Тепловой расчет систем водяного отопления

   При гидравлическом расчете стояков вертикальной однотрубной системы каждый стояк рассматривается как один общий расчетный участок. Если применяются унифицированные приборные узлы, то потери давления в них определяются по суммам КМС, приведенным в справочной литературе. Лишь для нетиповых стояков в отдельных случаях приходится рассчитывать распределение потоков воды в трубных узлах, состоящих из неравных по диаметру и длине параллельных участков. В таких случаях (рис. 4) предварительно находятся расходы воды G₁ и G₂ в параллельных участках (или их отношение, если общий расход не известен), используя зависимость расхода  воды  от  проводимости  участков 
 
                                                                  (1.29)                                               
где σ₁ и σ₂ - проводимости гидравлически параллельных участков между точками А и Б(см. рис. 3.4), кг/(ч·Па^0,5 ), определяемые по формуле (3.16). 
               

 
           Рис. 4. Схемы нетиповых узлов однотрубных стояков: а - с ответвлением к прибору, удаленному от стояка; б - с    приборами различного вида; S1 и S2 - характеристики сопротивления параллельно соединенных участков между точками  А  и  Б

    При гидравлическом расчете однотрубных стояков с замыкающими участками количество воды, затекающее в отопительные приборы, рассчитывается отдельно по формуле (1.29) или принимается по значению коэффициента затекания    воды,указанному в справочной литературе. 
Отношение расходов воды в приборе G_np и в стояке G_ст называют коэффициентом  затекания  воды  в  прибор 
 
                                                (1.30)                                                      
   Следует стремиться к повышению коэффициента затекания воды: чем больше α, тем выше будет средняя температура воды в приборе и меньше его площадь.                                     

   Значение коэффициента затекания воды зависит, прежде всего, от направления движения и расхода воды в стояках: при движении воды сверху вниз а возрастает по мере сокращения ее расхода, при движении воды снизу вверх - уменьшается (рис. 5). Поэтому в последнем случае устанавливают некоторый минимальный расход воды в стояке, при котором еще целесообразно применение замыкающих участков у приборов (G_мин на рис. 5). Например, если диаметр труб стояка, замыкающих участков и подводок равен 15 мм, то при расходе воды менее 200 кг/ч следует переходить к однотрубному стояку проточному или с трехходовыми кранами и обходными участками. 
                                              
                Рис. 5. Изменение коэффициента затекания воды в отопительные приборы однотрубных стояков: 1-е осевыми  замыкающими участками; 2 - со смещенными замыкающими участками; сплошная линия - движение воды в  стояках сверху вниз; пунктирная линия - то же снизу вверх 

   Значения коэффициента затекания воды повышаются в следующих случаях: при смещении замыкающего участка от оси стояка (см. рис. 5), увеличении диаметра и сокращении длины подводок к прибору, уменьшении диаметра замыкающего участка. Вследствие последнего, например, можно сократить G_мин до 150-170 кг/ч, если замыкающий участок имеет диаметр 15 мм при диаметре  труб  стояка  и  подводок  20  мм. 
   При гидравлическом расчете подводок к приборам однотрубных стояков с замыкающими участками располагаемое циркуляционное давление, действующее в малом циркуляционном кольце, определяется по формуле 
                                  (1.31)                                                  
где ∑(R1 + Z)_з.y - потери давления в замыкающем участке, известные из гидравлического расчета стояка; ∆р_е.мал - естественное циркуляционное давление в малом циркуляционном кольце по формуле (1.31 а) или (1.31, б); знак плюс соответствует движению воды в стояке сверху вниз, знак минус - снизу  вверх. 
                (1.31а)                                                          
где р_вых и р_вх - плотность воды, кг/м³ , соответственно при температуре t_вх и t_вых.    

        (1.31б)                                                                                    

где p_ср.пр и р_з.у - плотность воды, кг/м³ , соответственно при средней температуре в приборе и при ее температуре в замыкающем участке. 
    Если при гидравлическом расчете стояка коэффициент затекания воды а выбран правильно, то потери давления в подводках к приборам должны равняться ∆р_{е мал} по формуле (1.31), т.е. будет достигнута увязка действующих давлений. В противном случае находят путем повторных расчетов фактические значения α, необходимые для уточнения площади приборов. 
         При гидравлическом расчете вертикальной двухтрубной системы отопления после расчета основного и второстепенных циркуляционных колец через отопительные приборы на нижнем этаже дополнительно рассчитывают стояки. Расчет стояков двухтрубной системы сводится к выбору диаметра труб с увязкой потерь давления на параллельно соединенных участках (согласно формуле (1.10)), так как общие участки циркуляционных колец уже рассчитаны. При этом учитывается изменение естественного циркуляционного давления для приборов, размещаемых на различных  этажах. 
На рис. 6 изображены двухтрубные стояки систем с верхней (рис. 6, а) и нижней (рис. 6, б) разводками. Располагаемое циркуляционное давление для расчета дополнительных (не общих) участков, обеспечивающих теплоносителем приборы на втором этаже, составит: 
           
