Хидравлично изчисление на отоплителна система на конкретен пример

Отопление на основа на циркулация на гореща вода – най-разпространеният вариант за обзавеждане на частна къща. За грамотното разработване на системата е необходимо да има предварителни резултати от анализ, така нареченото хидравлично изчисление на отоплителната система, което свързва налягането във всички участъци на мрежата с диаметрите на тръбите.

В представената статия е описана подробно методиката на изчисленията. За да разберем по-добре алгоритъма на действията, разгледахме реда на изчисление на конкретен пример.

Придържайки се към описаната последователност, ще се получи да се определи оптималният диаметър на магистралата, броят на отоплителните уреди, мощността на котела и другите параметри на системата, необходими за обзавеждане на ефективно индивидуално топлоснабдяване.

Понятие за хидравлично изчисление

Определящият фактор на технологичното развитие на отоплителните системи стана обикновената икономия на енергоносител. Стремежът да се спести кара да се подхожда по-внимателно към проектирането, избора на материали, начините на монтаж и експлоатация на отоплението за жилището.

Затова, ако сте решили да създадете уникална и преди всичко икономична отоплителна система за своя апартамент или къща, тогава препоръчваме да се запознаете с правилата за изчисление и проектиране.

Преди да се даде определение на хидравличното изчисление на системата, трябва ясно и точно да се разбере, че индивидуалната отоплителна система на апартамента и къщата е условно разположена с порядък по-високо спрямо централната отоплителна система на голяма сграда.

Персоналната отоплителна система се базира на принципно различен подход към понятията за топлина и енергиен ресурс.

Същността на хидравличното изчисление се състои в това, че разходът на топлоносителя не се задава предварително с приближение до реалните параметри, а се определя чрез съгласуване на диаметрите на тръбопровода с параметрите на налягането във всички кръгове на системата.

Достатъчно е да се направи тривиално сравнение на тези системи по следните параметри.

1. Централната отоплителна система (котелна-къща-апартамент) се основава на стандартни видове енергоносители – въглища, газ. В автономната система може да се използва почти всяко вещество, което има висока специфична топлина на изгаряне, или комбинация от няколко течни, твърди, гранулирани материали.
2. ЦОС е изградена от обикновени елементи: метални тръби, “груби” радиатори, спирателна арматура. Индивидуалната отоплителна система позволява комбинирането на най-различни елементи: многосекционни радиатори с добра топлоотдача, високотехнологични термостати, различни видове тръби (ПВХ и медни), кранове, тапи, фитинги и разбира се собствени по-икономични котли, циркулационни помпи.
3. Ако влезем в апартамент на типична панелна сграда, построена преди 20-40 години, виждаме, че отоплителната система се свежда до наличието на 7-секционен радиатор под прозореца във всяка стая на апартамента плюс вертикална тръба през цялата сграда (щранг), с която може да “общуваме” със съседите отгоре/отдолу. Но автономната отоплителна система (АОС) – позволява изграждане на система с всякаква сложност, като се вземат предвид индивидуалните желания на обитателите на апартамента.
4. За разлика от ЦОС, отделната отоплителна система отчита доста внушителен списък от параметри, които влияят на преноса, разхода на енергия и загубите на топлина. Температурният режим на околната среда, изискваният температурен диапазон в помещенията, площ и обем на помещението, брой на прозорци и врати, предназначение на помещенията и т.н.

По този начин, хидравличното изчисление на отоплителната система (ГРСО) представлява условен набор от изчислими характеристики на отоплителната система, който предоставя изчерпателна информация за такива параметри като диаметър на тръбите, брой радиатори и клапани.

Този тип радиатори се е инсталирал в повечето панелни домове на постсъветското пространство. Икономията на материали и липсата на конструкторска идея са “на лице”.

ГРСО позволява правилно да се избере водно-пръстенна помпа (на отоплителния котел) за транспортиране на гореща вода до крайните елементи на отоплителната система (радиаторите) и, в крайна сметка, да се получи максимално балансирана система, което пряко влияе върху финансовите вложения по отношение на отоплението на жилището.

Още един тип отоплителен радиатор за ЦОС. Това е по-универсално изделие, което може да има произволен брой ребра. Така може да се увеличи или намали площта на топлообмен.

