1. Характеристика системы водяного отопления

Система водяного отопления представляет собой замкнутую систему, в которой находится котел, который выполняет функцию генератора тепла, трубопроводная система и батареи, с помощью которых происходит передача тепла в помещение. По этой системе в постоянном режиме циркулирует жидкий теплоноситель (вода, или антифриз на водяной основе). Топливом для генератора тепла может быть уголь, дрова, керосин или природный газ, электричество.

В системах водяного отопления циркулирующая нагретая вода охлаждается в отопительных приборах и возвращается в отопительную установку для последующего нагревания.

По способу создания циркуляции теплоносителя различают системы с естественной циркуляцией воды (гравитационные системы) и с механическим побуждением воды насосами (насосные системы).

В гравитационной системе используют различие в плотности воды, нагретой до разной температуры. В вертикальной системе с неоднородной плотностью воды возникает естественное движение под влиянием гравитационного поля Земли (рис. 1).

Рис. 1. Графическая схема возникновения циркуляционного напора

Системы водяного отопления по положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или горизонтали, подразделяют на вертикальные и горизонтальные.

Теплопроводы вертикальных систем подразделяют на магистрали, стояки и подводки: подающие – для подачи горячей воды к отопительным приборам и обратные – для отведения охлажденной воды к теплообменникам. Теплопроводы горизонтальных систем, кроме магистральных, стояков и подводок, имеют горизонтальные ветви, объединяющие отопительные приборы, расположенные на одном уровне.

В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы отопления подразделяют на однотрубные, двухтрубные.

В каждом стояке или горизонтальной ветви однотрубной системы приборы соединяют одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. В двухтрубной системе отопительные приборы присоединяют отдельными трубами к двум трубопроводам – подающему и обратному, при этом вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов.

2. Схемы водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Наибольшее распространение в сельских жилых домах получило отопление с естественной циркуляцией жидкости.

В этой системе, так же как во всех других системах отопления сельских одноквартирных жилых домов, работающих с естественным побуждением, желательно котел располагать ниже отопительных приборов, так как при этом увеличивается циркуляционное давление в системе и уменьшается сечение трубопроводов (рис. 2).

Рис. 2. Двухтрубная система отопления с верхней разводкой: 1 – отопительный котел; 2 – главный (подающий) стояк; 3 – расширительный бак; 4 – разводящая линия системы отопления; 5 – отопительный прибор; 6 – обратная линия системы отопления; 7 – регулировочный кран

Если котел нельзя установить ниже отопительных приборов, то его можно поместить на одном уровне с ними и даже несколько выше. В этом случае вода в системе будет циркулировать вследствие охлаждения ее в трубопроводах. При расположении отопительных приборов выше котла появится дополнительное циркуляционное давление, зависящее от высоты их расположения. Таким образом, охлаждение воды в трубопроводах системы отопления, находящихся выше котла, способствует улучшению циркуляции воды.

Горячий и обратный трубопроводы прокладывают с уклоном не менее 0,003 по движению воды в нем (для подающих трубопроводов – от источника теплоты к отопительным приборам, а для обратных – от отопительных приборов к источнику теплоты). Это обеспечивает свободный выход воздуха через расширительный сосуд и слив воды из системы через сливной патрубок, расположенный в нижней точке системы.

Прокладка обратного трубопровода (см. рис. 2) над полом помещения, особенно при расположении отопительных приборов у наружных стен, не всегда возможна. Для обхода трубопроводом дверей приходится заглублять его под пол и устраивать подпольные каналы, что особенно нежелательно, когда система оборудуется в готовом доме. Поэтому, как правило, применяют другую схему – с прокладкой обратного трубопровода рядом с горячим под потолком помещения (рис. 3). Горячая вода в отопительные приборы поступает так же, как и по ранее рассмотренной системе.

Охлажденная вода от приборов поднимается по обратному стояку в сборный обратный трубопровод под потолком и по нему возвращается в котел. Однако такую схему нельзя рекомендовать к широкому применению во вновь строящихся домах из-за неустойчивости циркуляции в ней воды. Эта система имеет несколько циркуляционных колец, в которых обратная вода поднимается и сливается в верхнем обратном трубопроводе.

Рис. 3. Прокладка обратного трубопровода рядом с горячим под потолком: 1 – отопительный котел; 2 – главный (подающий) стояк; 3 – расширительный бак; 4 – разводящая линия системы отопления; 5 – отопительный прибор; 6 – обратная линия системы отопления; 7 – регулировочный кран; 8 – воздушная петля

Система отопления с естественной циркуляцией воды по сравнению с насосной системой имеет следующие недостатки:

1. сокращен радиус действия (до 20 м по горизонтали) из-за небольшого циркуляционного давления;
2. повышена первоначальная стоимость в связи с применением труб увеличенного диаметра;
3. увеличены расходы металла;
4. замедленное включение системы в действие;
5. повышена опасность замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемом помещении.

Вместе с тем имеются преимущества, предопределяющие в отдельных случаях ее выбор:

1. простота устройства и эксплуатации;
2. независимость действия от снабжения электрической энергией;
3. долговечность (35–40 лет и более без капитального ремонта;
4. саморегулирование, обусловливающее равную температуру помещений;
5. тепловая устойчивость.

3. Гидравлический расчет системы отопления с естественной циркуляцией воды

Задача гидравлического расчета трубопроводов системы отопления – выбор таких сечений трубопроводов для наиболее протяженного и нагруженного циркуляционного кольца или ветви системы, по которым при располагаемом перепаде давлений в системе обеспечивается пропуск заданных расходов теплоносителя. Располагаемый перепад давлений выражает ту энергию, которая при движении жидкости по трубам может быть израсходована на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений.

Чтобы обеспечить надежную циркуляцию теплоносителя в системе отопления, выполняют гидравлический расчет, в результате которого определяют диаметры трубопроводов. Для этого вычерчивают схему прокладки трубопроводов (подающего и обратного) системы отопления, на которой показаны стояки, приборы. Уклоны графически не указывают, а обозначают стрелками, направленными в соответствующую сторону.