          Рис. 6. Схемы двухтрубных стояков с расчетными участками в системах водяного отопления: а - с верхней разводкой подающей магистрали; б - с нижней разводкой обеих магистралей 
 

при  верхней  разводке 
   

                           (1.32,а)

при  нижней  разводке  

                          (1.32,б) 

где h₂- вертикальное расстояние между центрами охлаждения воды в отопительных приборах на втором и первом этажах.  
   Вторые слагаемые учитывают дополнительное естественное циркуляционное давление. Видно, что ∆Р_р.н.п< ∆Р_р.в.II за счет потерь давления на участке 1. С другой стороны, расчетных участков в стояках при нижней разводке больше (три участка -  о, р и г между точками А и Б на рис. 6, б - пусть Q₃>Q₄), чем при верхней (два участка р и г между точками А и Б на рис. 6, а). Следовательно, увязка располагаемого и потерянного давления в стояках системы с нижней разводкой вполне достижима и система поэтому работает более устойчиво. Этим объясняется то, что при насосной циркуляции воды в многоэтажных зданиях применяются, если не однотрубные, то двухтрубные системы с нижней разводкой, а двухтрубные системы с верхней подающей магистралью используются ограниченно.

   Гидравлический расчет циркуляционных колец через отопительные приборы, расположенные на вышележащих этажах, выполняют аналогично. При этом потери давления на уже рассчитанных вертикальных участках стояка в располагаемое циркуляционное давление не включают.            

При гидравлическом расчете ветвей горизонтальных однотрубных  систем необходим предварительный  расчет отопительных приборов, так  как расчетная длина участков в ветвях зависит от длины приборов. Длину приборов определяют ориентировочно исходя из значений номинального теплового  потока, приведенных в справочной литературе. 
Отопительные приборы с трубчатыми нагревательными элементами Dy15 и Dy20 включают в каждую горизонтальную ветвь как последовательно соединенные расчетные участки . Длину проточных отопительных приборов с каналами и трубами Dy32- Dy100  вычитают из длины ветвей, т.е. они уменьшают расчетную длину соединяющих их труб. Расчетная длина труб при приборных узлах с замыкающими и обходными участками зависит от расположения этих участков. Если замыкающие участки находятся под приборами, то их длина определяется длиной приборов. 
Для придания горизонтальной однотрубной системе многоэтажного здания вертикальной устойчивости при гидравлическом расчете поэтажных ветвей исходят  из  условия 
                                                       (1.33)                              которое означает, что потери давления в горизонтальной ветви не должны быть меньше максимального значения естественного циркуляционного давления, возникающего при охлаждении воды в приборах на верхнем этаже здания . При этом скорость движения воды в трубах ветви должна превышать 0,25 м/с для обеспечения надежного уноса воздуха. При гидравлическом расчете  ветвей  возможны  два  случая. 
    1. Основное циркуляционное кольцо выбрано по выражению (1.21) и рассчитано через горизонтальную ветвь на первом этаже. Тогда располагаемое циркуляционное давление для гидравлического расчета дополнительных параллельных участков, соединяющих ветвь приборов на втором этаже с горизонтальной ветвью приборов на первом этаже, определяется по формуле (1.32, а) или (1.32, б), причем потерей давления на участке m в формуле будет потеря давления во всей горизонтальной ветви на первом  этаже. 
   2. Основное циркуляционное кольцо выбрано и рассчитано через горизонтальную ветвь на верхнем N-м этаже. Тогда располагаемое циркуляционное давление для гидравлического расчета лежащей ниже горизонтальной ветви на (N - 1)-м этаже составит 
               (1.34)                                 
где ∑(R1+ z)_N - потери давления (ранее вычисленные) на участках, параллельно соединенных с новой ветвью, Па;

   h_N - вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения воды в  ветвях  на  N-м  и  (N-I)-m  этажах,  м. 
Невязка потерь давления в параллельно соединенных горизонтальных однотрубных  ветвях  допустима  до  15  %. 
На основании гидравлического расчета выполняют окончательный тепловой расчет отопительных приборов с учетом теплоотдачи труб. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЕПЛОВОЙ  РАСЧЕТ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

   Система отопления для выполнения возложенной на неё задачи должна обладать определённой тепловой мощностью. Расчётная тепловая мощность системы выявляется в результате составления теплового баланса в обогреваемых помещениях при температуре наружного воздуха tн.р, называемой расчётной, равной средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 tн.5 и определяемой для конкретного района строительства по нормам. Расчётная тепловая мощность в течение отопительного сезона используется частично в зависимости от изменения теплопотерь помещений при текущем значении температуры наружного воздуха tн и только при tн.р - полностью.

