Гидравлический расчет системы отопления

Для большей эффективности системы отопления проводят её гидравлический расчет.

Он может проводиться с той целью, чтобы установить мощность обогревательного элемента для поддержания нормального температурного режима во всех помещениях, и для того, чтобы установить, какой толщины трубы нужны, какое должно обеспечиваться давление и так далее.

Первый расчёт производится достаточно просто и сделать его может каждый, а вот второй расчет протекает с использованием сложных формул и понятий, так что при его проведении нужно обладать некоторыми знаниями в области систем отопления.

Расчет мощности нагревательного элемента

Двухтрубная система отопления

Для того чтобы рассчитать мощность нагревательного элемента, то есть, например, газового котла, нужно знать некоторые параметры того помещения, которое он будет отапливать.

Зададим такие параметры:

Всего есть 5 комнат;
Длина первой комнаты равна 5 метров, ширина – 4 метрам, высота 3 метра;
Длина второй комнаты равна 6 метрам, ширина 3 метрам, высота 3 метра;
Длина третьей комнаты равна 3 метра, ширина 2 метра, высота 3 метра;
Длина четвёртой комнаты равна 5метров, ширина 5 метров, высота 3 метра;
Длина пятой комнаты равна 7метров, ширина 4 метра, высота 3 метра.

Поскольку газовый котёл нагревает воду в батареях, а они отдают тепло воздуху в помещении, то для установления необходимой мощности котла, нужно узнать полный объём отапливаемого помещения. В нашем случае он будет равен сумме объёмов всех комнат.

Найдём объём каждой комнаты по отдельности:

5*4*3=60 метров кубических;
6*3*3=54 кубического метра;
3*2*3= 18 метров кубических;
5*5*3=75 метров кубических;
7*4*3= 84 кубического метра.

Теперь найдём общий объём, как сумма всех объёмов:

60+54+18+75+84=291 кубический метр.

Дальше, если мы рассчитаем мощность котла именно для этого объёма, то получится так, что котёл должен будет работать в бесперебойном режиме постоянно, что в принципе невозможно. Иногда случается падение давления газа в трубах, вследствие чего котёл будет вырабатывать меньше энергии.

Для того чтобы учесть этот момент, нужно рассчитать мощность котла не для этого объёма, а для объёма, который будет примерно на 20 процентов больше этого.

Рассчитаем нужный объём:

290/100*20+290=348 кубических метров.

Теперь нужно узнать мощность котла, которая нужна, чтобы обеспечить тепловой режим. Для отопления одного кубического метра воздуха нужно примерно 41 Ватт мощности.

Таким образом, выходит, что мощность котла находится, как 41, умноженное на объём:

41*348 = 14268 Ватт, примерно 14кВатт

Теперь необходимая мощность котла установлена, дальше остаётся узнать распределение этой мощности по комнатам, то есть нужно определить, какое количество рёбер радиатора нужно установить в каждой комнате.

Для этого потребуется знать отапливаемый объём каждой комнаты. Такие данные у нас есть.

Проектирование системы отопления

Остаётся узнать, сколько мощности в виде тепла выделяет в воздух одно ребро радиатора.

Некоторые экспериментальные подсчеты показывают, что в среднем это число равно 150 ваттам.

Найдём требуемую мощность для каждой комнаты, как объём каждой комнаты, умноженный на 41:

Для первой комнаты 60*41= 2460 Вт;
Для второй комнаты 54*41 = 2214 Ватт;
Для третьей комнаты 18*41 = 738 Ватт;
Для четвёртой комнаты 75*41 = 3075 Ватт;
Для пятой комнаты 84*41 = 3440 Ватт;

Теперь рассчитаем нужное количество рёбер радиатора для обеспечения такой мощности:

Для первой комнаты 2460/150=16,4, то есть примерно 17 рёбер;
Для второй комнаты 2214/150 = 14,76, то есть примерно 15 рёбер;
Для третьей комнаты 738/150 = 4,92, то есть примерно 5 рёбер;
Для четвёртой комнаты 3075/150 = 20,5, то есть примерно 21 ребро;
Для пятой комнаты 3440/150 = 22,9, то есть примерно 30 ребёр.

Теперь проверим, сможет ли котёл выдать такую мощность, которую мы только что рассчитали с округлением. Среднестатистический котёл способен выдавать от 12 до 14 кВт, можно найти котлы на 15 и выше, но их придётся специально заказывать.

Для этого рассчитаем потребляемую мощность с таким количеством рёбер радиатора. Сначала установим общее количество рёбер, как сумма рёбер во всех комнатах:

17+15+5+21+30=88 рёбер.

Теперь, зная общее количество рёбер и мощность на каждом ребре, можно рассчитать общую потребляемую мощность:

88*150 = 13200 Вт.

Вначале мы рассчитали, что нам нужен котёл мощностью в 14 кВт, а здесь получили, что нужно примерно 13 кВт. Можно сделать вывод, что такой котёл способен обеспечить нормальный тепловой режим помещений.

Второй этап расчёта

Перед тем, как провести гидравлический расчет системы отопления нужно произвести некоторые другие подсчёты и проделать некоторую работу:

Установить тепловой баланс всего помещения;
Выбрать тип отопительных приборов для системы отопления, также нужно определить их местоположение в этом помещении;
Начертить схему, по которой данное помещение будет отапливаться;
Установить главное кольцо, то есть главный контур системы отопления.

Стоит заметить, что гидравлический расчет системы отопления производится только на том участке, который не имеет колебаний в расходе теплоносителя, и на котором все трубы имеют один и тот же диаметр.

