Гидравлический расчет системы водяного отопления

Самый быстрый и простой способ сделать гидравлический расчет системы отопления – это онлайн калькулятор. Не имея узкопрофильного образования, даже не стоит пытаться выполнить расчет в таблице Excel. Покупать специальную программу за большие деньги, естественно, тоже бессмысленно. Совет таков: если хотите избежать проблем, то сразу обратитесь к хорошему специалисту, которых на самом деле не так уж и много, так что будьте внимательны.

Системы отопления с тупиковым и попутным движением теплоносителя

Отметим, что в системах радиаторной разводки, при едином принципе гидравлического расчёта, существуют разные подходы, т.к. системы подразделяются на тупиковые и попутные.

При тупиковой схеме теплоноситель движется по трубам «подачи» и «обратки» в противоположные стороны. И, соответственно, в попутной схеме теплоноситель движется по трубам в одном направлении.

Это влияет на методику гидравлического расчёта.

В системах водопровода соблюдается аналогичный принцип. Система рассчитывается через самый удалённый и самый нагруженный стояк. Но есть особенность – в расчёте расходов.

Если в радиаторной разводке расход зависит от количества тепла и перепадов температур, то в водопроводе расход зависит от норм водопотребления, а также от типа установленной водоразборной арматуры.

Что такое гидравлический расчет

Гидравлический расчет делают только для крупных контуров обогрева.

Принцип работы водяной системы отопления заключается в том, что по трубам и батареям циркулирует теплоноситель. Это жидкость (вода или антифриз) которая нагревается в котле и потом прогоняется по всему контуру циркуляционным насосом или благодаря силе гравитации.

  • диаметр труб для контура;
  • мощность циркуляционного насоса;
  • количество оборотов для регулировки балансировочных клапанов на каждом радиаторе.

Независимо от того где выполнялся гидравлический расчет системы отопления, на онлайн калькуляторе или в Excel, его пользу  сложно переоценить. Так как одним выстрелом мы убиваем двух зайцев: контур работает, как часы и нет перерасхода средств, ведь мы точно будем знать оптимальные параметры элементов системы.

Гидравлический расчет нужно делать только для больших систем отопления, которые обогревают дома с площадью от 200 м. кв. Для маленьких контуров это необязательно.

Специалисты делают гидравлический расчет системы отопления в Excel таблице. Это очень сложный процесс, который под силу далеко не всем людям с профильным образованием, не говоря уже о дилетантах. Нужно разбираться в теплотехнике, гидравлике, знать основы монтажа и многое другое. Получить эти знания можно только в высшем учебном заведении. Есть специализированные программы для гидравлического расчета системы отопления. Но опять же работать с ними могут только люди, имеющие профильное образование.

Что рассчитываем

Для любой системы отопления наиболее значимый параметр — ее тепловая мощность.

Она определяется:

  • Температурой теплоносителя.
  • Тепловой мощностью отопительных устройств.

Увидьте: в документации последний параметр указывается для фиксированной дельты температур между воздухом и температурой теплоносителя в отапливаемом помещении в 70 С. Уменьшение дельты температур в два раза приведет к двукратному уменьшению тепловой мощности.

Способы вычисления тепловой мощности мы пока покинем за кадром: им посвящено достаточно тематических материалов.

Но чтобы обеспечить перенос тепла от автострады либо котла к отопительным устройствам, серьёзны еще два параметра:

  1. Внутреннее сечение трубопровода, привязанное к его диаметру.
  1. Скорость потока в этом трубопроводе.

В автономной отопительной системе с принудительной циркуляцией принципиально важно знать еще несколько значений:

  1. Гидравлическое сопротивление контура. Расчет гидравлического сопротивления системы отопления позволит найти требования к напору, создаваемому циркуляционным насосом.
  2. Расход теплоносителя через контур, определяющийся производительностью циркуляционного насоса отопительной системы при соответствующем напоре.