   Изменение текущей теплопотребности на отопление имеет место в течение всего отопительного сезона, поэтому теплоперенос к отопительным приборам должен изменяться в широких пределах. Этого можно достичь путём изменения температуры и (или) количества перемещающегося в системе отопления теплоносителя. Этот процесс называют эксплуатационным регулированием. Система отопления предназначена для создания в помещениях здания температурной обстановки, соответствующей комфортной для человека или отвечающей требованиям технологического процесса.

   Выделяемая человеческим организмом теплота должна быть отдана окружающей среде так и в таком количестве, чтобы человек, находящийся в процессе выполнения какого-либо вида деятельности, не испытывал при этом ощущения холода или перегрева. Наряду с затратами на испарение с поверхности кожи и легких, теплота отдаётся с поверхности тела посредством конвекции и излучения. Интенсивность теплоотдачи конвекцией в основном определяется температурой и подвижностью окружающего воздуха, а посредством лучеиспускания (радиации) - температурой поверхностей ограждений, обращённых внутрь помещения.

   Температурная обстановка в помещении зависит от тепловой мощности системы отопления, а также от расположения обогревающих устройств, теплофизических свойств наружных и внутренних ограждений, интенсивности других источников поступления и потерь теплоты. В холодное время года помещение в основном теряет теплоту через наружные ограждения и, в какой-то мере, через внутренние ограждения, отделяющие данное помещение от смежных помещений, имеющих более низкую температуру воздуха. Кроме того, теплота расходуется на нагревание наружного воздуха, который проникает в помещение через неплотности ограждений естественным путем или в процессе работы системы вентиляции, а также материалов, транспортных средств, изделий, одежды, которые холодными попадают в помещение снаружи.

   В установившемся (стационарном) режиме потери равны поступлениям теплоты. Теплота поступает в помещение от людей, технологического и бытового оборудования, источников искусственного освещения, от нагретых материалов, изделий, в результате воздействия на здание солнечной радиации. В производственных помещениях могут осуществляться технологические процессы, связанные с выделением теплоты (конденсация влаги, химические реакции и пр.).

   Учёт всех перечисленных составляющих потерь и поступления теплоты необходим при сведении теплового баланса помещений здания и определении дефицита или избытка теплоты. Наличие дефицита теплоты dQ указывает на необходимость устройства в помещении отопления. Избыток теплоты обычно ассимилируется системой вентиляции. Для определения расчётной тепловой мощности системы отопления Qот составляет баланс расходов теплоты для расчётных условий холодного периода года в виде:

Qот = dQ = Qогр + Qи(вент) ±  Qт(быт) 

Где:

Qогр  - потери теплоты через наружные  ограждения;

Qи(вент) - расход теплоты на нагревание  поступающего в помещение наружного  воздуха;

Qт(быт) - технологические или бытовые  выделения или расход теплоты.

   Методики расчета отдельных составляющих теплового баланса, входящих в формулу, нормируются СНиП. Основные теплопотери через ограждения помещения Qогр определяют в зависимости от его площади, приведенного сопротивления теплопередаче ограждения и расчетной разности температуры помещения и снаружи ограждения. Площадь отдельных ограждений при подсчете потерь теплоты через них должна вычисляться с соблюдением определённых нормами правил обмера. Приведенное сопротивление теплопередаче ограждения или обратная ему величена - коэффициент теплопередачи - принимаются по теплотехническому расчету в соответствии с требованиями СНиП или (например, для окон, дверей) по данным организации-изготовителя. Расчётная температура помещения обычно задаётся равной расчётной температуре воздуха в помещении tв, принимаемой в зависимости от назначения помещения по СНиП, соответствующим назначению отапливаемого здания. Под расчётной температурой снаружи ограждения подразумевается температура наружного воздуха tн.р или температура воздуха более холодного помещения при расчёте потерь теплоты через внутренние ограждения.

   Основные теплопотери через ограждения часто оказываются меньше действительных их значений, так как при этом не учитывается влияние на процесс теплопередачи некоторых дополнительных факторов (фильтрации воздуха через ограждения, воздействия облучения солнцем и излучения поверхности ограждений в сторону небосвода, возможного изменения температуры воздуха внутри помещения по высоте, врывание наружного воздуха через открываемые проёмы и пр.). Определение связанных с этим дополнительных теплопотерь также нормируется СНиП в виде добавок к основным теплопотерям.