Что такое гидравлический расчет системы отопления. Как провести гидравлические расчеты системы отопления? Что такое гидравлический расчет и зачем он нужен

В последнее время автономная отопительная система становится все более востребованной. Большинство владельцев квартир отказываются от централизованного отопления, считая индивидуальную систему более надежной и качественной. При этом довольно часто основной причиной выбора именно автономной системы отопления становится ее доступность и экономичность. Конечно, изначально на приобретение необходимого оборудования и монтаж системы придутся потратиться. Однако все затраты окупаются довольно быстро, поскольку в дальнейшем обслуживание такой системы обходится значительно дешевле, чем ежемесячная оплата централизованного отопления. Конечно, экономичность автономной системы достигается только в том случае, если она была правильно подобрана и установлена. В связи с этим огромное значение приобретает гидравлический расчет системы отопления, который необходимо проводить заранее.

Для чего он нужен?

Прежде всего, следует понимать, что старая программа контроля функционирования отопительной системы значительно отличается от современной именно по причине различного осуществления гидравлического режима. Помимо этого, современные отопительные системы отличаются использованием более качественных материалов и технологий монтажа – что также отображается на их себестоимости и экономичности. Более того, современная система позволяет совершать контроль на всех этапах и замечает даже незначительное колебание температуры.

Можно сделать простой вывод: применение более качественной, модернизированной современной системы позволяет значительно снизить уровень энергопотребления, что, в свою очередь, ведет к повышению экономичности системы. Однако не следует самостоятельно монтировать отопительную систему, поскольку этот процесс требует специальных знаний и навыков. В частности, нередко проблемы возникают из-за неправильно установленного каркаса и отказа от проведения гидравлического расчета системы отопления. Что же важно учитывать при монтаже системы:

• только в случае правильно выполненного монтажа будет осуществляться равномерная подача теплоносителя ко всем элементам системы. А этот показатель – залог равновесия между регулярно изменяющейся температурой воздуха снаружи и внутри помещения.
• минимализация затрат на эксплуатацию системы (в особенности – топливной) приводит к тому, что значительно снижается гидравлическое сопротивление системы отопления.
• чем больше диаметр используемых труб – тем выше будет себестоимость отопительной системы.
• система должна быть не только надежной и качественно установленной. Важным фактором является и ее бесшумность.

Какую информацию получаем после того, как сделан гидравлический расчет отопления:

• диаметр труб, применимый на различных участках системы для ее максимально эффективной работы;
• гидравлическая устойчивость системы отопления в разных сегментах отопительной системы;
• тип гидравлической связки трубопровода. В некоторых случаях для достижения максимального равновесия отдельных процессов используется специальный каркас.
• расход и давление теплоносителя во время циркуляции в отопительной системе.

Конечно, расчет гидравлического сопротивления системы отопления является довольно затратным процессом. Однако следует учитывать то, что правильность его проведения дает возможность получения максимально точной информации, необходимой для создания качественной отопительной системы. Поэтому наиболее правильным является привлечение специалиста, а не попытка произвести данный расчет самостоятельно.

Перед тем, как будет проведен гидравлический расчет системы отопления онлайн, следует получить такие данные:

• равновесие показателей тепла во всех помещениях, которые необходимо будет отапливать;
• наиболее подходящий тип отопительных приборов, прорисовать на предварительном плане отопительной системы их детальное расположение;
• определение типа и диаметра используемых для монтажа системы труб;
• разработка плана запорного и направляющего каркасов. Помимо этого, важно до мелочей продумать расположение в системе всех элементов – от генераторов тепла до вентилей, стабилизаторов давления и датчиков контроля уровня температуры теплоносителя;
• создание максимально детального плана системы, на котором будут указаны все ее элементы, а также длина и нагрузка сегментов;
• определить расположение замкнутого контура.

Пример расчета гидравлики отопления

Приведем пример гидравлического расчета системы отопления. Возьмем отдельный участок трубопровода, на котором наблюдается стабильная теплопотеря. Диаметр труб не меняется.

Определить этот участок следует, основываясь на данных о тепловом балансе помещения, в котором он находится. Важно помнить – нумерация участков начинается от источника тепла. Помечаем связующие узлы, присутствующие на подающем участке магистрали прописными буквами.

В случае если на магистрали присутствуют узлы – их следует пометить небольшим штрихом. Используем арабские цифры для определения узловых точек, которые присутствуют в участках ответвления. При горизонтальной отопительной системе каждая из точек соответствует номеру этажа здания. В случае применения вертикальной системы значение точки соответствует значению стояка. Узлы, в которых происходит сбор потока, также следует отмечать штрихами. Следует отметить, что номера непременно должны состоять из двух цифр. Первая из них означает начало участка, ну а вторая, соответственно, – конец.

В случае применения вертикальной системы нумерацию стояков следует проводить арабскими цифрами, следуя при этом по часовой стрелке.

Для определения протяженности всех участков трубопровода следует использовать предварительно составленную детальную план-смету. При ее создании следует придерживаться точности 0,1 м. При этом тепловой поток участка, в котором происходят вычисления, равен тепловой нагрузке, отдаваемой теплоносителем в данном сегменте системы.