Гидравлический расчет в системах с принудительной циркуляцией

В сравнении с гравитационными системами диаметры труб в насосных схемах значительно меньше, так как устанавливаемый насос подбирается в зависимости от потерь. То есть система с механической циркуляцией может быть какой угодно конфигурации и радиусом действия.

Для предотвращения повышения шума от работы отопительной системы, скорости движения теплоносителя ограничиваются:

  • Для трубопроводов, укладываемых в жилых помещениях, Ду (условным диаметром) 10 мм – не более 1,5 м/с,
  • для Ду 15 мм – не более 1.2 м/с,
  • для Ду 20 мм – не более 1 м/с,
  • для остальных помещений – до 1,5 м/c.
Читайте также:  Инфракрасное отопление частного дома своими руками

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.

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).

Мощность системы отопления

Как произвести проектирование, расчет и определить мощность системы отопления для дома, не привлекая специалистов? Этот вопрос интересует многих.

Выбираем тип котла

  1. Электрический котел. Совершенно не пользуется спросом на территории постсоветского пространства, так как использовать электричество для обогрева помещений очень дорого и это требует безупречной работы электросети, что не представляется возможным.
  2. Газовый котел.

    Это самый оптимальный вариант, экономичный и удобный. Они совершенно безопасны, устанавливать можно и на кухне. У газа самый высокий коэффициент полезного действия, и если у вас есть возможность подключиться к газовым трубам, то устанавливайте такой котел.

  3. Твердотопливный котел.

    Предполагает постоянное присутствие человека, который будет подсыпать топливо. Теплоотдача таких котлов непостоянна, и температура в помещении будет все время колебаться.

  4. Жидкотопливный котел.

    Очень большой вред наносит окружающей среде, но если другой альтернативы нет, существует специальное оборудование для отходов работы котла.

Определяем мощность системы отопления: простые шаги

Чтобы произвести нужные нам расчеты, необходимо определить такие параметры:

  • Площадь помещения. Берется в расчет полная площадь всего дома, а не только те комнаты, которые вы планируете отапливать. Обозначают буквой S.
  • Удельная мощность котла в зависимости от климатических условий. Определяется в зависимости от климатической зоны, в которой расположен ваш дом. Например, для юга – 0,7-0,9 кВт, для севера – 1,5-2,0 кВт. А в среднем, для удобства и простоты расчетов, можно брать 1. Обозначаем буквой W.

Так, удельная мощность котла = (S*W) /10.

Этот показатель определяет, будет ли данное устройство поддерживать необходимый температурный режим в вашем доме.

Если мощность котла будет меньше той, что необходима вам по расчетам, котел не сможет обогреть помещение, будет прохладно.

А если мощность будет превышать необходимую вам, будет иметь место большой перерасход топлива, следовательно, и финансовых затрат. Мощность системы отопления и ее рациональность зависят от этого показателя.

Сколько необходимо радиаторов, чтобы обеспечить полную мощность системы отопления?

Для ответа на этот вопрос можно использовать очень простую формулу: площадь отапливаемой комнаты умножаем на 100 и делим на мощность одной секции батареи.

Разберемся детальней:

  • так как комнаты у нас разной площади, целесообразно будет брать в расчет отдельно каждую;
  • 100 Ватт – средняя величина мощности на один квадрат помещения, которая обеспечивает наиболее подходящую, комфортную температуру;
  • мощность одной секции радиатора отопления – эта величина индивидуальна для разных радиаторов и зависит от материала, из которого они изготовлены. Если у вас нет такой информации, то можно брать среднестатистическое значение мощности одной секции современных радиаторов – 180-200 Ватт.

Материал, из которого изготовлен радиатор, – очень важный момент, ведь от этого зависит его износостойкость и теплоотдача. Стальные и чугунные имеют небольшую мощность секции.

Наибольшей мощность отличаются анодированные – мощность их секции 215 Вт, отличная защита от коррозии, гарантия на них до 30 лет, что, конечно, отражается на стоимости таких батарей.

