Hydraulisk beregning af varmesystem på et konkret eksempel

Opvarmning baseret på cirkulation af varmt vand – den mest almindelige løsning til indretning af et privat hus. For en ordentlig udvikling af systemet er det nødvendigt at have foreløbige resultater af analysen, den såkaldte hydrauliske beregning af varmesystemet, som forbinder trykket i alle netværkssektioner med rørdiametrene.

I den præsenterede artikel er beregningsmetoden detaljeret beskrevet. For bedre at forstå handlingsalgoritmen har vi gennemgået beregningsrækkefølgen på et konkret eksempel.

Ved at følge den beskrevne sekvens vil det være muligt at bestemme den optimale diameter på hovedledningen, antallet af varmeapparater, kedeleffekten og andre systemparametre, der er nødvendige for at etablere en effektiv individuel varmeforsyning.

Begrebet hydraulisk beregning

Den afgørende faktor for teknologisk udvikling af varmesystemer er blevet almindelig besparelse på energi. Ønsket om at spare penge tvinger en til at være mere omhyggelig med design, valg af materialer, installationsmetoder og drift af opvarmning til boligen.

Derfor, hvis du har besluttet at skabe et unikt og først og fremmest økonomisk varmesystem til din lejlighed eller hus, anbefaler vi at sætte dig ind i reglerne for beregning og design.

Før du giver en definition af den hydrauliske beregning af systemet, skal du klart og tydeligt forstå, at det individuelle varmesystem i en lejlighed og et hus er betinget placeret en størrelsesorden højere i forhold til det centrale varmesystem i en stor bygning.

Det personlige varmesystem er baseret på en grundlæggende anderledes tilgang til begreberne varme og energiressourcer.

Essensen af hydraulisk beregning er, at kølevæskestrømningshastigheden ikke fastsættes på forhånd med en væsentlig tilnærmelse til reelle parametre, men bestemmes ved at koble rørledningens diametre med trykparametre i alle systemets ringe.

Det er nok at foretage en triviel sammenligning af disse systemer efter følgende parametre.

1. Centralvarmesystemet (fyrrum-hus-lejlighed) er baseret på standardtyper af energibærer – kul, gas. I et autonomt system kan du praktisk talt bruge ethvert stof, der har en høj specifik forbrændingsvarme, eller en kombination af flere flydende, faste, granulerede materialer.
2. Centralvarmesystemet er bygget op af almindelige elementer: metalrør, “klodsede” radiatorer, afspærringsventiler. Det individuelle varmesystem giver dig mulighed for at kombinere forskellige elementer: flersekvente radiatorer med god varmeafgivelse, højteknologiske termostater, forskellige typer rør (PVC og kobber), haner, propper, fittings og selvfølgelig dine egne mere økonomiske kedler, cirkulationspumper.
3. Hvis man går ind i en lejlighed i et typisk panelhus bygget for 20-40 år siden, ser vi, at varmesystemet reduceres til tilstedeværelsen af en 7-sektions radiator under vinduet i hvert rum i lejligheden plus et lodret rør gennem hele huset (stigrør), ved hjælp af hvilket man kan “kommunikere” med naboer over/under. Ikke så det autonome varmesystem (ASO) – gør det muligt at bygge et system af enhver kompleksitet under hensyntagen til lejlighedens beboeres individuelle ønsker.
4. I modsætning til centralvarmesystemet tager et separat varmesystem hensyn til en ret imponerende liste over parametre, der påvirker overførsel, energiforbrug og varmetab. Omgivelsernes temperaturregime, det krævede temperaturområde i rum, rummets areal og volumen, antal vinduer og døre, rummenes formål osv.

Således er hydraulisk beregning af varmesystemet (HBVS) – et betinget sæt af beregnede karakteristika for varmesystemet, som giver udtømmende information om parametre som rørdiameter, antal radiatorer og ventiler.

Denne type radiator blev installeret i de fleste panelhuse i det postsovjetiske område. Besparelser på materialer og mangel på designidé er “tydelige”.

HBVS gør det muligt at vælge den rigtige cirkulationspumpe (fra varmekedlen) til at transportere varmt vand til varmesystemets endeelementer (radiatorer) og i sidste ende have et maksimalt afbalanceret system, hvilket direkte påvirker de økonomiske investeringer i opvarmning af boligen.

