Гидравлический расчет системы отопления

Современные системы отопления имеют принципиально иной подход к регулированию — это не процесс наладки перед пуском с последующей работой в постоянном гидравлическом режи­ме, это системы с постоянно изменяющимся тепловым режимом в процессе эксплуатации, что, соответственно, требует оборудования для отслеживания этих изменений и реагирования на них. Новые подходы, решения, материалы и конструкции в системах отопления развивают эти и без того сложнейшие и динамические системы. В этих условиях специалисты должны владеть многообразием и спецификой применения современной регулирующей арматуры для реализации высокотехнологичных и энергоэффективных систем отопления с оптимизированными капитальными затратами.

Задачи и последовательность гидравлического расчета системы отопления

Гидравлический расчет наряду с использованием и правильной установкой регулирующей арматуры в современных системах отопления является гарантией эффективной работы.

Основные моменты эффективной работы системы отопления заключаются в:

• подаче теплоносителя к отопительным приборам в количестве, достаточном для обеспечения теплового баланса помещений при изменяющейся температуре наружного воздуха и задаваемой пользователем помещения температуры внутреннего воздуха (в пределах нормируемой для данного функционального назначения помещения);
• минимизации эксплуатационных затрат, в том числе энергетических, на преодоление гидравлического сопротивления системы;
• минимизации капиталовложений при строительстве системы отопления, зависящей, в том числе, от принятых диаметров трубопроводов;
• бесшумности, надежности и стабильности работы системы отопления.

Для обеспечения соответствия систем отопления перечисленным требованиям следует решить следующие задачи, которые реализуются в процессе гидравлического расчета:

1. определить диаметры трубопроводов на участках системы отопления с учетом рекомендованных и экономически целесообразных скоростей движения теплоносителя;
2. рассчитать гидравлические потери давления на участках системы;
3. выполнить гидравлическую увязку параллельных приборных и других ветвей системы, с использованием регулирующей арматуры для динамической балансировки при нестационарных тепловых и гидравлических режимах работы системы отопления;
4. определить потери давления и расход теплоносителя в системе отопления.

Гидравлический расчет является наиболее сложным, трудоемким и важным этапом при проектировании водяных систем отопления. Перед его проведением должны быть выполненны­ми следующие расчетно-графические работы:

• определен тепловой баланс отапливаемых помещений;
• выбран тип отопительных приборов или теплообменных поверхностей и выполнено их размещение в отапливаемых помещениях на планах здания;
• приняты принципиальные решения по конфигурации системы водяного отопления (размещению источника теплоты, трассировке магистральных трубопроводов и приборных веток), типу используемых трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры (вентилей, кранов, клапанов и регуляторов давления, расхода, терморегуляторов);
• вычерчена схема системы отопления (желательно аксонометрическая) с указанием номера, тепловых нагрузок и длин расчетных участков;
• определено главное циркуляционное кольцо — замкнутый контур, который включает последовательные участки трубопроводов с максимальным расходом теплоносителя от источника тепловой энергии к наиболее отдаленному отопительному прибору (для двухтрубной системы) или приборной ветке-стояку (при однотрубной системе) и назад к источнику теплоты.

Расчетным участком трубопровода является участок постоянного диаметра с неизменным расходом теплоносителя, определенным по тепловому балансу помещений. Нумерацию рас­четных участков начинают от источника теплоты (ИТП или теплогенератора). Узловые точки в местах ответвлений на подающем магистральном трубопроводе, как правило, обозначают заглавными буквами алфавита; в соответствующих узлах на сборных магистральных трубопроводах их указывают со штрихом.

Узловые точки в местах ответвлений распределительных приборных веток (стояков) обозначают арабскими цифрами, которые отвечают номеру этажа в горизонтальных системах или номеру приборной ветки-стояка в вертикальных системах; в узлах сбора потоков теплоносителя эти номера указывают со штрихом. Номер каждого расчетного участка состоит из двух букв или цифр, которые отвечают началу и концу участка.

Нумерацию приборных веток (стояков) в вертикальных системах отопления рекомендуется выполнять арабскими цифрами по часовой стрелке по периметру здания, начиная от квартиры, расположенной в верхний левой части плана этажа.

Длины участков трубопроводов системы отопления с точностью до 0,1 м определяют по планам, вычерченным в масштабе.

Тепловая нагрузка расчетного участка равняется тепловому потоку, который должен передать (на подающих трубопроводах) или передал (на обратных трубопроводах) теплоноситель, который транспортируется на участке. Тепловая нагрузка расчетных участков системы магистральных распределительных и сборных трубопроводов с округлением до 10 Вт вычисляют после нанесения тепловой нагрузки на все отопительные приборы и приборные ветки. Как правило, тепловую нагрузку расчетного участка Q_i-j, Вт, указывают над выносной линией, а длину участка l_i-j в метрах — под выносной линией.

Зная количество теплоты на i-j-участке системы отопления Q_i-j — которое транспортирует теплоноситель с температурами в t_г подающем и t_о в обратном трубопроводах, можно определить необходимый расход теплоносителя на соответствующих участках системы отопления

где:
с = 4,2 кДж/(кг·°С) — удельная теплоемкость воды;
t_г — расчетная температура горячего теплоносителя в системе отопления, °С;
t_о — расчетная температура охлажденного теплоносителя в системе отопления, °С.