Последователност на стъпките на изчисление

Говорейки за изчислението на отоплителната система, отбелязваме, че тази процедура е най-нееднозначна и важна по отношение на проектирането.

Преди извършване на изчислението трябва да се направи предварителен анализ на бъдещата система, например:

• да се установи топлинният баланс във всички и конкретно всяка стая на апартамента;
• да се подберат терморегулатори, клапани и регулатори на налягане;
• да се определят участъците на системата с максимален и минимален разход на топлоносител.

Освен това, трябва да се определи общата схема за транспортиране на топлоносителя: пълен и малък контур, еднотръбна система или двутръбна магистрала.

В резултат на извършване на хидравличното изчисление получаваме няколко важни характеристики на хидравличната система, които дават отговори на следните въпроси:

• каква трябва да бъде мощността на източника на отопление;
• какъв е разходът и скоростта на топлоносителя;
• какъв диаметър е необходим за основната магистрала на топлопровода;
• какви са възможните загуби на топлина и на самата маса на топлоносителя.

Друг важен аспект на хидравличното изчисление е процедурата за балансиране (свързване) на всички части (клонове) на системата по време на екстремни топлинни режими с помощта на регулиращи устройства.

Изтъкват се няколко основни вида отоплителни изделия: чугунени и алуминиеви многосекционни, стоманени панелни, биметални радиатори и конвектори. Но най-разпространени са алуминиевите многосекционни радиатори.

Изчислителната зона на тръбопроводната магистрала е участък с постоянен диаметър на самата магистрала, както и с неизменяем разход на гореща вода, който е определен по формулата за топлинен баланс на стаите. Изброяването на изчислителните зони започва от помпата или източника на топлина.

Начални условия на примера

За по-конкретно обяснение на всички детайли на хидравличното изчисление, нека вземем конкретен пример на обикновено жилищно помещение. Разполагаме с класически двустаен апартамент в панелен блок, с обща площ 65,54 м², който включва две стаи, кухня, отделни тоалетна и баня, двоен коридор и сдвоен балкон.

След въвеждане в експлоатация получихме следната информация относно готовността на апартамента. Описаният апартамент включва обработени с шпакловка и грунд стени от монолитни стоманобетонни конструкции, прозорци от профил с двукамерно стъкло, пресовани от дървесни стърготини вътрешни врати, керамични плочки на пода на санитарния възел.

Типичен панелен 9-етажен блок с четири входа. На всеки етаж има по 3 апартамента: един двустаен и два тристайни. Апартаментът се намира на петия етаж.

Освен това, представеното жилище вече е оборудвано с медна инсталация, разпределители и отделно табло, газова печка, вана, умивалник, тоалетна чиния, радиатор за кърпи, мивка.

И най-важното – в жилищните стаи, банята и кухнята вече има алуминиеви отоплителни радиатори. Въпросът относно тръбите и котела остава отворен.

Как се извършва събирането на данни

Хидравличното изчисление на системата в по-голямата си част се основава на изчисления, свързани с изчисляването на отоплението по площ на помещението.

Следователно е необходимо да разполагаме със следната информация:

• площта на всяко отделно помещение;
• размерите на прозорците и вратите (вътрешните врати практически не влияят на топлинните загуби);
• климатичните условия, особеностите на региона.

Ще изхождаме от следните данни. Площ на всекидневната – 18,83 м², спалня – 14,86 м², кухня – 10,46 м², балкон – 7,83 м² (общо), коридор – 9,72 м² (общо), баня – 3,60 м², тоалетна – 1,5 м². Входна врата – 2,20 м², прозоречна витрина на всекидневната – 8,1 м², прозорец на спалнята – 1,96 м², прозорец на кухнята – 1,96 м².

Височина на стените на апартамента – 2 метра и 70 см. Външните стени са изработени от бетон клас В7 плюс вътрешна мазилка, с дебелина 300 мм. Вътрешните стени и прегради – носещи 120 мм, обикновени – 80 мм. Подът и съответно таванът са от бетонни плочи клас В15, с дебелина 200 мм.

