Как рассчитать давление в системе отопления

Эффективность отопительной системы вовсе не гарантируют качественные трубы и высокопроизводительный теплогенератор.

Наличие ошибок, допущенных при монтаже, может свести на нет работу котла, работающего на полную мощность: либо в помещениях будет холодно, либо затраты на энергоносители будут неоправданно высокими.

Поэтому важно начинать с разработки проекта, одним из важнейших разделов которого является гидравлический расчет системы отопления.

Расчет гидравлики водяной системы отопления

Теплоноситель циркулирует по системе под давлением, которое не является постоянной величиной. Оно снижается из-за наличия сил трения воды о стенки труб, сопротивления на трубной арматуре и фитингах. Домовладелец также вносит свою лепту, корректируя распределение тепла по отдельным помещениям.

Давление растет, если температура нагрева теплоносителя повышается и наоборот – падает при ее снижении.

Чтобы избежать разбалансировки отопительной системы, необходимо создать условия, при которых к каждому радиатору поступает столько теплоносителя, сколько необходимо для поддержания заданной температуры и восполнения неизбежных теплопотерь.

Главной целью гидравлического расчета является приведение в соответствие расчетных расходов по сети с фактическими или эксплуатационными.

На данном этапе проектирования определяются:

• диаметр труб и их пропускная способность;
• местные потери давления по отдельным участкам системы отопления;
• требования гидравлической увязки;
• потери давления по всей системе (общие);
• оптимальный расход теплоносителя.

Для производства гидравлического расчета необходимо проделать некую подготовку:

1. Собрать исходные данные и систематизировать их.
2. Выбрать методику расчета.

Первым делом проектировщик изучает теплотехнические параметры объекта и выполняет теплотехнический расчет. В итоге у него появляется информация о количестве тепла, необходимом для каждого помещения. После этого выбираются отопительные приборы и источник тепла.

Схематичное изображение отопительной системы в частном доме

На стадии разработки принимается решение о типе отопительной системы и особенностях ее балансировки, подбираются трубы и арматура. По окончании составляется аксонометрическая схема разводки, разрабатываются планы помещений с указанием:

• мощности радиаторов;
• расхода теплоносителя;
• расстановки теплового оборудования и пр.

Расчет диаметра труб

Расчет сечения труб должен опираться на результаты теплового расчета, обоснованные экономически:

• для двухтрубной системы – разность между tr (горячим теплоносителем) и to (охлажденным – обраткой);
• для однотрубной – расход теплоносителя G, кг/ч.

Кроме того, в расчете должна учитываться скорость движения рабочей жидкости (теплоносителя) – V . Ее оптимальная величина находится в диапазоне 0,3-0,7 м/с. Скорость обратно пропорциональна внутреннему диаметру трубы.

При скорости движения воды, равной 0,6 м/с в системе появляется характерный шум, если же она менее 0,2 м/с, появляется риск возникновения воздушных пробок.

Для расчетов потребуется еще одна скоростная характеристика – скорость теплопотока. Она обозначается буквой Q, измеряется в ваттах и выражается в количестве тепла, переданного в единицу времени

Q (Вт) = W (Дж)/t (с)

Кроме вышеперечисленных исходных данных для расчета потребуются параметры отопительной системы – длина каждого участка с указанием приборов, подключенных к нему. Эти данные для удобства можно свести в таблицу, пример которой приведен ниже.

Таблица параметров участков

Обозначение участка	Длина участка в метрах	Количество приборов а участке, шт.
1-2	1,8	1
2-3	3,0	1
3-4	2,8	2
4-5	2,9	2

Расчет диаметров труб достаточно сложный, поэтому проще воспользоваться справочными таблицами. Их можно найти на сайтах производителей труб, в СНиП или специальной литературе.

Монтажники при подборе диаметра труб пользуются правилом, выведенным на основании анализа большого числа отопительных систем. Правда, это касается только небольших частных домов и квартир. Практически все отопительные котлы оборудованы патрубками подачи и обратки ¾ и ½ дюйма. Такой трубой и выполняется разводка до первого разветвления. Далее на каждом участке размер трубы уменьшают на один шаг.