Определение диаметров трубопроводов на участках системы отопления

Для распределения теплоносителя между отопительными приборами в системах отопления используют трубопроводы, выполненные из черной и нержавеющей стали, меди, различных модификаций полиэтилена РЕ-Х, полипропилена РР, полибутилена РВ, а также многослойных труб PE-Xc-AI-PE-X и др.

Основными технико-экономическими требованиями при определении диаметров трубопроводов в системах отопления являются:

• минимизация эксплуатационных затрат на преодоление гидравлического сопротивления при циркуляции теплоносителя в системе;
• минимизация капитальных затрат при строительстве на трубопроводы и запорно-регулирующую арматуру принятых диаметров.

Для удовлетворения первого из требований диаметры трубопроводов и установленной регулирующей арматуры должны быть в пределах обеспечения минимальной скорости движения теплоносителя 0,2–0,25 м/с, необходимой для удаления пузырьков воздуха, которые способны образовывать воздушные пробки.

Малые скорости движения теплоносителя приводят к увеличению диаметров трубопроводов и, как следствие, к ряду отрицательных моментов при строительстве и эксплуатации систем водяного отопления:

• увеличение материалоемкости (металлоемкости) системы;
• увеличение стоимости системы отопления;
• увеличение количества (объема) теплоносителя в системе;
• снижение быстродействия системы (увеличение тепловой инерции).

Для обеспечения минимизации капитальных затрат по второму экономическому условию — диаметры трубопроводов и арматуры должны быть наименьшими, но не приводящими при расчетном расходе теплоносителя к появлению гидравлических шумов в трубопроводах и запорно-регулирующей арматуре системы отопления, которые возникают при значениях скорости теплоносителя 0,6–1,5 м/с в зависимости от величины коэффициента местного сопротивления.

Очевидно, что при противоположной направленности приведенных требований к величине определяемого диаметра трубопровода существует область целесообразных значений скорости движения теплоносителя. Как показывает опыт строительства и эксплуатации систем отопления, а также сопоставление капитальных и эксплуатационных затрат, оптимальная область значений скоростей движения теплоносителя находится в пределах 0,3…0,7 м/с. При этом удельные потери давления будут составлять 45…280 Па/м для полимерных трубопроводов и 60…480 Па/м для стальных водогазопроводных труб.

Учитывая более высокую стоимость трубопроводов из полимерных материалов, целесообразно придерживаться более высоких скоростей движения теплоносителя в них для предотвращения увеличения капиталовложений при строительстве. При этом эксплуатационные затраты (гидравлические потери давления) в трубах из полимерных материалов в сравнении со стальными трубами будут меньше или оставаться на том же уровне благодаря значительно более низкой величине коэффициента гидравлического трения.

Для определения внутреннего диаметра трубопровода d_вн на расчетном участке системы отопления при известном транспортируемом тепловом потоке и разности температур в подающем и обратном трубопроводах ∆t_co = 90 – 70 = 20°С (для двухтрубных систем отопления) или расходе теплоносителя удобно пользоваться таблицей 1.

Таблица 1. Определение внутреннего диаметра трубопроводов системы отопления

Дальнейший выбор трубопроводов для инженерных систем жизнеобеспечения, в том числе и отопления, заключается в определении типа трубы, которая при планируемых условиях эксплуатации обеспечит максимальную надежность и долговечность. Столь высокие требования объясняются тем, что трубопроводы систем горячего и холодного водоснабжения, отопления, теплоснабжения установок вентиляции и кондиционирования воздуха, газоснабжения и других инженерных систем проходят практически через весь объем здания.

Стоимость трубопроводов всех инженерных систем в сравнении со стоимостью здания — менее 0,1%, а авария или замена трубопроводов при их сроке эксплуатации менее срока эксплуатации здания приводит к значительным дополнительным затратам на косметический или капитальный ремонты, не говоря о возможных убытках при аварии на восстановление оборудования и материальных ценностей, находящихся в здании.

Все трубы промышленного изготовления, которые применяют в системах отопления, можно разделить на две большие группы — металлические и неметаллические. Главная отличительная особенность металлических труб — механическая прочность, неметаллических — долговечность.

На основании предварительно определенного внутреннего диаметра трубопровода принимают соответствующий диаметр условного прохода d_y для металлических труб или наружный диаметр и толщину стенки трубы d_н x s для полимерных (металлополимерных) трубопроводов.

Разные типы труб имеют различные механические, гидравлические и эксплуатационные характеристики, оказывающие различное влияние на процессы гидродинамики и распределения тепловых потоков в системе отопления.

Известно, что при снижении гидравлических потерь давления на трение при движении теплоносителя в трубах повышается эффективность регулирования расходом теплоносителя (тепловым потоком) отопительного прибора за счет увеличения (перераспределения) срабатываемого располагаемого давления на регулируемых вручную или автоматически вентилях, кранах, клапанах или другой арматуре. При этом говорят о росте авторитета регулирующего вентиля. Под авторитетом регулирующей арматуры следует понимать долю располагаемого на регулируемом участке давления, которая расходуется на преодоление местного сопротивления вентиля (клапана) при движении теплоносителя.

