Гидравлический расчет и моделирование тепловых сетей

Для чего нужен гидравлический расчет двухтрубной системы отопления
Каждое здание индивидуально. В связи с этим отопление с определением количества тепла будет индивидуальным. Сделать это можно при помощи гидравлического расчета, при этом облегчить задачу может программа и таблица расчета.

Схема системы отопления

Составление схемы отопления неразрывно связано с выполнением теплотехнического расчета. Он может быть точным, с учетом тепловых потерь, а может быть приблизительным, рассчитанным на общепринятом соотношении площади помещения и тепловой мощности, необходимой для ее обогрева. К примеру, для центральной части Росси принято, что для обогрева 1 м2 жилой площади необходим 1 кВт тепловой энергии.

Исходя из этого соотношения можно, с достаточно  высокой степенью вероятности подобрать приборы отопления, распределить их по помещениям и соединить трубами, не забыв о котле отопления, расширительном баке и циркуляционном насосе.

Когда схема отопительной системы готова, можно приступать к гидравлическому расчету.

Современные источники отопления дома

Электрические нагревательные приборы, к которым относятся тепловентиляторы, инфракрасные обогреватели, масляные радиаторы, тепловые пушки, «теплые полы» и другие, а также камины и печи чаще всего используют как вспомогательные источники отопления. Частный дом с системой воздушного отопления – чрезвычайная редкость.

Следует заметить, что есть общепринятые нормы удельной мощности котла в зависимости от климатических зон:

  • W  = 1,5 – 2,0 кВт – в Северных районах.
  • W  = 1,2 – 1,5 кВт – в Центральных районах;
  • W = 0,7 – 0,9 кВт – в Южных районах;

С помощью формулы W кот. = S*W / 10 можно рассчитать мощность котла.

Расчет системы отопления дома включает в себя расчет мощности, при проведении которого следует учитывать следующие параметры: (См. также: Расчет котла отопления)

  • S — общая площадь помещения, которое отапливается;
  • W  – мощность котла (удельная) на 10 м3, которая определяется с учетом климатических особенностей региона.

Совет! С целью упрощения системы расчетов можно применить среднее значение удельной мощности котла (W), которое равно единице. Следовательно, нормативная мощность котла принимается из расчета 10 кВт на 100м2 помещения, которое отапливается. Например:

1)    S = 100 м2 – площадь помещения, которое отапливается;

2)    W = 1,2 кВт – удельная мощность Центральных районов.

W кот. = 100*1,2/10=12 кВт.

Рисунок 2: Проектирование системы отопления

Последовательность выполнения гидравлического расчета

1. Выбирается главное циркуляционное кольцо системы отопления (наиболее невыгодно расположенное в гидравлическом отношении). В тупиковых двухтрубных системах это кольцо, проходящее через нижний прибор самого удаленного и нагруженного стояка, в однотрубных – через наиболее удаленный и нагруженный стояк.

Например, в двухтрубной системе отопления с верхней разводкой главное циркуляционное кольцо пройдет от теплового пункта через главный стояк, подающую магистраль, через самый удаленный стояк, отопительный прибор нижнего этажа, обратную магистраль до теплового пункта.

В системах с попутным движением воды в качестве главного принимается кольцо, проходящее через средний наиболее нагруженный стояк.

2. Главное циркуляционное кольцо разбивается на участки (участок характеризуется постоянным расходом воды и одинаковым диаметром). На схеме проставляются номера участков, их длины и тепловые нагрузки. Тепловая нагрузка магистральных участков определяется суммированием тепловых нагрузок, обслуживаемых этими участками. Для выбора диаметра труб используются две величины:

а) заданный расход воды;

б) ориентировочные удельные потери давления на трение в расчетном циркуляционном кольце Rср.

Для расчета Rcp необходимо знать длину главного циркуляционного кольца и расчетное циркуляционное давление.

3. Определяется расчетное циркуляционное давление по формуле

, (5.1)

где – давление, создаваемое насосом, Па. Практика проектирования системы отопления показала, что наиболее целесообразно принять давление насоса, равное

, (5.2)

где – сумма длин участков главного циркуляционного кольца;

– естественное давление, возникающее при охлаждении воды в приборах, Па, можно определить как

, (5.3)

где – расстояние от центра насоса (элеватора) до центра прибора нижнего этажа, м.