Но учитывая все факторы, экономить в данном случае не стоит.

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.

Инструменты в Главном меню программы Valtec

У Valtec, как и у любой другой программы, вверху расположено главное меню.

Кликаем на кнопку «Файл» и в открывшемся подменю видим стандартные инструменты, известные любому пользователю компьютера по другим программам:

Запускается программа «Калькулятор», встроенная в Windows – для выполнения расчётов:

С помощью «Конвертера» мы будем переводить одни единицы измерения в другие:

Здесь три столбца:

В крайнем левом выбираем ту физическую величину, с которой работаем, например, давление. В среднем столбце — единицу, из которой нужно перевести (например, Паскали – Па), а в правом – в которую нужно перевести (например, в атмосферы технические). В левом верхнем углу калькулятора есть две строки, в верхнюю будем вбивать полученное при расчетах значение, а в нижней будет сразу отображаться перевод в требуемые единицы измерения… Но обо всём этом поговорим в своё время, когда дойдёт до практики.

А пока продолжаем знакомиться с меню «Инструменты». «Генератор бланков»:

Это нужно для проектировщиков, выполняющих проекты на заказ. Если мы делаем отопление только в своём доме, то «Генератор бланков» нам без надобности.

Следующая кнопка в главном меню программы Valtec – «Стили»:

Она для управления внешним видом окна программы – подстраивает под то программное обеспечение, которое установлено на вашем компьютере. По мне так ненужный прибамбас, т. к. я из тех, для кого главное не «шашечки», а доехать. А вы для себя решайте сами.

Рассмотрим более подробно инструменты, находящиеся под этой кнопкой.

В «Климатологии» выбираем район строительства:

Потери тепла в доме зависят не только от материалов стен и прочих конструкций, а и от климата местности, где здание находится. Следовательно, и требования к системе отопления зависят от климата.

В левой колонке находим район, в котором живём (республику, область, край, город). Если нашего населённого пункта здесь нет, то выбираем ближайший.

«Материалы». Здесь перечислены параметры разных строительных материалов, применяемых в конструкциях домов. Именно поэтому при сборе исходных данных (см. предыдущие материалы по проектированию) мы перечисляли материалы стен, полов, потолков:

Инструмент «Проёмы». Здесь сведения по дверным и оконным проёмам:

«Трубы». Здесь собраны сведения о параметрах труб, применяемых в системах отопления: размеры внутренние, наружные, коэффициенты сопротивления, шероховатость внутренних поверхностей:

Это нам понадобится при гидравлических расчётах – для определения мощности циркуляционного насоса .

«Теплоносители». Собственно, здесь ничего кроме характеристик тех теплоносителей, которые могут быть залиты в систему отопления дома:

Эти характеристики — теплоёмкость, плотность, вязкость.

Не всегда в качестве теплоносителя используют воду, бывает, что в систему заливают антифризы, называемые в простонародии «незамерзайками». О выборе теплоносителя поговорим в отдельной статье.

«Потребители» для расчета системы отопления не нужны, т. к. этот инструмент для расчётов систем водоснабжения:

«КМС» (коэффициенты местного сопротивления):

Любой отопительный прибор (радиатор, вентиль, термостат и пр.) создаёт сопротивление для движения теплоносителя, и эти сопротивления нужно учесть, чтобы правильно подобрать мощность циркуляционного насоса.

«Приборы по DIN». Это, как и «Потребители», больше касается систем водоснабжения:

Определение потерь давления на участках систем водяного отопления

Совокупность последовательно соединенных участков системы отопления, от источника теплоты до отопительных приборов и обратно, образуют циркуляционные кольца, по которым осуществляется движение теплоносителя. В двухтрубных системах отопления количество циркуляционных колец равно количеству отопительных приборов, а в однотрубных — количеству приборных веток (стояков).

Необходимое, пропорциональное тепловым нагрузкам, распределение теплоносителя по циркуляционным кольцам системы отопления осуществляется обратно пропорционально потерям давления в этих кольцах. Причем обратная пропорциональность является квадратичной.