После того как схема вычерчена, устанавливают центр нагрева воды в котле (на 150 мм выше колосниковой решетки) и центр охлаждения воды в отопительных приборах (посередине прибора). Затем определяют, находится ли центр воды ниже центра ее охлаждения или наоборот, и измеряют расстояние по вертикали между указанными центрами, а также от центра нагрева воды в котле и отопительных приборах до горячего разводящего трубопровода, считая его условно проходящим на одном уровне.

Расчет системы начинают, как правило, с нумерации участков и определения их длины и тепловой загрузки. При нумерации участков надо иметь в виду, что стояки и подводки к отопительным приборам следует выделять как отдельные участки.

Затем следует выбрать основное расчетное циркуляционное кольцо. Каждое циркуляционное кольцо системы отопления представляет собой замкнутый контур последовательных участков, начиная от выхода из отопительного котла и заканчивая входом в отопительный котел.

В качестве основного расчетного циркуляционного кольца принимают:

1. в системах с попутным движением теплоносителя в магистралях для двухтрубных систем – кольцо через отопительный прибор наиболее нагруженного стояка. Затем выполняется расчет циркуляционных колец через крайние стояки (ближний и дальний);
2. в системах с тупиковым движением теплоносителя в магистралях для двухтрубных систем – кольцо через отопительный прибор наиболее удаленного стояка. Затем выполняется расчет остальных циркуляционных колец.

Подбор диаметров труб на расчетных участках и определение потерь давления в циркуляционном кольце производится по изначально заданной величине располагаемого давления для системы отопления. В этом случае диаметры участков подбираются по ориентировочной величине удельных потерь давления R_ср (методом удельных потерь давления).

В качестве исходного параметра гидравлического расчета необходимо определить величину располагаемого циркуляционного перепада давления ∆P_Р, Па, которая в системах естественной циркуляцией равна:

(1)

где Р_е – естественное циркуляционное давление, возникающее вследствие охлаждения воды в отопительных приборах и трубах циркуляционного кольца, Па.

Естественное циркуляционное давление Р_е, Па, определяется по формуле

(2)

где в′ – безразмерный коэффициент (для всех неизолированных трубопроводов или одного изолированного главного стояка равен 0,4);

h_г – высота расположения горячего разводящего трубопровода над центром нагрева воды в котле, м;

L′ – горизонтальное расстояние от данного вертикального стояка до главного, м;

h₁ – расстояние по вертикали от центра нагрева воды в котле до середины нагревательного прибора, м (со знаком «плюс», если середина прибора выше центра нагрева воды в котле, и со знаком «минус», если середина прибора ниже центра нагрева);

ρ_о, ρ_г – разность плотностей воды, соответствующих расчетным температурам горячей t_г и охлажденной t_о воды в системе отопления (табл. 1), кг/м³;

g – ускорение свободного падения.

Таблица 1. Плотность воды (кг/м³) при ее температуре в пределах от 40 до 99 °С

Градусы	40	50	60	70	80	90
0	992,2	988,0	983,2	977,8	971,8	965,3
1	991,8	987,6	982,7	977,2	971,2	964,7
2	991,4	987,1	982,2	976,6	970,5	964,0
3	991,1	986,7	981,6	976,0	969,9	963,3
4	990,6	986,2	981,1	975,5	969,3	962,6
5	990,2	985,7	980,6	974,8	963,6	961,9
6	989,8	985,2	980,0	974,3	968,0	961,2
7	989,4	984,7	979,5	973,7	967,3	960,5
8	988,9	984,2	978,9	973,0	966,7	959,8
9	988,5	983,7	978,4	972,4	966,0	959,0

Первое произведение в формуле (2) отражает циркуляционное давление, получающееся вследствие охлаждения воды в трубопроводах, второе – давление, обусловленное разницей в высоте расположения котла и прибора. Каждое циркуляционное кольцо в системе имеет свое давление.

Средние удельные потери давления (R_ср, Па) на трение определяются по следующей формуле:

где (1 – k) – коэффициент, учитывающий долю потерь давления на трение (для водяного отопления с естественной циркуляцией воды (независимо от протяженности по вертикали и горизонтали) (1 – k) = 0,5);

∑L_i – длина циркуляционного кольца, м.

Количество циркуляционной воды для каждого участка определяют по формуле:

Расчет сводится в табл. 2.

Таблица 2. Гидравлический расчет системы отопления

Номер участка	Нагрузка на участке		Длина участка Li, м	Диаметр d, мм	Расчетные данные
	Тепловые нагрузки Qуч, Вт	Количество воды на участке Gуч, кг/ч			Скорость v, м/с	Потери давления на трение Ri, Па	Потери давления на трение на всем участке Ri Li, Па	Сумма коэффициентов местных сопротивлений Σξ	Потери давления на местные сопротивления zi, Па	Общие потери давления на участке Ri li + zi, Па
По схеме гидравлического кольца системы отопления				По значению Rср по табл. 3				По табл. 4	По табл. 5

Таблица 3. Таблица для гидравлического расчета трубопроводов водяного отопления при перепадах температуры воды в системе 95–70 °С и Аш = 0,2 мм

