Расчет системы отопления

Автор записи
17 фев 2016
24 мин чтения
0 комментариев
0 / 5

На сегодняшний день в качестве основного источника тепла частного дома выбирают индивидуальные системы отопления.

Автономный обогрев помещений может реализоваться с использованием воды в качестве теплоносителя. Как дополнительный или основной источник тепла устанавлтвается электрическое оборудование. Например, тепловой насос или электрический котел с теплым полом или конвекторами. Для местного отопления также используют камины, однако они являются декоративным элементом интерьера.

Эффективность и долговечность системы отопления зависит главным образом от точности расчета, качества оборудования и правильной установки.

В ходе организации системы обогрева необходимо придерживаться строгих правил для того, чтобы получить качественную систему водяного отопления.

Система водяного отопления дома – это не только радиаторы и котел. Она включает в себя:

  • трубопроводы,
  • насосы,
  • средства автоматизации,
  • устройства контроля и т.д.

Расчет системы отопления частного дома – это, прежде всего, расчет мощности основного генератора тепла в доме, а именно газового, твердотопливного, жидкотопливного, электрического котла или теплового насоса, и размеров радиаторов для каждой комнаты. 

Чем дешевле отопить дом?

Сравнение возможных источников тепла

Котел

Котел в системе отопления

Самое дешевое отопление реализуется на базе котла. В данном случае дом может быть не подключен к газу. Конденсационные котлы на "голубом" топливе для автономного отопления имеют высокий КПД (до 108%). Отличительной особенностью этого класса отопительных агрегатов является их высокая степень безопасности.

Газовые котлы простые в установке (за исключением котлов с открытой камерой сгорания) и могут прекрасно вписываться в дизайн интерьера кухни. Также на сегодняшний день в связи с ростом цен на газ получили большую популярность полуавтоматические, твердотопливные котлы.

Их недостатком является необходимость регулярно загружать топливо (дрова, пиллеты, древесная щепа и т.д.). Многие производители нацелены устранить данный недочет, автоматизировав работу оборудования.

На рынке уже есть котлы, которые способны регулировать процесс горения путем регулирования подачи воздуха в камеру сгорания. С помощью этого поддерживается одинаковая температура теплоносителя в системе автономного водяного отопления. Такие отопительные агрегаты нужно использовать с баком-накопителем или аккумулирующим баком для хранения нагретой воды. Он представляет собой бочку с теплообменником, в которую от котла поступает горячая вода.

Таким образом, теплообменник нагревает жидкость, которая непосредственно находится в баке и аккумулируется в нём для дальнейшего использования. Вода в нем может не остывать сутки. Расчет отопления частного дома также может быть выполнен на базе электрического котла. Кроме стоимости электроэнергии и большой нагрузки на электросети, проблемой является то, что в среднем один небольшой дом потребляет 3-5 кВт электроэнергии. Этого достаточно только для подключения одного электрического котла.

Инженерный состав Альтер Эйр может грамотно спроектировать систему отопления на базе котельного оборудования таких известных производителей:  Protherm (Чехия), Viessmann (Германия), Bosch (Германия), Cichewicz (Польша), Metal-Fach (Польша), Nova Florida (Италия), Vaillant (Германия). Как дешево отопить дом электричеством можно просмотреть в статье "Электрический котел для отопления дома"

Товары из статьи

Радиаторы

Радиатор в доме

Определившись с энергоресурсом, нужно перейти к выбору отопительных приборов. Самый распространенный вариант - настенные радиаторы, панельные или секционные с нижним или боковым подключением. Эти радиаторы имеют высокий коэффициент теплоотдачи. Чаще всего используют биметаллические радиаторы. Они изготавливаются из алюминия со стальными каналами. Сталь стойкая к корозии и держит давление в системе, а алюминий быстрее передает тепло от теплоносителя в помещение. Благодаря таким характеристиками, они характеризуются продолжительным сроком эксплуатации и высокой мощностью.

