Гидравлический расчет системы отопления методичка

Предположим, вам захотелось самостоятельно подобрать котел, радиаторы и трубы отопительной системы частного дома. Задача №1 – сделать расчет тепловой нагрузки на отопление, проще говоря, определить общий расход теплоты, необходимой для прогрева здания до комфортной температуры внутри помещений. Предлагаем изучить 3 расчетных методики – разные по сложности и точности результатов.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления.

В чем смысл этого предложения? Смысл очень простой, но, в тоже время, потребует несколько иного отношения к монтажу.

Если у вас установлен отопительный котел с выходным диаметром 32 мм, то трубная разводка выстраивается следующим образом.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления.

До первого тройника вы монтируете трубу диаметром 32 мм.

От первого тройника на радиатор отходит труба 16 мм, т.е. минимального диаметра.

От первого тройника до второго монтируется труба диаметром 25 мм.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления.

Со второго тройника на радиатор уходит труба опять же диаметром 16 мм.

Между вторым и третьим радиатором монтируется труба диаметром 20 мм, и на радиатор отходит труба 16 мм.

Такая система автоматически соблюдает регулировку обогрева разных комнат или помещений.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления.

Принципы монтажа двухтрубной системы

Как вы заметили – везде на радиаторы отходит труба диаметром 16 мм. А как поступить, если радиаторов больше?

В таком случае выходную трубу с диаметром 32 мм разделяем на два плеча диаметром по 25 мм, далее на два плеча, а от них на два радиатора.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления.

Дальше идет два плеча диаметром 20 мм. Если этого недостаточно, то можно завершить разводку двумя плечами диаметром 16 мм. При этом количество радиаторов увеличится до восьми.

Если при подобном варианте трубной схемы температура в разных комнатах будет все равно несколько различаться, то для подгонки параметров необходимо будет провести регулировку вентилями или кранами на радиаторах

.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления.

Необходимо учитывать, что при увеличении количества радиаторов будет уменьшаться эффективность системы в целом.

При монтаже такой двухтрубной разводки надо обязательно подбирать необходимую мощность отопительного котла, от которой зависит уровень обогрева при любом варианте разводки.

Гидравлический расчет двухтрубной системы 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).

Комплексные задачи — минимизация расходов:

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

    Замена 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.
    Читайте также:  7 советов по обустройству котельной в частном доме: требования и нормы

    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.

    Теория гидравлического расчета системы отопления.

    Теоретически ГР отопления основан на следующем уравнении:

    ΔP = Rl + z

    Данное равенство справедливо для конкретного участка. Расшифровывается это уравнение следующим образом:

    Из формулы видно, что потери давления тем больше, чем она длиннее и чем больше в ней отводов или других элементов, уменьшающих проход или меняющих направление потока жидкости. Давайте выведем чему равны R и z. Для этого рассмотрим еще одно уравнение, показывающее потери давления от трения об стенки труб: ΔPтрение = (λ/d)*(v²ρ/2)

    Это уравнение Дарси — Вейсбаха. Давайте расшифруем его:

    • λ — коэффициент, зависящий от характера движения трубы.
    • d — внутренний диаметр трубы.
    • v — скорость движения жидкости.
    • ρ — плотность жидкости.

    Из этого уравнения устанавливается важная зависимость — потери давления на трение тем меньше, чем больше внутренний диаметр труб и меньше скорость движения жидкости. Причем, зависимость от скорости здесь квадратичная. Потери в отводах, тройниках и запорной арматуре определяются по другой формуле:

    ΔPарматура = ξ*(v²ρ/2)

    Здесь:

    Теория гидравлического расчета системы отопления.
    • ξ — коэффициент местного сопротивления (далее КМС).
    • v — скорость движения жидкости.
    • ρ — плотность жидкости.

    Из данного уравнения также видно, что падение давления возрастает с увеличением скорости жидкости. Также, стоит сказать, что в случае применения низкозамерзающего теплоносителя также будет играть важную роль его плотность — чем она выше тем тяжелее циркуляционному насосу. Поэтому при переходе на «незамерзайку» возможно придется заменить циркуляционный насос.