Потери давления на трение на 1 м R, Па	Количество проходящей воды (верхняя строка), кг/ч, и скорость движения воды (нижняя строка), м/с, по трубам стальным водогазопроводным обыкновенным (ГОСТ 3262–75) условным проходом, мм
	15	20	25	32	40	50
0,55	5,5 0,008	18,7 0,015	50,7 0,025	121 0,034	159 0,034	288 0,037
0,6	6,0 0,009	20,4 0,016	55,3 0,027	124 0,035	168 0,036	303 0,039
0,65	6,5 0,009	22,1 0,018	59,9 0,029	127 0,036	172 0,037	317 0,041
0,7	7,0 0,01	23,8 0,019	64,5 0,032	131 0,037	173 0,037	329 0,042
0,75	7,5 0,011	25,5 0,02	69,1 0,034	133 0,037	176 0,038	342 0,044
0,8	8,0 0,012	27,2 0,022	75,9 0,037	135 0,038	177 0,038	355 0,046
0,85	8,5 0,012	28,9 0,023	75,9 0,037	136 0,038	182 0,039	368 0,047
0,9	9,0 0,013	3,06 0,024	77,9 0,038	140 0,039	188 0,040	380 0,049
0,95	9,5 0,014	32,3 0,026	80,0 0,039	143 0,040	194 0,041	392 0,050
1,0	10,0 0,015	34,0 0,027	82,0 0,040	147 0,041	199 0,043	403 0,052
1,1	11,0 0,016	37,4 0,030	84,0 0,041	150 0,042	211 0,045	426 0,055
1,2	12,0 0,017	40,8 0,033	86,1 0,042	154 0,043	222 0,047	445 0,057
1,3	13,0 0,019	44,2 0,035	88,1 0,043	161 0,045	231 0,049	466 0,060
1,4	14,0 0,020	47,6 0,038	90,2 0,044	167 0,047	241 0,052	486 0,062
1,5	15,0 0,022	51,0 0,041	92,2 0,045	174 0,049	250 0,054	505 0,065
1,6	16,0 0,023	54,4 0,044	94,2 0,046	180 0,050	260 0,056	523 0,067
1,7	17,0 0,025	57,2 0,046	96,3 0,047	186 0,052	268 0,057	541 0,069
1,8	18,0 0,026	58,4 0,047	98,3 0,048	193 0,054	277 0,059	559 0,072
1,9	19,0 0,028	59,7 0,048	100 0,049	199 0,055	286 0,061	576 0,074
2,0	20,0 0,029	60,9 0,049	102 0,050	204 0,057	294 0,063	592 0,076
2,2	22,0 0,032	62,2 0,050	103 0,050	216 0,06	311 0,067	623 0,080
2,4	24,0 0,035	64,7 0,052	105 0,051	226 0,063	325 0,070	654 0,084
2,6	26,0 0,038	65,9 0,053	110 0,054	236 0,066	340 0,073	683 0,088
2,8	28,0 0,041	67,2 0,054	114 0,056	246 0,069	354 0,076	712 0,091
3,0	30,0 0,044	69,7 0,056	118 0,058	256 0,071	368 0,079	739 0,095
3,2	31,9 0,047	70,9 0,057	123 0,060	265 0,074	381 0,082	766 0,098
3,4	33,9 0,050	72,1 0,058	127 0,062	274 0,077	394 0,084	792 0,101
3,6	35,9 0,052	73,4 0,059	131 0,064	283 0,079	407 0,087	817 0,105
3,8	37,9 0,056	74,6 0,060	135 0,066	292 0,082	419 0,090	842 0,108
4,0	39,2 0,057	75,9 0,061	139 0,068	300 0,084	431 0,092	865 0,111
4,5	41,2 0,060	77,1 0,062	149 0,073	321 0,90	461 0,099	920 0,118
5,0	43,3 0,063	80,3 0,064	158 0,077	339 0,095	486 0,104	974 0,125
5,5	44,6 0,065	84,8 0,068	166 0,081	357 0,100	512 0,110	1026 0,131
6,0	46,0 0,067	88,6 0,071	174 0,085	374 0,105	537 0,115	1076 0,138
6,5	47,4 0,069	92,7 0,074	182 0,089	391 0,109	561 0,120	1123 0,144
7,0	48,8 0,071	96,6 0,077	189 0,093	408 0,114	584 0,125	1169 0,150
7,5	49,4 0,072	100 0,080	198 0,097	423 0,118	607 0,130	1214 0,155
8,0	50,8 0,074	104 0,083	204 0,100	438 0,122	628 0,135	1256 0,161
8,5	52,2 0,076	108 0,086	211 0,103	453 0,127	649 0,139	1298 0,166
9,0	52,9 0,077	111 0,089	218 0,107	467 0,130	670 0,143	1338 0,171
9,5	54,2 0,079	114 0,092	224 0,110	481 0,134	689 0,148	1378 0,176
10,0	54,9 0,080	118 0,094	230 0,113	495 0,138	709 0,152	1416 0,181
11,0	55,5 0,080	124 0,099	242 0,119	520 0,145	745 0,159	1487 0,191
12,0	56,9 0,083	130 0,104	254 0,125	545 0,152	780 0,167	1558 0,200
13,0	59,5 0,087	136 0,109	265 0,130	569 0,159	815 0,174	1626 0,280
14,0	62,1 0,091	142 0,113	276 0,135	592 0,165	848 0,182	1691 0,217
15,0	64,5 0,094	147 0,118	287 0,141	615 0,172	880 0,188	1754 0,225
16,0	66,8 0,098	152 0,122	297 0,146	636 0,178	910 0,195	1815 0,233
17,0	69,1 0,101	157 0,126	307 0,150	657 0,184	940 0,201	1875 0,240
18,0	71,3 0,104	162 0,130	317 0,155	678 0,189	969 0,208	1932 0,248
19,0	73,5 0,107	167 0,134	326 0,160	698 0,195	998 0,214	1988 0,255
20,0	75,6 0,110	172 0,138	335 0,167	717 0,200	1025 0,219	2042 0,262
22,0	79,5 0,116	181 0,145	352 0,173	753 0,210	1077 0,231	2145 0,275
24,0	83,4 0,122	189 0,152	369 0,181	789 0,220	1128 0,241	2246 0,288
26,0	87,1 0,127	198 0,158	385 0,189	832 0,230	1176 0,252	2342 0,300
28,0	90,7 0,132	206 0,165	401 0196	856 0,239	1224 0,262	2435 0,312
30,0	94,2 0,138	214 0,171	416 0,204	888 0,248	1269 0,272	2525 0,323
32,0	97,6 0,142	221 0,177	430 0,211	919 0,257	1313 0,281	2611 0,335
34,0	101 0,147	228 0,183	444 0,218	948 0,265	1355 0,290	2695 0,345
36,0	104 0,152	236 0,189	458 0,225	978 0,273	1396 0,299	2777 0,356
38,0	107 0,156	243 0,194	472 0,231	1006 0,281	1437 0,308	2856 0,366
40,0	110 0,161	249 0,200	484 0,237	1033 0,289	1476 0,316	2934 0,376

