Гидравлический расчет и моделирование тепловых сетей

Что обозначает расчет гидравлики и зачем он нужен

Сделать гидравлический расчет отопления – это значит правильно подобрать параметры определенных участков сети с учетом давления, чтобы по ним осуществлялся определенный расход теплоносителя.

Этот расчет дает возможность определить:

• Потери давления на различных участках сети;
• Пропускную способность трубопровода;
• Оптимальный расход жидкости;
• Необходимые показатели для выполнения гидравлической увязки.

Совмещая все полученные данные можно подобрать отопительные насосы.

Количество попадающего в радиаторы источника тепла должно быть таким, чтобы получился обогревающий баланс внутри здания с учетом уличной температуры и температуры, заданной пользователем для каждой комнаты в отдельности.

Если отопление автономное, можно использовать такие методы расчета:

• Используя характеристики сопротивления и проводимости;
• По удельным расходам;
• Путем сравнивания динамического давления;
• По различным длинам, приведенным к одному показателю.

Расчет гидравлики – один из важнейших этапов при разработке систем отопления с жидким теплоносителем.

Прежде чем приступить к его осуществлению необходимо:

• Определить баланс тепла в необходимых помещениях;
• Выбрать тип приборов отопления и разместить их на чертежах здания;
• Решить вопросы по конфигурации обогревательной системы, а также по видам применяемых труб и арматуры;
• Начертить схему системы отопления, где будут видны номера, нагрузки и длины необходимых участков;
• Определить основное циркуляционное кольцо, по которому движется теплоноситель.

Обычно для зданий с малым количеством этажей применятся двухтрубная отопительная система, а для построек с большой этажностью – однотрубная.

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.

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.

Расчет диаметра трубы по расходу воды

Определяем правильно расход воды

Чтобы определить диаметр трубы по расходу проходящей жидкости, понадобятся значения истинного потребления воды с учетом всех сантехнических приборов: ванны, кухонного смесителя, стиральной машины, унитаза. Рассчитывается каждый отдельный участок водопровода по формуле:

qc = 5× q0 × α, л/с

где qc – значение потребляемой воды каждым прибором;

q0 – нормируемая величина, которая определяется по СНиП. Принимаем для ванны – 0,25, для кухонного смесителя 0,12, для унитаза -0,1;

а – коэффициент, учитывающий возможность одновременной работы сантехнических приборов в помещении. Зависит от значения вероятности и количества потребителей.

На участках магистрали, где совмещаются потоки воды для кухни и ванны, для унитаза и ванны и т.д., в формулу добавляется значение вероятности. То есть возможности одновременной работы кухонного смесителя, крана в ванной, унитаза и других приборов.

Вероятность определяется по формуле:

Р = qhr µ × u/q0 × 3600 × N,

где N – число потребителей воды (приборов);

qhr µ — максимальный часовой расход воды, который можно принять по СНиП. Выбираем для холодной воды qhr µ =5,6 л/с, общий расход 15,6 л/с;

u – количество человек, использующих сантехнику.

Пример расчета расхода воды:

В двухэтажном доме имеется 1 ванная, 1 кухня с установленными стиральной и посудомоечной машиной, душевая кабина, 1 унитаз. В доме живет семья из 5 человек. Алгоритм расчета:

1. Рассчитываем вероятность Р = 5,6 × 5/0,25 × 3600 × 6=0,00518.
2. Тогда расход воды для ванной составит qc = 5× 0,25 ×0,00518=0,006475 л/с.
3. Для кухни qc = 5× 0,12 ×0,00518=0,0031 л/с.
4. Для туалета qc = 5× 0,1 ×0,00518=0,00259 л/с.

Рассчитываем диаметр трубы

Существует прямая зависимость диаметра от объема перетекающей жидкости, которая выражается формулой:

где Q – расход воды, м3/с;

d – диаметр трубопровода, м;

w – скорость потока, м/с.

d = √(4Q/πw), м

Скорость потока воды можно принять по таблице 2. Существует более сложный метод расчета скорости потока – с учетом потерь и коэффициента гидравлического трения. Это довольно объемный расчет, но в итоге позволяющий получить точное значение, в отличие от табличного метода.

