Гидравлический расчет системы отопления

Двухтрубная система отопления. Принцип действия

Ознакомившись с первым типом отопительной системы, однотрубной, самое время разобраться с особенностями и принципом действия двухтрубной схемой отопления. Тщательный анализ технологических и технических параметров отопления такого типа позволяет потребителям сделать самостоятельный выбор — какое отопление эффективнее в конкретном случае, однотрубное или двухтрубное.

Основной принцип – наличие двух контуров, по которым теплоноситель расходится по системе. Одна труба обеспечивает подачу теплоносителя к радиаторам отопления. Вторая ветка предназначена для того, чтобы уже охлажденный теплоноситель после прохождения через радиатор возвращался снова в котел. И так постоянно, по кругу, пока работает отопление. На первый взгляд уже само наличие в схеме двух трубопроводов может оттолкнуть потребителей. Большая протяженность магистралей, сложность разводки – факторы, которые нередко отпугивают владельцев частных домов от двухтрубной системы отопления.

Это на первый взгляд. Как и однотрубные, двухтрубные системы делятся на закрытые и открытые. Отличие в данном случае заключается в конструкции расширительного бака.

Закрытые с мембранным расширительным баком наиболее практичные, удобные и безопасные в эксплуатации. Подтверждением сказанного являются очевидные преимущества:

• еще на стадии проектирования можно оборудовать отопительные приборы терморегуляторами;
• параллельное, независимое подключение радиаторов;
• техническая возможность добавления  нагревательных приборов уже после завершения монтажа;
• удобство применения скрытой прокладки;
• возможность отключения отдельных радиаторов или веток;
• удобство регулировки системы.

Исходя из вышесказанного, можно сделать один однозначный вывод. Двухтрубная система отопления, гораздо гибче и технологичнее однотрубной.

Для сравнения представлена следующая схема:

Двухтрубная Система очень удобна для эксплуатации в доме, в котором планируется увеличение жилой площади, возможны варианты пристройки, как вверх, так и по периметру здания. Уже на стадии работы можно легко устранить допущенные при проектировании технические ошибки. Такая схема более устойчива и надежна чем однотрубная.

При всех очевидных преимуществах, перед тем как остановить свой выбор на этом типе отопления, уместно напомнить о недостатках двухтрубной системы.

Если у вас есть под рукой грамотный специалист, проведены необходимые технические расчеты, то перечисленные недостатки легко компенсируются преимуществами двухтрубной схемой отопления.

Как и в  случае с однотрубной системой, вариант с двухтрубной предполагает использование вертикального либо горизонтального расположения трубопроводов. Вертикальная система – радиаторы подключены к вертикальному стояку. Такой тип удобен для двухэтажных частных домов и коттеджей. Воздушные пробки вам не страшны. В случае с горизонтальным вариантом —  радиаторы в каждой комнате или помещении подключены к трубопроводу, расположенному горизонтально. Двухтрубные горизонтальные схемы отопления в основном рассчитаны для обогрева одноэтажных зданий и жилых домов большой площади с необходимостью поэтажной регулировки. Возникающие воздушные пробки легко устраняются путем установки кранов Маевского на радиаторах.

На рисунке представлена вертикальная двухтрубная система отопления. Ниже можно увидеть, как выглядит двухтрубная система горизонтального типа.

Традиционно подключение радиаторов может быть осуществлено с помощью нижней и верхней разводки. В зависимости от технических условий и проекта —  выбор варианта разводки зависит от самого владельца дома.  Верхняя разводка удобнее. Все магистрали можно спрятать в чердачном пространстве. В системе создается необходимая для хорошего распределения теплоносителя циркуляция. Основной недостаток двухтрубной схемы отопления с верхним вариантом разводки —  необходимость установки мембранного бака вне отапливаемых помещений. Верхняя разводка не позволяет сделать забор технической воды для бытовых нужд, а так же соединить расширительный бак с баком для горячей воды, используемой в быту. Такая схема не подходит для жилых объектов с плоской крышей.

Корректировка результатов

Для того чтобы получить более точный расчет нужно учесть как можно больше факторов, которые уменьшают или увеличивают потери тепла. Это то, из чего с деланы стены и как хорошо они утеплены, насколько большие окна, и какое на них остекление, сколько стен в комнате выходит на улицу и т.п. Для этого существуют коэффициенты, на которые нужно умножить найденные значения теплопотерь помещения.