Вычисление местных сопротивлений

Местные сопротивления возникают в трубе и арматуре. На величину данных показателей влияют:

• шероховатость внутренней поверхности трубы;
• наличие мест расширения или сужения внутреннего диаметра трубопровода;
• повороты;
• протяженность;
• наличие тройников, шаровых кранов, приборов балансировки и их количество.

Сопротивление рассчитывается для каждого участка, который характеризуется постоянным диаметром и неизменным расходом теплоносителя (в соответствии с тепловым балансом помещения).

Исходные данные для расчета:

• длина расчетного участка – l, м;
• диаметр трубы – d, мм;
• заданная скорость теплоносителя – u, мм;
• характеристики регулирующей арматуры, предоставляемые производителем;
• коэффициент трения (зависит от материала трубы), λ;
• потери на трение – ∆Pl, Па;
• плотность теплоносителя (расчетная) – ρ = 971,8 кг/м 3 ;
• толщина стенки трубы – dн х δ, мм;
• эквивалентная шероховатость трубы – kэ, мм.

Гидравлическое сопротивление – ∆P на участке сети рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха.

Символ ξ в формуле означает коэффициент местного сопротивления.

Если в доме стоит печка, отопить она сможет лишь небольшое помещение. Установка батарей отопления в частном доме большой площади обязательна, так как в противном случае отдаленные от печи комнаты отапливаться не будут.

Основные характеристики газового котла Buderus представлены в этом обзоре.

О том, как запустить газовый котел, расскажем в этой статье.

Гидравлическая увязка

Балансировка перепадов давления в отопительной системе выполняется посредством регулирующей и запорной арматуры.

Гидравлическая увязка системы производится на основании:

• проектной нагрузки (массового расхода теплоносителя);
• данных производителей труб по динамическому сопротивлению;
• количества местных сопротивлений на рассматриваемом участке;
• технических характеристик арматуры.

Установочные характеристики – перепад давления, крепление, пропускная способность – задаются для каждого клапана. По ним определяют коэффициенты затекания теплоносителя в каждый стояк, а затем – в каждый прибор.

Потери давления прямо пропорциональны квадрату расхода теплоносителя и измеряются в кг/ч, где

S – произведение динамического удельного давления, выраженного в Па/(кг/ч), и приведенного коэффициента для местных сопротивлений участка (ξпр).

Приведенный коэффициент ξпр является суммой всех местных сопротивлений системы.

Определение потерь

Гидравлическое сопротивление главного циркуляционного кольца представляет собой сумму потерь его составляющих элементов:

• первичного контура – ∆Plk;
• местных систем – ∆Plм;
• генератора тепла – ∆Pтг;
• теплообменника ∆Pто.

Гидравлический расчет системы отопления – пример расчета

В качестве примера рассмотрим двухтрубную гравитационную систему отопления.

Исходные данные для расчета:

• расчетная тепловая нагрузка системы – Qзд. = 133 кВт;
• параметры системы – tг = 75 0 С, tо = 60 0 С;
• расход теплоносителя (расчетный) – Vсо = 7,6 м 3 /ч;
• присоединение отопительной системы к котлам производится через гидравлический разделитель горизонтального типа;
• автоматика каждого из котлов в течение всего года поддерживает постоянную температуру теплоносителя на выходе – tг = 80 0 С;
• автоматический регулятор перепада давления устанавливается на вводе каждого распределителя;
• система отопления от распределителей смонтирована из металлопластиковых труб, а теплоснабжение распределителей производится посредством стальных труб (водогазопроводных).

Диаметры участков трубопроводов подобраны с использованием номограммы для заданной скорости теплоносителя 0,4-0,5 м/с.

На участке 1 установлен клапан dу 65. Его сопротивление согласно информации производителя составляет 800 Па.

На участке 1а установлен фильтр диаметром 65 мм и с пропускной способностью 55 м3/ч. Сопротивление этого элемента составит:

0,1 х (G/kv) х 2 = 0,1 х (7581/55) х 2 = 1900 Па.