Определение потерь давления на участках систем водяного отопления

Совокупность последовательно соединенных участков системы отопления, от источника теплоты до отопительных приборов и обратно, образуют циркуляционные кольца, по которым осуществляется движение теплоносителя. В двухтрубных системах отопления количество циркуляционных колец равно количеству отопительных приборов, а в однотрубных — количеству приборных веток (стояков).

Необходимое, пропорциональное тепловым нагрузкам, распределение теплоносителя по циркуляционным кольцам системы отопления осуществляется обратно пропорционально потерям давления в этих кольцах. Причем обратная пропорциональность является квадратичной.

Последующий этап гидравлического расчета заключается в определении потерь давления в системе отопления, которые определяются как сумма потерь давления на участках, образующих главное циркуляционное кольцо. В общем случае каждый их этих участков представляет собой трубопровод постоянного диаметра, на котором может быть установлена запорная и регулирующая арматура, а также оборудование системы отопления, которые являются местными гидравлическими сопротивлениями.

Таким образом, потери давления на произвольном участке системы целесообразно представлять как сумму двух составляющих: потери давления на гидравлическое трение при транспортировании теплоносителя в трубе и потери давления в местных сопротивлениях. Представленное описание гидравлических процессов, происходящих на участке любой гидравлической системы, описывается формулой Дарси-Вейсбаха:

где:
∆Р_l — потери давления на трение в трубопроводе участка системы отопления, Па;
∆Р_м — потери давления в местных сопротивлениях на участке системы отопления, Па;
ρ — плотность транспортируемого теплоносителя, кг/м³;
λ — коэффициент гидравлического трения;
d и l — соответственно внутренний диаметр и длина трубопровода на участке системы отопления, м;
Σξ — сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений на участке;
ν — скорость теплоносителя, м/с.

Для определения коэффициента гидравлического трения трубопроводов λ в мировой практике существуют несколько общепринятых зависимостей. Так, в странах СНГ наибольшее распространение получила формула Альтшуля:

а в странах Западной Европы используют формулу Колбрука-Уайта:

где:
Re — число Рейнольда;
k_э — эквивалентная шероховатость трубы, мм.

Анализ результатов вычислений коэффициентов гидравлического трения А, полученных на основании приведенных формул в области экономически целесообразных скоростей движения теплоносителя в трубах 0,4–0,6 м/с, что соответствует переходному режиму протекания жидкости, показывает, что формула Альтшуля является более точной как для стальных, так и полимерных трубопроводов. Некоторые гидродинамические характеристики труб приведены в табл. 3.

Таблица 3. Гидродинамические характеристики труб

Приведенные выше аналитические зависимости положены в основу существующих методов гидравлических расчетов систем отопления, в том числе и наиболее распространенного — метода характеристик сопротивления.

Согласно метода характеристик сопротивления и как это видно из уравнения (2) потери давления на участке прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя:

где:
G — массовый расход теплоносителя на участке, кг/ч;
S — характеристика гидравлического сопротивления участка системы, Па/(кг/ч)².

Величина характеристики гидравлического сопротивления участка в физическом смысле представляет собой потери давления на участке при единичном массовом расходе теплоносителя и определяется по формуле:

где:
А — удельное динамическое давление, Па/(кг/ч)²;
ξ_пр — приведенный коэффициент местных сопротивлений участка.

Удельное динамическое давление в трубопроводе фиксированного диаметра есть не что иное, как динамическое давление, создаваемое протекающим теплоносителем при массовом расходе 1 кг/ч, и при отсутствии данных производителя может быть определено по формуле:

Приведенный коэффициент местных сопротивлений участка представляет собой сумму местных сопротивлений на участке и величины ((λ/d)·l), которая адекватна коэффициенту местного сопротивления, учитывающему потери давления на гидравлическое трение.

В настоящее время в связи с бурным развитием рынка трубопроводов из полимерных материалов, имеющих близкие значения по эквивалентной шероховатости k_э, многие производители труб приводят удельные потери давления R, Па/м для выпускаемого сортамента труб. Это позволяет упростить методику определения потерь давления на участке системы:

Приведенное уравнение составляет суть метода гидравлического расчета по удельным потерям давления.

Таким образом, для определения потерь давления на участке системы отопления с предварительно определенным диаметром трубы d необходимо знать:

• λ/d и А или R — гидравлические характеристики трубопровода;
• l — длину трубопровода на расчетном участке системы;
• Σξ — конфигурацию участка и коэффициенты местных сопротивлений установленной на участке запорно-регулирующей арматуры и оборудования.

Гидравлическое сопротивление системы отопления определяется как сумма величин потерь давления на участках, которые составляют главное циркуляционное кольцо системы.