Также могут использоваться и другие отопительные приборы, такие как напольные радиаторы, всевозможные конвекторы, инфракрасные панели, теплый пол и т. д.

Определившись с выбором отопительных приборов, делаем расчет отопление дома. Начинается он с подсчета теплопотерь здания через ограждающие конструкции:

  • окна,
  • двери,
  • стены,
  • перекрытия,
  • потолки,
  • крышу и т.д.

Для определения потерь тепла через стены, необходимо владеть такими данными:

  • материалы слоев стены,
  • толщина каждого слоя,
  • коэффициенты теплопроводности.

Также для этого расчета нам понадобится план здания и такая информация, как

  • географическое расположение здания,
  • климатическая зона,
  • значение температуры воздуха самой холодной пятидневки.

Как реализуется полноценная система отопления в квартире - можно посмотреть на видео.

Изучив все материалы, начинаем расчет. Он производится по формулам, представленным ниже.

Расчет системы отопления. На какие параметры обратить внимание?

В частных домах и многоквартирных зданиях часто наблюдаются потери тепла через окна, стены и крышу. Причинами подобных проблем может быть:

  1. Некачественная теплоизоляция стен, крыши, фундамента.
  2. Радиаторы работают не на полную мощность из-за засоренности или заводского брака
  3. Радиатор нагревает стену, через которую тепло отдаётся улице.
  4. Установка труб теплого пола слишком близко к наружной стене, из-за чего быстрее охлаждается.
  5. Приток холода через окна, входные или балконные двери (некачественный монтаж, щели или неплотные конструкции оконных рам).
  6. Участки стан (мостики холода), которые пропускают больше тепла (углы, места сопряжения строительных конструкций, бетонные перемычки над окнами и пр. )
  7. Попадание зимой холодного воздуха через вентиляцию. Это возможно в случае, когда выключена приточно-вытяжная система с рекуперацией тепла, а электропривод запорной заслонки не сработал.
  8. Приток холодного воздуха через люк на чердак дома или в подвал.
Бесплатная консультация от инженера

Потери тепла через стены

Потери тепла через стены рассчитываются по формуле:

Q стен = k стен * F стен (t вн - t нар),

где:

Q стен – теплопотери, Вт;
k стен коэффициент теплопередачи стены, Вт/(м2*°C);
F стен площадь стены;
t вн температура воздуха внутри, °C брать из таблицы;
t нар температура воздуха снаружи, °C, для Киева это -22°C;
k стен рассчитывается по формуле:

Формула расчета потерь тепла через стены

где k – коэффициент теплопередачи стены, Вт/(м2*°C);
d1 – толщина первого слоя стены (например, пеноблока), м;
λ1 – коэффициент теплопроводности первого слоя стены, Вт/(м*K);
d2 – толщина второго слоя стены (например, пенопласта), м;

λ2 – коэффициент теплопроводности второго слоя стены, Вт/(м*K), по принципу λ1.
dn, λn – если есть еще слои – по принципу d1 и λ1;
αвн – коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к стене, принимаем равным 8,7 (из таблицы);
αнар – коэффициент теплоотдачи от стены к наружному воздуху.

Потери тепла через окна

Теплопотери через окна рассчитываются по такой же формуле:

Q окон = K окон * F окон (t вн - t нар),

где:

Q окон теплопотери, Вт;
k окон коэффициент теплопередачи окон, Вт/(м2*°C);
F окон площадь окон;

t вн температура воздуха внутри, °C, можно принимать 20°C;
t нар температура воздуха снаружи, °C; для Киева -22°C.
K окон – рассчитывается по формуле:

Формула расчета потерь тепла через окна

где k ст коэффициент теплопередачи стеклопакета, Вт/(м2*°C), дает производитель;
F ст площадь стеклопакета, кв.м.;
коэффициент теплопередачи рамы, Вт/(м2*°C), дает производитель;
площадь рамы, кв.м.;
P периметр остекления, м;
ψ коэффициент для учета теплопередачи алюминиевой полосы, принимаем равным 0,07.

