Obliczenia hydrauliczne systemu ogrzewania na konkretnym przykładzie

Ogrzewanie oparte na cyrkulacji gorącej wody – to najczęściej spotykany sposób aranżacji domu jednorodzinnego. Do prawidłowego opracowania systemu niezbędne jest posiadanie wstępnych wyników analizy, tak zwanego obliczenia hydraulicznego systemu grzewczego, które wiąże ciśnienie we wszystkich odcinkach sieci ze średnicami rur.

W przedstawionym artykule szczegółowo opisano metodę obliczeń. Aby lepiej zrozumieć algorytm działań, rozpatrzyliśmy kolejność obliczeń na konkretnym przykładzie.

Stosując się do opisanej sekwencji, będzie można określić optymalną średnicę magistrali, liczbę urządzeń grzewczych, moc kotła oraz inne parametry systemu niezbędne do zorganizowania efektywnego indywidualnego zaopatrzenia w ciepło.

Pojęcie obliczeń hydraulicznych

Czynnikiem determinującym rozwój technologiczny systemów grzewczych stała się zwykła oszczędność na nośniku energii. Dążenie do oszczędności zmusza do bardziej starannego podejścia do projektowania, wyboru materiałów, metod montażu i eksploatacji ogrzewania mieszkania.

Dlatego, jeśli zdecydowałeś się stworzyć unikalny, a przede wszystkim ekonomiczny system grzewczy dla swojego mieszkania lub domu, wówczas zalecamy zapoznanie się z zasadami obliczeń i projektowania.

Przed podaniem definicji obliczeń hydraulicznych systemu, trzeba jasno i precyzyjnie zrozumieć, że indywidualny system ogrzewania mieszkania i domu znajduje się umownie o rząd wyżej względem centralnego systemu ogrzewania dużego budynku.

Indywidualny system grzewczy opiera się na zasadniczo innym podejściu do pojęć ciepła i zasobów energetycznych.

Istota obliczeń hydraulicznych polega na tym, że przepływ czynnika grzewczego nie jest zadawany z góry z dużym przybliżeniem do rzeczywistych parametrów, ale określany poprzez uzgodnienie średnic rur z parametrami ciśnienia we wszystkich pętlach systemu.

Wystarczy przeprowadzić trywialne porównanie tych systemów według następujących parametrów.

1. Centralny system grzewczy (kotłownia-dom-mieszkanie) opiera się na standardowych rodzajach nośników energii – węgiel, gaz. W autonomicznym systemie można użyć praktycznie dowolnej substancji o wysokim cieple właściwym spalania, lub kombinacji kilku ciekłych, stałych, granulowanych materiałów.
2. COS opiera się na zwykłych elementach: metalowe rury, “toporne” grzejniki, zawory odcinające. Natomiast indywidualny system grzewczy pozwala na łączenie bardzo różnych elementów: wielosekcyjne grzejniki o dobrej wydajności cieplnej, zaawansowane technologicznie termostaty, różne rodzaje rur (PVC i miedziane), zawory, zaślepki, złączki i oczywiście własne bardziej ekonomiczne kotły, pompy cyrkulacyjne.
3. Jeśli wejść do mieszkania w typowym bloku z wielkiej płyty, zbudowanym 20-40 lat temu, widzimy, że system ogrzewania sprowadza się do obecności 7-sekcyjnego grzejnika pod oknem w każdym pokoju plus pionowej rury przez cały dom (pion), za pomocą której można “komunikować się” z sąsiadami powyżej/poniżej. Natomiast autonomiczny system grzewczy (ASO) – pozwala zbudować system o dowolnej złożoności z uwzględnieniem indywidualnych życzeń mieszkańców mieszkania.
4. W przeciwieństwie do COS, oddzielny system ogrzewania uwzględnia dość imponującą listę parametrów, które wpływają na przekazywanie, zużycie energii i straty ciepła. Reżim temperaturowy otoczenia, wymagany zakres temperatur w pomieszczeniach, powierzchnia i kubatura pomieszczeń, liczba okien i drzwi, przeznaczenie pomieszczeń itp.

