Розрахунок системи опалення для приватного будинку

При будівництві будинку, точніше, при влаштуванні різних систем комунікацій, виникають деякі питання по системі опалення. Питання повязані в першу чергу з кількістю і діаметром труб, з потужністю опалювального котла і так далі. Щоб відповісти на всі ці питання проводять розрахунок системи опалення.

Такі розрахунки, як правило, досить складні, і проводити їх може не кожна людина, але спробувати розібратися варто. Адже при неправильному виборі товщини труб, можливий підвищений знос котла, або несвоєчасний вихід його з ладу.

Розрахунок системи опалення, який показує оптимальний діаметр труб, потрібну потужність нагрівального котла і так далі, називається гідравлічним розрахунком.

завдання розрахунку

Для визначення завдань розрахунку потрібно розглянути ті речі, для чого він проводиться, тобто розглянути чинники, що впливають на правильність роботи системи опалення.

Показниками ефективності є такі моменти:

• Подача теплоносія до опалювального устаткування здійснюється в потрібному обсязі. Це означає, що вода в трубах нормально циркулює і забезпечує нормальний тепловий баланс в приміщенні, не дивлячись на постійно мінливу температуру зовнішнього повітря, при обліку заданої температури користувачем;
• Витрати на обслуговування системи опалення зведені до мінімуму;
• Витрати, необхідні на влаштування опалювальної системи зведені до мінімуму;
• Опалення працює стабільно, без перебоїв і сторонніх шумів;

З цих критеріїв ефективності можна виділити завдання розрахунку системи опалення приватного будинку:

• Визначення оптимального діаметра труб, які будуть використовуватися для влаштування системи опалення, при цьому враховуються вимоги до швидкості перекачування теплоносія;
• Виконання правильної гідравлічної увязки приладових і інших гілок системи, тобто установку всіх необхідних датчиків, лічильників і так далі;
• Розрахунок втрат тиску на певних ділянках системи опалення;
• Зясувати втрати тиску і загальна витрата теплоносія на всій системі опалення;

Перед гідравлічним розрахунком потрібно зробити деякі інші розрахунки і деяку іншу роботу:

• Визначити тепловий баланс приміщень;
• Вибір типу опалювальних приладів, а також визначитися з їх розташуванням в опалювальному приміщенні;
• Накреслити схему опалення приміщення;
• Визначити головний контур опалення, тобто центральне циркулярний кільце;

Розраховувати потрібно ту ділянку, який має труби одного і того ж діаметру на всій своїй довжині і має постійну витрату теплоносія, тобто витрата води на цій ділянці не змінюється.

Визначити витрату води можна по тепловому балансу приміщення.

Таким чином, виходить, що одна система опалення може мати відразу кілька розрахункових ділянок. Для того щоб не пропустити яку-небудь ділянку, їх нумерують. Нумерацію слід починати від джерела тепла, тобто, наприклад, від газового нагрівального котла.

Для розрахунку потрібно і така інформація, як довжини ділянок трубопроводів. Їх можна дізнатися з плану пристрої системи опалення. При визначенні довжини кожної ділянки допускається похибка в 0,1 метр на кожній дільниці.

Теплове навантаження дорівнює тепловому потоку на кожному розрахунковому ділянці. Цей тепловий потік передається ділянці від теплоносія. Теплове навантаження на ділянках магістральних і розподільних труб обчислюється після того, як вона нанесена на всі приладові гілки трубопроводу і самі прилади.

Багаторічна практика встановила, що теплове навантаження вказується зверху риси дробу, а от довжина ділянки знизу. Навантаження вказується в ватах, а довжина в метрах.

Для визначення теплового навантаження потрібно знати дві температури:

• Температура теплоносія в прямому потоці;
• Температура теплоносія в зворотному потоці;

Знаючи всі перераховані вище величини, навантаження розраховується за формулою:

Q = 3,6 * Q / c * (Tп-Tо) або Q = 0,86 * Q / (Tп-Tо)

Розмірність буде в кілограмах на годину.

У другій формулі скорочення було вироблено на підставі, того, що теплоємність (с) теплоносія дорівнює 4,2 кДж. При цьому варто зауважити, що це теплоємність води.

Вибір діаметра труби

Для пристрою системи опалення використовують труби, які можуть бути зроблені з наступних матеріалів:

• Чорна сталь;
• Нержавіюча сталь;
• мідь;
• Модифікації поліетилену;
• Пропілен і так далі;

Всі ці матеріали мають різні фізичні властивості, які впливають на їх оптимальний діаметр.

На етапі розрахунку діаметра труб можна виділити кілька основних вимог, які предявляються до труб:

• Мінімальні експлуатаційні витрати;
• Мінімальні витрати на влаштування систем опалення;

Як видно весь розрахунок зводиться до вартості пристрою і використання системи опалення. Дійсно, якщо труба більшого, ніж потрібно, діаметра, то вона і коштує дорожче, і потім буде володіти надлишкової теплопередачей, що теж погано.

