Пример гидравлического расчета отопительной системы

Система отопления, функционирующая на основе циркуляции горячей воды, является наиболее популярным решением для обустройства жилых домов. Для успешного проектирования такой системы требуется провести предварительные расчеты, которые позволяют связать параметры давления на различных участках системы с диаметрами труб.

В данной статье подробно изложена методика этих расчетов. Для лучшего понимания шагов процесса мы приведем конкретный пример выполнения расчетов.

Следуя изложенной методологии, можно определить оптимальный диаметр трубопроводов, количество радиаторов, мощность котла и другие параметры, необходимые для создания эффективной системы отопления.

Что такое гидравлический расчет?

Ключевым аспектом технологического прогресса в области отопительных систем стало стремление к экономии энергоресурсов. Это желание требует более тщательного подхода к проектированию, выбору материалов и методов монтажа систем отопления в жилых помещениях.

Поэтому, если вы намерены создать комфортную и экономичную отопительную систему для своей квартиры или дома, стоит ознакомиться с правилами расчетов и проектирования.

Основная функция тепловоспроизводящей сети заключается в передаче необходимого объема тепловой энергии к приборам, которые отдают тепло пользователям.

Главной задачей гидравлического расчета является выбор труб, обеспечивающих минимальные потери тепла при движении теплоносителя по разветвленной сети.

Количество передаваемой тепловой энергии зависит от расхода тепла и температурного перепада при охлаждении теплоносителя. В двухтрубных системах опираются на температурный перепад во всех устройствах.

При выполнении расчетов для однотрубной схемы основное внимание уделяется перепаду температуры на всех стояках.

Целью расчетов является выбор труб, по которым будет проходить необходимый расход теплоносителя. Обычно трубы подбираются из представленного сортамента, что всегда приводит к некоторой погрешности в расчетах.

Расход теплоносителя не задается заранее, а определяется путем согласования параметров давления во всех кольцах системы.

В первую очередь рассчитывают главное циркуляционное кольцо, которое делят на участки для анализа расхода теплоносителя и потерь давления, связанных с трением при движении жидкости.

После этого аналогичные расчеты выполняются для вторичных колец, где исходя из полученных результатов выбирается диаметр труб, равняющий давление во всех участках системы.

Обзор основных принципов расчета

Перед тем как дать определение гидравлическому расчету, важно отметить, что индивидуальная система отопления квартиры или дома функционирует на более высоком уровне по сравнению с центральной системой отопления большого здания.

Индивидуальная система основана на другом подходе к ресурсам тепла и энергии.

Суть гидравлического расчета в том, что расход теплоносителя не фиксируется заранее, а определяется на основании соотношения диаметров труб с давлением во всех сегментах системы.

Можно провести простое сравнение этих систем по нескольким критериям:

1. Центральная система отопления (котельная-дом-квартира) использует стандартные виды топлива, такие как уголь и газ. В автономной системе можно применять различные вещества с высокой теплотой сгорания.
2. Централизованная система состоит из типичных компонентов: металлические трубы, стандартные радиаторы и запорная арматура. Иным образом, индивидуальная система дает возможность комбинировать разные элементы: многосекционные радиаторы, высокотехнологичные термостаты и разнообразные виды труб.
3. При входе в квартиру стандартного панельного дома, построенного 20-40 лет назад, можно заметить, что система отопления состоит из простой семисекционной батареи и вертикального стояка. Напротив, автономная система позволяет проектировать сложные конструкции, учитывающие личные пожелания жильцов.
4. В отличие от центральной системы, индивидуальная система отопления учитывает множество факторов, влияющих на передачу энергий и тепла: температуры окружающей среды, необходимый тепловой режим, площали и объемы помещений.

Таким образом, гидравлический расчет системы отопления (ГРСО) представляет собой набор характеристик, которые подробно описывают такие параметры, как диаметр труб, количество радиаторов и клапанов.

Этот тип радиаторов использовался в большинстве панельных домов на постсоветском пространстве. Этим объясняется экономия на материалах и отсутствие проектных решений.

