточно тёплым летом.
Средняя температура за год составляет +7,6°C. В январе средняя температура достигает -6,6°C, а в июле — +18,7°C. Средняя скорость ветра — 3,5 м/с, влажность воздуха составляет 74%, осадков выпадает на уровне 569 мм.
Анализируя климатические условия данного региона, стоит подчеркнуть, что наблюдается значительный диапазон температур, что накладывает определенные требования к системе отопления квартиры.
Мощность генератора тепла
Одним из ключевых элементов системы отопления является котел: электрический, газовый или комбинированный — на данном этапе это не так важно. Главное, что нам нужно учитывать — это его мощность, т.е. количество энергии, расходуемой на обогрев за единицу времени.
Определение мощности котла осуществляется по формуле:
Wкотла = (Sпомещ * Wудел) / 10,
- Sпомещ — общая площадь всех помещений, нуждающихся в отоплении;
- Wудел — удельная мощность с учетом климатических условий региона (поэтому важны климатические данные).
Для различных климатических зон приведены следующие значения:
- в северных регионах — 1,5 – 2 кВт/м²;
- в центральных зонах — 1 – 1,5 кВт/м²;
- в южных областях — 0,6 – 1 кВт/м².
Эти цифры являются условными, но наглядно демонстрируют влияние окружающей среды на отопительную систему квартиры.
На карте отображены климатические зоны с различными температурными режимами. В зависимости от положения жилья в отношении этих зон, будет зависеть, сколько киловатт энергии потребуется для обогрева одного квадратного метра (+).
Площадь, которую нужно отапливать, равна общей площади квартиры минус балкон, что составляет 57,71 м² (65,54 — 1,80 — 6,03 = 57,71 м²). Удельная мощность котла для центрального региона с холодной зимой равна 1,4 кВт/м². Следовательно, расчётная мощность котла составляет 8,08 кВт.
Динамические параметры теплоносителя
Переходим к следующему этапу — анализу потребления теплоносителя. Обычно система отопления в квартире отличается от других систем из-за количества радиаторов и длины трубопроводов. Давление используется как дополнительная «движущая сила» потоков в системе.
В частных домах и многоквартирных зданиях старого типа применяются системы отопления с высоким давлением, что позволяет перераспределять теплоноситель по всем участкам сложной системы отопления и поднимать воду на высоту до 14 этажей.
В то же время стандартная 2- или 3-комнатная квартира с автономным отоплением не имеет столь сложной структуры системы и включает не более трех контуров.
Поэтому транспортировка теплоносителя происходит естественным образом с помощью циркуляции воды. Также возможно использование циркуляционных насосов, подогрев осуществляется газовым или электрическим котлом.
Рекомендуется устанавливать циркуляционный насос для отопления площадей свыше 100 м². Установку насоса можно выполнить как перед котлом, так и после, но чаще его монтируют на обратной линии — это снижает температуру теплоносителя, уменьшает вероятность образования воздушных пробок и продлевает срок службы насоса.
Специалисты, занимающиеся проектированием и монтажом отопительных систем, выделяют два основных метода расчета объема теплоносителя:
- По фактическому объему системы. Суммируются все объемы, где будет циркулировать горячая вода: длина участков труб, секции радиаторов и т.д. Этот подход требует много времени.
- По мощности котла. В этом методе мнения экспертов различаются: одни предлагают 10 литров, другие — 15 литров на единицу мощности котла.
С практической точки зрения следует учитывать, что система отопления должна не только подогревать помещение, но и предоставлять горячую воду для ванной, раковины, а также, возможно, для гидромассажной ванны или джакузи. Таким образом, более простой подход — это установка 13,5 литров на киловатт мощности. Умножив это значение на мощность котла (8,08 кВт), получаем объём водяной массы около 109,08 литров.
Скорость теплоносителя в системе — это параметр, который позволит определить необходимый диаметр труб для системы отопления.
Она рассчитывается по формуле:
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).
Подставив данные в формулу, получаем: (0.86 * 8080 * 0.95) / (80 — 60) = 6601,36 / 20 = 330 кг/ч. Таким образом, за один час в системе перемещается 330 литров теплоносителя (воды), в то время как ёмкость системы составляет около 110 литров.
Определение диаметра труб
Для определения диаметра и толщины отопительных труб остаётся обсудить потери тепла.
Наибольшее количество тепла теряется через стены — до 40%, через окна — 15%, через пол — 10%, остальное уходит через потолок. В этом случае квартиры теряют тепло в первую очередь через окна и балконные конструкции.
Существует несколько типов теплопотерь в отапливаемых помещениях:
- Потери давления на участке трубопровода. Этот параметр напрямую зависит от удельной потери на трение в трубе и длины трубопровода. На данный момент такие потери не нужно учитывать.
- Потери на местных сопротивлениях труб. Эти потери связаны с фитингами и оборудованием. Однако, с учётом условий задачи, небольшое число изгибов и радиаторов позволяет не принимать их в расчёт.
- Теплопотери в зависимости от расположения квартиры. Дополнительные потери связаны с местоположением помещения в здании. Для типичной квартиры, находящейся между другими, потери тепла через боковые стены, потолок и пол считаются практически нулевыми.
Важно учитывать потери тепла только через фасадные элементы — балкон и центральное окно гостиной. Однако, эта проблема решается добавлением 2-3 секций к каждому радиатору.
Диаметр труб выбирается исходя из расхода теплоносителя и скорости его циркуляции в отопительной системе.
Анализируя вышеизложенный материал, следует отметить, что для рассчитанной скорости горячей воды в системе отопления известно, что табличная скорость перемещения воды вдоль стенки трубы в горизонтальном положении составляет 0,3-0,7 м/с.
Для удобства специалистов предлагается так называемый чек-лист для проведения расчетов типичной гидравлической системы отопления:
- сбор данных и расчет мощности котла;
- объем и скорость теплоносителя;
- потери тепла и выбор диаметра труб.
Иногда при расчетах получается довольно большой диаметр трубы, чтобы покрыть расчётный объём теплоносителя. Подобную проблему можно решить, увеличив литраж котла или установив дополнительный расширительный бак.
На нашем сайте вы найдете раздел статей, посвящённых расчету систем отопления, рекомендуем ознакомиться:
- Расчет тепловых нагрузок для систем отопления: как правильно выполнить расчёты.
- Расчет водяного отопления: формулы, правила, примеры.
- Теплотехнический расчет зданий: особенности и примерные вычисления + практические примеры.
Выводы и полезное видео по теме
Разберем преимущества и недостатки естественных и принудительных систем циркуляции теплоносителя в отопительных системах:
В результате проведённых расчетов мы получили конкретные физические характеристики будущей системы отопления.
Следует отметить, что это упрощенная схема рассчета, предоставляющая приблизительные данные относительно гидравлического расчета для системы отопления стандартной двухкомнатной квартиры.
Пытаетесь сами выполнить гидравлический расчет отопительной системы? Или, возможно, у вас есть вопросы по изложенной информации? Мы ждем ваши комментарии и вопросы — раздел для обратной связи расположен ниже.