Значение коэффициента можно определить из табл.5.1.

Таблица 5.1 – Значение в зависимости от расчетной температуры воды в системе отопления

(), 0 C

, кг/(м 3 К)

Экономичность теплового комфорта в доме обеспечивают расчет гидравлики, её качественный монтаж и правильная эксплуатация. Главные компоненты отопительной системы — источник тепла (котёл), тепловая магистраль (трубы) и приборы теплоотдачи (радиаторы). Для эффективного теплоснабжения необходимо сохранить первоначальные параметры системы при любых нагрузках независимо от времени года.

Перед началом гидравлических расчётов выполняют:

  • Сбор и обработку информации по объекту с целью:
  • определения количества требуемого тепла;
  • выбора схемы отопления.
Читайте также:  Как уменьшить тягу в дымоходе газового котла
  • Тепловой расчёт системы отопления с обоснованием:
    • объёмов тепловой энергии;
    • нагрузок;
    • теплопотерь.
    • Если водяное отопление признаётся оптимальным вариантом, выполняется гидравлический расчёт.

      Расчёты проводились в программе Excel. Готовый результат можно посмотреть в конце инструкции.

      Потери давления

      При составлении схемы важно учесть все нюансы

      Приступая к учету потерь давления, особо важному для контуров с естественной циркуляцией, необходимо вначале разделить все кольца циркуляции, которые представляют собой участок трубопровода, ведущий от котла к потребителю тепла и обратно. Для однотрубной схемы кольцом является обособленный стояк, а для двухтрубной – каждый отопительный прибор в отдельности. Общие потери давления во всей гидравлической системе равны сумме потерь в каждом из колец, которые в свою очередь раскладываются на потери за счет трения и за счет местных сопротивлений.

      Первый показатель равен половине произведения плотности воды на квадрат скорости в метрах в секунду. Второй – отношению длины к диаметру трубопровода, умноженному на коэффициент гидравлического трения и прибавленному к сумме коэффициентов местных гидравлических сопротивлений. Для расчета используют формулы, требующие знания коэффициентов шероховатости трубы, однако существуют специальные таблицы, в которых можно получить готовое число.

      Но если такой гидравлический расчет представляет большую сложность, а производитель приводит готовую цифру удельных потерь давления на метр трубопровода, можно воспользоваться упрощенной формулой, в которой отношение коэффициента трения к диаметру трубы заменяется константой. Такая схема расчета чаще всего применяется для однотрубной организации отопления, когда точность конечного показателя имеет не столь большое значение.

      Кроме того, применение упрощенного коэффициента также полностью оправдано при естественной циркуляции теплоносителя. В наш пример мы внесем дополнительные данные – длина обычного стального трубопровода 100 м, диаметр трубы расчетный, местные потери равны 800, количество участков – 1, табличное сопротивление 1,02. В таком случае потери будут равны 1,02*100*(971,8*0,52)/2+800=13190,5 Па.

      Внимание! В сумму местных коэффициентов гидравлических сопротивлений также включаются показатели всей запорной арматуры, нагревательных приборов, расширительных баков и компрессионной техники.

      Пример – котел, насос, расширительный бачок, краны регулировки, радиаторы, игольчатые вентили, байпасы и т. д.

      Температурный график центрального теплоснабжения по ГОСТу и иным законам

      Нормы предписывают проектировать системы отопления, а также организовывать их дальнейшую работу таким образом, чтобы температура воздуха в помещениях оставалась постоянной на протяжении всего периода отопления вне зависимости от внешних условий. Значит, эти факторы необходимо учитывать.

      Температурный график показывает взаимосвязь температур теплоносителя и наружного воздуха. Составляется для каждого региона свой, зависит от:

      • среднесуточных температур;
      • температуры самой холодной пятидневки;
      • других погодных показателей (влажность, роза ветров и т.п.).

      Помимо этого для каждой системы он учитывает:

      • тип;
      • конструктивные характеристики отапливаемого здания;
      • назначение помещений.