W ten sposób obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego (WHSG) – to warunkowy zestaw obliczanych cech systemu grzewczego, który dostarcza wyczerpującej informacji o takch parametrach, jak średnica rur, liczba grzejników i zaworów.

Ten typ grzejników był instalowany w większości budynków panelowych na obszarze poradzieckim. Oszczędność na materiałach i brak pomysłu konstrukcyjnego są “oczywiste”.

WHSG pozwala poprawnie wybrać pompę obiegową wody (kotła grzewczego) do transportu gorącej wody do końcowych elementów systemu grzewczego (grzejników) i ostatecznie uzyskać maksymalnie zrównoważony system, co bespośrednio wpływa na nakłady finansowe związane z ogrzewaniem mieszkania.

Jeszcze jeden typ grzejnika do centralnego systemu grzewczego. Jest to bardiej uniwersalny produkt, który może mieć dowolną liczbę żeber. W ten sposób można zwiększyć lub zmniejszyć powierzchnię wymiany ciepła.

Kolejność kroków obliczeń

Mówiąc o obliczeniach systemu grzewczego, zauważamy, że ta procedura jest najbardziej niejednoznaczna i ważna w kwestii projektowania.

Przed wykonaniem obliczeń należy przeprowadzić wstępną analizę przyszłego systemu, na przykład:

• ustalić bilans cieplny we wszystkich, a konkretnie w każdym pomieszczeniu mieszkania;
• dobrać termoregulatory, zawory i regulatory ciśnienia;
• określić odcinki systemu z maksymalnym i minimalnym przepływem nośnika ciepła.

Ponadto należy określić ogólny schemat transportu nośnika ciepła: pełny i mały obwód, system jednorurowy lub magistrala dwururowa.

W wyniku przeprowadzenia obliczeń hydraulicznych otrzmujemy kilka ważnych charakterystyk systemu hydraulicznego, które dają odpowiedzi na następujące pytania:

• jaka powinna być moc źródła ogrzewania;
• jaki przepływ i prędkość nośnika ciepła;
• jaka średnica głównej magstrali ruociągu ciepłowniczego;
• jakie możliwe straty ciepła i samej masy nośnika ciepła.

Jeszcze jednym ważnym aspektem obliczeń hydraulicznych jest procedura balansu (związania) wszystich częśi (gałęzi) systemu podzas ekstremalnych reżimów cipelnych za pomocą urządzeń regulujących.

Wyróżnia się kilka podstawowych rodzajów urządzeń grzewczych: żelwne i aluminiowe wielosekcyjne, stalowe panelowe, bimetaliczne grzejniki i konwktory. Najczęśiej spotykane są aluminiowe wielosekcyjne grzejniki.

Strfą obliczeniową magstrali ruowej jest odcinek o stałej średnicy samej magstrali oraz niezmiennym przepłwie gorącej wody, który jest określony wzorem bilansu cieplnego pomieszczeń. Wliczenie strf obliczeniowych zaczyna się od pompy lub źródła ciepła.

Warunki początkowe przykładu

Aby uzyskać bardziej szczegółowe wyjaśnienie wszystkich szczegółów obliczeń hydraulicznych, weźmy konkretny przykład zwykłego lokalu mieszkalnego. Mamy do dyspozycji klasyczne 2-pokojowe mieszkanie w domu panelowym, o całkowitej powierzchni 65,54 m², które składa się z dwóch pokoi, kuchni, osobnej toalety i łazienki, podwójnego korytarza oraz połączonego balkonu.

Po oddaniu do użytku otrzymaliśmy następujące informacje dotyczące stanu wykończenia mieszkania. Opisywane mieszkanie obejmuje ściany z monolitycznych konstrukcji żelbetowych, wygładzone szpachlą i zagruntowane, okna z profili z podwójnymi szybami, drzwi wewnętrzne z prasowanej trociny, płytki ceramiczne na podłodze łazienki z WC.

Typowy 9-piętrowy dom panelowy z czterema klatkami schodowymi. Na każdym piętrze znajdują się 3 mieszkania: jedno 2-pokojowe i dwa 3-pokojowe. Mieszkanie znajduje się na piątym piętrze.