Показатели гидравлического расчета расчетного циркуляционного контура с учетом потерь давления на местные сопротивления на участках

Использование программ

В процессе моделирования новой постройки, наиболее рациональным является использование специальной программы, которая максимально точно определяет тепловые и гидравлические характеристики будущей отопительной системы. А можно использовать программу excel. При этом программа предоставляет такие данные:

• необходимый диаметр трубопровода;
• размер отопительных устройств;
• тип регулирования вентилей балансировки;
• уровень настройки регулировочных вентилей;
• уровень предварительного регулирования термостатических клапанов;
• настройку датчиков колебания давления в системе.

Конечно же, непосвященному пользователю будет крайне сложно провести самостоятельно расчет и гидравлическое испытание системы отопления. Наиболее правильным вариантом является обращение к специалисту, который имеет достаточный опыт в данной сфере. В случае, когда возможности привлечения профессионала нет, следует внимательно ознакомиться с методической литературой, в которой максимально детально описывается процесс проведения гидравлического расчета.

Отопление на основе циркуляции горячей воды – наиболее распространенный вариант обустройства частного дома. Для грамотной разработки системы необходимо иметь предварительные результаты анализа, так называемый гидравлический расчет системы отопления, увязывающий давление на всех участках сети с диаметрами труб.

В представленной статье подробно описана методика вычислений. Чтобы лучше понять алгоритм действий, мы рассмотрели порядок расчета на конкретном примере.

Придерживаясь описанной последовательности, получится определить оптимальный диаметр магистрали, количество отопительных приборов, мощность котла и прочие параметры системы, необходимые для обустройства эффективного индивидуального теплоснабжения.

Определяющим фактором технологического развития систем отопления стала обычная экономия на энергоноситель. Стремление сэкономить заставляет тщательней подходить к проектированию, выбору материалов, способов монтажа и эксплуатации отопления для жилища.

Поэтому, если вы решили создать уникальную и в первую очередь экономную систему отопления для своей квартиры или дома, тогда рекомендуем ознакомится с правила расчета и проектирования.

Галерея изображений

В результате проведения гидравлического расчёта получаем несколько важных характеристик гидравлической системы, которые дают ответы на следующие вопросы:

• какая должна быть мощность источника отопления;
• какой расход и скорость теплоносителя;
• какой нужен диаметр основной магистрали теплового трубопровода;
• какие возможные потери теплоты и самой массы теплоносителя.

Еще одним важным аспектом гидравлического расчёт является процедура баланса (увязки) всех частей (веток) системы во время экстремальных тепловых режимов с помощью регулирующих приборов.

Выделяют несколько основных видов отопительных изделий: чугунные и алюминиевые многосекционные, стальные панельные, биметаллические радиаторы и ковекторы. Но наиболее распространёнными являются алюминиевые многосекционные радиаторы

Расчетной зоной трубопроводной магистрали есть участок с постоянным диаметром самой магистрали, а также неизменяемым расходом горячей воды, который определён по формуле теплового баланса комнат. Перечисление расчётных зон начинается от насоса или источника тепла.

Начальные условия примера

Для более конкретного пояснения всех деталей гидравлического просчёта возьмем конкретный пример обычного жилищного помещения. В наличии имеем классическую 2-комнатную квартиру панельного дома, общей площадью 65,54 м 2 , которая включает две комнаты, кухню, раздельные туалет и ванная, двойной коридор, спаренный балкон.

После сдачи в эксплуатацию получили следующую информацию относительно готовности квартиры. Описываемая квартира включает обработанные шпаклевкой и грунтом стены из монолитных железо-бетонных конструкций, окна из профиля с двух камерными стеклами, тырсо-прессованные межкомнатные двери, керамическая плитка на полу санузла.

Типичный панельный 9-этажный дом на четыре подъезда. На каждом этаже по 3 квартиры: одна 2-комнатная и две 3-комнатных. Квартира расположена на пятом этаже

Кроме того, представленное жильё уже оснащено медной проводкой, распределителями и отдельным щитком, газовой плитой, ванной, умывальником, унитазом, полотенцесушителем, мойкой.

И самое главное в жилых комнатах, ванной и кухне уже имеются алюминиевые отопительные радиаторы. Вопрос относительно труб и котла остаётся открытым.

Как производится сбор данных

Гидравлический расчёт системы в большинстве своём основывается на вычислениях связанных с расчетом отопления по площади помещения.

Поэтому необходимо иметь следующую информацию:

• площадь каждого отдельного помещения;
• габариты оконных и дверных разъёмов (внутренние двери на потери теплоты практически не влияют);
• климатические условия, особенности региона.

Будем исходить из следующих данных. Площадь общей комнаты – 18,83 м 2 , спальня – 14,86 м 2 , кухня – 10,46 м 2 , балкон – 7,83 м 2 (сумма), коридор – 9,72 м 2 (сумма), ванная – 3,60 м 2 , туалет – 1,5 м 2 . Входные двери – 2,20 м 2 , оконная витрина общей комнаты – 8,1 м 2 , окно спальни – 1,96 м 2 , окно кухни – 1,96 м 2 .

Высота стен квартиры – 2 метра 70 см. Внешние стены изготовлены с бетона класса В7 плюс внутренняя штукатурка, толщиной 300 мм. Внутренние стены и перегородки – несущие 120 мм, обычные – 80 мм. Пол и соответственно потолок из бетонных плит перекрытия класса В15, толщина 200 мм.

