Гидравлический расчёт системы отопления с формулами и примерами

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».

Выбор основного контура

Гидравлическая стрелка отделяет котловые и отопительные контура

Здесь необходимо рассматривать отдельно две схемы — однотрубную и двухтрубную. В первом случае расчет нужно вести через самый нагруженный стояк, где установлено большое количество отопительных приборов и запорной арматуры.

Во втором случае выбирается самый загруженный контур. Именно на его основе и нужно делать подсчет. Все остальные контуры будет иметь гидравлическое сопротивление гораздо ниже.

В том случае, если рассматривается горизонтальная развязка труб, то выбирается самое загруженное кольцо нижнего этажа. Под загруженностью понимают тепловую нагрузку.

Горизонтальная и вертикальная схемы

На горизонтальные и вертикальные схемы подобная система отопления делится по местоположению трубопровода, соединяющего все устройства и приборы в одно целое.

Вертикальная обогревательная схема разнится от других тем, что в таком случае все необходимые устройства подсоединяются к стояку, расположенному вертикально.

Хотя ее составление и выйдет в итоге немного дороже, но зато стабильной работе не будут препятствовать образовывающиеся воздушные застои и пробки. Такой решение наиболее подходящее для хозяев квартиры в доме с множеством этажей, так как все отдельно взятые этажи подключается раздельно.

Двухтрубная система отопления с горизонтальной схемой прекрасно подойдет для одноэтажного жилого дома с относительно большой протяженностью, в котором проще и рациональнее подключить все имеющиеся радиаторные отсеки к горизонтальному трубопроводу.

Обе разновидности контуров отопительной системы могут похвастаться превосходной гидравлической и температурной устойчивостью, только в первой ситуации в любом случае потребуется калибровка стояков, расположенных вертикально, а во втором – горизонтальных петель.

Отопление с двумя магистралями

Отличительная особенность строения конструкции двухтрубной системы отопления состоит в двух трубопроводных разветвлений.

Первое проводит и направляет нагретую в котле воду по всем необходимым устройствам и приборам.

Другое же собирает и выводит уже охлажденную в процессе работы воду и отправляет ее теплогенератор.

В однотрубном виде конструкции системы вода, в отличие от двухтрубной, где она проводится по всем трубам обогревательных приборов с одинаковым показателем температуры, претерпевает значительную потерю необходимых для стабильного процесса отопления характеристик на подходе к замыкающей части трубопровода.

Протяженность труб и затраты, напрямую связанные с нею, увеличиваются при выборе двухтрубной отопительной системы вдвойне, однако это относительно незначительный нюанс на фоне явных достоинств.

Во-первых, для создания и монтировки двухтрубной конструкции отопительной системы вовсе не понадобится трубы с большим значением диаметра и, ввиду этого не будет создаваться та или иная преграда на пути как в случае с однотрубным контуром.

Все необходимые крепежи, вентили и другие детали конструкции тоже гораздо меньше в размере, поэтому разница в стоимости будет весьма незаметна.

Одно из самых главных достоинств подобной системы то, что существует возможность монтировки вблизи каждой из батарей термостатов и значительно сократит расходы и преумножит удобство эксплуатации.

Ко всему прочему, тонкие разветвления подающей и обратной магистрали также вовсе не мешают целостности интерьера жилого помещения, к тому же их можно и попросту спрятать за обшивкой или в самой стене.

Разобрав по полочкам все достоинства и нюансы обоих отопительных систем, хозяева, как правило, все же предпочитают выбирать двухтрубную систему. Однако необходимо выбрать один из нескольких вариантов подобных систем, который, по мнению самих хозяев, будет самым функциональным и рациональным в применении.

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.

ЯчейкаВеличинаЗначение, 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.

ЯчейкаАлгоритмФормулаРезультатЗначение результата

D12	!ERROR! D5 does not contain a number or expression	tср=(tвх+tвых)/2	82,5	Средняя температура воды tср в °C
D13	!ERROR! D12 does not contain a number or expression	n=0,0178/(1+0,0337tср+0,000221tср2)	0,003368	Кинематический коэф. вязкости воды — n, cм2/с при tср
D14	!ERROR! D12 does not contain a number or expression	ρ=(-0,003tср2-0,1511tср+1003, 1)/1000	0,970	Средняя плотность воды ρ,т/м3 при tср
D15	!ERROR! D4 does not contain a number or expression	G’=G1000/(ρ60)	773,024	Расход воды G’, л/мин
D16	!ERROR! D4 does not contain a number or expression	v=4G:(ρπ(d:1000)23600)	1,640	Скорость воды v, м/с
D17	!ERROR! D16 does not contain a number or expression	Re=vd10/n	487001,4	Число Рейнольдса Re
D18	!ERROR! Cell D17 does not exist	λ=64/Re при Re≤2320 λ=0,0000147Re 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=λv2ρ100/(29,81*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	!ERROR! Cell D20 does not exist	dPтр=dPтр9,8110000	45565,9	и Па соответственно D20
D22	!ERROR! D10 does not contain a number or expression	dPмс=Σ(ξ)v2ρ/(29,8110)	0,025150	Потери давления в местных сопротивлениях dPмс в кг/см2
D23	!ERROR! Cell D22 does not exist	dPтр=dPмс9,8110000	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=dP9,8110000	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

Авторское цветовое решение несёт функциональную нагрузку:

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.