Гидравлическая увязка циркуляционных колец

Очевидно, что общее количество теплоносителя системы отопления распределяется по циркуляционным кольцам таким образом, что потери давления на перемещение соответствующих количеств теплоносителя в соответствующих кольцах равны между собой в точках сопряжения колец. Таким образом, для распределения теплоносителя в соответствии с тепловыми нагрузками циркуляционных колец системы отопления необходимо выполнить гидравлическую увязку за счет обеспечения одинаковых потерь давления в кольцах для расходов тепло-/холодоносителя, обусловленных текущей тепловой нагрузкой кольца.

Для выравнивания гидравлических потерь в кольцах системы отопления используется балансировочная арматура ручного или автоматического регулирования, выпускаемая ГЕРЦ Арматурен и другими производителями. Яркими примерами балансировочной арматуры могут служить:

• ручные регулирующие балансировочные вентили семейства Штрёмакс (ГЕРЦ Арматурен);
• автоматический балансировочный клапан — регулятор перепада давления типоряд 4007 (ГЕРЦ Арматурен).

Практический опыт и результаты гидравлических испытаний, проведенные производителями балансировочной арматуры, позволяют сделать выводы о том, что с целью получения максимального эффекта гидравлического регулирования и обеспечения эффективной работы радиаторных термостатов (радиаторный термостатический клапан, оборудованный термостатической головкой — РТ) балансировочная арматура должна размещаться наиболее близко к приборным веткам при установке РТ на отопительных приборах.

Исследования также показали, что при установке РТ или при ручном регулировании теплового потока радиаторов система отопления большую часть отопительного периода работает в динамическом режиме. При использовании ручных балансировочных вентилей в двухтрубных системах происходит перераспределение теплоносителя из перекрываемого отопительного прибора на соседние отопительные приборы приборной ветки-стояка. Это приводит к снижению энергетической эффективности использования РТ.

В однотрубных системах при перекрытии клапана на одном из отопительных приборов приборной ветки-стояка наблюдается снижение общего расхода теплоносителя в стояке и на всех отопительных приборах, что приводит к снижению температуры в отапливаемых помещениях до начала реакции термостатических головок на клапанах отопительных приборов.

Рис. 1. Балансировочный вентиль Штрёмакс 4017 с измерительной диафрагмой и измерительными клапанами	Рис. 2. Балансировочный вентиль Штрёмакс GR 4217 и автоматический регулятор перепада давления Герц 4007

Пример гидравлического расчета
двухтрубной системы отопления

Пример гидравлического расчета системы отопления коттеджа с использованием программы расчета HERZ СО 3.5

• Район расположения объекта — г. Измаил.
• Здание с подвалом.
• Проектируемое здание: 2-этажное с подвалом и мансардой, высота этажа — 3,10 м.
• Источник теплоснабжения — котел с параметрами теплоносителя Т_г = 80°С, Т_о = 60°С.
• Характеристика ограждающих конструкций:
  стена: трехслойная
  – цементно-песчаная штукатурка (δ = 0,02 м; ρ = 1800 кг/м³; λ = 0,93 Вт/м²с);
  – несущий слой — газобетон (ρ = 600 кг/м³; λ = 0,26 Вт/м²с);
  – известково-песчаная штукатурка (δ = 0,03 м; ρ = 1600 кг/м³; λ = 0,87 Вт/м²с);
  покрытие: четырехслойное
  – известково-песчаная штукатурка (δ = 0,02 м; ρ = 1600 кг/м³; λ = 0,81 Вт/м²с);
  – железобетонная плита (δ = 0,22 м; ρ = 2500 кг/м³; λ = 2,04 Вт/м²с);
  – утеплитель — пенополиуретан (ρ = 80 кг/м³; λ = 0,05 Вт/м²с);
  – рубероид (δ = 0,015 м; ρ = 600 кг/м³; λ = 0,17 Вт/м²с);
  окна — металлопластиковые, двойное остекление;
  двери — деревянные одинарные.
• Параметры теплоносителя системы отопления Т_г = 80°С, Т_о = 60°С.

Обоснование выбора системы отопления

В зданиях с совмещенной кровлей, то есть без чердака, и при наличии подвала наиболее целесообразно применять двухтрубную систему отопления с горизонтальной разводкой по этажам и одним стояком. Установка приборов осуществляется на планах этажей под окнами (с целью локализации холодных потоков воздуха не исключается возможность установки приборов у внутренних перегородок и глухих наружных стен).

К расчету принята следующая система отопления коттеджа:

• двухтрубная, тупиковая, горизонтальная;
• поэтажная с нижней разводкой;
• с принудительной циркуляцией.

Рис. 3. Фасад коттеджа

В проекте предусмотрен один вертикальный стояк и 8 веток: одна ветка в подвале, две ветки — на 1-ом этаже, три ветки — на 2-ом этаже и две ветки — на мансардном этаже.

Система отопления монтируется с применением металлополимерной трубы ГЕРЦ PE-RT/AI/ PE-HD.

При данной разводке подающий и обратный трубопроводы прокладываются в подготовке пола. Трубопроводы системы отопления, проложенные в подготовке пола, должны быть теплоизолированными.

На рис. 4–7 представлены по­этажные планы с разводкой трубопроводов и установленными отопительными приборами, где указаны:

• диаметры трубопроводов,
• размер отопительного прибора,
• предварительная настройка термостатических клапанов (по результатам гидравлического расчета).