Централизованный тип постепенно уступает место автономной системе отопления. Многие принимают решение обогревать помещения собственными силами, желая создать идеальное сочетание экономичности, тепла и комфорта. Именно поэтому особую актуальность приобретает гидравлический расчет системы отопления.

На начальном этапе предстоят финансовые траты. Однако новейшее отопительное оборудование обладает инновационным подходом к процессу регулирования подачи тепла по сравнению со старым, поэтому вложенные деньги быстро окупаются. Но такую гармонию могут обеспечить лишь системы, созданные по всем правилам. Они смогут профессионально преодолеть возникающее гидравлическое сопротивление.

Для чего делается расчет

Вычисления производят в первую очередь для того, чтобы определить такие характеристики циркуляционного насоса, как производительность и напор, которые позволят системе отопления работать с наибольшей эффективностью.

Конечно, какую-то циркуляцию в контуре создаст любой насос, даже самый маломощный, но насколько экономичной будет такая схема? Часто бывает так, что и котел исправно работает и радиаторов в доме достаточно, но они не греют из-за слабой циркуляции в системе.

Чтобы контуры отопления работали в полную силу, необходимо, чтобы насос преодолел гидравлическое сопротивление элементов системы потоку воды в трубах, а также потери давления. Но и насос большей мощности, чем нужно, также приведет к нежелательным эффектам. Кроме повышенного расхода электроэнергии, превышение давления плохо скажется на долговечности соединений, а увеличение скорости продвижения теплоносителя приведет к возникновению шумов.

Правильно рассчитанное гидравлическое сопротивление и качественная регулирующая арматура – наиболее эффективное сочетание.

Соблюдение ключевых условий обеспечивают следующие факторы:

• снабжение отопительных приборов должно осуществляться в достаточном объеме для идеального баланса в помещении при температурных колебаниях воздуха снаружи и в жилище;
• минимизация затрат на эксплуатацию, чтобы преодолеть системное гидравлическое сопротивление;
• снижение капитальных затрат во время прокладки отопления.

Что учитывается в расчете?

Перед тем как начинать вычисления, следует выполнить ряд графиче

ских действий (часто для этого применяется специальная программа). Гидравлический расчет предполагает определение показателя баланса тепла помещения, в котором происходит отопительный процесс.

Для расчета системы рассматривается самый протяженный контур отопления, включающий наибольшее количество приборов, фитингов, регулирующей и запорной арматуры и наибольший перепад давления по высоте. В расчете участвуют такие величины:

• материал трубопроводов;
• суммарная длина всех участков трубы;
• диаметр трубопровода;
• изгибы трубопровода;
• сопротивление фитингов, арматуры и отопительных приборов;
• наличие байпасов;
• текучесть теплоносителя.

Чтобы учесть все эти параметры существуют специализированные компьютерные программы, как пример - «НТП Трубопровод», «Oventrop CO», HERZ С.О. версии 3.5. или множество их аналогов, облегчающие специалистам производство расчетов.

Сделать верные расчеты в части преодоления сопротивления – это самый трудоемкий, но нео

бходимый шаг при проектировании отопительных систем водяного типа.

Выбор радиаторов и длины участков трубопровода

Необходимо определиться с видом устройств для отопления и проставить места их расположение на плане помещения. Далее должно быть принято решение об итоговой конфигурации отопительной системы, вида трубопровода (однотрубный или двухтрубный), арматуры для запора и регулирования (клапана, регуляторы, вентили, датчики давления, расхода и температуры).

Затем на вычерченной схеме указывается номер тепловых нагрузок и точная длина участков, для которых производится расчет. В заключении определяется «циркулирующее кольцо». Оно представляет собой контур замкнутого вида, который включает в себя все последовательные трубопроводные участки, на которых ожидается повышенный расход носителя тепла на расстоянии от источника, излучающего теплоэнергию, до самого дальнего прибора отопления (при двухконтурной системе) или до приборной ветки (при однотрубной системе) и назад к отопительному механизму.

Нюансы

При гидравлическом расчете с помощью компьютера excel – не единственная, хоть и наиболее простая. Для данного вида подсчетов разработаны специализированные программы, с которыми работать значительно проще.

В роли расчетного трубопровода обычно выступает участок, имеющий неизменный расход носителя тепла и постоянный диаметр. Так будет проще получить правильные данные. Он определяется по тепловому балансу помещения.

Нумерация участков должна происходить от теплового источника. Чтобы обозначить узловые точки на трубопроводе, который осуществляет подачу, в местах ответвлений применяют буквы алфавита. На магистралях сборного типа в соответствующих узлах их обозначают штрихами (пример хорошо это иллюстрирует).

Узловые точки на ответвлениях приборных веток обозначаются арабскими цифрами. Каждая соответствует номеру этажа, если применяется система горизонтального типа, или номеру ветки-стояка с приборами, если речь идет о вертикальной системе. В номер всегда входят две цифры – начало и конец участка. Длина трубопроводных участков определяется по плану, который вычерчивается в масштабе. Точность составляет 0,1 м.

