Состав теплотехнических расчетов включает теплотехнический расчет теплозащитных свойств ограждающих конструкции, определение потребностей в теплоте каждого помещения (теплопотери), определение типоразмеров и количества нагревательных приборов, потребных для размещения в каждом помещении. Количество помещений обусловливается назначением здания, этажностью, место расположения здания в городе, архитектурно-строительным его решением, пожеланиями заказчика и т.п. Кроме того, теплопотери помещения зависят от расположения помещения в здании: подвал, цокольный, первый, последний этажи, с экерами и без, и мансардные.
Что касается применения нагревательных приборов, то это, помимо назначения помещения и проходящих в нем технологических процессов, в значительной степени зависит от эстетических предпочтений заказчиков. Такое количество факторов, влияющих на выбор нагревательных приборов, существенно увеличивает объемы расчетных работ, а уровень добросовестности их выполнения сказывается на качестве проекта.
Ранее теплотехнические и гидравлические расчеты делались при помощи логарифмической линейки, а в учебных целях проводились с использованием шаблонных таблиц, которые, несколько облегчая расчетный процесс, обеспечивали возможность подробного анализа поэтапных результатов расчетов и позволяли осуществлять соответствующую корректировку как планировочных, так и инженерных решений.
В наше время, при широком внедрении персональных компьютеров, процесс расчетов значительно формализовался и ускорился, что практически полностью исключило фактор инженерного творчества и влияния проектировщика в расчетном процессе с целью поиска альтернативных инженерных решений. Затрудняется дифференцированное изменение типоразмеров и количеств нагревательных приборов, учет корректировок в процессе проектирования ограждающих конструкций, температурного режима и т.п.
Использование Excel-таблиц позволяет обеспечить автоматизацию вычислительных процессов, сократив трудоемкость работы, и вернуть разумные элементы инженерного творчества, свойственные таблично-шаблонному процессу. Электронные таблицы Microsoſt Excel, при заблаговременной подготовке и установлении требуемых функциональных связей между отдельными листами, ячейками и т.п., можно продуктивно использовать вместо распространяемых в настоящее время специализированных программных продуктов.
Несомненно только одно, что составленные расчетные таблицы как шаблоны должны быть тщательно продуманы и защищены от несанкционированного вмешательства и специально копироваться для каждого конкретного случая применения. Такое обращение с таблицами-шаблонами дает возможность проводить детальный анализ результатов расчета и вносить желаемые изменения в ручном режиме.
Гидравлический расчет — серьезный фактор, гарантирующий работоспособность системы отопления и качество обогрева помещений. Именно им обеспечивается количественный и скоростной режимы распределения теплоносителя по нагревательным приборам, определяется напор побудителя движения теплоносителя, подбираются гидравлические характеристики регулирующих устройств, диаметры трубопроводов и т.п.
Основные понятия и определения
Анализ систем водяного отопления позволил установить, что любую систему отопления можно представить в общем случае как сочетание формализованных самостоятельных конструктивных элементов:
- разводящих магистралей — подающих и обратных трубопроводов, соединяющих тепловые пункты с отопительными кольцами;
- отопительных колец, т.е. систем подающих и обратных трубопроводов, обеспечивающих подачу теплоносителя непосредственно к потребителям и состоящих из следующих отопительных конструктивных элементов — магистралей (подающих и обратных трубопроводов, соединяющих стояки), стояков и подводок к нагревательным приборам.
В качестве формализованных конструктивных элементов для составления в дальнейшем расчетных таблиц принимаем: разводящие магистрали, магистрали, стояки и подводки к нагревательным приборам. Конкретизация каждого элемента осуществляем следующим образом. Разводящие магистрали — все участки трубопроводов между тепловым пунктом и отопительными кольцами. Общие участки обозначаются «ПАД» и «ОБР», участки после первого разветвления «П-1-2», «П-3-4», «О-1-2», «О-3-4», где цифры обозначают номера отопительных колец, для которых предназначено данное ответвление.
Последующие разветвления, которые, как правило, осуществляются для присоединения к магистралям отопительных колец, именуются «П-1», «П-2», «П-3», «П-4», «О-1», «О-2», «О-3», «О-4». Четная цифра в данном обозначении указывает только на то, что ответвление по ходу подающего теплоносителя направлено вправо. Технологически на каждом таком ответвлении необходимо устанавливать запорную арматуру, а также балансировочный клапан или дроссельную шайбу.
После них трубопроводы отопительных колец классифицируются как магистрали. Укажем также, что на участках разводящих магистралей «П-1-2», «П-3-4», «О-1-2» и «О-3-4» следует монтировать, по крайней мере, балансировочные краны или дроссельные шайбы — для гидравлической согласованности различных разветвлений. Далее формализуем магистрали отопительных колец. После запорной арматуры участков «П-1», «П-2», «П-3», «П-4», «О-1», «О-2», «О-3» и «О-4» идут магистрали, к которым присоединены стояки.
