Расчет системы отопления

При строительстве дома, точнее, при устройстве различных систем коммуникаций, возникают некоторые вопросы по системе отопления. Вопросы связаны в первую очередь с количеством и диаметром труб, с мощностью отопительного котла и так далее. Чтобы ответить на все эти вопросы проводят расчет системы отопления.

Такие расчёты, как правило, достаточно сложные, и проводить их может не каждый человек, но попытаться разобраться стоит. Ведь при неправильном выборе толщины труб, возможен повышенный износ котла, или несвоевременный выход его из строя.

Расчет системы отопления, который показывает оптимальный диаметр труб, нужную мощность нагревательного котла и так далее, называется гидравлическим расчётом.

Задачи расчёта

Система отопления дома

Для определения задач расчёта нужно рассмотреть те вещи, для чего он проводится, то есть рассмотреть факторы, влияющие на правильность работы системы отопления.

Показателями эффективности являются следующие моменты:

Подача теплоносителя к отопительному оборудованию осуществляется в нужном объёме. Это значит, что вода в трубах нормально циркулирует и обеспечивает нормальный тепловой баланс в помещении, не смотря на постоянно меняющуюся температуру наружного воздуха, при учёте заданной температуры пользователем;
Затраты на обслуживание системы отопления сведены к минимуму;
Затраты, необходимые на устройство отопительной системы сведены к минимуму;
Отопительная система работает стабильно, без перебоев и посторонних шумов;

Из этих критериев эффективности можно выделить задачи расчёта системы отопления частного дома:

Определение оптимального диаметра труб, которые будут использоваться для устройства системы отопления, при этом учитываются требования к скорости перекачки теплоносителя;
Выполнение правильной гидравлической увязки приборных и других ветвей системы, то есть установку всех необходимых датчиков, счётчиков и так далее;
Расчёт потерь давления на определённых участках системы отопления;
Выяснить потери давления и общий расход теплоносителя на всей системе отопления;

Перед гидравлическим расчётом нужно сделать некоторые другие расчёты и некоторую иную работу:

Определить тепловой баланс помещений;
Выбор типа отопительных приборов, а также определиться с их расположением в отапливаемом помещении;
Начертить схему отопления помещения;
Определить главный контур отопления, то есть центральное циркулярное кольцо;

Рассчитывать нужно тот участок, который имеет трубы одного и того же диаметра на всей своей длине и имеет постоянный расход теплоносителя, то есть расход воды на этом участке не изменяется.

Определить расход воды можно по тепловому балансу помещения.

Газовые котлы отопления

Таким образом, получается, что одна система отопления может иметь сразу несколько расчётных участков. Для того чтобы не пропустить какой-либо участок, их нумеруют. Нумерацию следует начинать от источника тепла, то есть, например, от газового нагревательного котла.

Для расчёта потребуется и такая информация, как длины участков трубопроводов. Их можно узнать из плана устройства системы отопления. При определении длины каждого участка допускается погрешность в 0,1 метр на каждом участке.

Тепловая нагрузка равна тепловому потоку на каждом расчётном участке. Этот тепловой поток передаётся участку от теплоносителя. Тепловая нагрузка на участках магистральных и распределительных труб вычисляется после того, как она нанесена на все приборные ветки трубопровода и сами приборы.

Многолетняя практика установила, что тепловая нагрузка указывается сверху черты дроби, а вот длина участка снизу. Нагрузка указывается в ваттах, а длина в метрах.

Для определения тепловой нагрузки требуется знать две температуры:

Температура теплоносителя в прямом потоке;
Температура теплоносителя в обратном потоке;

Зная все вышеперечисленные величины, нагрузка рассчитывается по формуле:

Q = 3,6*Q/c*(Tп-Tо) или Q = 0,86*Q/(Tп-Tо)

Размерность будет в килограммах на час.

Во второй формуле сокращение было произведено на основании, того, что теплоёмкость (с) теплоносителя равна 4,2 кДж. При этом стоит заметить, что это теплоёмкость воды.

Выбор диаметра трубы

Для устройства системы отопления используют трубы, которые могут быть сделаны из следующих материалов:

Чёрная сталь;
Нержавеющая сталь;
Медь;
Модификации полиэтилена;
Пропилен и так далее;

Все эти материалы обладают различными физическими свойствами, которые влияют на их оптимальный диаметр.

На этапе расчёта диаметра труб можно выделить несколько основных требований, которые предъявляются к трубам:

Минимальные эксплуатационные затраты;
Минимальные затраты на устройство систем отопления;

Видео по теме "Отопление в частном доме: проектирование, расчет и монтаж систем"

Как видно весь расчёт сводится к стоимости устройства и использования системы отопления. Действительно, если труба большего, чем нужно, диаметра, то она и стоит дороже, и потом будет обладать избыточной теплопередачей, что тоже плохо.