Потери тепла через потолки

Потери тепла через потолки рассчитываются по той же формуле:

Q потолка = k потолка * F потолка (t вн - t нар),

где:

Q потолка теплопотери, Вт;
k потолка коэффициент теплопередачи потолка, Вт/(м2*°C);
F потолка площадь потолка;
t вн температура воздуха внутри, °C; можно принимать 20°C;
t нар температура воздуха снаружи, °C; для Киева -22°C, Минска -25°C, Москвы -26°C, для других городов - по справочнику;
k потолка рассчитывается по формуле:

Формула расчета потерь тепла через потолки

где k коэффициент теплопередачи потолка, Вт/(м2*°C);
d1 толщина первого слоя потолка (например, дерева), м;
λ1 коэффициент теплопроводности первого слоя потолка, Вт/(м*K), дает производитель материала или по таблице коэффициентов теплопроводности;
d2 толщина второго слоя потолка (например, минваты), м;
λ2 коэффициент теплопроводности второго слоя потолка, Вт/(м*K), по принципу λ1;
dn, λn если есть еще слои – по принципу d1 и λ1;
α вн коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к потолку; принимаем равным 8,7;
α нар коэффициент теплоотдачи от потолка к наружному воздуху.

Потери тепла через полы

Потери тепла через полы рассчитываются по той же формуле:

Q пола = k пола * F пола (t вн - t нар),

где:

Q пола теплопотери, Вт;
k пола коэффициент теплопередачи пола, Вт/(м2*°C);
F пола площадь пола;
t вн температура воздуха внутри, °C;
t нар температура воздуха/грунта снаружи, °C.

Пол над грунтом

Если пол находится на лагах, над неотапливаемым подвалом, k пола рассчитывается по формуле:

Формула расчета теплопотерь через пол

где k коэффициент теплопередачи пола, Вт/(м2*°C);
d1 толщина первого слоя пола (например, бетон), м;
λ1 коэффициент теплопроводности первого слоя пола, Вт/(м*K), дает производитель материала или можно взять по таблице коэффициентов теплопроводности;
d2 толщина второго слоя пола (например, пенополистирол), м;
λ2  коэффициент теплопроводности второго слоя пола, Вт/(м*K), по принципу λ1;
dn, λn если есть еще слои – по принципу d1 и λ1;
α вн – коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к полу, принимаем равным 6.
α нар коэффициент теплоотдачи от пола к наружному воздуху/грунту, см. ниже.

Под полом α, Вт/(кв.м.*°C)

холодный подвал, сообщающийся с наружным воздухом - 17
неотапливаемые подвалы со световыми проемами в стенах - 12
неотапливаемые подвалы без световых проемов в стенах выше уровня земли, технические подполья ниже уровня земли - 6

Воздухопроницаемость материала или инфильтрация дома

Пол на грунте

Если пол расположен непосредственно на грунте, то k пола рассчитывается по формуле:

Формула теплопотерь, если пол на грунте

где d – толщина утепляющего слоя, м;
λ – коэффициент теплопроводности утепляющего слоя, Вт/(м2*°C);
Rc по зонам шириной 2 м, параллельным наружным стенам, принимаем равным 2,1 для 1-й зоны; 4,3 для 2-й зоны; 8,6 для 3-й зоны и 14,2 для оставшейся площади.

Расход тепла на нагрев приточного воздуха (инфильтрация)

Расход тепла на нагрев приточного считается для жилых комнат, кухни и санузлов по формуле:

Qi = 0,28 * Ln * ρ * C * (tp - ti) * k,

где:

Qi – количество тепла, необходимое для нагрева инфильтрации, Вт;
Ln – расход удаляемого воздуха, куб.м./час, принимаем равным 3 куб.м./час на каждый кв.м. площади жилого помещения;
ρ – плотность воздуха в помещении, кг./куб.м., принимаем равной 1,1;
C – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг*K), принимаем равной 1;
tp – температура воздуха помещения, °C;
ti – температура наружного воздуха, °C;
k – коэффициент учета встречного теплового потока в конструкциях, можно принять равным.