Ponadto prezentowany lokal mieszkalny jest już wyposażony w instalację elektryczną miedzianą, rozdzielacze i osobną tablicę rozdzielczą, kuchenkę gazową, wannę, umywalkę, sedes, suszarkę do ręczników, zlewozmywak.

I co najważniejsze, w pokojach mieszkalnych, łazience i kuchni znajdują się już aluminiowe grzejniki. Kwestia rur i kotła pozostaje otwarta.

Jak przeprowadza się zbieranie danych

Obliczenia hydrauliczne systemu w większości opierają się na obliczeniach związanych z ogrzewaniem według powierzchni pomieszczenia.

Dlatego konieczne jest posiadanie następujących informacji:

• powierzchnia każdego pomieszczenia;
• wymiary otworów okiennych i drzwiowych (drzwi wewnętrzne praktycznie nie wpływają na straty ciepła);
• warunki klimatyczne, cechy regionu.

Będziemy opierać się na następujących danych. Powierzchnia pokoju dziennego – 18,83 m², sypialnia – 14,86 m², kuchnia – 10,46 m², balkon – 7,83 m² (suma), korytarz – 9,72 m² (suma), łazienka – 3,60 m², toaleta – 1,5 m². Drzwi wejściowe – 2,20 m², okno panoramiczne pokoju dziennego – 8,1 m², okno sypialni – 1,96 m², okno kuchni – 1,96 m².

Wysokość ścian mieszkania – 2 metry 70 cm. Ściany zewnętrzne wykonane są z betonu klasy B7 plus wewnętrzny tynk, o grubości 300 mm. Ściany wewnętrzne i przegrody – nośne 120 mm, zwykłe – 80 mm. Podłoga i odpowiednio sufit z betonowych płyt stropowych klasy B15, grubość 200 mm.

Układ tego mieszkania daje możliwość stworzenia jednej jedynej gałęzi ogrzewania, przechodzącej przez kuchnię, sypialnię i pokój dzienny, co zapewni średnią temperaturę 20-22⁰C w pomieszczeniach (+)

Co do środowiska? Mieszkanie znajduje się w budynku położonym w środkowej części osiedla małego miasta. Miasto leży w pewnym obniżeniu, wysokość nad poziomem morza 130-150 m. Klimat umiarkowanie kontynentalny z chłodną zimą i dość ciepłym latem.

Średnia roczna temperatura: +7,6°C. Średnia temperatura stycznia: -6,6°C, lipca: +18,7°C. Wiatr — 3,5 m/s, wilgotność powietrza średnia — 74%, suma opadów 569 mm.

Analizując warunki klimatyczne regionu, należy zaznaczyć, że mamy do czynienia z dużym rozrzutem temperatur, co z kolei wpływa na szczególne wymagania dotyczące regulacji systemu ogrzewania mieszkania.

Moc generatora ciepła

Jednym z głównych elementów systemu grzewczego jest kocioł: elektryczny, gazowy, kombinowany – na tym etapie nie ma to znaczenia. Ponieważ ważna jest dla nas jego główna cecha – moc, czyli ilość energii na jednostkę czasu, która będzie zużywana na ogrzewanie.

Moc samego kotła określa się według poniższego wzoru:

Wkotła = (Spomieszcz * Wudziel) / 10,

gdzie:

• Spomieszcz – suma powierzchni wszystkich pomieszczeń wymagających ogrzewania;
• Wudziel – moc jednostkowa uwzględniająca warunki klimatyczne lokalizacji (oto dlaczego trzeba było znać klimat regionu).

Co charakterystyczne, dla różnych stref klimatycznych mamy następujące dane:

• regiony północne – 1,5 – 2 kW/m²;
• strefa centralna – 1 – 1,5 kW/m²;
• regiony południowe – 0,6 – 1 kW/m².

Te liczby są dość umowne, ale mimo to dają wyraźną liczbową odpowiedź dotyczącą wpływu środowiska na system ogrzewania mieszkania.

