Как рассчитать объем теплоносителя в системе отопления

Расход теплоносителя – это важный параметр, который нужно рассчитывать при проектировании автономной системы отопления. Эта величина учитывается при выборе циркуляционного насоса, радиаторов, котла и других видов отопительного оборудования. Если расчет расхода теплоносителя выполнен некорректно, в дальнейшем это может привести к негативным последствиям.

• Во-первых, система может не справиться с нагрузкой, из-за чего в помещениях будет недостаточная температура даже при включении котла и насоса на полную мощность.
• Во-вторых, циркуляционный насос, работающий на пределе возможностей, может быстрее износиться и выйти из строя.

Чтобы не допустить этих и других неприятностей, следует тщательно изучить понятие массового расхода теплоносителя и научиться вычислять эту величину.

Что такое расход теплоносителя

Данная характеристика определяет объем рабочей жидкости, который должен ежесекундно протекать через радиаторы, котел или трубы, чтобы система обеспечивала требуемую теплоотдачу и создавала комфортный температурный режим в помещениях. Исходя из этого определения, расход горячего теплоносителя вычисляется в килограммах в секунду (кг/с). Например, если при расчетах был получен результат 10 кг/с, это означает, что за одну секунду через произвольную точку отопительного контура должно протекать 10 килограмм воды или специального антифриза. Если фактический расход теплоносителя в системе отопления будет ниже расчетного, на радиаторы будет подаваться меньше тепловой энергии. Соответственно, они будут нагреваться до меньшей температуры, и в помещениях не удастся установить оптимальный температурный режим.

От чего зависит расход теплоносителя

Согласно теории, расчет расхода теплоносителя по тепловой нагрузке выполняется с учетом трех основных параметров: проектной мощности системы, теплоемкости рабочей жидкости и разницы температур на входе и выходе котла. Каждая из этих характеристик, в свою очередь, зависит от множества других факторов. Например, проектная мощность определяется площадью и объемом отапливаемых помещений, качеством теплоизоляции, особенностями местного климата и др. Теплоемкость теплоносителя зависит от его химического состава. Разница температур может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от характеристик отопительных батарей и их количества, материала труб, мощности циркуляционного насоса и др. Чтобы правильно определять расход теплоносителя по тепловой нагрузке, каждую из трех перечисленных величин следует рассмотреть более детально.

Проектная мощность отопительной системы

Этот показатель не стоит путать с мощностью котла. Проектную мощность системы рассчитывают индивидуально для каждого здания, учитывая множество различных параметров:

• материалы стен, потолков и перекрытий, их теплопроводящие свойства и теплоемкость;
• специфика климата в конкретном регионе, среднегодовая температура;
• количество устанавливаемых радиаторов и их характеристики;
• теплопотери в трубах;
• требуемая температура в помещениях и др.

Исходя из расчетной проектной мощности подбирается отопительный котел с соответствующими характеристиками. Как правило, мощность котельного агрегата выбирают с запасом на случай непредвиденных ситуаций: аномальных морозов, установки дополнительных батарей и др.

Тип и свойства теплоносителя

Чаще всего в системах автономного отопления используют дистиллированную воду или специальный антифриз – Термагент. Первый вариант позволяет сэкономить бюджет, но вода быстро загрязняется сторонними веществами, вызывает образование внутренних отложений и способствует развитию очагов коррозии. Ее теплоемкость составляет 4200 Дж/кг•К, по этому показателю вода превосходит любые другие жидкости. Отопительные антифризы, такие как Thermagent, производятся на спиртовой основе и содержат этиленгликоль или пропиленгликоль. По удельной теплоемкости они совершенно не уступают обычной воде и превосходят ее по всем остальным параметрам. Во-первых, такие составы оказывают щадящее воздействие на радиаторы, котлы, циркуляционные насосы и трубы, что предотвращает преждевременный ремонт. Во-вторых, термагент не вызывает коррозию и обеспечивает надежную защиту металлических поверхностей. В-третьих, такие жидкости имеют низкую температуру кристаллизации, что исключает замерзание жидкости при плановом или аварийном отключении котла в морозную погоду.

Что влияет на теплоотдачу

При проектировании отопительных сетей обязательно рассчитывают теплоотдачу батарей, труб и других элементов системы. На практике это отражается в разнице температур на входе и выходе котла. Когда разогретый антифриз выходит из котельного агрегата, он отдает часть накопленной тепловой энергии радиаторам, трубам и циркуляционному насосу. Соответственно, после прохождения полного круга он незначительно остывает. Далее остывший антифриз возвращается в котел через входную трубу, повторно нагревается до заданной температуры, и цикл повторяется. Разница температур на входе и выходе котла напрямую влияет на расход теплоносителя. Если жидкость быстрее циркулирует по контуру (например, когда циркуляционный насос включен на полную мощность), она будет быстрее протекать через радиаторы. Соответственно, за меньшее время теплоноситель будет остывать меньше. Разница температур будет тем больше, чем выше теплоотдача радиаторов и чем больше их количество в системе. Протекая через пять батарей, жидкость остынет сильнее, чем при протекании через три аналогичные батареи за тот же промежуток времени.