    Из всего вышеизложенного выведем следующее равенство:

    ΔP =ΔPтрение +ΔPарматура=((λ/d)(v²ρ/2)) + (ξ(v²ρ/2)) = ((λ/α)l(v²ρ/2)) + (ξ*(v²ρ/2)) =  Rl + z;

    Отсюда получаем следующие равенства для R и z:

    R = (λ/α)*(v²ρ/2) Па/м;

    z = ξ*(v²ρ/2) Па;

    Теперь давайте разберемся в том, как используя эти формулы рассчитать гидравлическое сопротивление.

    Подбор диаметров труб

    В предыдущих разделах было рассмотрено на примере как следует выполнять теплотехнический расчет и составлять тепловой баланс по помещениям. Исходя из полученной мощности радиаторов и составленной схемы трубопроводов, определяется нагрузка каждого участка трубопроводов, а исходя из зависимости Q (кВт)= G воды (л/мин) определяется расход воды на каждом участке. Это выражение справедливо при температурном перепаде (между подачей и обраткой) в системе отопления 15 °С.

    Согласно полученным расходам на каждом участке системы отопления по Таблице №1 выполняется определение диаметров участка трубопроводов. Следует помнить, что размер указан для стальных трубопроводов, то есть условный проход, что приблизительно соответствует аналогичному ВНУТРЕННЕМУ диаметру полимерных трубопроводов.

    Подбор диаметров труб

    Таблица №1

    Расход, л/мин 5,7 15 30 53 83 170 320
    Условный проход мм 15 20 25 32 40 50 65
    Дюймы 1/2 3/4 1 1.1/4 1.1/2 2 2.1/2

    Внутренний диаметр полимерных труб можно узнать из таблицы №2.

    Подбор диаметров труб

    Таблица №2

    Показатели Наружный диаметр
    16 20 26 32 40
    Внутренний диаметр, мм 12 16 20 26 32
    Толщина стенки трубы, мм 2,0 2,0 2,0 3,0 2,5
    Объем жидкости в 1 м. п. трубы, л 0,113 0,201 0,314 0,531 0,855

    Данный расчет является укрупненным, подлежит для определения диаметров трубопроводов системы отопления только для небольших жилых зданий преимущественно с коллекторной системой отопления и установленными терморегулирующими вентилями на каждом радиаторе. Данный расчет не определяет удельные потери в трубопроводах или неувязки на участках сети для определения величины разбалансировки. Для жилых домов площадью свыше 100 м2 с большим количеством циркуляционных колец или при наличии водяных теплых полов за гидравлический расчет (как и теплотехнический) следует доверять только специалистам.

    Читайте также:  Как сделать электроотопление частного дома своими руками

    В предыдущих разделах цикла статей по расчету систем отопления мы составили тепловой баланс для углового помещения площадью 8,12м2 и определили, что будет установлено два радиатора суммарной мощностью 1 167 Вт, то есть каждый по 583,5 Вт. Так как исходя из планировки и места расположения котла в данном случае удобнее всего предусмотреть коллекторную систему отопления с выводом от коллекторного шкафа ветки на каждый радиатор, тогда расход теплоносителя на каждом отрезке равен 0,574 л/мин, а диаметр подводящего трубопровода Ду=15 мм.

    Подбор диаметров труб

    Похожие записи:

    1. Расчет системы отопления частного дома (часть1)
    2. Расчет системы отопления (Часть 4 — Подбираем тип схемы)
    3. Расчет системы отопления (Часть 6 — Подбор циркуляционного насоса)

    Считаем расход теплоты по квадратуре

    Для приблизительной прикидки отопительной нагрузки обычно используется простейший тепловой расчет: берется площадь здания по наружному обмеру и умножается на 100 Вт. Соответственно, потребление тепла дачным домиком 100 м² составит 10000 Вт или 10 кВт. Результат позволяет подобрать котел с коэффициентом запаса 1.2—1.3, в данном случае мощность агрегата принимается равной 12.5 кВт.

    Мы предлагаем выполнить более точные вычисления, учитывающие расположение комнат, количество окон и регион застройки. Итак, при высоте потолков до 3 м рекомендуется использовать следующую формулу:

    Расчет ведется для каждого помещения отдельно, затем результаты суммируются и умножаются на региональный коэффициент. Расшифровка обозначений формулы:

    • Q – искомая величина нагрузки, Вт;
    • Sпом – квадратура комнаты, м²;
    • q – показатель удельной тепловой характеристики, отнесенный к площади помещения, Вт/м²;
    • k – коэффициент, учитывающий климат в районе проживания.

    Для справки. Если частный дом расположен в полосе умеренного климата, коэффициент k принимается равным единице. В южных регионах k = 0.7, в северных применяются значения 1.5—2.