Чтобы удовлетворить первый показатель, диаметр трубы должен быть таким, который обеспечивал бы минимальную скорость движения теплоносителя в ней. Минимальной скоростью считается скорость в 0,25 метров за одну секунду.

Трубы для системы отопления

Малые скорости приводят к тому, что возникает необходимость в трубах большего диаметра, и к тому, что:

Увеличивается материалозатраты на устройство всей системы;
Увеличивается стоимость всей отопительной системы;
Увеличивается объём теплоносителя, необходимый для нормальной работы отопительной системы;
Снижается быстродействие системы;

Для того чтобы удовлетворить второму требованию экономической целесообразности, нужно использовать трубы наименьшего диаметра.

Таким образом, видно, что при расчёте следует искать консенсус между двумя абсолютно противоположными требованиями. За многолетнюю практику устройства систем отопления были рассчитаны определённые скорости движения теплоносителя для определённых диаметров труб, то есть была установлена математическая связь между двумя этими показателями.

Опыт показывает, что наибольшей эффективностью обладает та система отопления, теплоноситель в которой движется со средней скоростью в 0,3-0,7 метра за одну секунду. При такой скорости удельная потеря давления будет равна примерно 45-300 паскалей на один метр трубопровода. Эта цифра относится к полимерным трубам. Для металлических труб потери давления лежат в диапазоне от 60 до 480 паскалей на метр.

Если взять в расчёт и то, что трубы из полимерных материалов стоят дороже, чем трубы из металла, то в них экономически целесообразно поддерживать более высокую скорость движения теплоносителя. Это снизит затраты на эксплуатацию, что приведёт к скорой окупаемости полимерных труб.

Итак, для того чтобы определить диаметр трубопровода, обозначим эту величину буквой D, нужно воспользоваться приведенными ниже данными, при этом стоит учесть, что уже заранее известна разница между температурами потока в прямом направлении и потока в обратном направлении. Такая разница равна 20 градусам.

Потери давления

В предыдущем расчёте постоянно упоминалось такое понятие, как потери давления. Эти цифры не являются константами, они индивидуальны для определённых условий. По сему, можно сделать вывод, что потерю давления тоже можно рассчитать.

Итак, вся система отопления со своими трубами и источником тепла образует отопительный контур. В тех системах, где используется две трубы, количество контуров равно числу отопительных приборов, а вот в тех системах, где используется одна труба это количество контуров равно числу приборных веток.

Процесс распределения теплоносителя между контурами протекает в обратной пропорциональной зависимости от потерь давления на этих контурах. Стоит отметить, что эта зависимость является квадратичной.

Общие потери давления находятся, как сумма потерь на всех участках, то есть можно утверждать, что это величина аддитивна.

Таким образом, потерю на определённом участке можно представить в виде двух составляющих компонентов:

Потеря давления за счёт гидравлического трения;
Потеря давления за счёт местных сопротивлений;

Тогда можно вывести формулу, по которой рассчитывается потеря давления на определённом участке:

Видео по теме "калькулятор расчета системы отопления частного дома Киров"

P=P1+P2= (p*v*v/2)*((Y*l/d)+e), где:

P1- потери давления на гидравлическое трение;
P2 – потери давления на местных сопротивлениях;
p- плотность теплоносителя;
y – коэффициент гидравлического трения;
d и l – это внутренний диаметр трубопровода и его длина;
е – представляет собой сумму коэффициентов местных давлений;
v – скорость теплоносителя;

В этой формуле есть только один неизвестный член – коэффициент гидравлического трения. Его находят из формулы:

y= 0,11*((68/Re)+(Kэ/d)) в степени 0,25.

В этой формуле:

Re – число Рейнольда;
Kэ – шероховатость трубы, выраженная в миллиметрах;

Видео по теме "Расчёт радиаторной системы отопления"

Некоторый анализ привел к тому, что была установлена другая формула для вычисления потерь давления:

P=S*G , где:

G – расход теплоносителя на данном участке, выраженный в килограммах в час;
S - характеристика гидравлического давления ;

Характеристика гидравлического давления имеет следующий физически смысл: потеря давления на определённом участке при расходе теплоносителя массой в один килограмм.

Эта величина рассчитывается по формуле:

Отопление деревянного дома

S= А*Eпр=А*(yl/d+e), где:

А – давление динамическое удельное, выраженное в паскалях, делённых на килограмм в час в квадрате;
Епр – приведённый коэффициент местных сопротивлений;

В свою очередь, удельное динамическое давление представляет собой с физической точки зрения то давление, которое создаёт теплоноситель, во время протекания по трубе, в объёме один килограмм за один час.