Таблица 4. Коэффициент местных сопротивлений ξ для стальных трубопроводов

Местное сопротивление	Коэффициент ξ при условном диаметре
	15	20	25	32	40	50 и более
Тройники: проходные поворотные на ответвление на противотоке	1 1,5 3	1 1,5 3	1 1,5 3	1 1,5 3	1 1,5 3	1 1,5 3
Крестовины: проходные поворотные	2 3	2 3	2 3	2 3	2 3	2 3
Вентили:
обыкновенные	19,9	12,4	10,4	9,4	8,4	7,4
прямоточные	3	3	3	2,5	2,5	2
Отвод гнутый под углом 90°	0,8	0,6	0,5	0,5	0,4	0,3
Кран регулирующий трехходовой:
при проходе	3,5	3	–	–	–	–
на повороте	4,5	3	–	–	–	–
Кран регулирующий проходной	3,5	3	–	–	–	–
Кран двойной регулировки	4	2	2	2	–	–
Отступ под углом 45°	0,8	0,7	0,6	0,6	0,6	0,6
Внезапное изменение сечения:
расширение	1,0
сужение	0,5
Радиаторы чугунные секционные	2,0
Котел стальной	2,0
Котел чугунный	2,5

Таблица 5. Потери давления zi (кг/м²) в местных сопротивлениях при расчете трубопроводов водяных систем отопления (при ρ = 961,9 кг/м³; tг = 95 °С)