После того, как мы произвели расчет теплопотерь здания и определили, сколько кВт тепла теряет здание, мы можем предварительно на планах помещений указать размещение отопительных приборов и показать разводку трубопроводов по помещениям. На данном этапе осуществляется расстановка всех элементов, предварительно рассчитав уже окончательно гидравлику, диаметр трубопроводов и отопительные приборы, можно будет их разместить на чертежах. После этого можно приступать к гидравлическому расчету.

Определение диаметров трубопроводов системы отопления

Для распределения теплоносителя между отопительными приборами в системах отопления используют трубопроводы, выполненные из черной нержавеющей стали или меди, различных модификаций полиэтилена РЕ-Х, полипропилена РР, полибутилена РВ, а также многослойных труб PE-Xc-AI-PE-X и др. Диаметр трубопроводов и арматуры необходимо подбирать таким образом, чтобы он был как можно меньше, но и в то же время не способствовал созданию шума. Шум в трубах возникает при значительной скорости теплоносителя 0,6–1,5 м/с и величине коэффициента местного сопротивления.

Чтобы выбрать диаметр труб, необходимо учесть оптимальное значение скорости теплоносителя, которое 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.

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

Таблица 1. Определение внутреннего диаметра трубопроводов системы отопления

Таблица по определению диаметра трубопроводов

Дальнейший выбор трубопроводов для отопления заключается в определении типа трубы, которая при планируемых условиях эксплуатации обеспечит максимальную надежность и долговечность.

Таблица 2. Сравнение характеристик металлических и неметаллических труб

Металлические трубыНеметаллические трубы
Стальные водогазопроводные обыкновенные по ГОСТ 3262-75Из сшитого полиэтилена высокой плотности (ПЭС, PEX – англ., VPE – нем.) по ГОСТ 18599-83
Стальные водогазопроводные легкие по ГОСТ 3262-75Полипропиленовые (PPRC) по DIN 8077
Стальные электросварные по ГОСТ 10704-91Полибутеновые (ПБ,РВ) по DIN 6968
Стальные бесшовные горячедеформированные по ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8732-78 (для наиболее ответственных участков систем, технологических трубопроводов)PVC – поливинилхлорид ПВХ
Стальные оцинкованные по ГОСТ 3262-75 (для дренажных и воздуховыпускных трубопроводов)CPVC – сшитый поливинилхлорид ПВХ
Медные трубы по ГОСТ 617-72*, EN 1057Металлополимерные многослойные PEX-AI-PEX, PE-RT/AI/PE-HD по ГОСТ 18599-83, DIN 4726, DIN 13 892
Металлические трубы
  • Стальные водогазопроводные обыкновенные по ГОСТ 3262-75
  • Стальные водогазопроводные легкие по ГОСТ 3262-75
  • Стальные электросварные по ГОСТ 10704-91
  • Стальные бесшовные горячедеформированные по ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8732-78 (для наиболее ответственных участков систем, технологических трубопроводов)
  • Стальные оцинкованные по ГОСТ 3262-75 (для дренажных и воздуховыпускных трубопроводов)
  • Медные трубы по ГОСТ 617-72*, EN 1057
Неметаллические трубы
  • Из сшитого полиэтилена высокой плотности (ПЭС, PEX – англ., VPE – нем.) по ГОСТ 18599-83
  • Полипропиленовые (PPRC) по DIN 8077
  • Полибутеновые (ПБ,РВ) по DIN 6968
  • PVC – поливинилхлорид ПВХ
  • CPVC – сшитый поливинилхлорид ПВХ
  • Металлополимерные многослойные PEX-AI-PEX, PE-RT/AI/PE-HD по ГОСТ 18599-83, DIN 4726, DIN 13 892

Все трубы, которые применяют в системах отопления, можно разделить на две большие группы — металлические и неметаллические. Главная отличительная особенность металлических труб — механическая прочность, неметаллических — долговечность. Разные типы труб имеют различные механические, гидравлические и эксплуатационные характеристики, оказывающие различное влияние на процессы гидродинамики и распределения тепловых потоков в системе отопления.