Рис. 4. План подвала

Рис. 5. План первого этажа

Рис. 6. План второго этажа

Рис. 7. План мансардного этажа

Гидравлический расчет системы отопления коттеджа

Гидравлический расчет системы отопления коттеджа выполнен в программе HERZ С.О. версия 3.5 по удельным линейным потерям давления на трение при перепадах температуры теплоносителя во всех ветках, равных расчетному перепаду температуры теплоносителя во всей системе.

Выполняя гидравлический и тепловой расчет системы отопления в программе HERZ С.О. версия 3.5 при проектировании новой системы отопления, программа подбирает диаметры трубопроводов; предварительную настройку термостатических клапанов, если термостатические клапаны с предварительной настройкой; настройку регулирующих вентилей; настройку балансировочных вентилей; настройку автоматических регуляторов перепада давления и размеры отопительных приборов.

Выбирается расчетный циркуляционный контур с «регулируемым участком». «Регулируемый участок» — это часть трубопровода с отопительным прибором и термостатическим клапаном на подводке к отопительному прибору. Обычно это наиболее протяженное циркуляционное кольцо запроектированной системы, начиная от котла, через стояк и обратно к котлу. В данном случае регулируемый участок находится в комнате 103. Расчетный циркуляционный контур разбивается на участки: уч_1-1а, уч_2-2а, уч_3-3а, уч_4-4а, уч_5-5а, уч_6-6а, уч_7-7а, уч_8-8а, уч_9-9а, уч_10-10а, уч_11-11а, уч_12-12а, уч_13-13а.

Потери давления в расчетном циркуляционном контуре складываются из суммы потерь давления на участках расчетного циркуляционного контура.

∆Руч = Lуч · R + Z,

где:
∆Руч — потери давления на участке, Па;
Lуч — длина участка, м;
R — удельное линейное падение давления на трение, Па/м;
Z — потери давления на местные сопротивления, Па.

Z = Σξρ · w²/2,

где:
ξ — коэффициент местного сопротивления;
w — скорость, м/с;
ρ — плотность воды, кг/м³.

Рис. 8. Аксонометрическая схема системы отопления коттеджа

Рис. 9. Расчетный циркуляционный контур, от котла до отопительного прибора (включительно) в помещении 103

Таблица 4. Итоги гидравлического расчета расчетного циркуляционного контура с учетом потерь давления на местные сопротивления на участках

∆Ррцк = ∆Руч_1-1а + ∆Руч_2-2а + ∆Руч_3-3а + ∆Руч_4-4а + ∆Руч_5-5а + ∆Руч_6-6а +
+ ∆Руч_7-7а + ∆Руч_8-8а + ∆Руч_9-9а + ∆Руч_10-10а + ∆Руч_11-11а + ∆Руч_12-12а + ∆Руч_13-13а

где:
L — длина участка, м;
dn — наружный диаметр трубопровода, мм;
Q — тепловая нагрузка участка, Вт;
G — расход теплоносителя, проходящего через участок, кг/ч;
w — скорость теплоносителя, м/с;
R — удельное линейное падение давления на участке, Па/м;
ξ — сумма коэффициентов местных сопротивлений;
∆Р — потери давления на участке, Па;
∆Рр_цк — сопротивление расчетного циркуляционного контура, Па;
∆Р_гр — естественное циркуляционное давление, Па;
L_цк — длина подающего и обратного трубопроводов, соединяющих источник тепла и потребителя тепла, м.
∆Н — разница высот между центром потребителя тепла (радиатор) и центром источника тепла (котел).

Потери давления в расчетном циркуляционном контуре, без учета естественного циркуляционного давления, составляют — 11725 Па.

Второстепенные циркуляционные контуры системы отопления коттеджа рассчитываются аналогично. Потери давления второстепенных циркуляционных контуров должны быть равны потерям давления расчетного циркуляционного контура, т.е.

Обеспечение этого равенства (гидравлическая увязка системы отопления коттеджа) для рассчитываемой системы осуществляется термостатическими клапанами с предварительной настройкой ГЕРЦ TS-90-V, которые установлены на подающих подводках к отопительным приборам.

В данной таблице приведены общие итоги гидравлического и теплового расчета системы отопления коттеджа.

Рис. 10. Расчетная схема гидравлического и теплового расчета системы отопления коттеджа

Варианты установки регулирующей арматуры

На рисунках 11, 12, 13 и представлены примеры установки ручных балансировочных вентилей и автоматических регуляторов перепада давления в двухтрубных системах отопления. Увязка системы отопления с помощью термостатических клапанов, регулирующих радиаторных вентилей, балансировочных вентилей и автоматических регуляторов перепада дав­ления исключает перерасход тепла в помещениях первых по ходу теплоносителя (превышение температуры воздуха в помещении над расчетной на 1–2°С приводит к перерасходу тепла на 6–10%) и недогрев удаленных помещений.

На рис. 11 показаны примеры установки арматуры на стояках при статической (а) и динамической (б) балансировке и термостатических клапанов на приборных подводках. Увязка приборных веток на стояке реализуется с помощью термостатических клапанов ГЕРЦ TS-90-V с предварительной настройкой. Предварительная настройка термостатических клапанов при одинаковых расходах теплоносителя увеличивается по ходу теплоносителя, при этом потери давления на термостатических клапанах уменьшаются, тем самым обеспечивается равенство потерь давления в приборных ветках стояка.