Количество радиаторов зависит от величины потерь тепла

Окна

На окна приходится от 15% до 35% потерь тепла. Конкретная цифра зависит от размеров окна и от того, насколько хорошо оно утеплено. Потому имеются два соответствующих коэффициента:

• соотношение площади окна к площади пола:
  • 10% — 0,8
  • 20% — 0,9
  • 30% — 1,0
  • 40% — 1,1
  • 50% — 1,2
• остекление:
  • трехкамерный стеклопакет или аргон в двухкамерном стеклопакете — 0,85
  • обычный двухкамерный стеклопакет — 1,0
  • обычные двойные рамы — 1,27.

Стены и кровля

Для учета потерь важен материал стен, степень теплоизоляции, количество стен, выходящих на улицу. Вот коэффициенты для этих факторов.

Степень теплоизоляции:

• кирпичные стены толщиной в два кирпича считаются нормой — 1,0
• недостаточная (отсутствует) — 1,27
• хорошая — 0,8

Наличие наружных стен:

• внутреннее помещение — без потерь, коэффициент 1,0
• одна — 1,1
• две — 1,2
• три — 1,3

На величину теплопотерь оказывает влияние отапливаемое или нет помещение находится сверху. Если сверху обитаемое отапливаемое помещение (второй этаж дома, другая квартира и т.п.), коэффициент уменьшающий — 0,7, если отапливаемый чердак — 0,9. Принято считать, что неотапливаемый чердак никак не влияет на температуру в и (коэффициент 1,0).

Нужно учесть особенности помещений и климата чтобы правильно рассчитать количество секций радиатора

Если расчет проводили по площади, а высота потолков нестандартная (за стандарт принимают высоту 2,7м), то используют пропорциональное увеличение/уменьшение при помощи коэффициента. Считается он легко. Для этого реальную высоту потолков в помещении делите на стандарт 2,7м. Получаете искомый коэффициент.

Посчитаем для примера: пусть высота потолков 3,0м. Получаем: 3,0м/2,7м=1,1. Значит количество секций радиатора, которое рассчитали по площади для данного помещения нужно умножить на 1,1.

Все эти нормы и коэффициенты определялись для квартир. Чтобы учесть теплопотери дома через кровлю и подвал/фундамент, нужно увеличить результат на 50%, то есть коэффициент для частного дома 1,5.

Климатические факторы

Можно внести корректировки в зависимости от средних температур зимой:

• -10оС и выше — 0,7
• -15оС — 0,9
• -20оС — 1,1
• -25оС — 1,3
• -30оС — 1,5

Внеся все требуемые корректировки, получите более точное количество требуемых на обогрев комнаты радиаторов с учетом параметров помещений.

Источники

• https://uteplitel-minol.ru/truby/gidravlicheskij-raschet-otopleniya-excel.html
• https://delta-instrument.ru/montazh/gidravlicheskoe-soprotivlenie.html
• http://k-a-t.ru/gidravlika/6_soprotiv/index.shtml
• https://StrojDvor.ru/otoplenie/delaem-gidravlicheskij-raschet-sistemy-otopleniya-s-pomoshhyu-programm-gotovyx-form-excel-i-samostoyatelno/
• https://1-teplodom.ru/kalkulator-rasceta-gidravliceskogo-soprotivlenia-otoplenie-i-uteplenie-sajt-o-teple-v-vasem-dome/
• https://ksportal.ru/937-gidravlicheskij-raschet-sistemy-otopleniya.html

Выбор радиаторов и длины участков трубопровода

Необходимо определиться с видом устройств для отопления и проставить места их расположение на плане помещения. Далее должно быть принято решение об итоговой конфигурации отопительной системы, вида трубопровода (однотрубный или двухтрубный), арматуры для запора и регулирования (клапана, регуляторы, вентили, датчики давления, расхода и температуры).

Затем на вычерченной схеме указывается номер тепловых нагрузок и точная длина участков, для которых производится расчет. В заключении определяется «циркулирующее кольцо». Оно представляет собой контур замкнутого вида, который включает в себя все последовательные трубопроводные участки, на которых ожидается повышенный расход носителя тепла на расстоянии от источника, излучающего теплоэнергию, до самого дальнего прибора отопления (при двухконтурной системе) или до приборной ветки (при однотрубной системе) и назад к отопительному механизму.

Специфика выбора основной ветви в двухтрубной системе

Исходя из практического опыта проведенных вычислений, при наличии попутного движения теплоносителя в двухтрубной схеме лучше выбрать более нагруженный стояк через нижнюю батарею. В однотрубном контуре речь о кольце через самый загруженный стояк. Если горячая вода имеет тупиковое движение, в двухтрубной системе выбирают кольцо нижнего радиатора наиболее загруженного удаленного стояка.