Инженерная формула

При проектировании отопительной системы чаще всего используется формула расхода теплоносителя m = Q / (Cp × Δt). Величина Q является проектной мощностью системы. Cp – это удельная теплоемкость жидкости, которая используется в качестве теплоносителя. Для разных антифризов она может существенно различаться. Чтобы узнать конкретное значение, нужно читать документацию к теплоносителю или каталожное описание. Также эту информацию можно получить у производителя материала.

Чтобы избежать ошибок, необходимо соблюдать одинаковые порядки вводимых параметров. Например, если мощность Q указывается в кВт, то удельную теплоемкость нужно вводить в формулу в кДж/кг•К. Соответственно, если Q указывается в ваттах, то размерность теплоемкости должна быть Дж/кг•К без префикса «кило».

Приведем простой пример. Расчетная мощность системы автономного отопления составляет 50 кВт. Вместо обычной воды в контур залит теплоноситель с удельной теплоемкостью 0,9 кДж/кг•К. Разница температур на входных и выходных трубах котла составляет 10 градусов. В этом случае расчетный расход теплоносителя будет равен 50/0,9•10 = 5,56 кг/с.

Дополнительные коэффициенты

Формула m = Q/(Cp × Δt), описанная выше, в ее изначальном виде может использоваться только в идеализированных условиях, когда на отопление дома не влияют внешние факторы. На практике такие ситуации невозможны, поскольку тепло неизбежно уходит через стены, окна, потолки и полы. Разные стройматериалы (кирпич, древесина, бетон и др.) имеют разные показатели сопротивления при теплопередаче. В расчетах часто используются такие коэффициенты:

• 1,33–1,56 – стены здания построены из деревянного бруса толщиной 200–240 мм;
• 1,4 – стены состоят из декоративного кирпича и имеют толщину 65 см;
• 1,28 – для кирпичной кладки толщиной 65 см с внутренней воздушной прослойкой;
• 1,13 – стены возведены из кирпича, толщина кладки равна 65 см, воздушная прослойка отсутствует;
• 1,0 – помещение имеет чистовые полы, под которыми находятся деревянные лаги или грунт;
• 0,9 – этот коэффициент применяется в тепловых расчетах для чердаков, покрытых стальным профлистом, черепицей или асбоцементом;
• 0,8 – для чердаков с аналогичными покрытиями, но сплошным настилом;
• 0,75 – для зданий, крыши которых покрыты рулонным настилом;
• 0,7 – такой показатель сопротивления имеют внутренние стены, соседствующие с неотапливаемыми помещениями без внешних стен;
• 0,6 – для помещений, под которыми имеются подвалы, расположенные ниже поверхности грунта или на высоте до 1 м над ней;
• 0,4 – аналогично предыдущему пункту, но соседние помещения имеют наружные стены.

Указанные коэффициенты добавляют в знаменатель формулы m = Q / (Cp × Δt). Таким образом, конечная формула будет иметь вид m = Q / k (Cp × Δt), где k – параметр сопротивления при теплопередаче.

Подбор циркуляционного насоса по расходу теплоносителя

В технических характеристиках циркуляционных насосов, как правило, расход указывается в литрах в минуту (л/мин). В формуле, описанной выше, результат указывается в килограммах в секунду (кг/с). Соответственно, для подбора насосного агрегата нужно выполнить несложные преобразования. Во-первых, количество антифриза нужно вычислить не в килограммах, а в литрах. Для этого полученный результат нужно разделить на плотность антифриза. Например, если жидкость имеет плотность 1,06 г/см3, то расход в литрах из вышеуказанного расчета будет равен 5,56/1,06 = 5,25 л/с. Во-вторых, вместо секунд следует использовать минуты. Для этого нужно умножить результат на 60. В данном примере расход составит 5,25•60 = 315 л/мин. Учитывая возможную погрешность, насос следует выбирать с некоторым запасом производительности, например, 330–350 л/мин.

Расход теплоносителя через радиатор

В большинстве случаев расход вычисляют, чтобы выбрать подходящий циркуляционный насос. Но также это стоит учитывать при выборе отопительных радиаторов. Дело в том, что расход антифриза в системе отопления пропорционален скорости потока жидкости. Чем сильнее напор в трубах, тем выше давление. Соответствующее давление будет присутствовать и в радиаторах. Каждый тип отопительных батарей имеет максимально допустимое давление. Если этот показатель превысит предел, радиатор может разгерметизироваться и потечь. Это особенно критично, если тепло подается на батареи панельного типа. Такие радиаторы выдерживают меньшее давление, чем секционные. Поэтому панельные батареи следует устанавливать, если расход теплоносителя через радиатор относительно невысокий.