Скорость воды, м/с	Суммарные коэффициенты местных сопротивлений Σξ
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
0,025	0,031	0,063	0,094	0,125	0,157	0,188	0,219	0,251	0,282	0,313
0,030	0,045	0,090	0,135	0,180	0,226	0,271	0,316	0,361	0,406	0,451
0,035	0,061	0,123	0,184	0,246	0,307	0,368	0,430	0,491	0,553	0,614
0,040	0,080	0,160	0,241	0,321	0,40I	0,481	0,561	0,642	0,722	0,802
0,045	0,102	0,203	0,304	0,406	0,507	0,609	0,710	0,812	0,913	1,015
0,050	0,125	0,251	0,376	0,501	0,626	0,752	0,877	1,002	1,128	1,253
0,055	0,15	0,30	0,45	0,61	0,76	0,91	1,06	1,21	1,36	1,52
0,060	0,18	0,36	0,54	0,72	0,90	1,08	1,26	1,44	1,62	1,80
0,065	0,21	0,42	0,64	0,85	1,06	1,27	1,48	1,69	1,91	2,12
0,070	0,25	0,49	0,74	0,98	1,23	1,47	1,72	1,96	2,21	2,46
0,075	0,28	0,56	0,85	1,13	1,41	1,69	1,97	2,26	2,54	2,82
0,080	0,32	0,64	0,96	1,28	1,60	1,92	2,25	2,57	2,89	3,21
0,085	0,36	0,72	1,09	1,45	1,81	2,17	2,53	2,90	3,26	3,62
0,090	0,41	0,81	1,22	1,62	2,03	2,44	2,84	3,25	3,65	4,06
0,095	0,45	0,90	1,36	1,81	2,26	2,71	3,17	3,62	4,07	4,52
0,100	0,50	1,00	1,50	2,00	2,51	3,01	3,51	4,01	4,51	5,01
0,105	0,55	1,11	1,66	2,21	2,76	3,32	3,87	4,42	4,97	5,53
0,110	0,61	1,2I	1,82	2,43	3,03	3,64	4,24	4,85	5,46	6,06
0,115	0,66	1,33	1,99	2,65	3,31	3,98	4,64	5,30	5,96	6,63
0,120	0,72	1,44	2,16	2,89	3,51	4,33	5,05	5,77	6,49	7,22
0,125	0,78	1,57	2,35	3,13	3,92	4,70	5,48	6,26	7,05	7,84
0,130	0,85	1,69	2,54	3,39	4,23	5,08	5,93	6,78	7,62	8,47
0,135	0,91	1,83	2,74	3,65	4,57	5,48	6,39	7,31	8,22	9,13
0,140	0,98	1,96	2,95	3,93	4,91	5,89	6,88	7,86	8,84	9,82
0,145	1,05	2,11	3,16	4,21	5,27	6,32	7,38	8,43	9,48	10,54
0,150	1,13	2,26	3,38	4,51	5,64	6,77	7,89	9,02	10,15	11,20
0,155	1,20	2,41	3,61	4,82	6,02	7,22	8,43	9,63	10,84	12,04
0,160	1,28	2,57	3,58	5,13	6,41	7,70	8,98	10,26	11,55	12,83
0,163	1,36	2,73	1,09	5,46	6,82	8,19	9,55	10,92	12,28	13,64
0,170	1,45	2,90	4,34	5,79	7,24	8,69	10,14	11,59	13,03	14,48
0,175	1,53	3,07	4,60	6,14	7.67	9,21	10,7	12,3	13,8	15,3
0,180	1,62	3,25	4,87	6,49	8,12	9,74	11,4	13,0	14,6	16,2
0,185	1,72	3,43	5,15	6,86	8,58	10,3	12,0	13,7	15,4	17,2
0,190	1,81	3,62	5,43	7,24	9,05	10,9	12,7	14,5	16,3	18,1
0,195	1,91	3,81	5,72	7,62	9,53	11,4	13,3	15,2	17,2	19,1
0,200	2,00	4,01	6,01	8,02	10,0	12,0	14,0	16,0	18,0	20,0
0,205	2,1	4,2	6,3	8,4	10,5	12,6	14,7	16,8	19,0	21,1
0,210	2,2	4,4	6,6	8,8	11,1	13,3	15,5	17,7	19,9	22,1
0,215	2,3	4,6	6,9	9,3	11,6	13,9	16,2	18,5	20,8	23,2
0,220	2,4	4,9	7,3	9,7	12,1	14,6	17,0	19,4	21,8	24,3
0,225	2,5	5,1	7,6	10,1	12,7	15,2	17,8	20,3	22,8	25,4
0,230	2,7	5,3	8,0	10,6	13,3	15,9	18,6	21,2	23,9	26,5
0,235	2,8	5,5	8,3	11,1	13,8	16,6	19,4	22,1	24,9	27,7
0,240	2,9	5,8	8,7	11,5	14,4	17,3	20,2	23,1	26,0	28,9
0,245	3,0	6,0	9,0	12,0	15,0	18,0	21,1	24,1	27,1	30,1
0,250	3,1	6,3	9,4	12,5	15,7	18,8	21,9	25,1	28,2	31,3
0,255	3,3	6,5	9,8	13,0	16,3	19,6	22,8	26,1	29,3	32,6
0,260	3,4	6,8	10,2	13,6	16,9	20,3	23,7	27,1	30,5	33,9
0,265	3,5	7,0	10,6	14,1	17,6	21,1	24,6	28,2	31,7	35,2
0,270	3,7	7,3	11,0	14,6	18,3	21,9	26,6	29,2	32,9	36,5
0,275	3,8	7,6	11,4	15,2	18,9	22,7	26,5	30,3	34,1	37,9
0,280	3,9	7,9	11,8	15,7	19,6	23,6	27,5	31,4	35,4	39,3
0,285	4,1	8,1	12,2	16,3	20,4	24,4	28,5	32,6	36,6	40,7
0,290	4,2	8,4	I2,6	16,9	21,1	25,3	29,5	33,7	37,9	42,1
0,305	4,7	9,3	14,0	18,6	23,3	28,0	32,6	37,3	42,0	46,6
0,310	4,8	9,6	14,4	19,3	24,1	28,9	33,7	38,5	43,3	48,2
0,315	5,0	9,9	14,9	19,9	24,9	29,8	34,8	39,8	44,8	49,7
0,320	5,1	10,3	15,4	20,5	25,7	30,8	35,9	41,1	46,2	51,3
0,325	5,3	10,6	15,9	21,2	26,5	31,8	37,1	42,3	47,6	52,9
0,330	5,5	10,9	16,4	21,8	27,3	32,7	38,2	43,7	49,1	54,6
0,335	5,6	11,2	16,9	22,5	28,1	33,7	39,4	45,0	50,6	56,2
0,340	5,8	11,6	17,4	23,2	29,0	34,8	40,6	46,3	52,1	57,9
0,345	6,0	11,9	17,9	23,9	29,8	35,8	41,8	47,7	53,7	59,6
0,350	6,1	12,3	18,4	24,6	30,7	36,8	43,0	49,1	55,3	61,4
0,355	6,3	12,6	18,9	25,3	31,6	37,9	44,2	50,5	56,8	63,2
0,360	6,5	13,0	19,5	26,0	32,5	39,0	45,5	52,0	58,5	65,0
0,365	6,7	13,4	20,0	26,7	33,4	40,1	46,7	53,4	60,1	66,8
0,370	6,9	13,7	20,6	27,4	34,3	41,2	48,0	54,9	61,7	68,6
0,375	7,0	14,1	21,1	28,2	35,2	42,3	49,3	56,4	63,4	70,5
0,380	7,2	14,5	21,7	28,9	36,2	43,4	50,7	57,9	65,1	72,4
0,385	7,4	14,9	22,3	29,7	37,1	44,6	52,0	59,4	66,9	74,3
0,390	7,6	15,2	22,9	30,5	38,1	45,7	53,4	61,0	68,6	76,2
0,395	7,8	15,6	23,5	31,3	39,1	46,9	54,4	62,6	70,4	78,2
0,400	8,0	16,0	24,1	32,1	40,1	48,1	56,1	64,1	72,2	80,2
0,405	8,2	16,4	24,7	32,9	41,1	49,3	57,5	65,8	74,0	82,2
0,410	8,4	16,8	25,3	33,7	42,1	50,5	59,0	67,4	75,8	84,2
0,415	8,6	17,3	25,9	34,5	43,2	51,8	60,4	69,0	77,7	86,3
0,420	8,8	17,7	26,5	35,4	44,2	53,0	61,9	70,7	79,6	88,4
0,425	9,1	18,1	27,2	36,2	45,3	54,3	63,4	72,4	81,5	90,5
0,430	9,3	18,5	27,8	37,1	46,3	55,6	64,9	74,1	83,4	92,7
0,435	9,5	19,0	28,4	37,9	47,4	56,9	66,4	75,6	85,3	94,8
0,440	9,7	19,4	29,1	38,8	48,5	58,2	67,9	77,9	87,3	97,0
0,445	9,9	19,8	29,8	39,7	49,6	59,5	69,5	79,4	89,3	99,2
0,450	10,1	20,3	30,4	40,6	50,7	60,9	71,0	81,2	92,3	101,5
0,455	10,4	20,8	31,1	41,5	51,9	62,3	72,6	83,0	93,4	103,8
0,460	10,6	21,2	32,2	42,4	53,0	63,6	74,2	84,8	95,4	106,0
0,465	10,8	21,7	32,5	43,3	54,2	65,0	75,9	86,7	97,5	108,4
0,470	11,1	22,1	33,2	44,3	55,4	66,4	77,5	88,6	99,6	110,7
0,475	11,3	22,6	33,9	45,2	56,2	67,8	79,1	90,5	101,8	113,1
0,480	11,5	23,1	34,6	46,2	57,7	69,3	80,8	92,4	103,9	115,5
0,485	11,8	23,6	35,4	47,2	58,9	70,7	82,5	94,3	106,1	117,9
0,490	12,0	24,1	36,1	48,1	60,2	72,2	84,2	96,2	108,3	120,3
0,495	12,3	24,6	36,8	49,1	61,4	73,7	86,0	98,2	110,5	122,8
0,500	12,5	25,1	37,6	50,1	62,6	75,2	87,7	100,2	112,8	125,3

В табл. 6 приведены графические условные обозначения на схеме теплоснабжения.