Перекачиваемая среда	Оптимальная скорость в трубопроводе, м/с
ЖИДКОСТИ	Движение самотеком:
Вязкие жидкости	0,1-0,5
Маловязкие жидкости	0,5-1
Перекачиваемые насосом:
Всасывающий трубопровод	0,8-2
Нагнетательный трубопровод	1,5-3
ГАЗЫ	Естественная тяга	2-4
Малое давление (вентиляторы)	4-15
Большое давление (компрессор)	15-25
ПАРЫ	Перегретые	30-50
Насыщенные пары при давлении
Более 105 Па	15-25
(1-0,5)*105 Па	20-40
(0,5-0,2)*105 Па	40-60
(0,2-0,05)*105 Па	60-75

Пример:
Рассчитаем диаметр трубы для ванной, кухни и туалета, исходя из полученных значений расхода воды. Выбираем из таблицы 2 значение скорости потока воды в напорном водопроводе – 3 м/с.

Тогда диаметр трубопровода определяется:

для ванной d = √(4*0,006475/3,14*3)=0,052 м

для туалета d = √(4*0,00259/3,14*3)=0,033 м

для кухни d = √(4*0,0031/3,14*3)=0,036 м

Подбор системы

Выбор вида трубопровода

Необходимо определится с материалом труб отопления:

Стальные трубы сегодня практически не применяются, поскольку из-за подверженности коррозии их срок службы невелик, монтаж трудоемкий, ремонт сложный.
Металлопластиковые трубы специалисты использовать не рекомендуют из-за их свойства под воздействием температуры иногда на изгибах лопаться.
Медные трубы наиболее долговечные и удобные при ремонте, но и самые дорогостоящие.
Различные виды полимерных труб (к примеру, из сшитого полиэтилена или армированного полипропилена) – зачастую оптимальный выбор

Если будет выполняться отопление частного дома пластиковыми трубами, при выборе их марки необходимо, в первую очередь, обращать внимание на показатель, характеризующий допустимое давление воды в изделии.. Чтобы предотвратить деформации и загибы пластиковых труб, нужно избегать очень протяженных прямых участков. Необходимо также наблюдать во время первого запуска отопительной системы за резким изменением температуры

Необходимо также наблюдать во время первого запуска отопительной системы за резким изменением температуры

Чтобы предотвратить деформации и загибы пластиковых труб, нужно избегать очень протяженных прямых участков. Необходимо также наблюдать во время первого запуска отопительной системы за резким изменением температуры.

Основные параметры труб

Полипропиленовые трубы отопления разного диаметра

Для отопительной системы трубы подбирают не только по химическим и физическим свойствам их материала. В устройстве эффективной и экономичной системы важную роль играют их диаметр и длина, поскольку сечение труб влияет в целом на гидродинамику. Достаточно распространенная ошибка – выбор изделий слишком большого диаметра, что ведет к понижению в системе давления ниже нормы, и отопительные приборы перестают греть. При чересчур маленьком диаметре  труб система отопления начинает шуметь.

Основные характеристики труб:

• Внутренний диаметр – основной параметр любой трубы. Он определяет ее пропускную способность.
• Наружный диаметр тоже необходимо учитывать, проектируя систему.
• Условный диаметр – округленное значение, которое выражается в дюймах.

Подбирая трубы для отопления загородного дома, нужно учитывать, что для выполненных из различных материалов изделий, используются разные системы измерений. Практически все чугунные и стальные трубы маркируют по внутреннему сечению. Изделия из меди и пластика – по наружному диаметру

В особенности это важно, если предполагается монтаж системы из комбинации материалов

Пример соответствия диаметров труб из разных материалов

При комбинации в системе различных материалов, чтобы подобрать диаметр труб безошибочно, нужно использовать таблицу соответствия диаметров. Ее можно найти в интернете. Зачастую диаметр измеряется в долях или дюймах. Один дюйм соответствует 25,4 мм.