Объем теплоносителя в системе

При проведении расчетов и проектировании отопительной системы недостаточно знать, как рассчитать расход теплоносителя. Нужно также учитывать объем рабочей жидкости в контуре отопления. Этот параметр необходимо вычислить, чтобы приобрести достаточное количество антифриза и избежать его доливки. Суммарный объем теплоносителя в системе складывается из трех составляющих:

• вместительность теплообменника в котле;
• объем радиаторов;
• объем труб.

Первые две величины можно узнать из технической документации к котлу и отопительным батареям. Большинство котельных агрегатов имеют теплообменники, рассчитанные на 3–7 литров. Твердотопливные модели более емкие и вмещают до 25 л антифриза. Вместительность радиаторов зависит от размеров секций или панелей, а также от их количества и конструкции. В среднем одна секция чугунной батареи вмещает 1,5 л жидкости, биметаллической – 0,3 л, алюминиевой – около 0,4 л.

Что учитывать при расчете объема антифриза

Расчет суммарной вместительности трубопроводов достаточно прост. Если в системе применяются трубы одного типоразмера, достаточно измерить их внутренний диаметр и общую длину. Объем вычисляется по формуле V = π × r2 × L, где π = 3,14, L – длина трубопроводов, а r – радиус внутреннего сечения трубы (половина ее диаметра). Чтобы не допустить ошибок, длину и радиус нужно измерять в одинаковой размерности – например, в метрах. Если сечение измеряется в миллиметрах, то длина также должна указываться в мм, а рассчитанный объем будет измеряться в кубических миллиметрах (мм3). Чтобы перевести кубические миллиметры в литры, нужно разделить результат в мм3 на 1.000.000. Для простоты расчетов можно использовать типовые значения для труб стандартных размеров. В списке ниже представлены величины в такой последовательности: типоразмер трубопровода в дюймах, внутренний диаметр и объем на один метр длины.

• 1/2, 15 мм – 0,177 л/м;
• 3/4, 20 мм – 0,314 л/м;
• 1, 25 мм – 0,491 л/м;
• 1 1/2, 40 мм – 1,257 л/м;
• 2, 50 мм – 2,467 л/м.

Рассмотрим пример. В системе используется котел с 6-литровым теплообменником, 10 радиаторов с вместительностью 4 литра каждый и 50 метров трубопроводов типоразмера 3/4 дюйма. Суммарный объем системы будет равен 6 + 10 × 4 + 50 × 0,314 = 61,7 литра.

Какой теплоноситель использовать в системе

Чтобы система автономного отопления эффективно выполняла свои функции, важно не только корректно вычислять расход теплоносителя, но и правильно выбирать его по составу и свойствам. Использовать обычную воду, даже хорошо очищенную, не рекомендуется. Это может привести к преждевременным поломкам котла и раннему износу радиаторов, а также к образованию засоров в трубах. Необходимо заливать в контур специальный антифриз – Термагент, который должен обладать следующими свойствами.

Достаточная теплоемкость. От этой характеристики зависит способность жидкости накапливать тепловую энергию и передавать ее от котла на отопительные батареи.

Химическая нейтральность. Вещества, из которых состоит теплоноситель, не должны вступать в химические реакции с металлами, пластиком, резиной и другими материалами, используемыми в котлах, радиаторах, насосах, трубах и уплотнениях.

Стойкость к замерзанию. Обычная вода начинает превращаться в лед при нулевой температуре. Если в зимнее время котел отключен за ненадобностью или из-за поломки, жидкость может замерзнуть и разорвать изнутри трубы, батареи и теплообменник котла. Это связано с тем, что лед имеет плотность на 10 % меньше, чем вода в жидком состоянии. Специальные отопительные антифризы обладают высокой морозостойкостью. Например, этиленгликолевый термагент кристаллизуется при -65 °C.

Безопасность. Пары теплоносителя не должны представлять угрозу для человеческого здоровья. Это критически важно, поскольку рабочая жидкость может испаряться и распространяться внутри помещений при утечках, через открытую крышку расширительного бачка и другими способами. Содержание летучих токсичных веществ в составе отопительного антифриза недопустимо.

Читайте подробнее, как заполнять систему отопления термагентом.

Заключение

Правильный выбор антифриза и точный расчет расхода теплоносителя – одни из ключевых условий стабильной и эффективной работы отопительной системы. Качественная жидкость обеспечит качественный теплообмен и комфортный микроклимат в помещениях, а правильное вычисление расхода позволит подобрать циркуляционный насос с наиболее подходящими техническими характеристиками.

Источник