ГРСО помогает эффективно выбрать циркуляционный насос, используемый для транспортировки горячей воды к радиаторам, что в итоге обеспечивает равномерную работу системы, что непосредственно связано с затратами на отопление жилья.

Другим примером отопительного радиатора для центральной системы может быть более универсальное изделие, которое может быть сконструировано с различным количеством ребер для увеличения или сокращения площади теплообмена.

Этапы расчетов

При обсуждении расчетов системы отопления следует отметить, что этот процесс является важным и сложным этапом проектирования.

Перед началом расчетов необходимо выполнить предварительный анализ системы, например:

• определить тепловой баланс в каждой комнате;
• выбрать терморегуляторы и клапаны;
• подобрать радиаторы и теплообменные панели;
• выявить участки с наибольшим и наименьшим расходом теплоносителя.

Также следует установить общую схему движения теплоносителя: полную и малую контуры, однотрубную или двухтрубную систему.

В результате гидравлического расчета мы можем получить важнейшие характеристики системы, которые отвечают на следующие вопросы:

• какова необходимая мощность источника теплоснабжения;
• каков необходимый расход и скорость теплоносителя;
• какому диаметру должна соответствовать основная магистраль;
• какова величина возможных потерь тепла и массы теплоносителя.

Еще одним важным моментом гидравлического расчета является процесс согласования всех элементов системы в условиях экстремальных температур с помощью регулирующих устройств.

Существует множество видов отопительных радиаторов: чугунные, алюминиевые многосекционные, стальные панели и биметаллические. Наиболее распространенными остаются алюминиевые многосекционные радиаторы.

Расчет участка трубопроводной магистрали включает секцию с постоянным диаметром и неизменным расходом горячей воды, который определяется на основе теплового баланса помещений. Начало расчетов происходит от насоса или источника тепла.

Исходные данные примера

Чтобы лучше объяснить детали гидравлического расчета, обоснованно рассмотреть конкретный пример типичной двухкомнатной квартиры общей площадью 65,54 м², включающей две комнаты, кухню, раздельные туалет и ванную, двойной коридор и спаренный балкон.

После завершения строительства квартиры была собрана следующая информация о её характеристиках. Указанная квартира имеет стены, обработанные шпаклевкой и грунтовкой, сделанные из монолитных железобетонных конструкций, окна с двухкамерными стеклопакетами, двери из тырсо-прессованного материала, керамическую плитку на полу в санузле.

Это типичный девятиэтажный панельный дом с четырьмя подъездами. На каждом этаже расположены по три квартиры: одна двухкомнатная и две трехкомнатные. Жилая площадь квартиры располагается на пятом этаже.

Кроме того, в представленном жилье уже установлена медная проводка, распределители и отдельный электрощиток, газовая плита, ванна, умывальник, унитаз, полотенцесушитель и мойка.

Самое главное: в комнатах, ванной и на кухне уже установлены алюминиевые радиаторы. Вопрос о трубах и котле остался открытым.

Сбор данных для расчета

Гидравлический расчет системы в большинстве случаев базируется на вычислениях, связанных с отоплением пространства.

Поэтому необходимо собрать следующие данные:

• площадь каждого помещения;
• размеры оконных и дверных проемов (внутренние двери на тепловые потери практически не влияют);
• климатические условия и особенности региона.

Исходные данные следующие. Общая площадь помещения составляет 18,83 м², площадь спальни — 14,86 м², кухни — 10,46 м², балкона — 7,83 м² (в сумме), коридора — 9,72 м² (в сумме), ванной — 3,60 м² и туалета — 1,5 м². Входные двери занимают 2,20 м², витраж в общей комнате — 8,1 м², окно спальни — 1,96 м², и окно кухни — 1,96 м².

Высота стен квартиры составляет 2 метра 70 сантиметров. Внешние стены выполнены из бетона класса В7 с толщиной штукатурного слоя 300 мм, а внутренние стены и перегородки делятся на несущие (120 мм) и обычные (80 мм). Пол и потолок изготовлены из бетонных плит перекрытия класса В15 с толщиной 200 мм.