Na tej mapie przedstawiono strefy klimatyczne z różnymi reżimami temperaturowymi. Od położenia mieszkania względem strefy zależy, ile trzeba wydać na ogrzewanie metra kwadratowego kW energii (+)

Suma powierzchni mieszkania, którą należy ogrzewać – jest równa całkowitej powierzchni mieszkania i wynosi, czyli – 65,54-1,80-6,03=57,71 m2 (minus balkon). Moc jednostkowa kotła dla regionu centralnego z chłodną zimą – 1,4 kW/m2. Zatem w naszym przykładzie obliczeniowa moc kotła grzewczego wynosi 8,08 kW.

Parametry dynamiczne czynnika grzewczego

Przechodzimy do kolejnego etapu obliczeń – analiza zużycia czynnika grzewczego. W większości przypadków system ogrzewania mieszkania różni się od innych systemów – jest to związane z liczbą paneli grzewczych i długością rurociągu. Ciśnienie jest używane jako dodatkowa “siła napędowa” przepływu pionowo w systemie.

W prywatnych domach jedno- i wielopiętrowych, starych panelowych budynkach wielorodzinnych stosuje się systemy grzewcze o wysokim ciśnieniu, które umożliwiają transport substancji oddającej ciepło do wszystkich odcinków rozgałęzionego, wielopętlowego systemu grzewczego oraz podnoszenie wody na całą wysokość (do 14. piętra) budynku.

Natomiast zwykłe 2- lub 3- pokojowe mieszkanie z ogrzewaniem autonomicznym nie ma takiej różnorodności pętli i odgałęzień systemu – obejmuje maksymalnie trzy obiegi.

A zatem transport czynnika grzewczego odbywa się za pomocą naturalnego procesu przepływu wody. Można jednak również użyć pomp obiegowych, a ogrzewanie zapewniane jest przez kocioł gazowy/elektryczny.

Zalecamy stosowanie pompy obiegowej do ogrzewania pomieszczeń powyżej 100 m². Montować pompę można zarówno przed, jak i za kotłem, ale zazwyczaj instaluje się ją na “powrocie” – niższa temperatura nośnika, mniejsze napowietrzenie, dłuższa żywotność pompy.

Specjaliści w dziedzinie projektowania i montażu systemów grzewczych określają dwa główne podejścia w zakresie obliczenia objętości czynnika grzewczego:

1. Według rzeczywistej pojemności systemu. Sumowane są wszystkie bez wyjątku objętości przestrzeni, przez które będzie przepływać gorąca woda: suma poszczególnych odcinków rur, sekcji grzejników itd. Jest to jednak dość pracochłonna opcja.
2. Według mocy kotła. Tutaj opinie specjalistów są bardzo podzielone – jedni mówią o 10, drudzy o 15 litrach na jednostkę mocy kotła.

Z pragmatycznego punktu widzenia należy wziąć pod uwagę fakt, że system grzewczy prawdopodobnie będzie nie tylko dostarczać ciepłą wodę do pomieszczeń, ale także podgrzewać wodę do wanny/prysznica, umywalki, zlewu i suszarki, a może również do hydromasażu lub jacuzzi. Ta opcja jest prostsza.

Dlatego w tym przypadku zalecamy ustawienie 13,5 litra na jednostkę mocy. Mnożąc tę liczbę przez moc kotła (8,08 kW) otrzymujemy obliczeniową objętość masy wody – 109,08 l.

Obliczana prędkość czynnika grzewczego w systemie jest właśnie tym parametrem, który pozwala dobrać odpowiednią średnicę rury do systemu grzewczego.

Oblicza się ją według następującego wzoru:

V = (0,86*W*k)/t-to,

gdzie:

• W – moc kotła;
• t – temperatura wody zasilającej;
• to – temperatura wody w obiegu powrotnym;
• k – sprawność kotła (0,95 dla kotła gazowego).

Podstawiając do wzoru dane obliczeniowe, otrzymujemy: (0,86 * 8080 * 0,95)/80-60 = 6601,36/20 = 330 kg/h. Zatem w ciągu jednej godziny w systemie przemieszcza się 330 l czynnika grzewczego (wody), a pojemność systemu wynosi około 110 l.