Последующий этап гидравлического расчета заключается в определении потерь давления в системе отопления, которые определяются как сумма потерь давления на участках, образующих главное циркуляционное кольцо. В общем случае каждый их этих участков представляет собой трубопровод постоянного диаметра, на котором может быть установлена запорная и регулирующая арматура, а также оборудование системы отопления, которые являются местными гидравлическими сопротивлениями.

Таким образом, потери давления на произвольном участке системы целесообразно представлять как сумму двух составляющих: потери давления на гидравлическое трение при транспортировании теплоносителя в трубе и потери давления в местных сопротивлениях. Представленное описание гидравлических процессов, происходящих на участке любой гидравлической системы, описывается формулой Дарси-Вейсбаха:

(2)

где:∆Рl — потери давления на трение в трубопроводе участка системы отопления, Па;∆Рм — потери давления в местных сопротивлениях на участке системы отопления, Па;ρ — плотность транспортируемого теплоносителя, кг/м³;λ — коэффициент гидравлического трения;d и l — соответственно внутренний диаметр и длина трубопровода на участке системы отопления, м;Σξ — сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений на участке;ν — скорость теплоносителя, м/с.

Для определения коэффициента гидравлического трения трубопроводов λ в мировой практике существуют несколько общепринятых зависимостей. Так, в странах СНГ наибольшее распространение получила формула Альтшуля:

(3)

а в странах Западной Европы используют формулу Колбрука-Уайта:

(4)

где:Re — число Рейнольда;kэ — эквивалентная шероховатость трубы, мм.

Анализ результатов вычислений коэффициентов гидравлического трения А, полученных на основании приведенных формул в области экономически целесообразных скоростей движения теплоносителя в трубах 0,4–0,6 м/с, что соответствует переходному режиму протекания жидкости, показывает, что формула Альтшуля является более точной как для стальных, так и полимерных трубопроводов. Некоторые гидродинамические характеристики труб приведены в табл. 3.

Таблица 3. Гидродинамические характеристики труб

Приведенные выше аналитические зависимости положены в основу существующих методов гидравлических расчетов систем отопления, в том числе и наиболее распространенного — метода характеристик сопротивления.

Согласно метода характеристик сопротивления и как это видно из уравнения (2) потери давления на участке прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя:

(5)

где:G — массовый расход теплоносителя на участке, кг/ч;S — характеристика гидравлического сопротивления участка системы, Па/(кг/ч)².

Величина характеристики гидравлического сопротивления участка в физическом смысле представляет собой потери давления на участке при единичном массовом расходе теплоносителя и определяется по формуле:

(6)

где:А — удельное динамическое давление, Па/(кг/ч)²;ξпр — приведенный коэффициент местных сопротивлений участка.

Удельное динамическое давление в трубопроводе фиксированного диаметра есть не что иное, как динамическое давление, создаваемое протекающим теплоносителем при массовом расходе 1 кг/ч, и при отсутствии данных производителя может быть определено по формуле:

(7)

Приведенный коэффициент местных сопротивлений участка представляет собой сумму местных сопротивлений на участке и величины ((λ/d)·l), которая адекватна коэффициенту местного сопротивления, учитывающему потери давления на гидравлическое трение.

(8)

(9)

Приведенное уравнение составляет суть метода гидравлического расчета по удельным потерям давления.

Таким образом, для определения потерь давления на участке системы отопления с предварительно определенным диаметром трубы d необходимо знать:

    λ/d и А или R — гидравлические характеристики трубопровода; l — длину трубопровода на расчетном участке системы; Σξ — конфигурацию участка и коэффициенты местных сопротивлений установленной на участке запорно-регулирующей арматуры и оборудования.

Гидравлическое сопротивление системы отопления определяется как сумма величин потерь давления на участках, которые составляют главное циркуляционное кольцо системы.

(10)