Проектировка квартиры позволяет организовать одну центральную ветку отопления, проходящую через кухню, спальню и общую комнату, что обеспечит комфортную температуру в пределах 20-22°C в помещениях (+)

Что касается окружающей обстановки? Квартира расположена в здании, находящемся в центре жилого района небольшого городка, который лежит в низменной местности на высоте 130-150 метров над уровнем моря. Климат здесь умеренно континентальный, с прохладной зимой и достаточно теплым летом.

Средняя температура в течение года составляет +7,6°C. В январе температура достигает -6,6°C, а в июле — +18,7°C. Средняя скорость ветра равна 3,5 м/с, влажность воздуха — 74%, а осадки составляют 569 мм.

При анализе климатических условий региона стоит отметить большой разброс температур, который накладывает особые требования на управление отопительной системой квартиры.

Мощность теплогенератора

Ключевым элементом системы отопления является котел, который может быть электрическим, газовым или комбинированным — на данном этапе это несущественно. Важна его основная характеристика — мощность, то есть количество энергии, необходимой для обогрева за единицу времени.

Мощность котла рассчитывается по следующей формуле:

Wкотла = (Sпомещ*Wудел) / 10,

• Sпомещ — сумма площадей всех помещений, требующих отопления;
• Wудел — удельная мощность с учетом климатических условий.

Для различных климатических зон данные выглядят следующим образом:

• Северные регионы — 1,5 — 2 кВт/м²;
• Центральные зоны — 1 — 1,5 кВт/м²;
• Южные регионы — 0,6 — 1 кВт/м².

Хотя эти показатели являются ориентировочными, они наглядно демонстрируют влияние климатических условий на отопительную систему квартиры.

На представленной карте показаны климатические зоны с различными температурными режимами. Расположение жилья в отношении этих зон определяет, сколько энергии потребуется для обогрева одного квадратного метра (+)

Общая площадь квартиры, которую необходимо отапливать, равна 65,54 м², за вычетом балкона, то есть 57,71 м². Удельная мощность котла для центрального региона с холодными зимами составляет 1,4 кВт/м². В результате расчетная мощность котла теплового источника равна 8,08 кВт.

Динамические параметры теплоносителя

Перейдем к следующему этапу — анализу потребления теплоносителя. В большинстве случаев отопительные системы квартир отличаются от других систем, и это связано с количеством радиаторов и длиной трубопроводов. Давление в системе служит дополнительной «движущей силой» для перемещения теплоносителя.

В частных одноэтажных и многоэтажных домах, а также в старых панельных многоквартирных зданиях применяются системы отопления с высоким давлением, которое позволяет доставлять теплоноситель ко всем участкам сложной и разветвленной отопительной системы, поднимая воду на высоту (до 14-го этажа) здания.

Напротив, стандартная 2- или 3-комнатная квартира с автономным отоплением не имеет такого многообразия контуров и включает не более трех цепочек.

Таким образом, транспортировка теплоносителя осуществляется за счет естественного стечения воды. Тем не менее, могут также использоваться циркуляционные насосы, а отопление обеспечивается газовым или электрическим котлом.

Рекомендуется устанавливать циркуляционный насос для обогрева помещений площадью более 100 м². Установку насоса можно осуществлять как до, так и после котла, но обычно его размещают на обратной линии — это позволяет снизить температуру носителя и уменьшить вероятность попадания воздуха, что увеличивает срок службы насоса.

Специалисты в области проектирования и монтажа отопительных систем выделяют два основных подхода к расчету объема теплоносителя:

1. По фактической емкости системы. Подсчитываются объемы всех частей, через которые будет проходить горячая вода: участки труб, секции радиаторов и т.д. Этот метод является достаточно трудоемким.
2. По мощности котла. Здесь мнения разделяются: одни специалисты рекомендуют ориентироваться на 10, другие — на 15 литров на единицу мощности котла.