Щоб задовольнити перший показник, діаметр труби повинен бути таким, який забезпечував би мінімальну швидкість руху теплоносія в ній. Мінімальною швидкістю вважається швидкість в 0,25 метрів за одну секунду.

Малі швидкості призводять до того, що виникає необхідність в трубах більшого діаметру, і до того, що:

• Збільшується матеріалозатрати на пристрій всієї системи;
• Збільшується вартість всієї опалювальної системи;
• Збільшується обсяг теплоносія, необхідний для нормальної роботи опалювальної системи;
• Знижується швидкодію системи;

Для того щоб задовольнити другій вимозі економічної доцільності, потрібно використовувати труби меншого діаметру.

Таким чином, видно, що при розрахунку слід шукати консенсус між двома абсолютно протилежними вимогами. За багаторічну практику пристрої систем опалення були розраховані певні швидкості руху теплоносія для певних діаметрів труб, тобто була встановлена математична звязок між двома цими показниками.

Досвід показує, що найбільшою ефективністю володіє та система опалення, теплоносій в якій рухається із середньою швидкістю в 0,3-0,7 метра за одну секунду. При такій швидкості питома втрата тиску буде дорівнює приблизно 45-300 паскалів на один метр трубопроводу. Ця цифра відноситься до полімерних труб. Для металевих труб втрати тиску лежать в діапазоні від 60 до 480 паскалів на метр.

Якщо взяти до уваги і те, що труби з полімерних матеріалів коштують дорожче, ніж труби з металу, то в них економічно доцільно підтримувати більш високу швидкість руху теплоносія. Це знизить витрати на експлуатацію, що призведе до швидкої окупності полімерних труб.

Отже, для того щоб визначити діаметр трубопроводу, позначимо цю величину буквою D, потрібно скористатися наведеними нижче даними, при цьому варто врахувати, що вже заздалегідь відома різниця між температурами потоку в прямому напрямку і потоку в зворотному напрямку. Така різниця дорівнює 20 градусам.

втрати тиску

У попередньому розрахунку постійно згадувалося таке поняття, як втрати тиску. Ці цифри не є константами, вони індивідуальні для певних умов. По цьому, можна зробити висновок, що втрату тиску теж можна розрахувати.

Отже, вся система опалення зі своїми трубами і джерелом тепла утворює опалювальний контур. У тих системах, де використовується дві труби, кількість контурів дорівнює числу опалювальних приладів, а ось в тих системах, де використовується одна труба це кількість контурів дорівнює числу приладових віток.

Процес розподілу теплоносія між контурами протікає в зворотній пропорційній залежності від втрат тиску на цих контурах. Варто відзначити, що ця залежність є квадратичною.

Загальні втрати тиску знаходяться, як сума втрат на всіх ділянках, тобто можна стверджувати, що це величина аддитивна.

Таким чином, втрату на певній ділянці можна представити у вигляді двох складових компонентів:

• Втрата тиску за рахунок гідравлічного тертя;
• Втрата тиску за рахунок місцевих опорів;

Тоді можна вивести формулу, за якою розраховується втрата тиску на певній ділянці:

P = P1 + P2 = (p * v * v / 2) * ((Y * l / d) + e), де:

• P1- втрати тиску на гідравлічне тертя;
• P2 - втрати тиску на місцевих опорах;
• p- щільність теплоносія;
• y - коефіцієнт гідравлічного тертя;
• d і l - це внутрішній діаметр трубопроводу і його довжина;
• е - є сумою коефіцієнтів місцевих тисків;
• v - швидкість теплоносія;

У цій формулі є тільки один невідомий член - коефіцієнт гідравлічного тертя. Його знаходять з формули:

y = 0,11 * ((68 / Re) + (Kе / d)) в ступені 0,25.

У цій формулі:

• Re - число Рейнольда;
• Kе - шорсткість труби, виражена в міліметрах;

Деякий аналіз привів до того, що була встановлена інша формула для обчислення втрат тиску:

P = S * G , де:

• G - витрата теплоносія на даній ділянці, виражений в кілограмах на годину;
• S - характеристика гідравлічного тиску;

Характеристика гідравлічного тиску має наступний фізично сенс: втрата тиску на певній ділянці при витраті теплоносія масою в один кілограм.

Ця величина розраховується за формулою:

S = А * Eпр = А * (yl / d + e), де:

• А - тиск динамічне питомий, виражене в паскалях, поділеній на кілограм на годину в квадраті;
• Епр - наведений коефіцієнт місцевих опорів;

У свою чергу, питомий динамічний тиск являє собою з фізичної точки зору той тиск, який створює теплоносій, під час протікання по трубі, в обсязі один кілограм за одну годину.