Варианты двухтрубной отопительной системы

Сопротивление трехходового клапана dу = 40 мм и kv = 25 м3/ч составит 9200 Па.

Суммарные потери давления в системе снабжения теплом распределителей будут равняться 21514 Па или приблизительно 21,5 кПа.

Самодельная печь хорошо подойдет для обогрева дачного домика или подсобного помещения. Печка из газового баллона своими руками – смотрите инструкцию по изготовлению.

Как собрать пресс для топливных брикетов своими руками, вы узнаете в этой статье.

Аналогичным образом производится расчет остальных частей системы теплоснабжения распределителей. При расчете системы отопления от распределителя выбирается основное циркуляционное кольцо через наиболее нагруженное отопительное устройство. Гидравлический расчет производится с использованием 1-го направления.

Видео на тему

Давление в каждой точке замкнутых циркуляционных колец системы отопления в течение отопительного сезона непрерывно изменяется вследствие непостоянства плотности воды и циркуляционного давления.

Исходное значение давления соответствует гидростатическому давлению в каждой точке системы в состоянии покоя. Наибольшие изменения давления в системе происходят при циркуляции максимального количества воды, температура которой достигает предельного значения при расчетной температуре наружного воздуха. Сравнивая крайние значения при этих двух гидравлических режимах, можно судить о динамике давления в каждой точке при действии системы отопления в течение отопительного сезона.

Изменение давления в системе отопления рассматривают с целью выявления мест с чрезмерно низким или высоким давлением, вызывающим нарушение циркуляции воды или разрушение отдельных элементов системы. Это позволяет предусматривать мероприятия, обеспечивающие нормальное функционирование системы в течение всего отопительного сезона.

6.1. Изменение давления при движении воды в трубах

Установим, как изменяется давление в горизонтальных и вертикальных трубах, заполненных движущейся водой, применительно к условиям работы вертикального циркуляционного кольца системы отопления.

Запишем значение давления в любой точке потока воды. При установившемся движении потока воды полное давление по уравнению Бернулли составит:

где ρ – плотность воды, кг/м 3 ;

g – ускорение свободного падения, м/с 2 ;

h – вертикальное расстояние от оси потока воды до плоскости сравнения, м;

р – дополнительное статическое давление воды, Па;

w – средняя скорость движения потока воды, м/с.

По уравнению (6.1) полная энергия потока состоит из кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия движения потока воды измеряется гидродинамическим давлением. Среднее значение гидродина-мического давления (порядок его величины) найдем при скорости движения воды 1,5 м/с, характерной для теплопроводов насосной системы отопления:

ρw 2 /2 = 970 1,5 2 /2 = 1091, Па.

Потенциальная энергия потока воды складывается из энергии положения потока ρgh и энергии давления р в потоке.

В каком-либо сечении потока воды энергия положения ρgh зависит от положения этого сечения по отношению к плоскости сравнения. За плоскость сравнения примем свободную поверхность воды в открытом расширительном баке системы отопления, на которую действует атмосферное давление. При этом будем считать уровень, на котором находится вода в баке, неизменным. Тогда в каждом сечении потока будет определяться гидростатическое давление положения, как избыточное и пропорциональное вертикальному расстоянию h (высоте столба воды в состоянии покоя).

Энергия давления р определяется пьезометрической высотой, на которую может подняться вода над рассматриваемым сечением потока. В замкнутой системе отопления проявляется энергия давления, рассматриваемая как гидростатическое давление в каждом сечении теплопроводов, вызывающее циркуляцию воды.

Сопоставим возможное изменение гидродинамического и гидростатического давления в вертикальной системе отопления.

Гидростатическое давление в вертикальной трубе при изменении положения точки потока только на 1 м возрастает или убывает на ρgh = 9709,811 ≈ ≈ 9516 Па.

Очевидно, что изменение величины гидростатического давления по высоте системы отопления даже одноэтажного здания более чем на целый порядок превышает максимально возможное изменение значения гидродинамического давления (1091 Па). Поэтому в дальнейшем для характеристики изменения давления воды в системе отопления будем учитывать изменение только гидростатического давления (ρgh + р), приближенно считая его равным полному, т.е. будем пренебрегать изменением гидродинамического давления (ρw 2 /2).