Планировката на този апартамент предоставя възможност да се създаде един единствен отоплителен клон, минаващ през кухнята, спалнята и всекидневната, което ще осигури средна температура 20-22⁰C в помещенията (+)

Що се отнася до околната среда? Апартаментът се намира в жилищна сграда, разположена в центъра на микрорайон на малък град. Градът е разположен в низина, надморска височина 130-150 м. Климатът е умерено континентален с хладна зима и доста топло лято.

Средна годишна температура: +7,6°C. Средна температура на януари: -6,6°C, на юли: +18,7°C. Вятър — 3,5 м/с, средна влажност на въздуха — 74%, количество на валежите — 569 мм.

Анализирайки климатичните условия на региона, трябва да отбележим, че имаме работа с голям температурен диапазон, което от своя страна влияе на специалните изисквания за регулиране на отоплителната система на апартамента.

Мощност на топлинния генератор

Един от основните възли на отоплителната система е котелът: електрически, газов, комбиниран – на този етап няма значение. Тъй като за нас е важна основната му характеристика – мощността, тоест количеството енергия за единица време, което ще се изразходва за отопление.

Мощността на самия котел се определя по формулата, дадена по-долу:

Wкотла = (Sпомещ*Wудел) / 10,

където:

• Sпомещ – сума от площите на всички стаи, които изискват отопление;
• Wудел – специфична мощност, като се вземат предвид климатичните условия на местоположението (ето защо беше необходимо да се знае климатът на региона).

Характерно е, че за различните климатични зони имаме следните данни:

• северни области – 1,5 – 2 кВт/м²;
• централна зона – 1 – 1,5 кВт/м²;
• южни региони – 0,6 – 1 кВт/м².

Тези цифри са доста условни, но въпреки това дават ясен числен отговор относно влиянието на околната среда върху отоплителната система на апартамента.

На тази карта са представени климатични зони с различни температурни режими. От разположението на жилището спрямо зоната зависи колко енергия трябва да се изразходва за отопление на квадратен метър (+)

Сумата от площта на апартамента, която трябва да се отоплява, е равна на общата площ на апартамента, тоест 65,54 - 1,80 - 6,03 = 57,71 м2 (минус балкона). Специфичната мощност на котела за централен регион със студена зима е 1,4 кВт/м2. По този начин в нашия пример изчислената мощност на отоплителния котел е еквивалентна на 8,08 кВт.

Динамични параметри на топлоносителя

Преминаваме към следващия етап на изчисленията – анализ на потреблението на топлоносителя. В повечето случаи отоплителната система на апартамента се различава от другите системи – това е свързано с броя на отоплителните панели и дължината на тръбопровода. Налягането се използва като допълнителна „движеща сила" на потока вертикално по системата.

В частни едно- и многоетажни къщи, стари панелни многофамилни сгради се използват отоплителни системи с високо налягане, което позволява транспортирането на топлоносителя до всички части на разклонена, многоколова отоплителна система и издигане на водата до цялата височина (до 14-тия етаж) на сградата.

Напротив, обикновен 2- или 3-стаен апартамент с автономно отопление няма такова разнообразие от кръгове и клонове на системата; той включва не повече от три контура.

А следователно транспортирането на топлоносителя става чрез естествен процес на протичане на водата. Но също така можете да използвате циркулационни помпи, отоплението се осигурява от газов/електрически котел.

Препоръчваме да използвате циркулационна помпа за отопление на помещения над 100 m². Помпата може да се монтира както преди, така и след котела, но обикновено се поставя на “обратния тръбопровод” – по-ниска температура на носителя, по-малко въздух, по-дълъг експлоатационен живот на помпата.

Специалистите в областта на проектирането и монтажа на отоплителни системи определят два основни подхода по отношение на изчисляването на обема на топлоносителя:

1. По фактическия капацитет на системата. Сумират се всички без изключение обеми на кухините, през които ще преминава потокът гореща вода: сумата от отделните участъци тръби, секции на радиатори и т.н. Но това е доста трудоемък вариант.
2. По мощността на котела. Тук мненията на специалистите се разминават значително; едни казват 10, други 15 литра на единица мощност на котела.

От прагматична гледна точка трябва да вземем предвид факта, че вероятно отоплителната система ще подава не само гореща вода за помещението, но и ще загрява вода за баня/душ, мивка, умивалник и сушилня, а може и за хидромасаж или джакузи. Този вариант е по-опростен.