Endnu en type radiator til centralvarmesystemet. Det er et mere alsidigt produkt, som kan have et vilkårligt antal ribber. På den måde kan varmeoverførselsarealet øges eller mindskes.

Rækkefølgen af beregningstrin

Når vi taler om beregning af varmesystemet, bemærker vi, at denne procedure er den mest tvetydige og vigtige i designfasen.

Før beregningen skal der foretages en foreløbig analyse af det fremtidige system, for eksempel:

• fastlægge varmebalancen i alle og specifikt hvert rum i lejligheden;
• vælge termostater, ventiler og trykregulatorer;
• identificere systemets dele med maksimal og minimal flow af varmemediet.

Derudover skal den overordnede transportordning for varmemediet fastlægges: fuld og lille kreds, enrørssystem eller torørsledning.

Som resultat af den hydrauliske beregning får vi flere vigtige karakteristika for det hydrauliske system, som giver svar på følgende spørgsmål:

• hvad skal varmekildens effekt være;
• hvad skal flowet og hastigheden af varmemediet være;
• hvilken diameter kræves for hovedledningen af varmerøret;
• hvilke mulige varmetab og tab af selve varmemediet.

Et andet vigtigt aspekt ved hydraulisk beregning er proceduren for afbalancering (sammenkobling) af alle systemets dele (grene) under ekstreme varmeforhold ved hjælp af reguleringsenheder.

Der skelnes mellem flere grundlæggende typer varmeapparater: støbejerns- og aluminiums flersektionsradiatorer, stålpanelradiatorer, bimetalliske radiatorer og konvektorer. Men de mest udbredte er aluminiums flersektionsradiatorer.

Beregningszonen for rørledningen er et afsnit med konstant diameter på selve ledningen samt uændret flow af varmt vand, som er bestemt af rummenes varmebalanceformel. Opregningen af beregningszoner begynder ved pumpen eller varmekilden.

Indledende betingelser for eksemplet

For en mere specifik forklaring af alle detaljerne i den hydrauliske beregning tager vi et konkret eksempel på en almindelig bolig. Vi har en klassisk 2-værelses lejlighed i et panelhus, samlet areal 65,54 m², som inkluderer to værelser, køkken, separat toilet og badeværelse, dobbelt korridor, sammenbygget altan.

Efter ibrugtagning modtog vi følgende oplysninger om lejlighedens stand. Lejligheden omfatter vægge behandlet med spartelmasse og grundering af monolitiske jernbetonkonstruktioner, vinduer med to-kammer glas, træspånepressede indvendige døre, keramiske fliser på gulvet i badeværelset.

Typisk panelhus i 9 etager med fire opgange. På hver etage er der 3 lejligheder: en 2-værelses og to 3-værelses. Lejligheden ligger på femte sal.

Derudover er den præsenterede bolig allerede udstyret med kobberledninger, fordelere og et separat elskab, gaskomfur, badekar, håndvask, toilet, håndklædetørrer, vask.

Og vigtigst af alt: I beboelsesrum, badeværelse og køkken er der allerede aluminiumsradiatorer. Spørgsmålet om rør og kedel står stadig åbent.

Hvordan data indsamles

Den hydrauliske beregning af systemet er hovedsageligt baseret på beregninger relateret til opvarmningsberegning efter rummets areal.

Derfor er det nødvendigt at have følgende oplysninger:

• arealet af hvert enkelt rum;
• dimensionerne af vindues- og døråbninger (indvendige døre påvirker stort set ikke varmetabet);
• klimaforhold, regionens særtræk.

Vi vil tage udgangspunkt i følgende data. Areal af stuen – 18,83 m², soveværelse – 14,86 m², køkken – 10,46 m², altan – 7,83 m² (sum), gang – 9,72 m² (sum), badeværelse – 3,60 m², toilet – 1,5 m². Indgangsdør – 2,20 m², stuevindue – 8,1 m², soveværelsesvindue – 1,96 m², køkkenvindue – 1,96 m².

Lejlighedens væghøjde er 2 meter 70 cm. Ydervæggene er lavet af betonklasse B7 plus indvendig puds, tykkelse 300 mm. Indvendige vægge og skillevægge – bærende 120 mm, almindelige – 80 mm. Gulv og tilsvarende loft af betonplader af klasse B15, tykkelse 200 mm.