Расчет однотрубной системы отопления рекомендуется проводить при одинаковых (постоянных) или различных (переменных) перепадах температуры воды в стояках методом характеристик сопротивления. При этом следует применять верхнюю разводку, при которой обеспечивается движение воды к отопительному прибору «сверху-вниз».

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.
• Тепловой расчёт системы отопления с обоснованием:
  • объёмов тепловой энергии;
  • нагрузок;
  • теплопотерь.

Если водяное отопление признаётся оптимальным вариантом, выполняется гидравлический расчёт.

Для расчёта гидравлики с помощью программ требуется знакомство с теорией и законами сопротивления. Если приведенные ниже формулы покажутся вам сложными для понимания, можно выбрать параметры, которые мы предлагаем в каждой из программ.

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

В этой статье:

Что такое гидравлический расчёт

Это третий этап в процессе создания тепловой сети. Он представляет собой систему вычислений, позволяющих определить:

• диаметр и пропускную способность труб;
• местные потери давления на участках;
• требования гидравлической увязки;
• общесистемные потери давления;
• оптимальный расход воды.

Согласно полученным данным осуществляют подбор насосов .

Для сезонного жилья, при отсутствии в нём электричества, подойдёт система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя ().

Основная цель гидравлического расчёта — обеспечить совпадение расчётных расходов по элементам цепи с фактическими (эксплуатационными) расходами. Количество теплоносителя, поступающего в радиаторы, должно создать тепловой баланс внутри дома с учётом наружных температур и тех, что заданы пользователем для каждого помещения согласно его функциональному назначению (подвал +5, спальня +18 и т.д.).

Комплексные задачи — минимизация расходов :

1. капитальных – монтаж труб оптимального диаметра и качества;
2. эксплуатационных:
   • зависимость энергозатрат от гидравлического сопротивления системы;
   • стабильность и надёжность;
   • бесшумность.

Замена централизованного режима теплоснабжения индивидуальным упрощает методику вычислений

Для автономного режима применимы 4 метода гидравлического расчёта системы отопления:

1. по удельным потерям (стандартный расчёт диаметра труб);
2. по длинам, приведённым к одному эквиваленту;
3. по характеристикам проводимости и сопротивления;
4. сопоставление динамических давлений.

Два первых метода используются при неизменном перепаде температуры в сети.

Два последних помогут распределить горячую воду по кольцам системы, если перепад температуры в сети перестанет соответствовать перепаду в стояках/ответвлениях.

Расчет гидравлики системы отопления

Нам потребуются данные теплового расчёта помещений и аксонометрической схемы.

Вынесите данные в эту таблицу:

Шаг 1: считаем диаметр труб

В качестве исходных данных используются экономически обоснованные результаты теплового расчёта:

1а. Оптимальная разница между горячим (tг) и охлаждённым(tо) теплоносителем для двухтрубной системы – 20º

• Δtco=tг- tо=90º-70º=20ºС

1б. Расход теплоносителя G, кг/час — для системы.

2. Оптимальная скорость движения теплоносителя – ν 0,3-0,7 м/с.

Чем меньше внутренний диаметр труб — тем выше скорость. Достигая отметки 0,6 м/с, движение воды начинает сопровождаться шумом в системе.

3. Расчётная скорость теплопотока – Q, Вт.

Выражает количество тепла (W, Дж), переданного в секунду (единицу времени τ):

Формула для расчёта скорости теплопотока

4. Расчетная плотность воды: ρ = 971,8 кг/м3 при tср = 80 °С

5. Параметры участков:

Участок	Длина участка, м	Число приборов N, шт
1 - 2	1.78	1
2 - 3	2.60	1
3 - 4	2.80	2
4 - 5	2.80	2
5 - 6	2.80	4
6 - 7	2.80
7 - 8	2.20
8 - 9	6.10	1
9 - 10	0.5	1
10 - 11	0.5	1
11 - 12	0.2	1
12 - 13	0.1	1
13 - 14	0.3	1
14 - 15	1.00	1

Для определения внутреннего диаметра по каждому участку удобно пользоваться таблицей.

Расшифровка сокращений:

• зависимость скорости движения воды — ν, с
• теплового потока — Q, Вт
• расхода воды G, кг/час от внутреннего диаметра труб

Ø 8			Ø 10			Ø 12			Ø 15			Ø 20			Ø 25			Ø 50
ν	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G	v	Q	G
0.3	1226	53	0.3	1916	82	0.3	2759	119	0.3	4311	185	0.3	7664	330	0.3	11975	515	0.3	47901	2060
0.4	1635	70	0.4	2555	110	0.4	3679	158	0.4	5748	247	0.4	10219	439	0.4	15967	687	0.4	63968	2746
0.5	2044	88	0.5	3193	137	0.5	4598	198	0.5	7185	309	0.5	12774	549	0.5	19959	858	0.5	79835	3433
0.6	2453	105	0.6	3832	165	0.6	5518	237	0.6	8622	371	0.6	15328	659	0.6	23950	1030	0.6	95802	4120
0.7	2861	123	0.7	4471	192	0.7	6438	277	0.7	10059	433	0.7	17883	769	0.7	27942	1207	0.7	111768	4806

Пример

Задача : подобрать диаметр трубы для отопления гостиной площадью 18 м², высота потолка 2,7 м.

Данные проекта:

• циркуляция — принудительная (насос).

Среднестатистические данные:

• расход мощности – 1 кВт на 30 м³
• запас тепловой мощности – 20%

Расчёт :

• объём помещения: 18 * 2,7 = 48,6 м³
• расход мощности: 48,6 / 30 = 1,62 кВт
• запас на случай морозов: 1,62 * 20% = 0,324 кВт
• итоговая мощность: 1,62 + 0,324 = 1,944 кВт

Находим в таблице наиболее близкое значения Q:

Получаем интервал внутреннего диаметра: 8-10 мм.
Участок: 3-4.
Длина участка: 2.8 метров.

Шаг 2: вычисление местных сопротивлений

Чтобы определиться с материалом труб, необходимо сравнить показатели их гидравлического сопротивления на всех участках отопительной системы.

Факторы возникновения сопротивления:

Трубы для отопления

• в самой трубе:
  • шероховатость;
  • место сужения/расширения диаметра;
  • поворот;
  • протяжённость.
• в соединениях:
  • тройник;
  • шаровой кран;
  • приборы балансировки.

Расчетным участком является труба постоянного диаметра с неизменным расходом воды, соответствующим проектному тепловому балансу помещения.

Для определения потерь берутся данные с учётом сопротивления в регулирующей арматуре:

1. длина трубы на расчётном участке/l,м;
2. диаметр трубы расчётного участка/d,мм;
3. принятая скорость теплоносителя/u, м/с;
4. данные регулирующей арматуры от производителя;
5. справочные данные:
   • коэффициент трения/λ;
   • потери на трение/∆Рl, Па;
   • расчетная плотность жидкости/ρ = 971,8 кг/м3;
6. технические характеристики изделия:
   • эквивалентная шероховатость трубы/kэ мм;
   • толщина стенки трубы/dн×δ, мм.

Для материалов со сходными значениями kэ производители предоставляют значение удельных потерь давления R, Па/м по всему сортаменту труб.

Чтобы самостоятельно определить удельные потери на трение/R, Па/м, достаточно знать наружный d трубы, толщину стенки/dн×δ, мм и скорость подачи воды/W, м/с (или расход воды/G, кг/ч).

Для поиска гидросопротивления/ΔP в одном участке сети подставляем данные в формулу Дарси-Вейсбаха:

Для стальных и полимерных труб (из , полиэтилена, стекловолокна и т.д.) коэффициент трения/ λ наиболее точно вычисляется по формуле Альтшуля:

Re — число Рейнольдса, находится по упрощённой формуле (Re=v*d/ν) или с помощью онлайн-калькулятора:

Шаг 3: гидравлическая увязка

Для балансировки перепадов давления понадобится запорная и регулирующая арматура.

Исходные данные:

• проектная нагрузка (массовый расход теплоносителя — воды или );
• данные производителей труб по удельному динамическому сопротивлению/А, Па/(кг/ч)²;
• технические характеристики арматуры.
• количество местных сопротивлений на участке.

Задача : выровнять гидравлические потери в сети.

В гидравлическом расчёте для каждого клапана задаются установочные характеристики (крепление, перепад давления, пропускная способность). По характеристикам сопротивления определяют коэффициенты затекания в каждый стояк и далее — в каждый прибор.

Фрагмент заводских характеристик поворотного затвора

Выберем для вычислений метод характеристик сопротивления S,Па/(кг/ч)².

Потери давления/∆P, Па прямо пропорциональны квадрату расхода воды по участку/G, кг/ч:

В физическом смысле S — это потери давления на 1 кг/ч теплоносителя:

где:

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

Удельным считается динамическое давление, возникающее при массовом расходе 1 кг/ч теплоносителя в трубе заданного диаметра (информация предоставляется производителем).

Σξ — слагаемое коэффициентов по местным сопротивлениям в участке.

Приведенный коэффициент:

Он суммирует все местные сопротивления:

С величиной:

которая соответствует коэффициенту местного сопротивления с учётом потерь от гидравлического трения.

Шаг 4: определение потерь

Гидравлическое сопротивление в главном циркуляционном кольце представлено суммой потерь его элементов:

• первичного контура/ΔPIк;
• местных систем/ΔPм;
• теплогенератора/ΔPтг;
• теплообменника/ΔPто.

Сумма величин даёт нам гидравлическое сопротивление системы/ΔPсо:

Обзор программ

Для удобства расчётов применяются любительские и профессиональные программы вычисления гидравлики.

Самой популярной является Excel.

Можно воспользоваться онлайн-расчётом в Excel Online, CombiMix 1.0, или онлайн-калькулятором гидравлического расчёта. Стационарную программу подбирают с учётом требований проекта.

Главная трудность в работе с такими программами — незнание основ гидравлики. В некоторых из них отсутствуют расшифровки формул, не рассматриваются особенности разветвления трубопроводов и вычисления сопротивлений в сложных цепях.

Особенности программ:

• HERZ C.O. 3.5 – производит расчёт по методу удельных линейных потерь давления.
• DanfossCO и OvertopCO – умеют считать системы с естественной циркуляцией.
• «Поток» (Potok) — позволяет применять метод расчёта с переменным (скользящим) перепадом температур по стоякам.

Следует уточнять параметры ввода данных по температуре — по Кельвину/по Цельсию.