Эта величина может быть рассчитана по формуле:

А=p*v*v/2G*G

Подставляя табличные данные, получим:

А=6.2544*10-8 /p*d4

Приведённый коэффициент местных сопротивлений является суммой всех местных сопротивлений и величины (( /d)·l), тогда получим:

Eпр=(yl/d)+e

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что для того, чтобы рассчитать потери давления на участке труб, необходимо иметь следующие исходные данные:

Некоторые гидравлические характеристики трубопровода, такие, как /d и А или R;
Длину трубопровода того участка, на котором производится расчёт;
Сумму местных сопротивлений (е), то есть структуру расчётного участка и все значения коэффициентов местных сопротивлений;

Кроме такого рода расчёта можно проводить и другие, более лёгкие, упрощённые. К таким расчётам относится расчёт, в котором рассчитывается оборудование, то есть мощность и другие показатели отопительного котла, радиатора и так далее.

Приведём пример такого расчёта.

На первом этапе нужно узнать объём всех помещений. Его находить просто, применяя школьную формулу, то есть высота, умноженная на длину и ширину.

Видео по теме "расчет водяного отопления частного дома"

Пусть общий объём получился равным 250 кубических метров.

Проведённые исследования показывают, что для отопления одного кубического метра воздуха нужна мощность в 41 Ватт. Таким образом, можно посчитать общую мощность обогревательного элемента, которая необходима для обогрева всего пространства:

41*250=10250.

Система отопления - теплый пол

Эту цифру нужно увеличить примерно на 20-25 процентов, чтобы оставался запас тепла. В противном случае котёл должен будет постоянно работать, не останавливаясь, что практически невозможно. Кроме того прибавленные 20 процентов к мощности обезопасят от перепада давления газа в котле. Если давление уменьшится, то и количество производимого тепла тоже уменьшится при одной и той же мощности котла.

По сему, найдём оптимальную мощность котла, как:

(10250/100*20)+10250=12300 Ватт, то есть примерно 12 киловатт.

На сегодняшний день промышленность выпускает котлы с номинальной мощность в 12-14 киловатт. Если нужен котёл с большей мощностью, то его необходимо заказать.

С мощностью котла определились, теперь можно узнать мощность тех радиаторов, которые будут стоять в каждой комнате.

Для этого нам понадобится знать кубатуру каждой комнаты. Зададим такие данные:

1 комната объёмом в 25 кубических метров;
2 комната с объёмом в 25 кубических метров;
3 комната объёмом в 50 кубических метров;
4 комната объёмом 100 кубических метров;
5 комната объёмом 35 кубических метров;
6 комната объёмом 15 кубических метров;

Итак, рассчитаем каждую комнату по отдельности.

Требуемая мощность для 1 комнаты находится, как:

25*41=1025 Ватт

Округлим до 1200 Ватт. Такую мощность способны выдавать примерно 8 ребёр алюминиевого радиатора, при учёте того, что каждое ребро имеет выходную мощность в 150 Ватт. Высота такого радиатора равна примерно 60 сантиметрам, а температура 70 градусам.

Требуемая мощность для 2 комнаты находится, как:

25*41=1025 Ватт, то есть примерно те же 8 рёбер.

Требуемая мощность для 3 комнаты находится, как:

50*41=2050 Ватт. Округлим до 2250, то есть нужен радиатор с теми же параметрами на 15 рёбер.

Требуемая мощность для 4 комнаты находится, как:

100*41=4100 Ватт. Округлим до 4200, то есть понадобятся несколько радиаторов с общим количеством рёбер 28.

Требуемая мощность для 5 комнаты находится, как:

35*41=1435 Ватт. Округлим до 1500, то есть понадобится радиатор на 10 рёбер.

Требуемая мощность для 6 комнаты находится, как:

15*41=615 Ватт. Округлим до 600, то есть понадобится радиатор с числом рёбер 4.

Теперь проверим, справится ли котёл с заданной общей мощностью. Для этого сложим все высчитанные мощности и сравним их с мощностью среднестатистического котла, то есть с максимум 14 кВт.

Сумма мощностей:

1200+1200+2250+4200+1500+600=10950 Ватт, примерно 11кВт, а котёл имеет от 12 до 14 кВт. Значит, делаем вывод, что котёл справится.

На этом расчёт мощности отопительного оборудования завершён. Можно также проводить расчёты на затраты газа оборудованием, на стоимость обслуживания и так далее. Однако такие подсчёты не относятся к гидравлическому расчёту отопительной системы частного. Дома. Их можно отнести к расчётам экономической эффективности отопительного оборудования.