Main menu

Здравствуйте! Основной целью гидравлического расчета на стадии проектирования является определение диаметров трубопроводов по заданным расходам теплоносителя и располагаемым перепадам давления в сети, или на отдельных участках теплосети. В процессе же эксплуатации сетей приходиться решать обратную задачу – определять расходы теплоносителя на участках сети или давления в отдельных точках при изменении гидравлических режимов. Без расчетов по гидравлике не построить пьезометрический график теплосети. Также этот расчет необходим для выбора схемы подключения внутренней системы теплоснабжения непосредственно у потребителя и выбора сетевых и подпиточных насосов.

Как известно, гидравлические потери в сети складываются из двух составляющих: из гидравлических линейных потерь на трение и потерь даления в местных сопротивлениях. Под местными сопротивлениями подразумеваются – задвижки, повороты, компенсаторы и т.п.

То есть ∆P = ∆Pл + ∆Pмест,

Линейные потери на трение определяют из формулы:

где λ – коэффициент гидравлического трения ; l – длина трубопровода, м ; d – диаметр трубопровода внутренний, м; ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; w² — скорость движения теплоносителя, м/с.

В этой формуле коэффициент гидравлического трения определяем по формуле А.Д.Альтшуля:

где Re — число Рейнольдса, kэ/d — эквивалентная шероховатость трубы. Это справочные величины. Потери в местных сопротивлениях определяем по формуле:

где ξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений. Его необходимо просчитать вручную используя таблицы со значениями коэффициентов местных сопротивлений. В прилагаемом к статье расчете в формате Exel я добавил таблицу с коэффициентами местных сопротивлений.

Для выполнения гидравлического расчета вам обязательно потребуется схема тепловой сети, вот примерно в таком виде:

На самом деле схема, конечно, должна быть более развернутой и подробной. Эту схемку я привел только в качестве примера. Из схемы теплосети нам нужны такие данные как: длина l трубопровода, расход G, и диаметр трубопровода d.

Как выполнять гидравлический расчет? Вся тепловая сеть, которую необходимо просчитать, делится на так называемые расчетные участки. Расчетный участок – это участок сети, на котором расход не изменяется. Сначала гидравлический расчет ведут по участкам в направлении главной магистрали, которая соединяет теплоисточник с наиболее удаленным потребителем тепла. Затем уже рассчитывают второстепенные направления и ответвления теплосети. Мой гидравлический расчет участка тепловой сети можно скачать здесь:

Гидравлический расчет теплосети

Это, конечно, расчет только одной ветки теплосети (гидравлический расчет теплосети большой протяженности достаточно трудоемкое дело), но достаточно для того, чтобы понять, что такое расчет гидравлики, и даже неподготовленному человеку начать считать гидравлику.

Буду рад комментариям к статье.

Температурный режим — нормы

Начать нужно с нормативных требований, регламентированными документами:

СНиП 2.04.05 упорядочивает вопросы об отоплении, кондиционировании;
ДВН В.2.5-39:2008 регулирует вопросы снабжения тепловых, водоснабжающих систем до 200 °C, с давлением не более 2,5 Мпа.

Расчётная цифра — температура теплоносителя, приравнивается к значению выхода воды из отопительного котла.

Для собственников частных помещений температурный режим определяется самостоятельно, учитывая рекомендации законодателей. Факторы:

Окончание, начало отопительного сезона определяется среднесуточной температурой воздуха на улице. Граница для перехода в рабочий, ждущий режим — температура 8 °C, держащаяся не менее трех суток.
Внутренняя температура помещения. Для разных типов помещения несколько разница. Например, для жилых — 20 °C, производственных — 16 °C.
Предельный нагрев теплоносителя не должен превышать установленные нормы, указанные в ДБН В.2.2-10, ДБН В.2.2.-4, ДСанПиН 5.5.2.008, СП №3231-85, для:

Зданий здравоохранения, хозяйственных объектов значение составляет 85 °С;
Жилых комнат – 90 °С;
Помещений массовых мероприятий – 105 °С;
Столовых – 115 °С;
Лестниц, пролётов, пешеходных переходов, нежилых пространств – 150 °С.