При снижении потерь давления на трение теплоносителя в трубах, повышается эффективность регулирование расхода теплоносителя отопительного прибора. Изменение объема теплового потока возможно благодаря вентилям, кранам, клапанам 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, образует циркуляционные кольца. По ним осуществляется движение теплоносителя. В двухтрубных системах отопления количество циркуляционных колец равно количеству отопительных приборов, а в однотрубных — количеству приборных веток (стояков).

Последующий этап гидравлического расчета заключается в определении потерь давления в системе отопления. Расчитывается сумма потерь давления на участках, образующих главное циркуляционное кольцо. Каждый из этих участков представляет собой трубопровод постоянного диаметра, на котором может быть установлена запорная и регулирующая арматура, а также оборудование системы отопления.

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

Формула Дарси-Вейсбаха

где:

∆Рl — потери давления на трение в трубопроводе участка системы отопления, Па;
∆Рм — 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:

 Формула Альтшуля

А в странах Западной Европы используют формулу Колбрука-Уайта:

Формула Колбрука-Уайта

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

Анализ результатов вычислений коэффициентов гидравлического трения (А), полученных при расчете формулами, используя скорость теплоносителя в значении 0,4–0,6 м/с, 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

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, потери давления на участке прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя:

Метод характеристик сопротивления

 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:

Величина характеристики гидравлического сопротивления участка

где: А — удельное динамическое давление, Па/(кг/ч)²;
ξпр — 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:

Удельное динамическое давление в трубопроводе

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.

Формула расчета в системе отопления


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

Методика 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:

Расчет гидравлического сопротивления системы отопления

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 теплоносителя, обусловленных текущей тепловой нагрузкой кольца.

Для выравнивания гидравлических потерь в кольцах системы отопления используется балансировочная арматура ручного или автоматического регулирования.

Схема-план системы отопления

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) балансировочная арматура должна размещаться наиболее близко к приборным веткам при установке на отопительных приборах.


Выполнив гидравлический расчет системы отопления и получив данные по размеру отопительных приборов и трубопроводов, мы можем нанести на планы эту информацию для того, чтобы монтажная организация могла приступить к работе на объекте.

План системы отопления

Также после расчета мы можем определить количество материалов, необходимых нам для монтажа отопления. Для этого составляется спецификация оборудования и материалов. Таким образом, можно сделать выводы, что расчет системы отопления необходим, так как он позволяет значительно сэкономить затраты на материалы и в дальнейшем позволит уменьшить эксплуатационные затраты, то есть экономить на топливе будь то дрова, уголь, газ или другое топливо. Также и отопление дома электричеством расчет поможет грамотно определить необходимые материалы и затраты.

Не стоит доверять псевдо профессионалам, которые монтируют системы без проекта и уверяю в том, что это будет работать. Выходя из нашего опыта, мы можем с уверенностью сказать, что ни один такой объект не бывает без проблем. После таких специалистов много людей обращается к нам с проблемой и просьбой помочь.

Вы можете сэкономить на проекте один раз, а потом на протяжении всего времени переплачивать и жаловаться, что где-то холодно, а где-то система вообще не работает. Поэтому доверяйте данный вопрос специалистам, в которых будете уверены. Компания Альтер Эйр предлагает полный спектр услуг в области проектирования отопления и воплощения в жизнь климатических систем и гарантирует отличное качество своей работы.

Хотите стать нашим партнером?

Оставьте свои контакты и наш сотрудник свяжется с Вами в ближайшее время


Отзывы и вопросы
Отзывы отсутствуют