Затова в този случай препоръчваме да зададете 13,5 литра на единица мощност. Умножавайки това число по мощността на котела (8,08 kW) получаваме изчисления обем водна маса – 109,08 л.

Изчисляваната скорост на топлоносителя в системата е именно параметърът, който позволява избора на определен диаметър на тръбата за отоплителната система.

Тя се изчислява по следната формула:

V = (0,86*W*k)/t-to,

където:

• W – мощност на котела;
• t – температура на подаваната вода;
• to – температура на водата в обратния контур;
• k – кпд на котела (0,95 за газов котел).

Замествайки изчислените данни във формулата, получаваме: (0,86 * 8080* 0,95)/80-60 = 6601,36/20=330 kg/h. По този начин за един час в системата се движат 330 л топлоносител (вода), а капацитетът на системата е около 110 л.

Определяне на диаметъра на тръбите

За окончателното определяне на диаметъра и дебелината на отоплителните тръби остава да обсъдим въпроса относно топлинните загуби.

Максималното количество топлина напуска помещението през стените – до 40%, през прозорците – 15%, пода – 10%, всичко останало през тавана/покрива. За апартамента са характерни загуби предимно през прозорците и балконските модули

Съществуват няколко вида загуби на топлина в отопляемите помещения:

1. Загуби на налягане на потока в тръбата. Този параметър е право пропорционален на произведението на специфичната загуба от триене вътре в тръбата (предоставя се от производителя) по общата дължина на тръбата. Но като се има предвид текущата задача, такива загуби могат да не се вземат предвид.
2. Загуби на напор на местни тръбни съпротивления – загуби на топлина на фитингите и вътре в оборудването. Но предвид условията на задачата, малкото количество фитинг-огъвания и брой радиатори, тези загуби могат да се пренебрегнат.
3. Топлинни загуби в зависимост от разположението на апартамента. Съществува още един вид топлинни загуби, но те са повече свързани с разположението на помещението спрямо останалата част от сградата. За обикновен апартамент, който се намира в средата на къщата и граничи отляво/отдясно/отгоре/отдолу с други апартаменти, топлинните загуби през страничните стени, тавана и пода са практически равни на “0”.

В изчислението могат да се вземат само загубите през фасадната част на апартамента – балкон и централен прозорец на общата стая. Но този въпрос се решава чрез добавяне на 2-3 секции към всеки от радиаторите.

Стойността на диаметъра на тръбите се избира според дебита на топлоносителя и скоростта на неговата циркулация в отоплителната магистрала

Анализирайки гореизложената информация, трябва да се отбележи, че за изчислената скорост на горещата вода в отоплителната система е известна табличната скорост на движение на водните частици спрямо стената на тръбата в хоризонтално положение 0,3-0,7 м/с.

В помощ на майстора представяме така наречения чек-лист за извършване на изчисления за типично хидравлично изчисление на отоплителната система:

• събиране на данни и изчисляване на мощността на котела;
• обем и скорост на топлоносителя;
• топлинни загуби и диаметър на тръбите.

Понякога при изчислението може да се получи доста голям диаметър на тръбата, за да се покрие изчисленият обем на топлоносителя. Този проблем може да се реши чрез увеличаване на литража на котела или добавяне на допълнителен разширителен съд.

На нашия сайт има блок от статии, посветени на изчислението на отоплителната система, препоръчваме ви да се запознаете:

1. Топлинно изчисление на отоплителна система: как да направите правилно изчисление на натоварването на системата
2. Изчисление на водно отопление: формули, правила, примери за изпълнение
3. Топлотехнически изчисление на сграда: специфика и формули за извършване на изчисления + практически примери

Изводи и полезно видео по темата

Особености, предимства и недостатъци на естествената и принудителната системи за циркулация на топлоносителя за отоплителни системи:

Обобщавайки резултатите от хидравличното изчисление, в резултат получихме конкретни физически характеристики на бъдещата отоплителна система.

Естествено, това е опростена схема за изчисление, която дава приблизителни данни относно хидравличното изчисление за отоплителната система на типичен двустаен апартамент.

Опитвате ли се сами да направите хидравлично изчисление на отоплителната система? Или не сте съгласни с представения материал? Очакваме вашите коментари и въпроси – блокът за обратна връзка се намира по-долу.