С практической точки зрения стоит учитывать, что система отопления будет не только подавать горячую воду в комнаты, но также предоставлять воду для ванной, душа, раковины и возможно для гидромассажа. Этот метод более простой.

Поэтому рекомендуется использовать 13,5 литров на каждую единицу мощности. Умножив это значение на мощность котла (8,08 кВт), получают расчетный объем воды — 109,08 литра.

Расчетная скорость теплоносителя в системе является тем параметром, который позволяет выбирать диаметр труб для отопительной системы.

Скорость вычисляется по следующей формуле:

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

• W — мощность котла;
• t — температура подаваемой воды;
• to — температура воды в обратном контуре;
• k — коэффициент полезного действия котла (0,95 для газового).

Подставляя расчетные данные в формулу, получаем: (0,86 * 8080 * 0,95) / (80-60) = 6601,36/20 = 330 кг/ч. Таким образом, за один час в системе проходит 330 литров теплоносителя (воды), а общая емкость системы составляет около 110 литров.

Определение диаметра труб

Для окончательного выбора диаметра и толщины отопительных труб необходимо обсудить потерю тепла.

Наибольшее количество тепла уходит через стены — до 40%, через окна — 15%, через пол — 10%, остальное — через потолок и крышу. В квартире основные теплопотери происходят через окна и балконные блоки.

Определяют несколько видов теплопотерь в отапливаемых помещениях:

1. Потери давления потока в трубах. Этот параметр пропорционален удельной потере на трение внутри трубы (данные предоставляет производитель) умноженной на общую длину трубопровода. Для данной задачи эти потери можно не учитывать.
2. Потери напора на местных сопротивлениях труб. Это потери тепла, происходящие на фитингах и внутри оборудования. В условиях нашей задачи можно пренебречь потерями из-за небольшого числа фитингов и радиаторов.
3. Теплопотери в зависимости от расположения квартиры. Еще один тип потер, который главным образом связан с положением помещения относительно остального здания. Для обычной квартиры, находящейся в середине жилого дома и соседствующей с другими квартирами сверху, снизу, слева и справа, потери тепла через боковые стены, потолок и пол практически незначительны.

Можно принять во внимание только потери через фасад квартиры — балкон и центральное окно общей комнаты. Однако этот вопрос решается добавлением 2-3 секций к каждому радиатору.

При выборе диаметра труб следует учитывать расход теплоносителя и скорость его циркуляции в системе отопления.

Исходя из представленной информации, для рассчитанной скорости горячей воды в системе отопления известна табличная скорость перемещения воды относительно стенок труб в горизонтальном положении — 0,3-0,7 м/с.

Для удобства мастера ниже приводится чек-лист для проведения вычислений типичного гидравлического расчета системы отопления:

• Сбор данных и расчет мощности котла;
• Объем и скорость теплоносителя;
• Потери тепла и выбор диаметра труб.

Иногда по результатам расчетов можно получить достаточно большой диаметр трубы для обеспечения необходимого объема теплоносителя. Эта проблема может быть решена увеличением мощности котла или добавлением дополнительного расширительного бака.

На нашем сайте вы можете найти раздел статей, посвящённых расчету отопительных систем. Рекомендуем ознакомиться с ними:

1. Тепловой расчет системы отопления: как правильно рассчитать нагрузку на систему
2. Расчет водяного отопления: формулы, правила и примеры
3. Теплотехнический расчет здания: специфика выполнения расчетов и практические примеры

Заключение и полезное видео по теме

Преимущества и недостатки систем естественной и принудительной циркуляции теплоносителя в отоплении:

В результате гидравлического расчета были получены конкретные физические характеристики будущей системы отопления.

Следует отметить, что представленный расчет — это упрощенная версия, дающая ориентировочные данные для системы отопления стандартной двухкомнатной квартиры.

Вы сами пытаетесь провести гидравлический расчет отопительной системы? Или у вас есть сомнения относительно представленной информации? Мы ждем ваши комментарии и вопросы — блок для обратной связи находится ниже.