Indretningen af denne lejlighed giver mulighed for at skabe en enkelt varmegren, der går gennem køkken, soveværelse og stue, hvilket sikrer en gennemsnitstemperatur på 20-22⁰C i rummene (+)

Hvad angår miljøet? Lejligheden ligger i et hus, som er placeret midt i et lille byområde. Byen ligger i en sænkning, højden over havets overflade er 130-150 m. Klimaet er tempereret kontinentalt med kølig vinter og ret varm sommer.

Den gennemsnitlige årlige temperatur er +7,6°C. Gennemsnitstemperatur i januar -6,6°C, i juli +18,7°C. Vind — 3,5 m/s, luftfugtighed gennemsnitlig — 74 %, nedbørsmængde 569 mm.

Ved analyse af regionens klimatiske forhold skal det bemærkes, at vi har at gøre med en stor temperaturspredning, hvilket igen påvirker et særligt krav til justering af lejlighedens varmesystem.

Varmegeneratorens effekt

En af hovedkomponenterne i varmesystemet er kedlen: elektrisk, gas, kombineret – på dette tidspunkt er det ligegyldigt. Da vi er interesserede i dens vigtigste egenskab – effekt, det vil sige den mængde energi pr. tidsenhed, der vil gå til opvarmning.

Kedlens effekt bestemmes ud fra nedenstående formel:

Wkedel = (Spomesj * Wudel) / 10,

hvor:

• Spomesj – summen af arealerne i alle rum, der kræver opvarmning;
• Wudel – specifik effekt under hensyntagen til de klimatiske forhold på stedet (derfor var det nødvendigt at kende regionens klima).

Hvad der er karakteristisk, har vi følgende data for forskellige klimazoner:

• nordlige områder – 1,5 – 2 kW/m²;
• centrale zone – 1 – 1,5 kW/m²;
• sydlige regioner – 0,6 – 1 kW/m².

Disse tal er ret betingede, men de giver alligevel et klart numerisk svar vedrørende miljøets indflydelse på lejlighedens varmesystem.

På dette kort er klimazoner med forskellige temperaturregimer vist. Hvor meget energi (i kW) der skal bruges på opvarmning af en kvadratmeter afhænger af boligens placering i forhold til zonen (+)

Summen af lejlighedens areal, der skal opvarmes, er lig med lejlighedens samlede areal, dvs. 65,54-1,80-6,03=57,71 m2 (minus altan). Kedlens specifikke effekt for den centrale region med kold vinter – 1,4 kW/m2. I vores eksempel er den beregnede varmekedeleffekt således 8,08 kW.

Dynamiske parametre for varmemediet

Vi går videre til næste trin i beregningerne – analyse af varmemediets forbrug. I de fleste tilfælde adskiller lejlighedens varmesystem sig fra andre systemer – det hænger sammen med antallet af varmepaneler og rørledningens længde. Tryk anvendes som en ekstra “drivkraft” for flowet lodret i systemet.

I private en- og fleretages huse, gamle panelbygninger med flere lejligheder, anvendes højtryksvarmesystemer, som gør det muligt at transportere varmemediet til alle dele af det forgrenede, flerløbede varmesystem og løfte vandet til hele bygningens højde (op til 14. etage).

Derimod har en almindelig 2- eller 3-værelses lejlighed med eget varmeanlæg ikke så mange ringe og grene; den omfatter højst tre kredsløb.

Så transporten af varmebæreren sker gennem den naturlige vandgennemstrømning. Men man kan også bruge cirkulationspumper, opvarmningen sker med en gas/el-kedel.

Vi anbefaler at bruge en cirkulationspumpe til opvarmning af rum over 100 m². Pumpen kan monteres både før og efter kedlen, men normalt sættes den på “retur” – lavere temperatur på mediet, mindre luft i systemet, længere levetid for pumpen.

Specialister inden for design og installation af varmesystemer definerer to hovedtilgange til beregning af varmebærerens volumen:

1. Efter systemets faktiske kapacitet. Alle hulrum, hvor varmt vand vil strømme, summeres: summen af individuelle rørsektioner, radiatorsektioner osv. Men dette er en ret arbejdskrævende mulighed.
2. Efter kedlens effekt. Her er specialisternes meninger meget forskellige, nogle siger 10, andre 15 liter per enhed kedeleffekt.

Fra et pragmatisk synspunkt skal man overveje, at varmesystemet sandsynligvis ikke kun vil levere varmt vand til rummet, men også opvarme vand til bad/bruser, håndvask, vask og håndklædetørrer, og måske endda til hydromassage eller jacuzzi. Denne mulighed er enklere.