Расчетными гидравлическими участками являются участки между точками присоединения стоков к магистрали. Обозначение участков по магистрали осуществляем по номерам стояков, причем против движения теплоносителя по подающей магистрали. Первый участок — это трубопровод, подсоединенный к первому стояку, и отвод. Стояки — это трубопроводы транспортирующие теплоноситель между магистралями по этажам через нагревательные приборы.
Стояки, с точки зрения формализации гидравлического расчета, представляют собой системы трубопроводов, расположенных между подводками к нагревательным приборам смежных этажей. Расчетные гидравлические участки обозначаются по порядковому номеру этажа с индексами «П» и «О». Подводки к нагревательным приборам — это система трубопроводов через нагревательный прибор от подающего стояка до обратного трубопровода. На каждой подводке между прибором и стояком установлены краны.
Терморегулирующие вентиля подлежат определению при гидравлическом расчете. Нагревательные приборы могут располагаться как с двух сторон стояка, так и с одной. Для создания Excel-таблицы выбран принцип двухстороннего присоединения нагревательных приборов, причем при взгляде на стояк подводки подразделяются на левую и правую. Для наглядности на рис. 1–4 дана графическая интерпретация. Из рисунков видно, что все разнообразие конструктивного исполнения рассмотренных выше элементов может быть отмечено типом разводки и стояков.
Они по характеру транспортировки по ним теплоносителя различаются на элементы с попутным (П) и тупиковым (Т) движением теплоносителя. В связи с этим, в общем случае системы отопления по гидравлическим особенностям движения теплоносителя по трубопроводам можно подразделить на системы: с попутным движением в магистралях и стояках («П-П»); с попутным движением в магистралях и тупиковым в стояках («П-Т»); с тупиковым движением в магистралях и стояках («Т-Т»); с тупиковым движением в магистралях и попутным в стояках («Т-П»). Разводящие магистрали по характеру движения теплоносителя для всех систем отопления практически одинаковы.
Местные сопротивления
Анализ конструктивного выполнения элементов системы отопления с точки зрения наличия местных сопротивлений показывает, что местные сопротивления складываются из сопротивлений двух видов: типовых элементарных сопротивлений, присущих в любом случае, и характеристических, свойственных конкретному исполнению системы (например, какие либо повороты, нестандартное размещение задвижек, различные обходы конструкций зданий).
Учет местных сопротивлений производится на специальных листах, дифференцировано, по каждому гидравлическому участку для упомянутых выше конструктивных элементов системы. Первый вид местных сопротивлений (КМС) может быть учтен сразу и занесен в расчетные Excel-таблицы. Второй вид местных сопротивлений (КМС) подлежит учету индивидуально на конкретном участке, где они возникают.
При желании использовать Excel-таблицы с учетом ранее занесенных значений типовых КМС возникает некоторая особенность в использовании этой таблицы. Так, необходимо при любой системе отопления первым этажом считать этаж, принятый в Excel-таблице подвальным («п»), а последним этажом считать 30 этаж. Обязательно при расчетах магистралей должны быть использованы стояки 1 и 50.
Персональное определение КМС позволяет отказаться от перечисленных ограничений. Но в этом случае увеличивается объем работ по определению количеств КМС, хотя, используя указанную классификацию КМС, можно значительно облегчить эту работу. Итак, Excel-таблицы составлены:
- для зданий до 30 этажей, подвалом и цокольным этажом (последние можно также считать этажами, тогда здание 32-этажное);
- для систем отопления до четырех сочетаний движений теплоносителя: «П-П», «П-Т», «Т-Т», «Т-П»;
- четырьмя отопительными кольцами;
- с отопительным кольцом, содержащим до 50 стояков;
- с двухсторонним присоединением нагревательных приборов.
Excel-таблицы включают листы (рис. 5): исходных данных; результатов расчета; гидравлического расчета разводящих магистралей; гидравлического расчета магистралей; гидравлического расчета стояков; гидравлического расчета подводок к нагревательным приборам; соответственно листам гидравлических расчетов — листы подсчета КМС; на подающих и обратных участках трубопроводов. В лист «Исходные данные…» заносятся:
- температурные параметры теплоносителя, на которые рассчитывается система отопления, допустимые скорости теплоносителя в магистралях и в трубопроводах стояков, превышение которых нежелательно;
- тепловая нагрузка нагревательных приборов, привязанная к стоякам рассчитываемой системы отопления, Вт;
- длина трубопроводных подводок [м] от подающего стояка через нагревательный прибор до обратного стояка;
- длины гидравлических участков подающих и обратных стояков, м;
- длины гидравлических участков подающих и обратных трубопроводов магистралей, м;
- длины гидравлических участков подающих и обратных трубопроводов раздающих магистралей, м;
- отсутствие этажа, нагревательного прибора, гидравлического участка отмечается «0».