Для нормальной эксплуатации системы отопления (СО) необходимо правильно ее настроить и отладить. Так что создать схему, смонтировать все — это только часть успеха. Надо еще правильно рассчитать и выставить давление в системе отопления частного дома. Об этом, и о различного рода неполадках и пойдет речь.

Давление в системе отопления частного дома: зачем и как

Избыточное давление создается в системах отопления закрытого типа — с расширительным баком и циркуляционным насосом. Необходимо оно для того, чтобы нормально работало все оборудование. Второе назначение — избежать завоздушивания системы. При повышенном давлении, попавший в трубы воздух «выдавливается» в высшую точку, где он уходит через воздухоотводчик.

Для стабилизации давления в системах отопления частного дома устанавливают расширительный мембранный бак. Именно он отвечает за поддержание более-менее стабильного состояния системы, компенсируя тепловое расширение, которое неминуемо возникает при нагреве теплоносителя. Бак состоит из двух частей, разделенных резиновой эластичной мембраной. В одну (герметичную) часть бака закачивается воздух или инертный газ, создавая в этой камере определенное давление. Как правило, заводская настройка — 1,5 Бар. Если установить бак без изменений, пока в системе давление будет меньше чем 1,5 Бара, бак будет пустым.

Бар — внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере.

1 бар = 0.987 атмосфер

Работает это так. По мере нагрева теплоносителя, он расширяется (вода — меньше, незамерзайки — больше), из-за чего повышается давление (система-то замкнутая). Когда оно становится больше, чем в баке, теплоноситель начинает понемногу заполнять свободную емкость. По мере наполнения мембрана растягивается, уплотняя газ, закачанный во вторую половину бачка. Понятное дело, в этой части давление повышается и последующее заполнение происходит только если в системе теплоноситель «давит» еще сильнее. Все эти изменения происходят плавно, а не скачкообразно.

Таким образом, в замкнутом контуре давление остается более-менее стабильным — до тех пор, пока емкость расширительного бака не заполнится теплоносителем. При остывании теплоносителя, он понемногу сжимается, натяжение мембраны выталкивает его в трубы/радиаторы. Этим снова-таки поддерживается стабильное состояние.

Расчет давления в трубах и в расширительном баке

Не все владельцы частного отопления задумываются о том, каким должно быть давление в системе отопления. Часто руководствуются граничными показаниями котлов. Нельзя чтобы давление в отопительной системе превышало допустимое давление котла. Эту характеристику смотрят в паспорте котла и накачивают теплоноситель до тех пор, пока показания не будет на 0,5-1 бар ниже.

Еще один вариант — ориентироваться на «средние» показатели. Так для небольших систем (для квартир и одноэтажных частных домов) выставляют примерно 1,5 Бар на холодной системе и затем, на протяжении эксплуатации, поддерживают это состояние.

Но правильнее рассчитать каким должно быть давление в системе отопления именно вашего частного дома. По рекомендациям производителей отопительного оборудования, оно высчитывается так:

1. высоту системы в метрах умножаем на 0,1;
2. добавляем к этому значению 0,2 — 0,5 Бар (лучше добавить 0,5 Бар — лучше работает);
3. полученное значение — давление на «холодной» системе;

Например, высота системы — 6 метров (3 этажа). 6*0,1 = 0,6 Бар. Добавляем 0,5 Бар, получаем 1,1 Бар. Эти показатели должны быть на холодном теплоносителе (после закачки, без включения котла).

Еще надо проверить давление в расширительном баке. С завода они поставляются накачанные до 1,5 Атм. Желательно его проверить (автомобильным манометром) и «подстроить» под свою систему.

По правилам эксплуатации давление в расширительном баке отопления должно быть на 0,2 Бар ниже, чем в системе. В этом случае он будет компенсировать расширение теплоносителя и стрелка манометра не будет «скакать». Если говорить о примере, приведенном выше, то расширительный бак должен быть накачан до 0,9 Бар (1,1-0,2 = 0,9 Бар). А если поставить бак с заводскими «настройками», то он работать будет только в том случае, если давление поднимется выше 1,5 Бар. В принципе, это некритично, так как обычно отопительные приборы и арматура легко выдерживают такие показатели. Но, с «правильной» подстройкой, скачков не должно быть совсем. А это более длительная и беспроблемная эксплуатация труб, котла, радиаторов и других элементов.