Рис. 11. Схема фрагмента вертикальной тупиковой двухтрубной системы водяного отопления с нижней разводкой обеих магистралей
а) статическая балансировка; б) динамическая балансировка

Для гидравлической увязки стояков системы отопления можно применить ручные балансировочные вентили (статическая балансировка) и автоматические регуляторы перепада давления (динамическая регулировка), которые обеспечивают необходимые потери давления на стояках и, соответственно, расчетные значения расхода теплоносителя.

Для варианта «а», при работе системы отопления с переменными нагрузками, например, в переходной период отопительного сезона, существует потенциальная возможность превышения максимально допустимого перепада давления на термостатических клапанах, а также перераспределения расхода теплоносителя между отопительными приборами и стояками.

Для варианта «б», за счет поддержания постоянной разницы давления между стояками, с помощью автоматического регулятора перепада давления ГЕРЦ 4007, обеспечиваются требуемые условия для работы термостатических клапанов и исключается перераспределение количества теплоносителя между стояками на протяжении всего периода эксплуатации системы отопления.

На рис. 12 представлена схема фрагмента двухтрубной системы отопления с поквартирной горизонтальной разводкой через трубный распределитель. В данном случае регулятор перепада давления ГЕРЦ 4007 не только обеспечивает и поддерживает расчетное значение потерь давления каждой квартиры, но и вместе с балансировочным вентилем выполняет гидравлическую увязку систем отопления квартир и увязывает систему отопления по этажам.

Рис. 12. Схема фрагмента вертикальной тупиковой двухтрубной системы отопления с поквартирной горизонтальной разводкой с регулятором перепада давления и ручным балансировочным вентилем на вводе в квартиру

Рис. 13. Схема фрагмента вертикальной тупиковой двухтрубной системы отопления с поквартирной горизонтальной разводкой с регулятором перепада давления и ручным балансировочным вентилем перед/после трубного распределителя

На рис. 13 представлена схема фрагмента двухтрубной системы отопления с поквартирной горизонтальной разводкой через трубный распределитель.

Регулятор перепада давления ГЕРЦ 4007, установленный перед распределителем, поддерживает расчетное значение потерь давления системы отопления наиболее нагруженной квартиры, с учетом потерь давления на распределителе, и вместе с балансировочным вентилем увязывает систему отопления между этажами. Балансировочные вентили, установленные на обратном трубопроводе каждой квартиры, обеспечивают гидравлическую увязку поквартирных систем отопления.

По материалам книги «Проектирование систем водяного отопления»,
Зайцев О.Н., Любарец А.П.

Гидравлический расчёт системы отопления

Сегодня разберём, как произвести гидравлический расчёт системы отопления. Ведь по сей день распространяется практика проектирования отопительных систем по наитию. Это в корне неверный подход: без предварительного расчёта мы задираем планку материалоёмкости, провоцируем нештатные режимы работы и лишаемся возможности добиться максимальной эффективности.

Цели и задачи гидравлического расчёта

С инженерной точки зрения жидкостная система отопления представляется достаточно сложным комплексом, включающим устройства генерации тепла, его транспортировки и выделения в обогреваемых помещениях. Идеальным режимом работы гидравлической системы отопления считается такой, при котором теплоноситель поглощает максимум тепла от источника и передаёт его комнатной атмосфере без потерь в процессе перемещения. Конечно, такая задача видится совершенно недостижимой, однако более вдумчивый подход позволяет предсказать поведение системы в различных условиях и максимально приблизиться к эталонным показателям. Это и есть главная цель проектирования систем отопления, важнейшей частью которого по праву считается гидравлический расчёт.

Практические цели гидравлического расчёта таковы:

1. Понять, с какой скоростью и в каком объёме осуществляется перемещение теплоносителя в каждом узле системы.
2. Определить, какое влияние оказывает изменение режима работы каждого из устройств на весь комплекс в целом.
3. Установить, какая производительность и рабочие характеристики отдельных узлов и устройств будут достаточными для выполнения отопительной системой своих функций без значительного удорожания и обеспечения необоснованно высокого запаса надёжности.
4. В конечном итоге — обеспечить строго дозированное распределение тепловой энергии по различным зонам отопления и гарантировать, что это распределение будет сохраняться с высоким постоянством.

Можно сказать больше: без хотя бы базовых расчётов невозможно добиться приемлемой стабильности работы и долговечного использования оборудования. Моделирование действия гидравлической системы, по сути, является базисом, на котором строится вся дальнейшая проектная разработка.

Виды систем отопления

Задачи инженерных расчётов такого рода осложняются высоким разнообразием систем отопления, как с точки зрения масштабности, так и в плане конфигурации. Различают несколько видов отопительных развязок, в каждой из которых действуют свои закономерности:

1. Двухтрубная тупиковая система — наиболее распространённый вариант устройства, неплохо подходящий для организации как центральных, так и индивидуальных контуров обогрева.