      Разработка температурного графика необходима не только для поддержания комфортных (по данным санитарных норм) показателей температуры, но и для более рационального расхода энергоресурсов.

      На сегодняшний день температурный график разрабатывается индивидуально для каждого ТЭЦ и теплопункта в зависимости от климатической зоны, оборудования, конструктивных решений, принятых схем отопления. Он должен обеспечивать соблюдение условий, прописанных в актуальных законодательных и нормативных актах, в частности:

      1. Постановление Правительства РФ № 354 от г. «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям в многоквартирных домах и жилых домов».
      2. Постановление Правительства РФ № 306 от г. «Об утверждении правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг и нормативов потребления коммунальных ресурсов в целях содержания общего имущества в многоквартирном доме».
      3. ГОСТ Р 51617-2014. Услуги жилищно-коммунального хозяйства и управления многоквартирными домами. Коммунальные услуги. Общие требования.
      4. СП Тепловые сети.
      5. СП Строительная климатология.
      6. СП Отопление, вентиляция и кондиционирование.
      7. СНиП 23-02-2003. Строительная теплотехника.

      Система отопления своими руками

      Выполнить расчёт контура отопления частного дома без оценки теплопотерь окружающих конструкций невозможно.

      В России, как правило, долгие холодные зимы, здания теряют тепло из-за перепадов температур внутри и снаружи помещений. Чем больше площадь дома, ограждающих и сквозных конструкций (кровля, окна, двери), тем большее значение теплопотерь выходит. Существенное влияние оказывает материал и толщина стен, наличие или отсутствие теплоизоляции.

      Например, стены из дерева и газобетона обладают намного меньшим показателем теплопроводности, чем кирпич. Материалы с максимальными показателями теплового сопротивления используются в качестве изоляции (минеральная вата, пенополистерол).

      Перед созданием отопительной системы дома, нужно тщательно продумать все организационные и технические моменты, чтобы сразу после постройки «коробки», приступить к финальной фазе строительства, а не откладывать на долгие месяцы долгожданное заселение.

      Отопление в частном доме базируется на «трех слонах»:

      • нагревательный элемент (котел);
      • система труб;
      • радиаторы.

      Какой котел лучше выбрать для дома?

      Котлы отопления являются главным компонентом всей системы. Именно они будут обеспечивать тепло вашего дома, поэтому к их выбору нужно относиться особенно внимательно. По типу питания их подразделяют на:

      • электрические;
      • твердотопливные;
      • жидкотопливные;
      • газовые.
      Читайте также:  Как правильно топить твердотопливный котел

      Каждый из них имеет ряд существенных преимуществ и недостатков.

      1. Электрические котлы не завоевали большой популярности, в первую очередь из-за достаточно большой стоимости и дороговизне в обслуживании. Тарифы на электроэнергию оставляют желать лучшего, есть вероятность разрыва линий электропередач, в результате которого ваш дом может остаться без отопления.
      2. Твердотопливныекотлы  часто используются в глухих деревнях и поселках, где нет централизованных коммуникационных сетей. Они нагревают воду за счет дров, брикетов и угля. Важным недостатком является необходимость постоянного контроля горючего, в случае, если топливо прогорит, и вы не успеете пополнить запасы, дом перестанет отапливаться. В современных моделях эта проблема решена, за счет автоматического податчика, но цена таких устройств неимоверно высокая.
      3. Жидкотопливные котлы, в подавляющем большинстве случаев, работают на дизельном топливе. Они обладают отличной производительностью из-за высокого КПД горючего, но большая цена на сырье и потребность резервуаров с дизелем, ограничивает многих покупателей.
      4. Самым оптимальным решением для загородного дома являются газовые котлы. Из-за небольшого размера, низкой цены на газ и высокой теплоотдачи они завоевали доверие большей части населения.

      Как выбрать трубы для отопления?

      Магистрали отопления снабжают все обогревательные устройства в доме. В зависимости от материала изготовления, они подразделяются на:

      • металлические;
      • металлопластиковые;
      • пластиковые.