Что делать, если давление в СО нестабильно

Во время отопительного сезона, можно наблюдать изменения давления в отопительной системе. Отслеживаются они по манометру. Если котел используется автоматизированный, в нем часто манометр встроен, а его указатель находится на корпусе. В других случаях их ставят после котла (на подаче в группе безопасности) или перед ним — на прямом участке непосредственно перед котлом. Если в системе нет манометра, его можно установить на любом участке, при помощи куска трубы и фитингов подключив к любому имеющемуся свободному входу.

Для стравливания давления в системе отопления и спуска теплоносителя в нижней точке системы (часто внизу последнего в ветви радиатора) устанавливается отсечной кран. В нормальном положении он закрыт. Если надо спустить теплоноситель, его открывают. Сливать жидкость можно в подставленную емкость или, через шланг, в ближайшую канализационную трубу.

Для заполнения системы есть другой вход с установленным отсечным краном. В некоторых случаях он смонтирован в котлах, но есть и системы, в которых предусмотрен отдельный ввод для закачки теплоносителя. Если теплоноситель — вода, этот вход подключается к водопроводу (холодной воде). Если нужно закачать другой теплоноситель (например, антифриз), необходимо специальное устройство.

Давление падает

Иногда, после пуска системы (первого или после промывки/ремонта), давление в системе отопления частного дома постоянно падает. Этот процесс может быть практически незаметен, но через неделю-другую оно становится значительно ниже (при той же температуре теплоносителя). Иногда понижение наблюдается в течение нескольких часов. Самая распространенная причина — утечка теплоносителя, то есть — негерметичность труб, радиаторов, соединений и т.д.

Чтобы избавиться от этой проблемы, нужно проверить все соединения. Перед проверкой, прогреваем систему до 80 °C, увеличиваем давление до 2,5 Атм (для закрытой системы), а затем отключаем котел. Т.е. проверку на утечки проводят на остывающей системе. Для начала пройдитесь по всем возможным местам утечек с чистой сухой салфеткой или куском туалетной бумаги (отопление запущено и работает под давлением). Если при проверке одного из соединений салфетка стала влажной или появилось хоть небольшое пятно — проблема найдена. Возможно, подтекает не одно соединение, так что необходимо сделать полный обход системы.Если все стыки проверены, но протечек не найдено, попробуйте еще мыльную пену. Ее также накладывают на все соединения и стыки, на все швы. Этот способ хорош тем, что можно обнаружить самые небольшие протечки.

Особенно тщательно проверяйте американки (накидные гайки). Со временем уплотнительное резиновое кольцо «проседает» и могут появиться микроподтеки. Под действием нагрева системы отопления, выступившая вода быстро испаряется и обнаружить подтек бывает непросто. По этой причине проверку и рекомендуется проводить при остывании системы, о чем было сказано ранее.

После устранения всех текущих подтечек, давление должно стабилизироваться. Если оно все-таки медленно падает, есть два выхода. Первый — надеяться, что оставшиеся микротрещины (а это именно они) «зарастут» солями. Второй — продолжать попытки. Может что и найдете.

Еще один вариант — падение наблюдается некоторое время после закачки теплоносителя, затем стабилизируется. Если снижение не слишком большое (0,2-0,4 Бар), скорее всего, вывелся воздух, который попал в систему с теплоносителем. Чтобы не нервничать по этому поводу, после дополнения теплоносителя пройдите по всей системе, спустите воздух (для этого на всех радиаторах ставят краны Маевского или другие воздухоотводчики).

Давление скачет

Скачки давления в системе отопления частного дома возможны по двум причинам:

• неправильно работает (или совсем не работает) расширительный бак;
• завоздушивание.