Однотрубная схема предполагает идентичный подход. В горизонтальном контуре предпочитают кольцо самого загруженного направления нижнего этажа. Подобные работы по гидравлическому расчету двухтрубной системы отопления должны проводиться максимально внимательно, т.к. малейшая погрешность может вылиться в крупные неприятности.

Гидравлический расчет системы отопления: главные цели и задачи выполнения данного действия

Эффективность отопительной системы вовсе не гарантируют качественные трубы и высокопроизводительный теплогенератор.

Наличие ошибок, допущенных при монтаже, может свести на нет работу котла, работающего на полную мощность: либо в помещениях будет холодно, либо затраты на энергоносители будут неоправданно высокими.

Поэтому важно начинать с разработки проекта, одним из важнейших разделов которого является гидравлический расчет системы отопления

Расчет гидравлики водяной системы отопления

Теплоноситель циркулирует по системе под давлением, которое не является постоянной величиной. Оно снижается из-за наличия сил трения воды о стенки труб, сопротивления на трубной арматуре и фитингах. Домовладелец также вносит свою лепту, корректируя распределение тепла по отдельным помещениям.

Давление растет, если температура нагрева теплоносителя повышается и наоборот – падает при ее снижении.

Чтобы избежать разбалансировки отопительной системы, необходимо создать условия, при которых к каждому радиатору поступает столько теплоносителя, сколько необходимо для поддержания заданной температуры и восполнения неизбежных теплопотерь.

Главной целью гидравлического расчета является приведение в соответствие расчетных расходов по сети с фактическими или эксплуатационными.

На данном этапе проектирования определяются:

• диаметр труб и их пропускная способность;
• местные потери давления по отдельным участкам системы отопления;
• требования гидравлической увязки;
• потери давления по всей системе (общие);
• оптимальный расход теплоносителя.

Для производства гидравлического расчета необходимо проделать некую подготовку:

1. Собрать исходные данные и систематизировать их.
2. Выбрать методику расчета.

Первым делом проектировщик изучает теплотехнические параметры объекта и выполняет теплотехнический расчет. В итоге у него появляется информация о количестве тепла, необходимом для каждого помещения. После этого выбираются отопительные приборы и источник тепла.

Схематичное изображение отопительной системы в частном доме

На стадии разработки принимается решение о типе отопительной системы и особенностях ее балансировки, подбираются трубы и арматура. По окончании составляется аксонометрическая схема разводки, разрабатываются планы помещений с указанием:

• мощности радиаторов;
• расхода теплоносителя;
• расстановки теплового оборудования и пр.

Расчет диаметра труб

Расчет сечения труб должен опираться на результаты теплового расчета, обоснованные экономически:

• для двухтрубной системы – разность между tr (горячим теплоносителем) и to (охлажденным – обраткой);
• для однотрубной – расход теплоносителя G, кг/ч.

Кроме того, в расчете должна учитываться скорость движения рабочей жидкости (теплоносителя) — V . Ее оптимальная величина находится в диапазоне 0,3-0,7 м/с. Скорость обратно пропорциональна внутреннему диаметру трубы.

При скорости движения воды, равной 0,6 м/с в системе появляется характерный шум, если же она менее 0,2 м/с, появляется риск возникновения воздушных пробок.

Для расчетов потребуется еще одна скоростная характеристика – скорость теплопотока. Она обозначается буквой Q, измеряется в ваттах и выражается в количестве тепла, переданного в единицу времени

Кроме вышеперечисленных исходных данных для расчета потребуются параметры отопительной системы – длина каждого участка с указанием приборов, подключенных к нему. Эти данные для удобства можно свести в таблицу, пример которой приведен ниже.

Таблица параметров участков

Расчёт параметров теплоносителя

Количество теплоносителя в 1 м трубы в зависимости от диаметра

Расчет теплоносителя сводится к определению следующих показателей:

• скорость движения водных масс по трубопроводу с заданными параметрам;
• их средняя температура;
• расход носителя, связанный с требованиями к производительности отопительного оборудования.

Известные формулы расчета параметров теплоносителя (с учетом гидравлики) достаточно сложны и неудобны в практическом применении. В онлайн калькуляторах используется упрощенный подход, позволяющий получить результат с допустимой для этого способа погрешностью

Тем не менее перед началом монтажа важно побеспокоиться о том, чтобы приобрести насос с показателями не ниже расчетных. Лишь в этом случае появляется уверенность в том, что требования к системе по этому критерию выполнены в полной мере и что она способна обогреть помещение до комфортных температур

Начальные условия примера

Для более конкретного пояснения всех деталей гидравлического просчёта возьмем конкретный пример обычного жилищного помещения. В наличии имеем классическую 2-комнатную квартиру панельного дома, общей площадью 65,54 м2, которая включает две комнаты, кухню, раздельные туалет и ванная, двойной коридор, спаренный балкон.