Двухтрубная тупиковая система отопления

2. Однотрубная система или «Ленинградка» считается лучшим способом устройства гражданских отопительных комплексов тепловой мощностью до 30–35 кВт.

Однотрубная система отопления с принудительной циркуляцией: 1 — котёл отопления; 2 — группа безопасности; 3 — радиаторы отопления; 4 — кран Маевского; 5 — расширительный бак; 6 — циркуляционный насос; 7 — слив

3. Двухтрубная система попутного типа — наиболее материалоёмкий вид развязки отопительных контуров, отличающийся при этом наивысшей из известных стабильностью работы и качеством распределения теплоносителя.

Двухтрубная попутная система отопления (петля Тихельмана)

4. Лучевая разводка во многом схожа с двухтрубной попуткой, но при этом все органы управления системой вынесены в одну точку — на коллекторный узел.

Лучевая схема отопления: 1 — котёл; 2 — расширительный бак; 3 — коллектор подачи; 4 — радиаторы отопления; 5 — коллектор обратки; 6 — циркуляционный насос

Прежде чем приступить к прикладной стороне расчётов, нужно сделать пару важных предупреждений. В первую очередь нужно усвоить, что ключ к качественному расчёту лежит в понимании принципов работы жидкостных систем на интуитивном уровне. Без этого рассмотрение каждой отдельно взятой развязки превращается в переплетение сложных математических выкладок. Второе — практическая невозможность изложить в рамках одного обзора больше, чем базовые понятия, за более подробными разъяснениями лучше обратиться к такой литературе по расчёту отопительных систем:

• Пырков В. В. «Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика» 2-е издание, 2010 г.
• Р. Яушовец «Гидравлика — сердце водяного отопления».
• Пособие «Гидравлика котельных» от компании De Dietrich.
• А. Савельев «Отопление дома. Расчёт и монтаж систем».

Определение расхода и скорости движения теплоносителя

Наиболее известная методика расчёта гидравлических систем основывается на данных теплотехнического расчёта, которым определяется норма восполнения теплопотерь в каждом помещении и, соответственно, тепловая мощность радиаторов, в них установленных. На первый взгляд всё просто: мы имеем общее значение тепловой мощности и затем дозируем поступление теплоносителя к каждому нагревательному прибору. Для большего удобства предварительно строится аксонометрический эскиз гидравлической системы, который аннотируется требуемыми показателями мощности радиаторов или петель водяного тёплого пола.

Аксонометрическая схема системы отопления

Переход от теплотехнического расчёта к гидравлическому осуществляется путём введения понятия массового потока, то есть некой массы теплоносителя, подводимого к каждому участку отопительного контура. Массовый поток есть отношение требуемой тепловой мощности к произведению удельной теплоёмкости теплоносителя на разность температур в подающем и возвратном трубопроводе. Таким образом, на эскизе отопительной системы отмечают ключевые точки, для которых указывается номинальный массовый поток. Для удобства параллельно определяется и объёмный поток с учётом плотности используемого теплоносителя.

• G — расход теплоносителя, кг/с
• Q — необходимая тепловая мощность, Вт
• c — удельная теплоёмкость теплоносителя, для воды принимаемая 4200 Дж/(кг·°С)
• ΔT = (t₂ — t₁) — разность температур между подачей и обраткой, °С

Логика здесь проста: чтобы доставить необходимое количество тепла к радиатору, нужно сперва определить объём или массу теплоносителя с заданной теплоёмкостью, проходящего через трубопровод за единицу времени. Для этого требуется определить скорость движения теплоносителя в контуре, которая равна отношению объёмного потока к площади сечения внутреннего прохода трубы. Если расчёт скорости ведётся относительно массового потока, в знаменатель нужно добавить значение плотности теплоносителя:

V = G / (ρ · f)

• V — скорость движения теплоносителя, м/с
• G — расход теплоносителя, кг/с
• ρ — плотность теплоносителя, для воды можно принять 1000 кг/м 3
• f — площадь сечения трубы, находится по формуле π­·r 2 , где r — внутренний диаметр трубы, делённый на два

Данные о расходе и скорости необходимы для определения условного прохода труб развязки, а также подачи и напора циркуляционных насосов. Устройства принудительной циркуляции должны создавать избыточное давление, позволяющее преодолеть гидродинамическое сопротивление труб и запорно-регулирующей арматуры. Наибольшую сложность представляет гидравлический расчёт систем с естественной (гравитационной) циркуляцией, для которых требуемое избыточное давление рассчитывается по скорости и степени объёмного расширения нагреваемого теплоносителя.

Потери напора и давления

Расчёт параметров по описанным выше соотношениям был бы достаточен для идеальных моделей. В реальной жизни и объёмный поток, и скорость теплоносителя всегда будут отличаться от расчётных в разных точках системы. Причина тому — гидродинамическое сопротивление движению теплоносителя. Оно обусловлено рядом факторов:

1. Силами трения теплоносителя о стенки труб.
2. Местными сопротивлениями протоку, образуемыми фитингами, кранами, фильтрами, термостатирующими клапанами и прочей арматурой.
3. Наличием разветвлений присоединительного и ответвительного типов.
4. Турбулентными завихрениями на поворотах, сужениях, расширениях и т. д.