Ця величина може бути розрахована за формулою:

А = p * v * v / 2G * G

Підставляючи табличні дані, отримаємо:

А = 6.2544 *10-8 / P *d4

Наведений коефіцієнт місцевих опорів є сумою всіх місцевих опорів і величини (( / d) · l), тоді отримаємо:

Eпр = (yl / d) + e

З усього вищесказаного можна зробити висновок, що для того, щоб розрахувати втрати тиску на ділянці труб, необхідно мати такі вихідні дані:

• Деякі гідравлічні характеристики трубопроводу, такі, як / d і А чи R;
• Довжину трубопроводу того ділянки, на якому проводиться розрахунок;
• Суму місцевих опорів (е), тобто структуру розрахункового ділянки і все значення коефіцієнтів місцевих опорів;

Крім такого роду розрахунку можна проводити і інші, більш легкі, спрощені. До таких розрахунками відноситься розрахунок, в якому розраховується обладнання, тобто потужність і інші показники опалювального котла, радіатора і так далі.

Наведемо приклад такого розрахунку.

На першому етапі потрібно дізнатися обсяг всіх приміщень. Його знаходити просто, застосовуючи шкільну формулу, тобто висота, помножена на довжину і ширину.

Нехай загальний обсяг вийшов рівним 250 кубічних метрів.

Проведені дослідження показують, що для опалення одного кубічного метра повітря потрібна потужність в 41 Ватт. Таким чином, можна порахувати загальну потужність обігрівального елементу, яка необхідна для обігріву всього простору:

41 * 250 = 10250.

Цю цифру потрібно збільшити приблизно на 20-25 відсотків, щоб залишався запас тепла. В іншому випадку котел повинен буде постійно працювати, не зупиняючись, що практично неможливо. Крім того додані 20 відсотків до потужності убезпечать від перепаду тиску газу в котлі. Якщо тиск зменшиться, то і кількість виробленого тепла теж зменшиться при одній і тій же потужності котла.

По цьому, знайдемо оптимальну потужність котла, як:

 (10250/100 * 20) + 10250 = 12300 Ватт, тобто приблизно 12 кіловат.

На сьогоднішній день промисловість випускає котли з номінальною потужністю в 12-14 кіловат. Якщо потрібен котел з більшою потужністю, то його необхідно замовити.

З потужністю котла визначилися, тепер можна дізнатися потужність тих радіаторів, які будуть стояти в кожній кімнаті.

Для цього нам знадобиться знати кубатуру кожної кімнати. Задамо такі дані:

• 1 кімната обємом в 25 кубічних метрів;
• 2 кімната з обємом в 25 кубічних метрів;
• 3 кімната обємом в 50 кубічних метрів;
• 4 кімната обємом 100 кубічних метрів;
• 5 кімната обємом 35 кубічних метрів;
• 6 кімната обємом 15 кубічних метрів;

Отже, розрахуємо кожну кімнату окремо.

Необхідна потужність для 1 кімнати знаходиться, як:

25 * 41 = 1025 Ватт

Округлимо до 1200 Ватт. Таку потужність здатні видавати приблизно 8 ребер алюмінієвого радіатора, при обліку того, що кожне ребро має вихідну потужність в 150 Ватт. Висота такого радіатора дорівнює приблизно 60 сантиметрам, а температура 70 градусів.

Необхідна потужність для 2 кімнати знаходиться, як:

25 * 41 = 1025 Ватт, тобто приблизно ті ж 8 ребер.

Необхідна потужність для 3 кімнати знаходиться, як:

50 * 41 = 2050 Ватт. Округлимо до 2250, тобто потрібен радіатор з тими ж параметрами на 15 ребер.

Необхідна потужність для 4 кімнати знаходиться, як:

100 * 41 = 4100 Ватт. Округлимо до 4200, тобто знадобляться декілька радіаторів із загальною кількістю ребер 28.

Необхідна потужність для 5 кімнати знаходиться, як:

35 * 41 = 1435 Ватт. Округлимо до 1500, тобто знадобиться радіатор на 10 ребер.

Необхідна потужність для 6 кімнати знаходиться, як:

15 * 41 = 615 Ватт. Округлимо до 600, тобто знадобиться радіатор з числом ребер 4.

Тепер перевіримо, чи впорається котел із заданою загальною потужністю. Для цього складемо все вирахувані потужності і порівняємо їх з потужністю середньостатистичного котла, тобто з максимум 14 кВт.

Сума потужностей:

1200 + 1200 + 2250 + 4200 + 1500 + 600 = 10950 Ватт, приблизно 11кВт, а котел має від 12 до 14 кВт. Значить, робимо висновок, що котел впорається.

На цьому розрахунок потужності опалювального обладнання завершений. Можна також проводити розрахунки на витрати газу обладнанням, на вартість обслуговування і так далі. Однак такі підрахунки не належать до гідравлічного розрахунку опалювальної системи приватного. Будинки. Їх можна віднести до розрахунків економічної ефективності опалювального обладнання.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!