После сдачи в эксплуатацию получили следующую информацию относительно готовности квартиры. Описываемая квартира включает обработанные шпаклевкой и грунтом стены из монолитных железо-бетонных конструкций, окна из профиля с двух камерными стеклами, тырсо-прессованные межкомнатные двери, керамическая плитка на полу санузла.

Типичный панельный 9-этажный дом на четыре подъезда. На каждом этаже по 3 квартиры: одна 2-комнатная и две 3-комнатных. Квартира расположена на пятом этаже

Кроме того, представленное жильё уже оснащено медной проводкой, распределителями и отдельным щитком, газовой плитой, ванной, умывальником, унитазом, полотенцесушителем, мойкой.

И самое главное в жилых комнатах, ванной и кухне уже имеются алюминиевые отопительные радиаторы. Вопрос относительно труб и котла остаётся открытым.

Определение диаметра труб

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 – издержки теплоты на фитингах и внутри оборудования. Но учитывая условия задачи, небольшое количество фитинг-изгибов и число радиаторов, такими потерями можно пренебречь.
3. Теплопотери исходя из расположения квартиры. Существует ещё один тип тепловых издержек, но они больше связаны 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.

Значение диаметра труб подбирают по расходу теплоносителя и скорости его циркуляции в отопительной магистрали

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.

В помощь мастеру представляем так называемый чек-лист проведения вычислений для типичного гидравлического расчёта системы отопления:

• сбор данных и расчёт мощности котла;
• объём и скорость теплоносителя;
• потери теплоты и диаметр труб.

Иногда при просчёте можно получить достаточно большой диаметр трубы, что бы перекрыть расчётный объём теплоносителя. Эту проблему можно решить увеличением литража котла или добавлением дополнительного расширительного бака.

На нашем сайте есть блок статей, посвященных расчету отопительной системы, советуем ознакомиться:

1. Тепловой расчёт системы отопления: как грамотно сделать расчет нагрузки на систему
2. Расчет водяного отопления: формулы, правила, примеры выполнения
3. Теплотехнический расчет здания: специфика и формулы выполнения вычислений + практические примеры

Примеры расчетов для СВО

Пусть температура подаваемого воздуха (t_r) – 55 °С, желаемая температура в помещении (t_v) – 22 °С, теплопотери дома (Q) – 16000 Вт.

Определение количества воздуха для РСВО

Для определения массы подаваемого воздуха при температуре t_r используется формула:

E_ot = Q/(c × (t_r – t_v)) 

Подставляя в формулу значения параметров, получим:

E_ot = 16000/(1.005 × (55 – 22)) = 483

Объемное количество подаваемого воздуха рассчитывается по формуле:

V_ot = E_ot /p_r,

где:

p_r = 353/(273 + t_r)

Для начала вычислим плотность p:

p_r = 353/(273 + 55) = 1.07

Тогда:

V_ot = 483/1.07 = 451.

Воздухообмен в помещении определяется по формуле:

Vp = E_ot /p_v

Определим плотность воздуха в помещении:

p_v = 353/(273 + 22) = 1.19

Подставляя значения в формулу, получим:

V_p = 483/1.19 = 405

Таким образом, воздухообмен в помещении равен 405 м3 за час, а объем подаваемого воздуха должен быть равен 451 м3 за час.

Расчет количества воздуха для ЧРСВО

Для вычисления количества воздуха для ЧРСВО возьмем полученные сведения из предыдущего примера, а также t_r = 55 °С,  t_v = 22 °С; Q=16000 Вт. Количество воздуха, необходимого для вентиляции, E_vent=110 м3/ч. Расчетная наружная температура t_n=-31 °С.

Для расчета ЧРСВО используем формулу:

Q₃ = [E_ot × (t_r – t_v) + E_vent × p_v × (t_r – t_v)] × c

Подставляя значения, получим:

Q₃ = × 1.005 = 27000

Объем рециркуляционного воздуха составит 405-110=296 м3 в ч. Дополнительный расход тепла равен 27000-16000=11000 Вт.

Определение начальной температуры воздуха

Сопротивление механического воздуховода D=0.27 и берется из его технических характеристик. Длина воздуховода вне отапливаемого помещения l=15 м. Определено, что Q=16 кВт, температура внутреннего воздуха равна 22 градуса, а необходимая температура для отопления помещения равна 55 градусам.