Таблица 6. Некоторые графические условные обозначения на схеме теплоснабжения

Наименование	Обозначение
Варианты обозначения теплопроводов с нанесением его диаметров
Обозначения теплопроводов с нанесением диаметров труб при плотном графическом исполнении чертежа
Направление движения жидкости
Местоположение изменения диаметра трубопровода
Обозначение направления и величины уклона трубопровода относительно горизонта
Обозначение на плане подъема или опуска (по направлению движения теплоносителя) теплопровода
Обозначение радиатора на плане, на схеме
Клапан предохранительный
Кран шаровой или пробковый
Вентиль
Задвижка

После предварительного подбора диаметров трубопровода переходят к его тепловому расчету, определяя последовательно по участкам от котла по ходу воды тепловыделения трубопроводом и температуры воды. Данные сводят в табл. 7.

Таблица 7. Тепловой расчет трубопровода

Номер участка	Gуч, кг/ч	Li, м	d, мм	Температура воды в начале участка tнач i, °C	tв, °C	tнач i – tв, °С	q‘, Вт/м	Тепловыделения трубопроводом qтр, Вт	Понижение температуры воды ∆ti, °С	Температура воды в конце участка tкон i, °С
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
							По табл. 8

Подсчет начинают с участка, температура которого известна (95 °С) (см. графу 5 табл. 7).

Для заполнения графы 10 табл. 7 используют формулу остывания воды на участке трубопровода:

(4)

где q_тр – теплоотдача трубопроводом, Вт;

G_уч – количество воды, которое проходит по участку, кг/ч.

Для заполнения графы 11 используют формулу определения температуры воды в конце участка:

(5)

где t_{нач i} – температура воды в начале участка.

Действительное значение гравитационного давления P_д, Па, определяем по формуле при средних значениях плотности воды:

(6)

где h_ст, h_пр – высота соответственно стояка, по которому вода движется вниз, и отопительного прибора, м;

ρ_ст, ρ_п – плотность воды соответственно в этом стояке и выходящей из котла, кг/м³;

ρ_{п. пр}, ρ_{о. пр} – плотность воды, соответственно входящей в отопительный прибор и выходящей из него, кг/м³;

∆h – вертикальное расстояние между центрами нагрева воды в котле и охлаждения в приборе (принимается посередине прибора).

Полученное действительное циркуляционное давление сравнивают с потерями давления в расчетном кольце трубопровода.

Если действительное давление отличается от потерь на 0–15 %, то трубопровод оставляют без изменения согласно предварительному расчету. Если расхождение составляет от 15 до 30 %, то ограничиваются изменением диаметров с тем, чтобы потери в трубопроводе составляли от 85 до 100 % циркуляционного давления, определенного по тепловому расчету. В этом случае повторного теплового расчета не требуется. При больших расхождениях между действительным давлением и потерями в системе проводят полный перерасчет системы.

Таблица 8. Теплопотери в окружающую среду (Вт) на 1 м q‘ неизолированных труб, наполненных водой, при разности температур теплоносителя и окружающего воздуха

Разность температуры tнач i – tв, °С	Условный диаметр труб стальных водогазопроводных, мм
	15	20	25	32	40	50
42	36,0	45,3	57,0	72,1	76,8	88,4
46	39,5	50,0	62,8	79,1	83,7	96,5
50	44,2	57,0	70,9	89,6	96,5	110,5
54	47,7	61,6	75,6	97,7	104,7	118,6
58	51,2	65,1	82,6	104,7	112,8	126,8
62	57,0	73,3	91,9	116,3	124,4	143,0
66	61,6	77,9	96,5	123,8	133,7	152,4
70	67,5	86,1	108,2	137,2	147,7	161,7
74	72,1	90,7	114,0	145,4	157,0	170,9
78	75,6	95,4	121,0	152,4	165,1	180,3
82	79,1	101,2	126,8	160,5	170,9	189,6
86	83,7	105,8	132,8	169,8	182,6	198,9
90	96,5	123,3	155,8	197,7	207,0	234,9

4. Гидравлический расчет системы отопления одноэтажного усадебного дома

Пример.

Исходные данные. Предварительно проводится теплотехнический расчет, расчет потерь теплоты, расчет отопительных приборов по вышеизложенным методикам.

Система отопления двухтрубная тупиковая с верхней разводкой с естественной циркуляцией теплоносителя. Котел твердотопливный «Мозырь КС-Т-16». Параметры котла представлены на рис. 4. Отопительные приборы – МС-140М.

Рис. 4. Котел твердотопливный «Мозырь КС-Т-16»

По результатам расчетов получены следующие данные:

1. термическое сопротивление ограждающих конструкций отвечает требованиям ТКП 45-2.04-43–2006;
2. потери тепла помещений, в которых устанавливаются отопительные приборы:

• жилая комната 101 – 1 625,6 Вт;
• кухня 102 – 1 346,7 Вт;
• общая комната 103 – 1 973,3 Вт;
• жилая комната 104 – 1 597,8 Вт.

Количество секций в помещениях: 101 – 11 шт., 102 – 9 шт., 103 – 13 шт., 104 – 11 шт.

На плане усадебного дома (рис. 5) показаны расположения стояков, приборов системы отопления и схема прокладки горячей линии.

Рис. 5. План усадебного дома

На рис. 6 представлена схема отопления дома с разбивкой на участки, определены длины участков трубопровода и тепловые нагрузки.

Уклон графически не показан, а лишь обозначен стрелками, направленными в соответствующую сторону.

Принято, что центр нагрева воды в котле (на 150 мм выше колосниковой решетки) и центр охлаждения воды в отопительных приборах (посередине прибора).