Расчёт параметров теплоносителя

Расчет теплоносителя сводится к определению следующих показателей:

• скорость движения водных масс по трубопроводу с заданными параметрам;
• их средняя температура;
• расход носителя, связанный с требованиями к производительности отопительного оборудования.

Известные формулы расчета параметров теплоносителя (с учетом гидравлики) достаточно сложны и неудобны в практическом применении. В онлайн калькуляторах используется упрощенный подход, позволяющий получить результат с допустимой для этого способа погрешностью

Тем не менее перед началом монтажа важно побеспокоиться о том, чтобы приобрести насос с показателями не ниже расчетных. Лишь в этом случае появляется уверенность в том, что требования к системе по этому критерию выполнены в полной мере и что она способна обогреть помещение до комфортных температур

Порядок расчета сечения магистралей теплоснабжения

Перед тем как рассчитать диаметр трубы отопления необходимо определиться с их основными геометрическими параметрами. Для этого нужно знать основные характеристики магистралей. К ним относятся не только эксплуатационные качества, но и размеры.

Каждый производитель указывает значение сечения труб – диаметр. Но фактически он зависит от толщины стенки и материала изготовления. Перед приобретением определенной модели трубопроводов нужно знать следующие особенности обозначения геометрических размеров:

• Расчёт диаметра полипропиленовых труб для отопления делается с учетом того, что производители указывают наружные габаритные размеры. Для вычисления полезного сечения необходимо отнять две толщины стенки;
• Для стальных и медных трубопроводов даются внутренние размеры.

Зная эти особенности можно делать расчет диаметра коллектора отопления, труб и других компонентов для монтажа.

При выборе полимерных труб отопления нужно обязательно уточнить о наличии в конструкции армирующего слоя. Без него при воздействии горячей воды магистраль не будет иметь должной жесткости.

Определение тепловой мощности системы

Как правильно подобрать диаметр труб для отопления и следует ли это делать без расчетных данных? Для небольшой системы отопления можно обойтись без сложных вычислений

Важно лишь знать следующие правила:

• Оптимальный диаметр труб с естественной циркуляцией отопления должен составлять от 30 до 40 мм;
• Для закрытой системы с принудительным движением теплоносителя следует использовать трубы меньшего сечения для создания оптимального давления и скорости потока воды.

Для точного вычисления рекомендуется использовать программа для расчета диаметра труб отопления. Если же их нет – можно воспользоваться приблизительными вычислениями. Сначала необходимо найти тепловую мощность системы. Для этого необходимо воспользоваться следующей формулой:

Где Q – рассчитываемая тепловая мощность отопления, кВт/ч, V – объем комнаты (дома), м³, Δt – разница между температурами на улице и в помещении, °С, К – расчетный коэффициент тепловых потерь дома, 860 – величина для перевода полученных значений в приемлемый формат кВт/ч.

Наибольшие затруднения при предварительном расчете диаметра пластиковых труб для отопления вызывает поправочный коэффициент К. Он зависит от теплоизоляции дома. Его лучше всего взять из данных таблицы.

Степень теплоизоляции здания

Качественное утепление дома, установлены современные окна и двери

В качестве примера расчета диаметров полипропиленовых труб для отопления можно вычислить требуемую тепловую мощность комнаты общим объемом 47 м³. При этом температура на улице будет -23°С, а в помещении — +20°С. Соответственно разница Δt составит 43°С. Поправочный коэффициент возьмем равным 1,1. Тогда требуемая тепловая мощность составит.

Следующий этап выбора диаметра трубы для отопления – определение оптимальной скорости движения теплоносителя.

В представленных расчетах не учитывается поправка на шероховатость внутренней поверхности магистралей.

Скорость воды в трубах

Таблица для расчета диаметра трубы отопления

Оптимальный напор теплоносителя в магистралях необходим для равномерного распределения тепловой энергии по радиаторам и батареям. Для правильного подбора диаметров труб отопления следует принимать оптимальные значения скорости продвижения воды в трубопроводах.