Определим E_ot по вышеизложенным формулам. Получим:

E_ot = 10 × 3.6 × 1000/ (1.005 × (55 – 22)) = 1085

Величина теплового потока q₁ составит:

q₁ = (55 – 22)/0.27 = 122

Начальная температура при отклонении η = 0 составит:

t_nach = 22 + (16 × 1000 + 137 × 15) × (55 – 22)/ 1000 × 16 = 60

Уточним среднюю температуру:

t_sr = 0.5 × (55 + 60) = 57.5

Тогда:

Q_otkl = ((574 -22)/0.27) × 15 = 1972

С учетом полученных сведений найдем:

t_nach = 22 + (16 × 1000 + 1972) × (55 – 22)/(1000 × 16) = 59

Из этого следует вывод, что при движении воздуха теряется 4 градуса тепла. Чтобы уменьшить потери тепла, необходимо теплоизолировать трубы. Также рекомендуем вам ознакомиться с другой нашей статьей, в которой подробно описывается процесс обустройства системы воздушного отопления.

Зачем нужен расчёт гидравлики системы отопления

Суть проблемы

Современные отопительные установки являются динамичными системами, которые во время эксплуатации работают в разных рабочих режимах. Теплоноситель водяного отопления циркулирует под давлением, но эта величина не является постоянной. Потери возникают на разных участках из-за конструктивных особенностей системы (трение о стенки труб, сопротивление на фитингах и т.д.). Также мы сами манипулируем давлением, когда с помощью арматуры балансируем распределение тепла по комнатам. Вручную или с помощью автоматизации систем пользователь управляет мощностью отопительного устройства, меняет уровень нагрева теплоносителя. И снова напор в сети скачет, ведь чем выше температура, тем выше давление, и наоборот.

Падение давления на конкретном участке приводит к уменьшению его тепловой производительности. Качественное отопление должно в любых условиях работать стабильно и экономично, но для этого нужно, чтобы к каждому радиатору поступало ровно столько теплоносителя, сколько необходимо для восполнения теплопотерь в помещении и поддержания заданной температуры.

Решение

Одна из основных задач разработчика – снизить возможные потери напора, что позволяет улучшить регулирование отдельных участков и системы в целом. Существует специальный термин «рост авторитета вентиля». Он означает, что местное сопротивление, которое оказывает кран или клапан на проток в регулируемой ветке, более выгодно соотносится с рабочим давлением в участке. Чем большим объёмом теплоносителя конкретный элемент управляет, тем он ценнее.

Информативная таблица как результат гидравлического расчёта

Также следует произвести гидравлическую увязку циркуляционных колец. Грамотное использование балансировочных клапанов, вентилей, регуляторов давления позволяет избежать перегрева ближних к котлу помещений и недостатка тепла в удалённых (лишние пару градусов в комнате – это перерасход тепла на уровне 5-10 процентов). Ограничивая проток в одной ветке, мы увеличиваем его для других – перераспределяем теплоноситель.

Итак, гидравлический расчёт отопления помогает инженеру-конструктору решить следующие задачи:

• высчитать пропускную способность трубопроводов и падение напора на главном и второстепенных контурах;
• подобрать сечение труб, если показатели расхода теплоносителя и давления в системе уже заданы;
• рассчитать оптимальные способы балансировки ветвей системы;
• определить необходимую мощность циркуляционного насоса.

В чем заключается суть подобного расчета?

Главным отличием современных систем является специальный механизм, обеспечивающий гидравлический режим. Современные разработки и высококачественные материалы, которые используются сегодня в системах отопления, дают возможность своевременного реагирования на малейшее температурное колебание. Казалось бы, это очень выгодно: экономится энергия, а следовательно, наши затраты на отопления минимизируются. Но с другой стороны такое оборудование требует специальных знаний касаемо использования высокотехнологичной арматуры регулировки, а также других элементов при обустройстве системы.

Важная информация! Сочетание гидрорасчета и арматуры регулировки – это залог эффективности и работоспособности современных систем отопления.

Существуют некие обстоятельства, ввиду которых мы должны соблюдать приведенные выше условия.

1. Теплоноситель должен подаваться в приборы нагрева в должном количестве – так вы добьетесь баланса тепла при условии, что вы будете задавать температуру в здании, а температура снаружи будет меняться.
2. Отсутствие шума, долговечность и стабильность работы отопительной системы.
3. Минимум затрат при эксплуатации, в частности, электроэнергии, которые направлялись бы на то, чтобы преодолеть гидравлическое сопротивление трубопровода.
4. Затраты на установку системы нужно свести к минимуму, что в большей мере зависит от диаметра трубопровода.

Видео инструкция