Określenie średnicy rur

Aby ostatecznie określić średnicę i grubość rur grzewczych, pozostaje omówić kwestię strat ciepła.

Maksymalna ilość ciepła ucieka z pomieszczenia przez ściany – do 40%, przez okna – 15%, podłogę – 10%, reszta przez sufit/dach. Dla mieszkania straty są głównie przez okna i moduły balkonowe

Istnieje kilka rodzajów strat ciepła w ogrzewanych pomieszczeniach:

1. Straty ciśnienia przepływu w rurze. Ten parametr jest wprost proporcjonalny do iloczynu jednostkowej straty na tarcie wewnątrz rury (podawanej przez producenta) i całkowitej długości rury. Biorąc pod uwagę obecne zadanie, takie straty można pominąć.
2. Straty ciśnienia na lokalnych oporach rurowych – straty ciepła na kształtkach i wewnątrz urządzeń. Ale biorąc pod uwagę warunki zadania, niewielką liczbę zgięć kształtek i liczbę grzejników, takie straty można pominąć.
3. Straty ciepła wynikające z położenia mieszkania. Istnieje jeszcze jeden rodzaj strat ciepła, ale są one bardziej związane z położeniem pomieszczenia względem reszty budynku. Dla zwykłego mieszkania, które znajduje się w środku budynku i sąsiaduje z lewej/prawej/góry/dołu z innymi mieszkaniami, straty ciepła przez ściany boczne, sufit i podłogę są praktycznie równe “0”.

Do obliczeń można wziąć tylko straty przez część elewacyjną mieszkania – balkon i centralne okno pokoju dziennego. Jednak tę kwestię rozwiązuje się poprzez dodanie 2-3 sekcji do każdego z grzejników.

Wartość średnicy rur dobiera się na podstawie przepływu czynnika grzewczego i prędkości jego cyrkulacji w magistrali grzewczej

Analizując powyższe informacje, należy zauważyć, że dla obliczonej prędkości gorącej wody w systemie grzewczym znana jest tabelaryczna prędkość przemieszczania się cząstek wody względem ścianki rury w pozycji poziomej 0,3-0,7 m/s.

W pomoc dla instalatora przedstawiamy tzw. listę kontrolną przeprowadzania obliczeń dla typowego obliczenia hydraulicznego systemu grzewczego:

• zbieranie danych i obliczanie mocy kotła;
• objętość i prędkość czynnika grzewczego;
• straty ciepła i średnica rur.

Czasami podczas obliczeń można otrzymać dość dużą średnicę rury, aby pokryć obliczoną objętość czynnika grzewczego. Ten problem można rozwiązać poprzez zwiększenie pojemności kotła lub dodanie dodatkowego naczynia wzbiorczego.

Na naszej stronie znajduje się blok artykułów poświęconych obliczaniu systemu grzewczego, zalecamy zapoznanie się:

1. Obliczenia cieplne systemu ogrzewania: jak prawidłowo wykonać obliczenia obciążenia systemu
2. Obliczanie ogrzewania wodnego: wzory, zasady, przykłady wykonania
3. Obliczenia cieplne budynku: specyfika i wzory wykonywania obliczeń + praktyczne przykłady

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Cechy, zalety i wady naturalnych i wymuszonych systemów cyrkulacji czynnika grzewczego dla systemów grzewczych:

Podsumowując obliczenia hydrauliczne, w wyniku otrzymaliśmy konkretne parametry fizyczne przyszłego systemu grzewczego.

Oczywiście jest to uproszczony schemat obliczeń, który daje przybliżone dane dotyczące obliczeń hydraulicznych dla systemu grzewczego typowego dwupokojowego mieszkania.

Próbuje Pan/Pani samodzielnie przeprowadzić obliczenia hydrauliczne systemu grzewczego? A może nie zgadza się Pan/Pani z przedstawionym materiałem? Czekamy na Państwa komentarze i pytania – blok informacji zwrotnej znajduje się poniżej.