Предельные показатели температуры обосновываются тем, что при нагреве выше 90 °С начинается разложение пыли, лакокрасочных покрытий обогревательных приборов (батарей, радиаторов) — указано в санитарных нормах.

Таблица температур

При расчете оптимальной температуры, используют статистические данные (графики, таблицы), закрепленные в нормах. Для каждого сезона свои значения:

При температуре 8-0 °С устанавливается разогрев, подача теплоносителя на радиаторы, в среднем, до 40-45 °С. Обратка — не менее 35 °С.
При падении среднесуточной температуры до -20°С, поднимает тепловой показатель подачи до 77 °С. Главное условие — тепловое значение обратки должно составлять 55 °С, с небольшой в 1-2 °С погрешностью.
Температура -40 °С подразумевает увеличение разогрева теплоносителя 90-105 °С, обратка — 70 °С.

Если не соблюдать требования, система теплоснабжения может быть выведена из строя.

Как рассчитывается

Выбирается метод регулирования, затем делается расчёт

Во внимание берётся расчётно-зимний и обратный порядок поступления воды, величина наружного воздуха, порядок в точке излома диаграммы. Существуют две диаграммы, когда в одной из них рассматривается только отопление, во второй отопление с потреблением горячей воды. Для примера расчёта, воспользуемся методической разработкой «Роскоммунэнерго»

Для примера расчёта, воспользуемся методической разработкой «Роскоммунэнерго».

Исходными данными на теплогенерирующую станцию будут:

Тнв – величина наружного воздуха.
Твн – воздух в помещении.
Т1 – теплоноситель от источника.
Т2 – обратное поступление воды.
Т3 – вход в здание.

Мы рассмотрим несколько вариантов подачи тепла с величиной 150, 130 и 115 градусов.

При этом, на выходе они будут иметь 70°C.

Полученные результаты сносятся в единую таблицу, для последующего построения кривой:

Итак, мы получили три различные схемы, которые можно взять за основу. Диаграмму правильней будет рассчитывать индивидуально на каждую систему. Здесь мы рассмотрели рекомендованные значения, без учёта климатических особенностей региона и характеристик здания.

Чтобы уменьшить расход электроэнергии, достаточно выбрать низкотемпературный порядок в 70 градусов и будет обеспечиваться равномерное распределение тепла по отопительному контуру. Котёл следует брать с запасом мощности, чтобы нагрузка системы не влияла на качественную работу агрегата.

Особенности выбора сечения отопительных труб

Функция трубопровода заключается в транспортировке теплоносителя от котла, где он нагревается, к отопительным приборам и обратно в котел

При этом важно правильно подобрать диаметр труб для отопительной системы в частном доме. Ошибки в подборе сечения снижают КПД системы, что ведет к перерасходу топлива и увеличению нагрузки на котельный агрегат

От диаметра трубы отопления зависит, как поток теплоносителя будет перемещаться по системе. Размер сечения трубопровода влияет:

На скорость потока. Если теплоноситель движется медленно, приборы отопления, расположенные на максимальном удалении от котла, не могут полноценно прогреваться, а поднимать температуру жидкости в системе свыше установленных пределов нельзя. Высокая скорость потока приводит к возникновению турбулентности в изгибах трубопровода, из-за чего возникает неприятный шум

Важно добиться равномерного, без завихрений, потока жидкости и оптимального распределения тепловой энергии по отопительным радиаторам.
На общий объем теплоносителя. Для гидравлической системы отопления необходимо использовать трубы увеличенного сечения, чтобы не было серьезной потери скорости движения жидкости из-за трения о внутреннюю поверхность трубопровода

Чем больше диаметр трубопровода, тем больше объем жидкости в системе. Соответственно будет возрастать расход энергоносителя на ее нагрев до расчетных температур. Если выбрать слишком большое сечение трубопровода, давление в системе будет настолько низким, что теплоноситель не сможет циркулировать.
На гидравлические потери. При использовании в системе труб различного диаметра, на их стыках возникает разность давления. Это повышает гидравлические потери. Тот же эффект наблюдается, если полипропиленовые трубы соединены с нарушением технологии монтажа. Из-за формирования наплывов на внутренней поверхности стыка происходит заужение рабочего сечения.

Чтобы избежать финансовых потерь при переделке отопительной системы, КПД которой отказалось низким, необходимо грамотно выполнить расчет диаметра трубы для отопления. Рекомендуется обратиться к профессионалам, которые подберут необходимые диаметры труб на основании точных тепловых и гидротехнических расчетов, воспользоваться специализированной программой-калькулятором либо вычислить параметры самостоятельно, по стандартным формулам.