      Трубы из металла наиболее сложные в монтаже (из-за необходимости сварки швов), подвержены коррозии, обладают большим весом и дорого стоят. Преимуществами является высокая прочность, устойчивость к перепадам температур и способность выдерживать большие давления. Они используются в многоквартирных домах, в частном строительстве применять их нецелесообразно.

      Полимерные трубы из металлопластика и полипропилена очень схожи по своим параметрам. Легкость материала, пластичность, отсутствие коррозии, подавление шумов и, конечно же, низкая цена. Единственным отличием первых, является наличие алюминиевой прослойки между двумя слоями пластика, из-за которого увеличивается показатель теплопроводности. Поэтому трубы из металлопластика применяются для отопления, а пластиковые для водоснабжения.

      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

      Гидравлический расчет системы отопления: компоненты, рекомендации и вычисления

      Гидравлический расчет системы отопления выполняют для нахождения необходимых параметров для построения обогрева здания:

      • Диаметров трубопроводов;
      • Мощности насоса.

      Процесс вычислений

      Чтобы провести необходимые подсчеты нам потребуется взять главные гидравлические показатели:

      • Скорость движения жидкости в трубопроводах;
      • Сопротивление таких элементов как трубы и арматура;
      • Количество воды.

      Все эти параметры, взаимозависимые между собой и изменение одного из них приведет к изменениям других.

      Важно!Если уменьшить диаметр трубопровода, то увеличится не только скорость теплоносителя, но также и гидравлическое сопротивление.И соответственно если увеличиться диаметр, то скорость и сопротивление уменьшаться.

      Зная эту зависимость можно с легкостью сократить расходы на материалы, а также улучшить качество отопления и надежность работы обогрева.

      Система обогрева состоит из четырех главных элементов:

      • Регулирующей (термоклапаны, термовентили) и запорной арматуры (шаровые краны, вентиля);
      • Трубопроводов;
      • Радиаторов;
      • Источника теплоты.

      Запорная арматура

      Эти элементы обладают индивидуальными параметрами, и их нужно учитывать при построении отопления. Все производители на своем оборудовании указывают информацию о характеристиках, будь-то обычные батареи отопления или любые материалы.

      Вычисления могут быть упрощены благодаря существующим таблицам и диаграммам. Так, например, подбор трубопроводов из полипропилена облегчается благодаря тому, что к трубам прилагается номограмма для гидравлического расчета систем отопления.

      Её мы приводим для вас внизу и если вы её проанализируете, то заметите, что некоторые характеристики имеют четкую последовательность.

      Номограмма

      Пример

      В начале вычислений образовывают два кольца отопления. Одно будет чуть больше и будет называться первым. Каждое кольцо разбивается на участки, нумерация начинается от магистрального трубопровода, в котором максимальный расход (сразу после котла).

      Гидравлический расчет системы отопления: компоненты, рекомендации и вычисления

      Первый участок после генератора теплоты, он будет продолжаться до того момента пока не измениться расход теплоносителя, например, до следующего стояка или отопительного прибора. И так далее вплоть до последнего стояка.

      Читайте также:  Как выбрать лучшие батареи для отопления частного дома?

      Важно!Гидравлический расчет отопления выполняется и для подачи и для обратки одновременно, чтобы не нарушить циркуляцию.

      Один из необходимых расчетов это расчет расхода, он вычисляется таким образом:,

      где:

      • Qуч  – тепловая нагрузка отдельного участка, единицы измерения Ватты;
      • С  — теплоемкость для воды, является постоянной и равняется 4,2 кДж/(кг°С);
      • tг  – температура подающего теплоносителя в отопительной системе;
      • tо  – температура обратного теплоносителя в системе.

      Предположим что нагрузка участка у нас 1000 Ватт, тогда:

      Имея на руках данные о расходах, благодаря специальным таблицам можно подобрать диаметра трубопроводов для отопления. В этих таблицах помимо диаметра указывается скорость потока и потери давления.

      Нужно обратить внимание на то, что диаметры начинаются с большого и постепенно к последнему стояку уменьшаются. Например, магистральная труба 32 миллиметра, участок далее 24, еще дальше 16. Недопустимы скачки диаметров наподобие 32, 45, 16.