Если в дальнейшем предполагается воспользоваться типовыми КМС, и количество этажей и стояков отлично от табличных, то необходимо заполнение таблиц исходных данных осуществлять с учетом оговоренных выше указаний. Тогда на этом ввод данных считается законченным, и пользователь может перейти на лист «Результаты расчета…», получив окончательные данные. При наличии местных сопротивлений, не подпадающих под типовые, необходимо внести соответствующие коррективы в таблицы КСМ соответствующих элементов системы отопления, и только после этого обратиться к листу «Результаты расчета…». Лист «Результаты расчета…» представляет собой итоги гидравлического расчета и содержит:
- диаметры трубопроводов гидравлических участков, их длину, скорость теплоносителя, гидравлическое сопротивление, гидравлические характеристики устанавливаемых вентилей или диаметров дросселирующих шайб;
- гидравлическое сопротивление всей системы отопления.
Листы гидравлических расчетов в общем случае могут быть скрыты, т.к. они, выполнив свои функции, не нужны, однако для проектировщиков они могут представлять определенный интерес. Этот интерес обусловливается профессиональной квалификацией проектировщика и позволяет проводить детальный анализ, проводя ручную корректировку: направленного местного изменения скоростного режима, диаметров трубопроводов, местных сопротивлений, подбор желаемого гидравлического сопротивления системы отопления и т.п.
Так, например, используя свойства, предоставляемые Excel, можно установить, что сопротивления стояков для нагревательных приборов разных этажей сильно различаются между собой и могут составлять величину, соизмеримую с общим сопротивлением всей системы отопления. Анализируя скоростной режим теплоносителя по участкам, нетрудно правильно решить вопросы обезвоздушивания стояка и системы в целом.
Кроме того, возможность практически одновременно получить результаты расчетов четырех систем отопления позволяет проектировщику дать оценку энергетической эффективности каждой системы, и позволяет применить наиболее целесообразную. В процессе проектирования систем отопления составляются поэтажные планы с размещением нагревательных приборов, стояков, прокладки трубопроводов. Неотъемлемой частью проектной части является схема системы отопления.
Расчеты в Excel предоставляют возможность значительно повысить информационную насыщенность проектной документации. Для этого поэтажные планы следует снабдить таблицами подбора нагревательных приборов, которые содержат экспликацию помещений с указанием типов и количеств устанавливаемых нагревательных приборов и их тепловой нагрузки.
Аксонометрические схемы следует обогатить представлением на чертежах таблиц из «Результатов расчета…», которые содержат необходимые при наладке расчетные значения скоростного режима теплоносителя, диаметров трубопровод на каждом участке, требуемые гидравлические характеристики регулирующих гидравлический режим устройств. Как раз это, в ряде случаев, позволяет отказаться от графической интерпретации схемы отопления.
Кроме того, как для монтажа и наладки систем отопления, так и при ее эксплуатации, должное значение имело бы наличие портативного носителя информации (например, «флэшки») с расчетами, в особенности гидравлического расчета.
Теплотехнический расчет
Пример таких таблиц, составленных авторами, приведен выше, на второй страницы данной статьи. Таблицы составлены для условного здания, состоящего из 100 помещений. Таблицы состоят из листов: экспликация помещений и конструкции ограждающих конструкций; теплотехнический расчет ограждающих конструкций; расчет теплопотерь помещениями; подбор нагревательных приборов по помещениям.
На листе «Экспликация помещений и конструкции…» производится перенос экспликации помещений из архитектурных чертежей в систему таблиц, также в этот лист в определенные графы заносятся ограждающие конструкции, в зависимости от предъявляемых к расчету требованиям, т.е. либо расчет величин коэффициентов теплопередачи определенной конструкции ограждения, или определение толщины слоя теплоутеплителя в ограждении с последующим установлением коэффициента теплопередачи, или простое использование нормативных значений коэффициентов теплопередачи.
На листе «Теплотехнический расчет ограждающих конструкций…» осуществляется подбор теплотехнических характеристик материалов, образующих ограждающие конструкции, определяются коэффициенты теплопередачи, которые следует использовать в дальнейшей работе. Лист «Расчет теплопотерь помещениями…» содержит электронную таблицу-шаблон, рассчитанную для обсчета 100 помещений, каждое из которых может включать: четыре зоны потери теплоты через полы на грунте, на лагах, утепленных и неутепленных; два перекрытия; два наружных ограждения; два световых проемов.
Для пользования этими таблицами необходимо дополнить их расчетными климатическими параметрами наружного и внутреннего воздуха, выбрать коэффициенты теплопередачи, ориентацию, геометрические размеры элементов ограждений и т.п. Результаты автоматически переносятся в лист «Подбор нагревательных приборов по помещениям…». Здесь имеются данные по теплотехническим характеристикам различных нагревательных приборов.
Используя эти данные, и определившись с количеством приборов, которое желательно разместить в помещении, и их типом, находим номенклатурный размер и тепловую нагрузку. Данный лист можно поместить как информацию в рабочие чертежи.