Оптимальные значения в автономной системе отопления

Для индивидуальных систем ситуация иная, чаще они автономные, не выходящие за внешнюю границу отопливаемого здания, заморозка не грозит. Расчёты обогрева принципиально различаются.

Рассчитывают, исходя из площади помещения, с учётом особенностей отопительных приборов. Температура теплоносителя колеблется около 80 °С – оптимальный для автономных систем режим.

Требование для индивидуальных отопительных систем – поддержание минимальной температуры 70 °С, снижение убедительно не рекомендуется.

Если в системе отопления используются газовые, электрические котлы, трудностей регулировки температуры не наблюдается. С твердотопливными агрегатами могут возникать сложности, — нет ТЭНов с предохранительными реле, датчиков подачи газа. Излишний нагрев при твердотопливных котлах с добавлением в систему дополнительных отопительных контуров с большими погрешностями.

Как измерить в многоквартирном доме?

Если появились подозрения, что батареи недостаточно нагреваются, можно самостоятельно измерить температуру теплоносителя, прибегнув к некоторым приёмам.

Из открытого крана слить немного теплоносителя в ёмкость с обычным термометром. Для получения точного результата к показанной температуре прибавляют 4 °C.
Спиртовой термометр закрепить на радиаторе и обернуть поролоном или любым другим теплоизолятором.

Фото 1. Специальное устройство пирометр, при помощи которого можно точно измерять температуру теплоносителя.

Точный результат дает специальный термометр — пирометр, допускающий погрешность всего в 0,5 °C.

Важно! Если показатели температуры батарей значительно отклонились от нормы, можно подать жалобу, по итогу которой специальная комиссия произведёт нужные замеры. Проследить за правильностью их действий можно изучив 4-й пункт ГОСТа 30494-96, который прописан в «Методах контроля»

Регулирование температуры радиаторов

Корректировка температуры воздуха в многоквартирном доме осуществляется при помощи двух методов:

Количественный — заключается в изменении расхода теплоносителя при сохранении его температуры. Регулирование происходит при помощи общего циркулярного насоса или запорного механизма. Устройства помогают изменить скорость подачи нагретой жидкости в систему. Чем медленнее скорость теплоносителя, тем холоднее трубы.
Качественный — заключается в изменении температуры жидкости, при сохранении её скорости и объёма.

Фото 2. Автоматический регулятор температуры теплоносителя радиатора отопления, обычно применяется в многоквартирных домах.

Чаще всего в жилых домах применяют первый способ регулировки температуры. Но в этом случае температура снижается во всех помещениях, включая ванные комнаты и спальни.

Справка! Наилучшим способом поддержания оптимальной температуры считается установка специальных устройств на каждом радиаторе, позволяющих варьировать нагрев любого помещения отдельно.

Хорошие значения в личной отопительной системе

Индивидуальное отопление способствует остерегаться большинства проблем, которые появляются с централизованной сетью, а комфортная температура носителя тепла может меняться соответственно к сезону. В случае автономного отопления под понятие нормы включают отдачу тепла отопительного прибора на единицу площади помещения, где стоит данный прибор. Режим тепла в этой ситуации обеспечивается конструктивными характерностями радиаторов.

Главное наблюдать, чтобы носитель тепла в сети не остужался ниже 70 °С. Хорошим считают показатель 80 °С. С газовым водогреем контролировать нагрев легче, так как изготовители ограничивают возможность нагрева носителя тепла до 90 °С. Применяя датчики для регулировки газоподачи, нагрев носителя тепла можно настраивать.

Чуть сложнее с аппаратами на твёрдом топливе, они не регулируют разогрев жидкости, и легко могут превратить ее в пар. А сделать меньше жар от угля или древесины поворотом ручки в подобной ситуации нереально. Контроль нагрева носителя тепла при этом достаточно относительный с высокими погрешностями и делается поворотными терморегуляторами и механическими заслонками.

Котлы работающие от электричества разрешают медленно настраивать нагрев носителя тепла от 30 до 90 °С. Они оборудованы хорошей системой защиты от перегревания.

Заключение

Отопление в доме

Итак, подведем итог. Как видите, чтобы сделать гидравлический анализ отопительной системы дома, необходимо учесть многое. Пример специально был простым, поскольку разобраться, скажем, с двухтрубной системой отопления дома в три или более этажей очень сложно. Для проведения такого анализа придется обратиться в специализированное бюро, где профессионалы разберут весь проект отопления «по косточкам».

Необходимо будет учесть не только вышеописанные показатели. Сюда придется включить потерю давления, снижение температуры, мощность циркуляционного насоса, режим работы системы и так далее. Показателей много, но все они присутствуют в ГОСТах, и специалист быстро разберется, что к чему.

Единственное, что необходимо предоставить для расчета — это мощность отопительного котла, диаметр труб, наличие и количество запорной арматуры и мощность насоса.