Стоит помнить, что при превышении интенсивности движения теплоносителя в системе могут возникать посторонние шумы. Поэтому данное значение должно быть равно от 0,36 до 0,7 м/с. Если параметр будет меньше – неизбежно возникнут дополнительные тепловые потери. При его превышении появятся построение шумы в трубопроводах и радиаторах.

Для окончательного расчета диаметра трубы отопления следует воспользоваться данными из таблицы, представленной ниже.

Подставляя в формулу расчета диаметра трубы отопления в полученные ранее значения можно определить, что оптимальный диаметр трубы для конкретного помещения составит 12 мм. Это лишь приблизительный расчет. На практике специалисты рекомендуют к полученным значениям прибавить 10-15%. Это объясняется тем, что формула расчета диаметра трубы отопления может измениться из-за добавления новых компонентов в систему. Для точного вычисления потребуется специальная программа для расчета диаметра труб отопления. Подобные программные комплексы можно скачать в демоверсии с ограниченными возможностями расчетов.

Калькулятор расчета платежей по общедомовому счетчику тепла

Пояснения по проведению расчетов

Расчет несложен — в его основу заложена следующая формула:

M = Q × (Sк / Sобщ) × T

Разбираемся с буквенными обозначениями:

M — сумма за потреблённое тепло, начисляемая на конкретную квартиру, руб.

Q — разница показаний общедомового счетчика потребленной тепловой энергии на начало и конец рассчитываемого периода, Гкал

Sк — площадь квартиры, для которой производится расчет, м²

Sобщ — суммарная площадь всех отапливаемых помещений многоэтажного дома, м²

T — действующий тариф на единицу потребленной тепловой энергии, руб./Гкал

Соответственно, и в калькулятор необходимо будет ввести эти значения:

• Разницу показаний счетчика за определенный период должны безо всяких препятствий сообщать в управляющей компании. Нередко это значение даже указывается в квитанциях. Мало того, надо правильно представлять ситуацию и требовать соблюдения своих прав. По закону счетчик тепла – это собственность жильцов дома, и никто не вправе отказать им в такой информации. Часто организованные жильцы поступают следующим образом – из своей среды выбирают ответственного человека, который (за очень скромную плату с каждой квартиры) своевременно снимет показания и ведет соответствующие журналы.
• Площадь квартиры берётся в соответствии с техническим паспортом. Площадь общая, но балконы и лоджии в нее не входят.
• Общая площадь всех отапливаемых помещений многоквартирного дома тоже может быть уточнена в управляющей компании. Эта величина, понятно, как и площадь квартиры — стабильная, из месяца в месяц не изменяющаяся.
• Тарифы в последнее время очень часто меняются, и их приходится уточнять, например, на страницах местных интернет-ресурсов.

Полученная в результате расчета сумма – именно такая, какая должна быть в соответствии с потребленным домом теплом. Но нередко она оказывается больше, так как управляющая компания старается раскидать задолженности ярых неплательщиков на добросовестных жильцов. Во всяком случае – будет видна разница, и это может послужить поводом к разбирательству о правомерности дополнительных начислений.

Могут быть и иные нюансы – например, платежи распределяются не только по месяцам отопительного сезона, но и на весь год, с благой, вроде бы, целью снижения сумм к оплате. Но судя по отзывам, такая «забота» в большинстве случаев воспринимается людьми негативно. Чисто психологически не хочется платить за отопление, когда на улице стоит летняя жара…

Расчет мощности для ГВС

Он проводится в следующей последовательности:

1. Определяется объем теплой воды, которой пользуются все члены семьи.
2. Определяется объем горячей воды (90-95 °С), которую будет разбавлять проточная вода, чтобы образовалась жидкость, имеющая комфортную для тела температуру.
3. Рассчитывается дополнительная мощность котла.

Итак, пусть в доме живет семья, которая за сутки использует 150 л теплой воды, то есть жидкости с температурой 37 °С. Такая вода будет подаваться после смешивания горячей и проточной воды. Объем горячей воды определяют по формуле:

• Vв является объемом востребованной теплой воды,
• Тж — желаемая температура теплой воды на выходе из крана,
• Тп является температурой проточной воды,
• Тг — температура нагретой жидкости в косвенном бойлере.