      Труба из полипропилена

      Скорость потока

      Минимальная скорость движения теплоносителя не должна быть меньше значений 0,2 – 0,3 метра в секунду. При меньшем показателе из воды будет выделяться воздух, и будут возникать воздушные пробки, а это может стать причиной выхода из строя всего обогрева.

      Верхний порог скорости 0,7 – 1,5. Если скорость будет выше, то будет наблюдаться шум в трубопроводах. Оптимальная скорость находится в пределах 0,5 – 0,7 метров в секунду.

      Двухтрубная система отопления: выбор основной ветви системы

      Инструкция к выполнению вычислений говорит о том, что в том случае, если схема имеет попутное движение теплоносителя, то в двухтрубном обогреве берется кольцо более нагруженного стояка через нижний радиатор. В однотрубной схеме отопления – это кольцо через наиболее загруженный стояк.

      При тупиковом движении горячей воды, в двухтрубной схеме берется кольцо нижней батареи в самом загруженном и удаленном стояке. Для однотрубной схемы берется кольцо наиболее нагруженного и удаленного стояка.

      В горизонтальной схеме принимается кольцо наиболее загруженной ветки нижнего этажа. На этом этапе нужно быть предельно внимательным, так как цена ошибки может быть очень большой.

      Блог :: Расчет гидрострелки

      покупателя Администратор Муравьев

      Определимся для чего нужна эта диковинная штука — гидрострелка:

      Итак первое. Предположим, что у нас есть котел для отопления, что бы он эффективно нагревал воду необходимо через него пропускать некоторое количество этой самой воды и это количество должно быть строго равной той что указанна в паспорте котла.

      Если будете пропускать через него меньше воды он будет ее перегревать, будем пропускать больше получим увеличение сопротивления, и соответственно увеличатся наши счета за электроэнергию, насосу будет сложней прокачать теплоноситель.

      С другой стороны у нас имеется некий потребитель (радиаторы или теплые полы) со своим расходом, который необходим, что бы система эффективно работала. Так вот гидравлическая стрелка позволяет иметь в каждом контуре, тот расход который нам необходим.

      Каждый контур как бы работает и никак не зависит от другого.

      Второй вариант использования. При установленной гидравлической стрелке в системе, мы исключает гидродинамическое влияние на включение или отключения отдельных контуров.

      Поэтому резонно при проектировании, если допустим у вас имеется контур радиаторного отопления, контур теплых полов и контур водоснабжения бойлер или тепло-обменник, разделять эти потоки на отдельные контура, что бы они не влияли друг на друга.

      Гидрострелка является связующим звеном двух ли более отдельных контуров по передаче тепла и полностью исключает динамическое влияние этих контуров друг на друга.

      Перед изготовлением гидравлического разделителя, необходимо определиться с его размерами. В принципе весь расчет сводится к определению одного параметра, это диаметр гидравлического разделителя. Далее используем один из двух методов:

      • — трех диаметров;
      • — чередующихся патрубков;
      • Для расчета необходимо знать либо максимальный проток в системе (расход), при скорости теплоносителя, внутри гидравлического разделителя равной 0,2 м/с, либо мощность отопительного котла.
      • Итак у нас два варианта расчета диаметра гидрострелки :
      • Первый. Как и говорилось раньше исходя из максимального протока теплоносителя в отопительной системе:

      D — диаметр гидрострелки, мм; G — максимальный расход через разделитель, куб. м./час;

      w — максимальная скорость движения теплоносителя, рекомендуется принимать около 0,2 м/сек.

      Второй. Производится изходя из максимальной мощности котельной установки (котла), и разности температуры подачи и обратки, как правило это около 10°С.

      1. D — диаметр гидравлической стрелкиразделителя, мм; P — мощность (максимальная) отопительного котла, если их два то сумма их мощностей, кВт;
      2. ∆T — разница температур подачи и обратки, °С

      Давайте рассмотрим пример расчета. Предположим у нас есть котел мощностью 100 кВт, а система отопления рассчитана под радиаторный обогрев с режимом 85/65, а значит ∆T = 20 °С, то диаметр гидравлической стрелки будет следующий: D = 100 мм, принимаем ближайший больший 108 мм.

      Вот такой вид будет иметь наша гидрострелка: