Как сделать гидравлический расчет системы отопления?

На этапе проектирования отопительной системы, в контуре которой циркулирует вода, возникают ситуации, когда нужно выполнить расчет расхода теплоносителя. Этот показатель требуется для того, чтобы подобрать правильный объём расширительного бачка, который напрямую зависит от мощности системы.

Формула расчета теплового баланса дома.

Qпомещ = Qстены + Qокна + Qдверь + Qпотолок+ Qпол

Для домов с несколькими этажами тепловых потерь через потолок первого этажа не будет, поскольку над ним находится отапливаемый второй этаж. Точно так же для последнего этажа тепловые потери через пол будут отсутствовать, так как под ним находится теплый этаж. В комнате коттеджа отсутствуют теплопотери через перегородки , отделяющие её от смежных помещений, если в смежных помещениях поддерживается аналогичный уровень температуры.

>Воздух помещения, соприкасаясь с наружной стеной здания, будет охлаждаться до температуры внутренней поверхности стены. Поскольку на улице температура воздуха ниже, то в толще стены температурная «змея» поползет вниз, достигнув на внешней поверхности некоторого значения, а затем опустится еще ниже до уровня температуры наружного воздуха. Чем лучше теплоизоляционные  свойства здания, тем круче температурная линия между внутренней и внешней поверхностями стены и тем меньше нужно прикладывать усилий для обогрева здания.

Понятно, что подвести теплоту для обогрева помещения можно, используя разные виды энергоносителей. 3а свою историю существования человечество научилось обогревать своё жилище, используя энергию различных веществ. Эта теплота может быть получена при сжигании природного или сжиженного (баллонного) газа, жидкого или твердого топлива, а также при использовании электрической энергии. Современная отопительная техника позволяет эффективно использовать энергию любого из перечисленных видов топлива, но обычно будущие владельцы котлов останавливают свой первоначальный выбор, учитывая наличие уже имеющегося топлива рядом с жилищем.

< Предыдущая Следующая >

Уравнение теплового баланса и сохранение тепловой энергии

Когда тело остывает, оно отдает тепловую энергию (теплоту).  Утерянное количество теплоты Q имеет знак «минус».

А когда тело нагревается – оно получает тепловую энергию. Приобретенное количество теплоты Q имеет знак «плюс».

Эти факты отражены на рисунке 2.

Рис. 2. Полученное количество теплоты имеет знак «+», а отданное Q – знак «-»

Закон сохранения тепловой энергии: Количество теплоты, отданное горячим телом равно количеству теплоты, полученному холодным телом.

Примечание: Существует и другая формулировка закона сохранения энергии: Энергия не появляется сама собой и не исчезает бесследно. Она переходит из одного вида в другой.

Уравнение теплового баланса

Тот факт, что тепловая энергия сохраняется, можно записать с помощью математики в виде уравнения. Такую запись называют уравнением теплового баланса.

Запишем уравнение теплового баланса для двух тел, обменивающихся тепловой энергией:

\[\large \boxed{ Q_{\text{остывания горяч}} + Q_{\text{нагревания холод}} = 0 }\]

\(\large Q_{\text{остывания горяч}} \left( \text{Дж} \right) \) – это количество теплоты горячее тело теряет.

\(\large Q_{\text{нагревания холод}} \left( \text{Дж} \right) \) – это количество теплоты холодное тело получает.

Уравнение теплового баланса и сохранение тепловой энергии

В левой части уравнения складываем количество теплоты каждого из тел, участвующих в теплообмене.

Записываем ноль в правой части уравнения, когда теплообмен с окружающей средой отсутствует. То есть, теплообмен происходит только между рассматриваемыми телами.

В некоторых учебниках применяют сокращения:

\[\large Q_{1} + Q_{2} = 0 \]

Примечание: Складывая два числа мы получим ноль, когда эти числа будут:

  • равными по модулю и
  • имеют различные знаки (одно число — знак «плюс», а второе – знак «минус»).
Читайте также:  3 схемы подключения автоматики электрического отопления.

Если несколько тел участвуют в процессе теплообмена

Иногда в процессе теплообмена участвуют несколько тел. Тогда, для каждого тела нужно записать формулу количества теплоты Q. А потом все количества теплоты подставить в уравнение для теплового баланса:

\[\large \boxed{ Q_{1} + Q_{2} + Q_{3} + \ldots + Q_{n} = 0 } \]

При этом:

  • Q для каждого нагреваемого тела будет обладать знаком «+»,
  • Q для каждого охлаждаемого тела — знаком «-».

Как рассчитать параметры циркуляционного насоса

В данной статье рассказывается о том, как рассчитать параметры циркуляционного насоса в отопительной системе, руководствуясь  при этом малым объемом технической информации об особенностях и характеристиках данной системы. Этот метод расчета применяется в основном для частных малоэтажных зданий.

Мы подготовили пример расчета, чтобы наглядно вам показать, что на самом деле произвести расчет важных параметров для определения оптимальных характеристик циркуляционного насоса намного легче, чем может показаться на первый взгляд.

Циркуляционный насос выбирается по двум основным характеристикам: H — напору, выраженному в метрах; Q — расходу, выраженному в м3/час.

Определение напора циркуляционного насоса

Насос должен создавать необходимое давление, чтобы жидкость могла преодолевать все препятствия в системе отопления и заполнять радиаторы теплоносителем.

При проектировании новой системы возможны точные расчеты с учетом сопротивления всех элементов нитки (труб, фитингов, арматуры и приборов); обычно необходимые сведения приводятся в паспортах на оборудование.

Если такой информации нет, можно использовать формулу:

Символ формулы Описание
R Потери давления в системе. Полученные опытным путем данные свидетельствуют, что сопротивление прямых участков трубы (R) составляет порядка от 50 до 150 Па/м. Там где используются, например, двухдюймовые трубы, что часто бывает в старых домах, потери давления меньше. Можно принимать в расчет значение 50 Па/м. 150 Па/м обычно в трубах меньшего диаметра.
L Длина труб в метрах всего контура отопления (подача и обратка), по которому циркулирует теплоноситель. Чтобы упростить вычисления можно взять размеры дома, они рассчитываются таким образом: (длина + широта + высота) * 2 .
ZF Дополнительные коэффициенты сопротивления в виде арматуры и фасонной части, которые имеют следующие значения:
  • 1,2 — смесителя/устройства, предотвращающего естественную циркуляцию;
  • если установка не оснащена ни терморегулирующим вентилем, ни смесителем, ZF = 1,3;
  • для контура с терморегулирующим вентилем ZF = 1,3 х 1,7 = 2,2;
  •  когда система включает оба прибора ZF = 1,3 х 1,7 х 1,2 = 2,6.
10 000 коэффициент для преобразования метров водного столба в Па

Расчет производительности циркуляционного насоса

Для того, чтобы вычислить производительность циркуляционного насоса Qpu, необходимо знать тепловую мощность Q, удельную теплоемкость теплоносителя Cw, его плотность p  и разность температур конструкции Δt .

Подача насоса в расчетной точке вычисляется при помощи следующей формулы:

Как рассчитать параметры циркуляционного насоса
Символ формулы Описание
Q Тепловой поток или тепловая мощность. В этом случае речь идет о необходимой тепловой нагрузке или имеющейся мощности котла, которые должны соответствовать поставленной задаче.
p Плотность теплоносителя. В данном случае можно принять ≈ 1 кг/л. (вода).
Cw Удельная теплоемкость. Считается как 1,16 Вт*ч/кг*К (вода).
Δt Разница температур Δt зависит от вида отопительной системы: Δt=20 °С для стандартных двухтрубных систем; Δt=10 °С для низкотемпературных отопительных систем и теплых полов.

Пример расчета

Руководствуясь данным примером, вы сможете достоверно разобраться с тем, как совершать расчеты, чтобы определить параметры циркуляционного насоса. Помимо этого, представленный ниже эскиз имеет все необходимые данные для расчета производительности и высоты подъема.

Эскиз для примера расчета

Посмотрев на эскиз можно определить следующие значения:

  • ширина – 15 м;
  • длина – 20 м;
  • высота – 12 м;
  • год постройки – 1990;
  • ZF = 2,2 (фитинги + клапан термостата);
  • потери давления – 120Па/м;
  • потери тепла – 80 кВт;
  • температуры в системе отопления – 75/55.

Расчет напора Н

  1. R = 120 Па/м;
  2. L = (15+20+12)*2=94 м
  3. ZF = 2.2

Расчет потока Qpu

  1. Q = 80 кВт
  2. p = 1 кг/л
  3. Cw = 1,16 (Вт*ч)/(кг*К)
  4. Δt = 75C-55C = 20К

Наиболее важные данные для определения оптимальных параметров циркуляционного насоса успешно рассчитаны. На следующем этапе пользуясь каталогом, или проконсультировавшись с продавцами в магазине, необходимо определить группу насосов, в параметры которых попадает необходимая  рабочая точка.

Читайте также:  Закон требует установить общедомовые приборы учета до 1 июля

Итоги

Таким образом, выполнив расчет расхода воды на отопление, можно узнать, какой мощности насос следует приобретать в конкретном случае. Переплачивать не имеет смысла, это не экономно и не повлияет на тепловые характеристики системы обогрева. Если циркуляционный насос рассчитать не правильно, то он не потянет нужный объём теплоносителя, более того — быстро выйдет из строя.

В среднем мощность, которой обладают циркуляционные насосы, составляет 10 куб. м/ч. В этом значении заложен запас мощности, поэтому температуру в помещении можно увеличивать без опасения, что насос выйдет из строя. На необходимость изменения температуры жилища могут влиять непредвиденные ситуации, например, аномальные морозы.

Правильно сбалансированная отопительная система, которая работает по принципу принудительной циркуляции, покажет высокий КПД. Это окупит монтаж насоса и затраченное электричество.

Вот и ответ на вопрос, зачем нужно делать расчет расхода теплоносителя в системе отопления.

В идеале, всеми расчетами должны заниматься специалисты с инженерным образованием. Но не всегда есть возможность найти специалиста. Используя формулы и таблицы, можно сделать расчёт и самостоятельно. После того, как будет определена мощность циркуляционного насоса нужной производительности, его можно подобрать в каталоге.

Если появятся сомнения в расчётах, то нужно обратить внимание на приборы, у которых производительность регулируется. В таком случае небольшие неточности в расчётах уже не будут иметь столь принципиального значения.

Гидравлический расчет системы отопления – примеры

Сейчас более востребована автономная отопительная система. Даже жильцы многоквартирных зданий отказываются от центрального отопления в пользу индивидуальной системы обогрева своего жилья. Причины выбора такого обогрева две: доступность и экономичность.

Все понимают, что изначально нужно затратить денежные средства на покупку всех элементов отопления и установить их, но все это быстро окупится. Так как обслуживание такой системы намного дешевле ежемесячных платежей за услуги центрального отопления.

Конечно, достигнуть этих целей можно лишь при верном выборе и правильном монтаже всех элементов. Поэтому очень важен гидравлический расчет системы отопления. Еxcel и другие компьютерные программы помогут облегчить расчет.

Какие бывают способы подключения приборов для отопления

Нужно разобраться, какие способы подключения отопительных приборов бывают. Их существует всего два:

  • Однотрубный;
  • Двухтрубный.

При однотрубной системе устройства подключаются последовательно, таким образом, вода проходит все приборы, и лишь затем возвращается к нагревающему агрегату. А в двухтрубной системе отопления еще дополнительно присутствует обратная труба.

Что нужно выполнить до гидравлического расчета отопительной системы

Самым трудоемким и сложным инженерным этапом системы отопления является расчет гидравлики. Именно по этой причине заранее необходимо выполнить некоторые вычисления. Для начала определите баланс помещений, которые будут обогреваться. Выберите тип устройств и прорисуйте их расстановку в плане здания.

Предполагается, что выбор котла и других элементов уже сделан до гидравлического расчета системы отопления. Еxcel и другие программы помогут выполнить чертеж системы обогрева дома.

Обязательно нужно установить основное кольцо для циркуляции теплообменника. Для гидравлического расчета однотрубной системы отопления это будет замкнутый контур, который включает в себя ряд труб, направленных к стоякам.

А трубы, которые направлены к самому отдаленному обогревательному устройству, делают систему обогрева двухтрубной.

Пример гидравлического расчета системы отопления

Для начала гидравлического расчета однотрубной системы отопления образовываются два кольца отопительной системы, которое больше — называется первым.

Разбивают все кольца на участки, нумеровать нужно от начала общего трубопровода. Для того чтобы не нарушалась циркуляция, необходимо делать вычисления для подачи и обратки параллельно.