Как работать в EXCEL

Использование таблиц Excel очень удобно, поскольку результаты гидравлического расчёта всегда сводятся к табличной форме. Достаточно определить последовательность действий и подготовить точные формулы.

Ввод исходных данных

Выбирается ячейка и вводится величина. Вся остальная информация просто принимается к сведению.

Ячейка		Значение, обозначение, единица выражения
D4	45,000	Расход воды G в т/час
D5	95,0	Температура на входе tвх в °C
D6	70,0	Температура на выходе tвых в °C
D7	100,0	Внутренний диаметр d, мм
D8	100,000	Длина, L в м
D9	1,000	Эквивалентная шероховатость труб ∆ в мм
D10	1,89	Сумма коэф. местных сопротивлений - Σ(ξ)

Пояснения:

• значение в D9 берётся из справочника;
• значение в D10 характеризует сопротивления в местах сварных швов.

Формулы и алгоритмы

Выбираем ячейки и вводим алгоритм, а также формулы теоретической гидравлики.

Ячейка	Алгоритм	Формула		Значение результата
D12	!ERROR! D5 does not contain a number or expression	tср=(tвх+tвых)/2	82,5	Средняя температура воды tср в °C
D13		n=0,0178/(1+0,0337*tср+0,000221*tср2)	0,003368	Кинематический коэф. вязкости воды - n, cм2/с при tср
D14	!ERROR! D12 does not contain a number or expression	ρ=(-0,003*tср2-0,1511*tср+1003, 1)/1000	0,970	Средняя плотность воды ρ,т/м3 при tср
D15		G’=G*1000/(ρ*60)	773,024	Расход воды G’, л/мин
D16	!ERROR! D4 does not contain a number or expression	v=4*G:(ρ*π*(d:1000)2*3600)	1,640	Скорость воды v, м/с
D17	!ERROR! D16 does not contain a number or expression	Re=v*d*10/n	487001,4	Число Рейнольдса Re
D18	!ERROR! Cell D17 does not exist	λ=64/Re при Re≤2320 λ=0,0000147*Re при 2320≤Re≤4000 λ=0,11*(68/Re+∆/d)0,25 при Re≥4000	0,035	Коэффициент гидравлического трения λ
D19	!ERROR! Cell D18 does not exist	R=λ*v2*ρ*100/(2*9,81*d)	0,004645	Удельные потери давления на трение R, кг/(см2*м)
D20	!ERROR! Cell D19 does not exist	dPтр=R*L	0,464485	Потери давления на трение dPтр, кг/см2
D21		dPтр=dPтр*9,81*10000	45565,9	и Па соответственно D20
D22	!ERROR! D10 does not contain a number or expression	dPмс=Σ(ξ)*v2*ρ/(2*9,81*10)	0,025150	Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/см2
D23	!ERROR! Cell D22 does not exist	dPтр=dPмс*9,81*10000	2467,2	и Па соответственно D22
D24	!ERROR! Cell D20 does not exist	dP=dPтр+dPмс	0,489634	Расчетные потери давления dP, кг/см2
D25	!ERROR! Cell D24 does not exist	dP=dP*9,81*10000	48033,1	и Па соответственно D24
D26	!ERROR! Cell D25 does not exist	S=dP/G2	23,720	Характеристика сопротивления S, Па/(т/ч)2

Пояснения:

• значение D15 пересчитывается в литрах, так легче воспринимать величину расхода;
• ячейка D16 — добавляем форматирование по условию: «Если v не попадает в диапазон 0,25…1,5 м/с, то фон ячейки красный/шрифт белый».

Для трубопроводов с перепадом высот входа и выхода к результатам добавляется статическое давление: 1 кг/см2 на 10 м.

Оформление результатов

• Светло-бирюзовые ячейки содержат исходные данные – их можно менять.
• Бледно-зелёные ячейка — вводимые константы или данные, мало подверженные изменениям.
• Жёлтые ячейки — вспомогательные предварительные расчёты.
• Светло-жёлтые ячейки — результаты расчётов.
• Шрифты:
  • синий — исходные данные;
  • чёрный — промежуточные/неглавные результаты;
  • красный — главные и окончательные результаты гидравлического расчёта.

Результаты в таблице Эксель

Пример от Александра Воробьёва

Пример несложного гидравлического расчёта в программе Excel для горизонтального участка трубопровода.

Исходные данные:

• длина трубы100 метров;
• ø108 мм;
• толщина стенки 4 мм.

Таблица результатов расчёта местных сопротивлений

Усложняя шаг за шагом расчёты в программе Excel, вы лучше осваиваете теорию и частично экономите на проектных работах. Благодаря грамотному подходу, ваша система отопления станет оптимальной по затратам и теплоотдаче.

От правильного выбора всех элементов системы водяного отопления, их установки, во многом зависит эффективность её работы, сроки безаварийной и экономичной эксплуатации. Насколько экономичным и эффективным будет отопление в доме, покажут уже начальные вложения средств на этапе установки и монтажа системы. Рассмотрим подробнее как осуществляется гидравлический расчет систым отопления, с целью определения оптимальной мощности отопительной системы.