Задача нахождения падения давления и скорости на разных участках системы по праву считается наиболее сложной, она лежит в области расчётов гидродинамических сред. Так, силы трения жидкости о внутренние поверхности трубы описываются логарифмической функцией, учитывающей шероховатость материала и кинематическую вязкость. С расчётами турбулентных завихрений всё ещё сложнее: малейшее изменение профиля и формы канала делает каждую отдельно взятую ситуацию уникальной. Для облегчения расчётов вводится два опорных коэффициента:

1. Кvs — характеризующий пропускную способность труб, радиаторов, разделителей и прочих участков, приближенных к линейным.
2. К_мс — определяющий местные сопротивления в различной арматуре.

Эти коэффициенты указываются производителями труб, клапанов, кранов, фильтров для каждого отдельно взятого изделия. Пользоваться коэффициентами достаточно легко: для определения потери напора Кмс умножают на отношение квадрата скорости движения теплоносителя к двойному значению ускорения свободного падения:

• Δh_мс — потери напора на местных сопротивлениях, м
• Δp_мс — потери напора на местных сопротивлениях, Па
• К_мс — коэффициент местного сопротивления
• g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2
• ρ — плотность теплоносителя, для воды 1000 кг/м 3

Потеря напора на линейных участках представляет собой отношение пропускной способности канала к известному коэффициенту пропускной способности, причём результат деления нужно возвести во вторую степень:

Р = (G/Kvs) 2

• Р — потеря напора, бар
• G — фактический расход теплоносителя, м 3 /час
• Kvs — пропускная способность, м 3 /час

Предварительная балансировка системы

Важнейшей финальной целью гидравлического расчёта системы отопления является вычисление таких значений пропускной способности, при которых в каждую часть каждого контура отопления поступает строго дозированное количество теплоносителя с определённой температурой, чем обеспечивается нормированное выделение тепла на нагревательных приборах. Эта задача лишь на первый взгляд кажется сложной. В действительности балансировка выполняется за счёт регулировочных клапанов, ограничивающих проток. Для каждой модели клапана указывается как коэффициент Kvs для полностью открытого состояния, так и график изменения коэффициента Kv для разной степени открытия регулировочного штока. Изменяя пропускную способность клапанов, которые, как правило, устанавливаются в точках подключения нагревательных приборов, можно добиться искомого распределения теплоносителя, а значит, и количества переносимой им теплоты.

Есть, однако, небольшой нюанс: при изменении пропускной способности в одной точке системы меняется не только фактический расход на рассматриваемом участке. Из-за снижения или увеличения протока в некой степени меняется баланс во всех остальных контурах. Если взять для примера два радиатора с разной тепловой мощностью, соединённых параллельно при встречном движении теплоносителя, то при увеличении пропускной способности прибора, стоящего в цепи первым, второй получит меньше теплоносителя из-за увеличения разницы в гидродинамическом сопротивлении. Напротив, при снижении протока за счёт регулировочного клапана все остальные радиаторы, стоящие по цепочке дальше, получат больший объём теплоносителя автоматически и будут нуждаться в дополнительной калибровке. Для каждого типа разводки действуют свои принципы балансировки.

Программные комплексы для расчётов

Очевидно, что выполнение расчётов вручную оправдано только для малых систем отопления, имеющих максимум один или два контура с 4–5 радиаторами в каждом. Более сложные системы отопления тепловой мощностью свыше 30 кВт требуют комплексного подхода при расчёте гидравлики, что расширяет спектр используемых инструментов далеко за пределы карандаша и листа бумаги.

Danfoss C.O. 3.8

На сегодняшний день существует достаточно большое количество программного обеспечения, предоставляемого крупнейшими производителями отопительной техники, такими как Valtec, Danfoss или Herz. В подобных программных комплексах для расчёта поведения гидравлики используется та же методология, которая была описана в нашем обзоре. Сначала в визуальном редакторе моделируется точная копия проектируемой системы отопления, для которой указываются данные о тепловой мощности, типе теплоносителя, протяжённости и высоте перепадов трубопроводов, используемой арматуре, радиаторах и змеевиках тёплого пола. В библиотеке программы имеется широкий спектр гидротехнических устройств и арматуры, для каждого изделия производитель заблаговременно определил рабочие параметры и базовые коэффициенты. При желании можно добавить и сторонние образцы устройств, если для них известен требуемый перечень характеристик.

В финале работы программа даёт возможность определить подходящий условный проход труб, подобрать достаточную подачу и напор циркуляционных насосов. Расчёт завершается балансировкой системы, при этом в ходе симуляции работы гидравлики происходит учёт зависимостей и влияния изменения пропускной способности одного узла системы на все остальные. Практика показывает, что освоение и использование даже платных программных продуктов оказывается дешевле, чем если бы выполнение расчётов поручалось подрядным специалистам.

Источник https://mlynok.wordpress.com/2011/12/11/%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9-%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%D1%82-%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B-%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BB/

Источник https://www.rmnt.ru/story/heating/gidravlicheskiy-raschet-sistemy-otoplenija.1494284/

Источник

Источник