Сначала рассчитаем расход теплоносителя, для этого необходимы следующие данные:

  • Нагрузка определенного участка отопительной системы;
  • При какой температуре подается теплоноситель;
  • При какой температуре движется обратно теплоноситель;
  • Теплоемкость воды постоянная величина и равна 4,2 кДж/кг*градусов Цельсия.
Читайте также:  Печь на отработанном масле своими руками

Если предположить, что нагрузка на определенный участок равна 1000 Ватт, тогда можно при помощи специальных таблиц выбрать нужный диаметр труб для обогрева помещения. Обязательно обратите внимание: диаметр начинающей трубы самый большой, а чем дальше он уходит, тем меньше он становится. Двигаться теплоноситель должен со скоростью от 0,2 до 1,5 м/сек.

Если движение будет меньше, тогда система завоздушится, если больше будет шуметь трубопровод. Оптимальной считается скорость 0,5-0,7 м/сек.

В любой системе отопления есть потери напора, это происходит при трении в трубе, радиаторе и арматуре. Для расчета этой величины, необходимо следующие показатели просуммировать:

  • Скорость теплоносителя;
  • Плотность воды;
  • Длину трубы на определенном участке системы;
  • Потерю напора в трубе;
  • Суммарная величина сопротивления теплоносителя.

Для того чтобы получить общую сумму сопротивления необходимо сложить показатели сопротивления на всех участках трубопровода.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления

В инструкции сказано, что при двухтрубной отопительной системе необходимо брать кольцо в расчет показателей более нагруженного стояка трубопровода. А при однотрубной схеме – самого загруженного стояка.

При гидравлическом расчете двухтрубной системы отопления жилища, когда движение жидкости тупиковое, берут в учет кольцо нижнего радиатора самого нагруженного и удаленного стояка.

Если вы выбрали горизонтальную схему отопительной системы, тогда берите за основу кольцо самой загруженной ветки первого этажа здания.

Этот этап очень ответственен и важен, потому что если перепутать выбранные кольца для определенной системы обогрева дома, возможно, потом придется менять весь трубопровод и прибор для отопления.

Теперь главные нюансы гидравлического расчета отопления вы знаете, поэтому можно начинать вычислять.

V = 3,· Pv / ∆T [м3/ч]

  • V[м3/ч] — воздушный поток, создаваемый вентилятором с фильтром.

  • Pv [Ватт] — потеря тепла от рассеивания.

  • ∆T — разница температур воздуха внутри и снаружи шкафа.

Рассчитаем необходимый воздушный поток для нашего примера:

V = 3,1 · Pv / ∆T = 3,1 · 430 / 5 = 267 м3/ч

Смотрим в технические характеристики и подбираем нужный вентилятор с фильтром с воздушным потоком не менее 267 м3/ч. Здесь следует учесть, что вентиляторы с фильтром нужно использовать совместно с выпускной решеткой. Поэтому мы смотрим характеристику воздушного потока вентилятора с фильтром в комбинации с выпускной решеткой. Если характеристика воздушного потока в комбинации с выпускным фильтром производителем не указана, то берут характеристику воздушного потока вентилятора с фильтром на 10-15% выше, чем нужна по расчетам.

В итоге нам подойдет вентилятор производства Stego с фильтром WT310B с воздушным потоком 295 м3/час.

Объем системы отопления

Я об этом писал в другой статье. Теплоноситель, нагретый котлом, остается в доме, а вместе ним и тепло, полученное от сгорания топлива.

Чем больше объем системы, тем дольше работает котел при первом пуске, но тем дольше вода, циркулирующая по трубам, остывает, т.е. котел долго не работает. В системах с небольшим содержанием воды, котел будет более часто включаться – выключаться.

Рассмотрим для примера отопительный цикл, время неважно, внимание уделяем сравнению работы котлов.

Объем системы отопления

Думаю, что можно даже говорить о преимуществе систем с большой емкостью, потому что они позволяют котлу выбрать оптимальный режим работы. Максимальный КПД котел показывает при работе на номинальной мощности. В системах с небольшим объемом это будет затруднительно.

Тем, кто является приверженцем систем с малым объемом воды, будет интересно узнать, что наблюдается обратная тенденция – тенденция к увеличению объема систем отопления. Это объясняется появлением и ростом популярности новых источников тепла: твердого топлива, солнечной энергии, энергии земли. Теплогенераторы, работающие на указанных видах энергии отличаются очень длинными циклами и очень «любят» воду. Как известно, для этих источников тепла, а тем более, когда они используются совместно, устанавливаются теплоаккумуляторы или буферные емкости. Думаю, каждый уже слышал о них.

Обсудить эту статью, оставить отзыв в Google+ | Вконтакте | Facebook