Эффективность системы отопления «на глазок»

Во многом суммы таких затрат зависят от:

• требуемых диаметров трубопроводов
• фитингов и соответствующих им приборов отопления
• переходников
• регулировочной и запорной арматуры

Желание минимизировать такие затраты не должно идти в ущерб качеству, но принцип разумной достаточности, некий оптимум, должен выдерживаться.

В большинстве современных индивидуальных отопительных комплексов применяются электронасосы для обеспечения принудительной циркуляции теплоносителя, в качестве которого часто используются незамерзающие составы антифризов . Гидравлическое сопротивление таких систем отопления для разных их типов теплоносителей будет разным.

Учитывая постоянно растущую стоимость энергоносителей (все виды топлива, электроэнергия) и расходных материалов (теплоносители, запчасти и пр.), следует с самого начала стремиться заложить в систему принцип минимизации расходов на эксплуатацию системы . Опять же, исходя из их оптимального соотношения для решения задачи создания комфортного температурного режима в отапливаемых помещениях.

Разумеется, соотношение мощности всех элементов отопительной системы должны обеспечивать оптимальный режим подачи теплоносителя к приборам отопления в объёме достаточном для выполнения основной задачи всей системы - обогрева и поддержания заданного температурного режима внутри помещения, независимо от изменения наружных температур. К элементам отопительной системы относятся:

• котел
• насос
• диаметр труб
• регулировочная и запорная арматура
• тепловые приборы

Помимо того, очень неплохо, если в проект изначально будет заложена определённая «эластичность», допускаюшая переход на иной вид теплоносителя (замена воды на антифриз). Кроме того, отопительная система, при меняющихся режимах эксплуатации никоим образом не должна вносить дискомфорт во внутренний микроклимат помещений.

Гидравлический расчёт и решаемые задачи

В процессе выполнения гидравлического расчёта отопительной системы, решается достаточно большой круг вопросов обеспечения выполнения приведенных выше и целого ряда дополнительных требований. В частности, находится диаметр труб на всех секторах по рекомендованным параметрам, включающим определение:

• скорости движения теплоносителя;
• оптимального теплообмена на всех участках и приборах системы, с учётом обеспечения его экономической целесообразности.

В процессе движения теплоносителя происходит неизбежное его трение о стенки трубы , возникают потери скорости, особенно заметные на участках, содержащих повороты, колена и т. п. В задачи гидравлического расчёта входит определение потерь скорости движения среды, вернее, давления на отрезках системы, подобных указанным, для общего учёта и включения в проект требуемых компенсаторов. Параллельно определению потери давления, необходимо знать требуемый объём, называемый расходом, теплоносителя во всей проектируемой системе водяного отопления.

Учитывая разветвлённость современных отопительных систем и конструктивные требования реализации наиболее распространённых схем разводки, например, примерное равенство длин ветвей в коллекторной схеме , расчёт гидравлики даёт возможность учесть такие особенности. Это позволит обеспечить более качественную автобалансировку и увязку ветвей , включенных параллельно или по другой схеме. Такие возможности часто требуются в ходе эксплуатации с применением запорных и регулирующих элементов, в случае необходимости отключения или перекрытия отдельных веток и направлений, при возникновении необходимости работы системы в нестандартных режимах.

Подготовка выполнения расчёта

Проведению качественного и детального расчёта должны предшествовать ряд подготовительных мероприятий по выполнению расчётных графиков . Эту часть можно назвать сбором информации для проведения расчёта. Являясь самой сложной частью в проектировании водяной отопительной системы , расчёт гидравлики позволяет точно спроектировать всю её работу. В подготавливаемых данных обязательно должно присутствовать определение требуемого теплового баланса помещений, которые будут обогреваться проектируемой отопительной системой.

В проекте расчёт ведётся с учётом типа выбранных приборов отопления, с определёнными поверхностями теплообмена и размещения их в обогреваемых помещениях, это могут быть батареи секций радиаторов или теплообменники других типов. Точки их размещения указываются на поэтажных планах дома или квартиры.

Принимаемая схема конфигурирования системы водяного отопления должна быть оформлена графически. На этой схеме указывается место размещения генератора тепла (котёл), показываются точки крепления приборов отопления, прокладка основных подводящих и отводящих магистралей трубопроводов, прохода веток приборов отопления. На схеме подробно приводится расположение элементов регулирующей и запорной арматуры. Сюда входят все виды устанавливаемых кранов и вентилей, переходных клапанов, регуляторов, термостатов. В общем, всего, что принято называть регулирующей и запорной арматурой.

После определения на плане требуемой конфигурации системы, её необходимо вычертить в аксонометрической проекции по всем этажам . На такой схеме каждому отопительному прибору присваивается номер, указывается максимальная тепловая мощность. Важным элементом, также указываемым для теплового прибора на схеме, является расчётная длина участка трубопровода для его подключения.

Обозначения и порядок выполнения

На планах обязательно должно быть указано, определённое заранее, циркуляционное кольцо, называемое главным. Оно обязательно представляет собой замкнутый контур, включающий все отрезки трубопровода системы с наибольшим расходом теплоносителя. Для двухтрубных систем эти участки идут от котла (источника тепловой энергии) до самого удалённого теплового прибора и обратно к котлу. Для однотрубных систем берётся участок ветки - стояка и обратной части.