Со вторым вариантом все ясно: пройдитесь по всем отопительным контурам, открывайте воздухоотводчики, спускайте теплоноситель до тех пор, пока не пойдет ровная струйка воды. Этот обход надо повторить несколько раз подряд. Только если после очередного обхода ни на одном приборе воздуха не было, можно считать, что вы стравили весь воздух. Теперь давление в системе отопления частного дома должно быть стабильным.

Второй вариант — с некорректной работой расширительного бака чуть сложнее. Тут есть варианты:

1. Объем расширительного бака недостаточен. Он должен составлять 10-15% от объема системы. Чтобы найти объем системы, находите «литраж» всех ее компонентов (радиаторы+трубы+котел). От этой цифры и исходят, определяя объем расширительного бака. Если оказывается, что имеющийся у вас бак меньше чем необходимо, можно установить второй. Общий объем не должен быть меньше высчитанного значения
2. Неправильно выставлено давление в расширительном баке или его вообще нет. Для этого проводим измерение (удобно при помощи автомобильного манометра). Для этих целей на баке есть специальный вход. Стандартно, с завода, они идут накачанные до 1,5 Бар.
4. Если показания примерно такие, а система нестабильна (при нагреве сильно скачет манометр), проверяете фильтр, патрубок и т.д., которые стоят перед баком. Возможно, проблема в заросших трубах.
5. Если показания намного ниже или вообще «ноль» — попробуйте накачать до нужного значения (велосипедным или автомобильным насосом). Если давление в расширительном баке не держится, значит прохудилась мембрана и придется ее менять, либо покупать новый бак.

Вообще же вариантов может быть масса. Например, при установке алюминиевых радиаторов может образовываться водород. Алюминий взаимодействует с медным теплообменником котла (обычное дело). В результате взаимодействия этой гальванической пары и образуется газ, который стравливается через воздухоотводчики. В результате — давление постоянно падает.

Давление растет

Третья проблема с давлением в системе отопления частного дома — рост. Постепенно происходит повышение. Для снижения теплоноситель сливают, доводя показатель до нормы. Но, после остывания, давление в системе отопления оказывается значительно ниже нормы. Иногда оно становится настолько низким, что котел просто не включается.

Возможные причины две — некорректная работа расширительного бачка или большое количество воздуха (или другого газа) в теплоносителе. Для начала надо проверить работу МБ (мембранного бака). При таких «симптомах» может стоять бак недостаточного объема (15% от объема системы при использовании воды и 20% при заливке незамерзаек), порвана мембрана, малое давление в баке или засорен выходной патрубок. Во всех случаях бак не выполняет свои функции, поэтому при нагреве теплоносителя давление растет (за счет теплового расширения жидкостей).

Целостность мембраны проверяется нажатием на ниппель (золотник), который есть на «макушке» бака. Если бак в нормальном состоянии, из него должен с шипением выходить воздух. Если мембрана порвана и бак заполнен водой, из отверстия польется вода. Только не перепутайте с конденсатом. Конденсата может быть несколько капель. В исправном расширительном баке, после того как конденсат выйдет, идет воздух. Если же мембрана порвана, вода течет все время. Если у вас такой случай, можно попробовать заменить мембрану или купить новый бак.

Недостаточное давление проверяется при помощи подключенного к ниппелю манометра (можно использовать автомобильный). Давление в баке должно быть на 0,2-0,3 Бар ниже чем в системе. Если оно недостаточно высокое, бак просто постоянно заполнен водой и по этой причине не компенсирует растущее давление в системе.

При недостаточном объеме мембранного бака, система ведет себя нормально на низких и средних температурах нагрева теплоносителя, а вот при высокой температуре давление в отопительном контуре растет. Пересчитав объем системы и сравнив его с объемом имеющегося бака, решаете, нужен ли вам второй, или, если есть необходимость, можно бак заменить большим.

Засор на входе в бак дает похожую ситуацию: давление в системе отопления растет. В зависимости от плотности засора поступление воды в расширительный бак или совсем перекрыто, или частично. Но, в любом случае бак не работает так как нужно. Решение проблемы — перекрыть кран, который идет на бак, снять фильтр, прочистить его и все восстановить.