    Считаем расход теплоты по квадратуре

    В приближенном подсчете по общей квадратуре показатель q = 100 Вт/м². Подобный подход не учитывает расположение комнат и разное количество световых проемов. Коридор, находящийся внутри коттеджа, потеряет гораздо меньше тепла, чем угловая спальня с окнами той же площади. Мы предлагаем принимать величину удельной тепловой характеристики q следующим образом:

    • для помещений с одной наружной стеной и окном (или дверью) q = 100 Вт/м²;
    • угловые комнаты с одним световым проемом – 120 Вт/м²;
    • то же, с двумя окнами – 130 Вт/м².

    Как правильно подбирать значение q, наглядно показано на плане здания. Для нашего примера расчет выглядит так:

    Q = ( х 130 + 21 х 120 + 5 х 100 + 7 х 100 + 6 х 100 + х 130 + 21 х 120) х 1 = 10935 Вт ≈ 11 кВт.

    Как видите, уточненные вычисления дали другой результат – по факту на отопление конкретного домика 100 м² израсходуется на 1 кВт тепловой энергии больше. Цифра учитывает расход теплоты на подогрев наружного воздуха, проникающего в жилище сквозь проемы и стены (инфильтрацию).

    Читайте также:  Буржуйка в гараж — как сделать своими руками

    Самотечное двухтрубное отопление

    По направлению движения теплоносителя двухконтурные системы делятся на: с попутным движением и тупиковые. В тупиковом варианте горячий и остывший теплоноситель движется в разных направлениях. При использовании подобной схемы монтажа длина колец циркуляции получается не одинаковой. Это значит, что для самых дальних отопительных приборов кольцо гораздо длиннее, чем для тех, которые находятся по-близости от котла. Поэтому те радиаторы, которые ближе к стояку, греются лучше. При использовании схемы с попутным движением воды все кольца циркуляции получаются одинаковыми по длине, поэтому радиаторы прогреваются одинаково. Но такие схемы используются редко из-за большого расхода трубных материалов. Чаще всего стараются улучшить характеристики тупиковой системы путем монтажа двух или нескольких контуров вместо одного.

    Двухтрубная система — это два отдельных трубопровода, проведенные параллельно: один для горячей воды (от котла), второй — для охлажденной (прошедшей через отопительные приборы). Отопление с применением двух контуров можно установить, если использовать верхнюю разводку и трубы с диаметром 32 мм или более.

    Вода от котла поднимается в распределительный бак, из которого спускается к отопительным приборам самотеком. Если диаметр трубопровода слишком маленький, создается высокое гидравлическое сопротивление, которое препятствует циркуляции.

    h м = ζ v /2g.

    При развитом турбулентном режиме ζ = const, что позволяет ввести в расчеты понятие эквивалентной длины местного сопротивления Lэкв. т.е. такой длины прямого трубопровода, для которого ht = hм. В данном случае потери напора в местных сопротивлениях учитываются тем, что к фактической длине трубопровода добавляется сумма их эквивалентных длин

    Lпр =L + Lэкв.

    где Lпр – приведенная длина трубопровода.

    Зависимость потерь напора h1-2 от расхода называется характеристикой трубопровода.

    В случаях когда движение жидкости в трубопроводе обеспечивает центробежный насос, то для определения расхода в системе насос – трубопровод выстраивается характеристика трубопровода h =h(Q) с учетом разности отметок ∆z (h1-2 + ∆z  при z1< z2 и h1-2 — ∆z при z1>z2) накладывается на напорную характеристику насоса H=H(Q), которая приведена в паспортных данных насоса (смотреть рисунок). Точка пересечения таких кривых указывает на максимально возможный расход в системе.  

    Выбор основного контура

    Гидравлическая стрелка отделяет котловые и отопительные контура

    Здесь необходимо рассматривать отдельно две схемы — однотрубную и двухтрубную. В первом случае расчет нужно вести через самый нагруженный стояк, где установлено большое количество отопительных приборов и запорной арматуры.

    Во втором случае выбирается самый загруженный контур. Именно на его основе и нужно делать подсчет. Все остальные контуры будет иметь гидравлическое сопротивление гораздо ниже.

    В том случае, если рассматривается горизонтальная развязка труб, то выбирается самое загруженное кольцо нижнего этажа. Под загруженностью понимают тепловую нагрузку.