Для вышеупомянутого примера Vв = 150 л, Тп = 8 °С, Тж = 37 °С, Тг = 95 °С. Vг = 150*(37-8)/(95-8) = 50 л. Это означает, что для дома хватит бойлера на 50 л.

Формула определения дополнительной мощности такова:

где с является удельной теплоемкостью воды (всегда равняется 4,218 кДж/кг*К),

ΔT представляет собой разницу между температурами нагретой и проточной воды.

Рд = 4,218*50*(95-8) = 18 348,3 кДж. В пересчете на кВт/ч эта цифра составляет 5,1 кВт/ч.

Как видно, для отопления дома нужно приобрести электрокотел отопления с мощностью 20+5,1 = 25,1 кВт/час. Это в том случае, если вода в котле должна нагреваться за 1 час. Если ее нужно нагревать за 2, то можно установить котел, мощность которого равна 20+2,55 = 22,55 кВт/час.

Мощность и количество секций алюминиевых радиаторов Подключение электрокотла к системе отопления Изготовление электрокотла «Скорпион» Мощность радиаторов отопления

Итоги гидравлического расчета

В итоге необходимо просуммировать сопротивления всех участков до каждого радиатора и сравнить с контрольными значениями. Для того, чтобы насос, встроенный в газовый котел, обеспечил теплом все радиаторы, потери напора на самой длинной ветке не должны превышать 20000 Па. Скорость движения теплоносителя на любом участке должна быть в диапазоне 0,25 — 1,5 м/с. При скорости выше 1,5 м/с в трубах может появиться шум, а минимальная скорость в 0,25 м/с рекомендуется по СНиП 2.04.05-91 во избежание завоздушивания труб.

Для того, чтобы выдержать вышеуказанные условия, достаточно правильно подобрать диаметры труб. Это можно сделать по таблице.

Труба	Минимальная мощность, кВт	Максимальная мощность, кВт
Металлопластиковая труба 16 мм	2,8	4,5
Металлопластиковая труба 20 мм	5	8
Металлопластиковая труба 26 мм	8	13
Металлопластиковая труба 32 мм	13	21
Полипропиленовая труба 20 мм	4	7
Полипропиленовая труба 25 мм	6	11
Полипропиленовая труба 32 мм	10	18
Полипропиленовая труба 40 мм	16	28

В ней указана суммарная мощность радиаторов, которые труба обеспечивает теплом.

Быстрый подбор диаметров труб по таблице

Для домов площадью до 250 кв.м. при условии, что стоит насос 6-ка и радиаторные термоклапаны, можно не делать полный гидравлический расчет. Можно подобрать диаметры по таблице ниже. На коротких участках можно немного превысить мощность. Расчеты произведены для теплоносителя Δt=10oC и v=0,5м/с.

Труба	Мощность радиаторов, кВт
Труба 14х2 мм	1.6
Труба 16х2 мм	2,4
Труба 16х2,2 мм	2,2
Труба 18х2 мм	3,23
Труба 20х2 мм	4,2
Труба 20х2,8 мм	3,4
Труба 25х3,5 мм	5,3
Труба 26х3 мм	6,6
Труба 32х3 мм	11,1
Труба 32х4,4 мм	8,9
Труба 40х5,5 мм	13,8

Обсудить эту статью, оставить отзыв в | |

Заключение

Радиатор в квартире

Расчет отопления по предложенной формуле и программе основан на использовании средних показателей. Этот метод можно применять для вычисления приблизительной мощности отопительной системы жилого частного дома. В случае сложного отопления, включающего подогрев бассейна, кондиционирование и вентиляцию, а также при расчете системы обогрева производственных объектов и организаций общественного питания требуется обращаться в специализированные проектные организации.

Примерный подбор оборудования для отопления при расчете по средним показателям приемлем и тогда, когда целесообразнее предусмотреть определенный запас мощности теплового генератора, чем платить за работу проектной организации. Потому что стоимость услуг по проектированию может оказаться выше затрат на избыточную мощность. Окончательную комплектацию системы отопления и оборудования во всех случаях необходимо согласовывать со специалистами.