Рис. 6. Схема для гидравлического расчета системы отопления

Порядок расчета. Расчет трубопроводов следует начать с наиболее неблагоприятного циркуляционного кольца. Наиболее неблагоприятным циркуляционным кольцом следует считать при естественной циркуляции кольцо, у которого в зависимости от располагаемого давления значение R_ср будет наименьшим. В данном примере одно циркуляционное кольцо.

Определяем предварительный расчетный перепад давления по формуле (2). По условиям прокладки труб принимаем коэффициент в‘ = 0,4.

Ориентировочное предварительное давление для кольца составит: через прибор № 4

через прибор № 3

через прибор № 2

через прибор № 1

Определение величин h_г и h₁, м, изображено на рис. 7.

Рис. 7. Схемы для определения величин hг и h1

Первое произведение – циркуляционное давление, получаемое вследствие охлаждения воды в трубопроводах, второе – давление, обусловленное разницей в высоте расположения котла и прибора.

Проведенные расчеты показывают, что давление, получаемое вследствие охлаждения воды в трубопроводе, значительно больше дополнительного давления, которое получается в результате превышения центра охлаждения воды в приборе над центром нагрева воды в котле (для нашего случая 0,54 м).

Определяем средние удельные потери давления на трение по формуле (3):

через прибор № 4

через прибор № 3

через прибор № 2

через прибор № 1

По найденным значениям R_ср рассчитываем диаметры трубопровода циркуляционного кольца. Результаты расчета сводим в табл. 9.

Расчет Σξ сводим в табл. 10.

Таблица 9. Результаты гидравлического расчета системы отопления при естественной циркуляции

Номер участка	Нагрузка на участке		Li, м	d, мм	Расчетные данные
	Qуч, Вт	Gуч, кг/ч			v, м/с	Ri, Па	Ri Li, Па	Σξ	zi, Па	Ri Li + zi, Па
1	6 543,4	225,1	4,13	40	0,084	3,4	14,04	12,8	43,44	57,48
2, прибор № 1	1 346,7	46,3	2,89	15	0,069	6,5	18,79	7,1	17,10	35,89
3	5 196,7	178,8	3,58	32	0,077	3,4	12,20	1,5	4,30	16,50
4, прибор № 2	1 625,6	55,9	2,89	20	0,064	5,0	14,45	6,2	12,50	26,95
5	3 571,1	122,8	11,7	25	0,062	3,4	39,78	2,5	4,62	44,40
6, прибор №3	1 597,8	55,0	2,89	20	0,058	3,4	9,83	6,2	10,25	20,08
7, прибор № 4	1 973,3	67,9	10,5	20	0,058	3,4	35,70	21,7	35,40	71,10
8	3 571,1	122,8	11,7	25	0,062	3,4	39,78	3,0	5,64	45,42
9	5 196,7	178,8	3,58	32	0,077	3,4	12,20	2,0	5,80	18,0
10	6 543,4	225,1	2,72	40	0,084	3,4	9,25	12,2	42,10	51,35
										∑ 304,25Па

1 Па = 0,102 кг/м².

Таблица 10. Расчет ∑ξ на участках гидравлического кольца

Номер участка	Элемент системы	Коэффициенты местных сопротивлений ξ	∑ξ на участке
1	Котел стальной	2,0	12,8
	Внезапное сужение	0,5
	Тройник на ответвление	1,5
	Вентиль обыкновенный	8,4
	Отвод под углом 90°	0,4
2	Отвод под углом 90°	0,8	7,1
	Кран регулирующий проходной	3,5
	Радиатор чугунный секционный	2,0
	Отвод под углом 90°	0,8
3	Тройник проходной	1,0	1,5
	Внезапное сужение	0,5
4	Отвод под углом 90°	0,6	6,2
	Кран регулирующий проходной	3,0
	Радиатор чугунный секционный	2,0
	Отвод под углом 90°	0,6
5	Тройник проходной	1,0	2,5
	Отвод под углом 90°	0,5
	Отвод под углом 90°	0,5
	Внезапное сужение	0,5
6	Отвод под углом 90°	0,6	6,2
	Кран регулирующий проходной	3,0
	Радиатор чугунный секционный	2,0
	Отвод под углом 90°	0,6
7	Тройник проходной	1,0	21,7
	Отвод под углом 90°	0,6
	Отвод под углом 90°	0,6
	Вентиль обыкновенный	12,4
	Радиатор чугунный секционный	2,0
	Отвод под углом 90°	0,6
	Отвод под углом 90°	0,6
	Тройник проходной	1,0
	Внезапное сужение	0,5
	Внезапное расширение	1,0
	Отступ	0,7
	Отступ	0,7
8	Отвод под углом 90°	0,5	3,0
	Отвод под углом 90°	0,5
	Тройник проходной	1,0
	Внезапное расширение	1,0
9	Тройник проходной	1,0	2,0
	Внезапное расширение	1,0
10	Отвод под углом 90°	0,4	12,2
	Отвод под углом 90°	0,4
	Вентиль обыкновенный	8,4
	Тройник проходной	1,0
	Тройник проходной	1,0
	Внезапное расширение	1,0

Когда ∑ξ превышает 10 и нет возможности воспользоваться данными табл. 5, значение zi, Па, определяют по формуле

(7)

где ∑ξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений на участке;

v – скорость воды на участке, м/с;

ρ – плотность воды на участке, кг/м³.

Виды местных сопротивлений и участки, к которым они относятся, приведены в табл. 11.

Таблица 11. Виды местных сопротивлений

Наименование элемента системы (вид местного сопротивления)	Обозначение участка, к которому относится сопротивление
Тройник проходной
Тройник на ответвление потока
Тройник на противотоке
Крестовина проходная
Крестовина поворотная

Звездочкой (∗) отмечен участок, к которому следует отнести данное местное сопротивление.