Единицей расчёта является отрезок трубопровода , имеющий неизменный диаметр и ток (расход) носителя тепловой энергии. Его величина определяется исходя из теплового баланса помещения. Принят определённый порядок обозначения таких отрезков, начиная от котла (источника тепла, генератора тепловой энергии), их нумеруют. Если от подающей магистрали трубопровода есть ответвления, их обозначение выполняется заглавными буквами в алфавитном порядке. Такой же буквой со штрихом обозначается сборная точка каждой ветки на обратном магистральном трубопроводе.

В обозначении начала ветки приборов отопления указывается номер этажа (горизонтальные системы) или ветки - стояка (вертикальные). Тот же номер, но со штрихом ставится в точке их подключения к обратной линии сбора потоков теплоносителя. В паре, эти обозначения составляют номер каждой ветки расчётного участка. Нумерация ведётся по часовой стрелке от левого верхнего угла плана. По плану определяется и длина каждой ветки, погрешность составляет не более 0,1 м.

На поэтажном плане отопительной системы по каждому её отрезку считается тепловая нагрузка, равная тепловому потоку, переданному теплоносителем, она принимается с округлением до 10 Вт. После определения по каждому прибору отопления в ветке, определяется суммарная нагрузка по теплу на магистральной подающей трубе. Как и выше, тут округление полученных значений ведётся до 10 Вт. После вычислений, каждый участок должен иметь двойное обозначение с указанием в числителе величины тепловой нагрузки , а в знаменателе - длины участка в метрах.

Требуемое количество (расход) теплоносителя на каждом участке легко определяется путём деления количества тепла на участке (скорректированное на коэффициент, учитывающий удельную теплоёмкость воды) на разность температур нагретого и охлаждённого теплоносителя на этом участке. Очевидно, что суммарное значение по всем рассчитанным участкам даст требуемое количество теплоносителя в целом по системе.

Не вдаваясь в детали, следует сказать, что дальнейшие расчёты позволяют определить диаметры труб каждого из участков системы отопления, потери давления на них, произвести гидравлическую увязку всех циркуляционных колец в сложных системах водяного отопления.

Последствия ошибок расчёта и способы их исправления

Очевидно, что гидравлический расчёт является достаточно сложным и ответственным этапом разработки отопления. Для облегчения подобных вычислений разработан целый математический аппарат , существуют многочисленные версии компьютерных программ, предназначенных для автоматизации процесса его выполнения.

Несмотря на это, от ошибок никто не застрахован. Среди наиболее распространённых выбор мощности тепловых приборов без проведения расчёта, указанного выше. В этом случае, помимо более высокой стоимости самих радиаторных батарей (если мощность больше требуемой), система будет затратной, расходуя повышенное количество топлива и требуя более значительных на свое содержание. Проще говоря, в комнатах будет жарко, форточки постоянно открыты и придётся дополнительно оплачивать обогрев улицы. В случае заниженной мощности попытки обогрева приведут к работе котла на повышенной мощности и также потребуют высоких финансовых затрат. Исправить такую ошибку достаточно сложно, возможно потребуется полностью переделывать всё отопление.

Если неверно проведен монтаж радиаторных батарей , эффективность работы всего отопительного комплекса также падает. К таким ошибкам относится нарушение правил установки батареи . Ошибки этой группы могу вдвое снизить теплоотдачу самых качественных тепловых приборов. Как и в первом случае, стремление повысить температуру в помещении, приведёт к дополнительным расходам энергоносителя. Чтобы исправить ошибки установки, зачастую достаточно переустановить и подключить заново радиаторные батареи.

Следующая группа ошибок относится к ошибке определения требуемой мощности источника тепла и приборов отопления. Если мощность котла заведомо выше мощности отопительных приборов, он будет работать неэффективно, потребляя большее количество топлива. Налицо двойной перерасход средств : в момент покупки такого котла и в ходе эксплуатации. Чтобы исправить положение, такой котёл, радиаторы или насос, а то и все трубы системы, придётся менять.

При расчёте требуемой мощности котла, может быть допущена ошибка в определении потерь тепла зданием. В результате мощность генератора тепловой энергии будет завышена. Результатом будет перерасход топлива. Чтобы исправить ошибку, придётся заменить котёл.

Ошибочный расчёт балансировки системы, нарушение требований примерного равенства веток и т. п. может привести к необходимости установки более мощного насоса, позволяющего доставить носитель к дальним приборам отопления в нагретом состоянии. Однако в этом случае возможно появление «звукового сопровождения» в виде гула, свиста и т. п. Если подобные ошибки допущены в системе тёплого водяного пола, то результатом установки мощного насоса может стать «поющий пол».

При ошибках определения требуемого количества теплоносителя или переводе гравитационной системы на принудительную циркуляцию, объём его может оказаться слишком велик, и дальние приборы отопления не будут работать . Как и ранее, попытки решения проблемы увеличением интенсивности прогрева, приведут к перерасходу газа, износу котла. Решить вопрос можно применением нового насоса и гидрострелки, т. е. тепловой пункт придётся всё равно переделывать.

После всего можно однозначно сказать, что проведение гидравлического расчёта системы отопления позволит гарантированно минимизировать расходы на всех этапах проектирования, устройства, монтажа и долговременной эксплуатации высокоэффективной системы водяного отопления.

Пример гидравлического расчета (видео)