Это значит, что одна и та же система отопления имеет несколько участков, каждый из которых должен рассчитываться отдельно.

Все участки нумеруются. Нумерацию удобнее начинать с участка, на котором установлен нагревательный котёл. При определении длины труб на участке допускается погрешность в 10 сантиметров.

Тепловая нагрузка будет такой же, как тепловой поток на каждом участке. Этот поток будет передаваться участку от теплоносителя, который через него проходит.

Для того чтобы определить тепловую нагрузку, необходимо установить две величины:

Температура теплоносителя в момент его прохождения по участку в прямом направлении;
Температура теплоносителя в момент его прохождения по участку в обратном направлении.

Если приведенные выше данные известные, то тепловая нагрузка может быть рассчитана по формуле:

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

При этом эта величина будет иметь размерность в килограммах в час.

Может возникнуть вопрос, как пришли к такому сокращению формулы во втором случае.

В нашем случае производится расчет системы отопления при учете того, что в трубах будет находиться вода. Теплоёмкость воды, то есть величина (с) равна 4200 Джоулей, вот и подставили это значение в формулу.

Если бы в трубах было масло, то считали бы с теплоёмкостью масла.

Расчет диаметра труб

Для того чтобы системы отопления были эффективны нужно под каждую из них рассчитать диаметр труб, по которым будет протекать теплоноситель, в нашем случае вода.

Расчет диаметра труб проводится с учётом требований, которые к ним предъявляются:

Минимум затрат на эксплуатацию;
Минимум затрат на установку.

Можно сделать вывод, что расчет диаметра труб системы отопления делается исключительно в экономических целях. Получается так, что если труба имеет больший диаметр, то и стоить она будет дороже.

Итак, для удовлетворения первого требования нужно искать такие трубы, которые могли бы обеспечить скорость движения теплоносителя в них с минимальной скоростью в 0,25 метров в секунду.

Если скорость теплоносителя будет ещё меньше, то потребуются трубы с большим диаметром, все эти факторы приведут к тому, что:

Увеличиться стоимость устройства всей системы отопления;
Увеличится объём необходимого теплоносителя;
Уменьшится быстродействие системы отопления, то есть нагреваться она будет гораздо дольше.

Для удовлетворения второго требования нужно применять трубы с наименьшим диаметром.

Отопление - теплый пол

Получается, что при проектировании систем отопления нужно производить расчет так, чтобы найти середину между двумя этими абсолютно противоположными требованиями.

Имея многолетний опыт, были высчитаны некоторые оптимальные скорости для движения теплоносителя в трубах. Оптимальными считаются те скорости, которые лежат в диапазоне от 0,3 до 0,7 метров в секунду.

С такой скоростью потери давления будут равны примерно 45-280 паскалей на метр трубопровода для полимерных труб, и 60-480 паскалей для металлических труб.

Если взять в расчет тот факт, что стоимость полимерных труб выше, чем металлических труб, то можно придти к выводу о том, что скорость теплоносителя в таких трубах целесообразно поддерживать на верхних пределах. Таким образом, трубы нужны достаточно тонкие.

Для более точного определения оптимального диаметра труб следует обратиться к справочным данным, где учтены не только скорости теплоносителя, но и тепловой поток, расход теплоносителя и так далее.

Расчёт потерь давления

В расчёте диаметра труб было упомянуто такое понятие, как потеря давления. Что это значит? А означает это то, что из котла теплоноситель выходит в трубопровод под одним давление, пройдя по нему это давление падает и становится другим. Чем выше давление, тем выше скорость движения теплоносителя. Соответственно, между падением давления и экономической целесообразностью тоже есть связь, поэтому и рассчитывать такой параметр нужно.

Итак, система отопления, которая состоит из труб, отопительных элементов, радиаторов и так далее составляет отопительный контур. Если в системе отопления используется для подачи теплоносителя две трубы, то есть одна в прямом направлении, а вторая в обратном, то количество контуров рассчитывается исходя из количества отопительных элементов. Если же система отопления использует только одну трубу, то это количество равно числу приборных веток.

Весь процесс распределения воды по контурам проходит обратно пропорционально процессу потерь давления на этих контурах, причём зависимость является квадратичной.

Коллектор отопления

Это понятно: чем больше потеря давления, тем меньше в этот контур поступит воды.

Потеря давления в рубах обусловлена двумя факторами:

Потеря давления из-за гидравлического трения;
Потеря давления из-за местных сопротивлений.

Чтобы рассчитать потерю давления на каком-либо участке нужно воспользоваться формулой:

P=P1+P2= (p*v*v/2)*((Y*l/d)+e).

В этой формуле:

P1- потеря давления из-за гидравлического трения;
P2 – потеря давления из-за местных сопротивлениях;
p- плотность воды, точнее 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.

Из формулы видно, что есть один неизвестный член – коэффициент гидравлического трения. Он находится по формуле:

y= 0,11*((68/Re)+(Kэ/d))25

Здесь Re – число Рейнольда, Kэ – шероховатость трубы, выраженная в миллиметрах.

Некоторые аналитические данные предлагают другую формулу, для нахождения потерь давления:

P=S*G .

В этой формуле:

G – это расход воды на рассчитываемом участке. Размерность килограммы в час.
S – Характеристика гидравлического давления.

Смысл в том, что каждый килограмм воды на определённом участке теряет некоторое давление.

Эту характеристику можно рассчитать из следующей формулы:

S= А*Eпр=А*(yl/d+e), где

А с подстановкой табличных данных получится:

А=6.2544*10-8 /p*d4

Как видно расчёты действительно сложные и для понимания, и для выполнения. Для большей надёжности с такими расчётами следует обращаться к профессионалу.