Derfor anbefaler vi i dette tilfælde at sætte 13,5 liter per enhed effekt. Multipliceret med kedlens effekt (8,08 kW) får vi det beregnede vandvolumen – 109,08 liter.

Den beregnede hastighed af varmebæreren i systemet er netop den parameter, der gør det muligt at vælge en bestemt rørdiameter til varmesystemet.

Den beregnes efter følgende formel:

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

hvor:

• W – kedlens effekt;
• t – temperaturen på det tilførte vand;
• to – temperaturen på vandet i returkredsen;
• k – kedlens virkningsgrad (0,95 for gaskedel).

Indsætter vi de beregnede data i formlen, får vi: (0,86 * 8080 * 0,95)/80-60 = 6601,36/20=330 kg/t. Så på en time bevæger 330 l varmebærer (vand) sig i systemet, og systemets kapacitet er omkring 110 l.

Bestemmelse af rørdiameter

For endelig at bestemme diameter og tykkelse på varmeledningerne skal vi drøfte spørgsmålet om varmetab.

Maksimal mængde varme går ud af rummet gennem vægge – op til 40%, gennem vinduer – 15%, gulv – 10%, resten gennem loft/tag. For en lejlighed er tabene typisk hovedsageligt gennem vinduer og altanmoduler.

Der findes flere typer af varmetab i opvarmede rum:

1. Tryktab i rør. Denne parameter er direkte proportional med produktet af det specifikke friktionstab inde i røret (leveres af producenten) og rørets samlede længde. Men i betragtning af den aktuelle opgave kan sådanne tab ignoreres.
2. Tryktab ved lokale rørmodstande – varmetab i fittings og inde i udstyr. Men i betragtning af opgavens betingelser, et lille antal fitting-bøjninger og antal radiatorer, kan sådanne tab negligeres.
3. Varmetab baseret på lejlighedens placering. Der findes en anden type varmetab, men de er mere relateret til rummets placering i forhold til resten af bygningen. For en almindelig lejlighed, der er midt i bygningen og har naboer til venstre/højre/over/under, er varmetab gennem sidevægge, loft og gulv stort set “0”.

I beregningen kan man kun medtage tab gennem lejlighedens facade – altan og det centrale vindue i stuen. Men dette problem løses ved at tilføje 2-3 sektioner til hver af radiatorerne.

Værdien af rørdiameteren vælges ud fra varmebærerens strømning og dens cirkulationshastighed i varmeledningen.

Ved at analysere ovenstående information bør det bemærkes, at for den beregnede hastighed af varmt vand i varmesystemet kendes tabelhastigheden for vandpartiklernes bevægelse i forhold til rørvæggen i vandret position 0,3-0,7 m/s.

Til hjælp for håndværkeren præsenterer vi en såkaldt tjekliste til udførelse af beregninger til en typisk hydraulisk beregning af varmesystemet:

• dataindsamling og beregning af kedeleffekt;
• volumen og hastighed af varmebærer;
• varmetab og rørdiameter.

Nogle gange kan man ved beregningen få en tilstrækkelig stor rørdiameter til at dække den beregnede mængde varmebærer. Dette problem kan løses ved at øge kedlens literkapacitet eller tilføje en ekstra ekspansionsbeholder.

På vores hjemmeside er der en blok af artikler om beregning af varmesystemet, vi anbefaler at læse dem:

1. Varmeberegning af varmesystemet: sådan foretager man en korrekt beregning af belastningen på systemet
2. Beregning af vandopvarmning: formler, regler, eksempler på udførelse
3. Varmeteknisk beregning af bygningen: specifikationer og formler til udførelse af beregninger + praktiske eksempler

Konklusioner og nyttig video om emnet

Funktioner, fordele og ulemper ved naturlige og tvungne cirkulationssystemer for varmebærer til varmesystemer:

Sammenfattende resultaterne af den hydrauliske beregning har vi opnået specifikke fysiske karakteristika for det fremtidige varmesystem.

Det er naturligvis en forenklet beregningsmetode, der giver omtrentlige data vedrørende den hydrauliske beregning for varmesystemet i en typisk toværelses lejlighed.

Forsøger du selv at udføre en hydraulisk beregning af varmesystemet? Eller er du uenig i det præsenterede materiale? Vi venter på dine kommentarer og spørgsmål – feedbackfeltet findes nedenfor.