В результате гидравлического расчета циркуляционного кольца делаем вывод о том, что запас по сравнению с определенным ориентировочно циркуляционным давлением ((323,7 – 304,25) : 323,7 ∙ 100 % = 6,0 %) является допустимым. Расчет трубопровода оставляем без изменения.

После предварительного подбора трубопровода переходим к его тепловому расчету, определяя последовательно по участкам от котла по ходу воды тепловыделения трубопроводом и температуру воды в начале и конце расчетных участков, а результаты сводим в табл. 12.

Таблица 12. Тепловой расчет трубопровода

Номер участка	Gуч, кг/ч	Li, м	d, мм	tнач i, °C	tв, °C	tнач i – tв, °С	q‘, Вт/м	qтр, Вт	∆ti, °С	tкон i, °С
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	225,1	3,37	40	95	16	79	165,1	556,39	2,47	92,53
		0,76		92,53	18	74,53	157,0	119,32	0,53	92,0
3	178,8	2,74	32	92,0	18	74	145,4	398,40	2,23	89,77
		0,84		89,77	20	69,77	137,2	115,23	0,64	89,13
5	122,8	5,4	25	89,13	20	69,13	105,3	568,62	4,63	84,5
		1,9		84,5	25	59,5	86,75	164,83	1,34	83,16
		1,0		83,16	25	58,16	82,6	82,60	0,67	82,49
		3,4		82,49	20	62,49	73,88	251,19	2,05	80,44
7	67,9	6,07	20	80,44	20	60,44	69,25	420,35	6,19	74,25
Прибор № 4	–	–	–	74,25	–	25	–	–	–	49,25
7	67,9	4,426	20	49,25	20	29,25	30,1	133,22	1,96	47,29
6	55,0	2,27	20	84,5	20	64,5	76,18	172,93	3,14	81,36
Прибор № 3	–	–	–	81,36	–	25	–	–	–	56,36
6	55,0	0,626	20	56,36	20	36,36	39,22	24,55	0,45	55,91
8	122,8	3,4	25	51,15	20	31,15	42,3	143,82	1,17	49,98
		1,0		49,98	25	24,98	33,94	33,94	0,28	49,70
		1,9		49,7	25	24,7	33,56	63,744	0,52	49,18
		5,4		49,18	20	29,18	31,48	170,0	1,38	47,80
4	55,9	2,27	20	89,13	20	69,13	84,05	190,79	3,41	85,72
Прибор № 2	–	–	–	85,72	–	25	–	–	–	60,72
4	55,9	0,626	20	60,72	20	40,72	43,92	27,49	0,49	60,23
9	178,8	0,84	32	50,46	20	30,46	52,34	43,96	0,25	50,21
		2,74		50,21	18	32,21	55,34	125,62	0,70	49,51
2	46,3	2,27	15	92,53	18	74,53	72,54	164,66	3,56	88,97
Прибор № 1	–	–	–	88,97	–	25	–	–	–	63,97
2	46,3	0,626	15	63,97	18	45,97	39,5	24,73	0,53	63,44
10	225,1	0,76	40	52,37	18	34,37	62,95	47,84	0,21	52,16
		1,96		52,16	16	36,16	66,23	129,81	0,58	51,58

1. Перепад температуры воды в начале главного стояка (участок № 1) и воздуха в помещении: t_п – t_в = 95 – 16 = 79 °С и т. д. (графа 7 табл. 12).
2. Для заполнения графы 8 используем вспомогательную табл. 8.
3. Для заполнения графы 9 необходимо теплопотери q‘, Вт/м, умножить на длину трубопровода L_i, м, соответствующего диаметра.
4. Для заполнения графы 10 используем формулу (1.61).
5. Для заполнения графы 11 используем формулу (1.62).
6. Для определения температуры воды, выходящей из отопительного прибора, необходимо в графу 7 записать разность расчетной температуры системы отопления: t_ср = 95 – 70 = 25 °C.
7. Температура воды в начале участка № 6 равна температуре воды в конце участка № 5: t_{нач 6} = t_{кон 5} = 84,5 °C.
8. Для обратного трубопровода участка после смешивания воды получим температуру обратной воды t_об.

Температуру воды в начале участка № 8 определим из теплового баланса по участку № 7, в котором перемещается 67,9 кг/ч воды с конечной температурой t_{кон 7} = 47,29 °С, и по участку № 6, в котором перемещается 55,0 кг/ч с t_{кон 6} = 55,91 °С.

После смешивания в начале участка № 8 получим температуру воды

Аналогично для участков № 9 и № 10:

В результате всего расчета получим конечную температуру воды последнего участка t_{кон 10} = 51,58 °С.

Находим действительное давление для наиболее отдаленного прибора № 4:

средняя температура и плотность воды в стояке

температура воды и плотность воды, входящей в прибор № 4,

температура и плотность воды, выходящей из котла,

Тогда, пользуясь формулой (1.63), определяем

Получив действительное циркуляционное давление, сравниваем его с потерями давления в данном кольце трубопровода. Полученное расхождение ((359,36 – 304,25) : 359,36 ∙100 % = 15 %) находится в допустимых пределах.

5. Расчет теплопроизводительности котла

Требуемую теплопроизводительность котла Q_сист определяют как сумму полезных и бесполезных потерь теплоты. Полезными потерями считаются теплота, идущая на покрытие теплопотерь помещения, и тепловыделения трубами, а к бесполезным относят теплоту, теряемую обратными трубопроводами, проложенными под полом помещения.

Для возмещения теплопотерь, учитывая, что в котел поступает обратная вода с температурой t_{кон i}, °С, последнего участка, а уходит при t_нач = 95 °С, количество циркулирующей в системе воды G_с, кг/ч, определяют по формуле

(8)

где β₁ принимается по табл. 9; β₂ – по табл. 10.

Допускается расхождение от +5 до –15 %:

где G_р – количество циркулирующей в системе воды, принятое при гидравлическом расчете трубопроводов.

Если количество циркулирующей воды превышает эти пределы, то следует перепад температуры воды в системе принять большим или меньшим и соответственно откорректировать все расчеты.