Hydraulische berekening van het verwarmingssysteem aan de hand van een concreet voorbeeld

Verwarming op basis van circulatie van heet water – de meest voorkomende optie voor de inrichting van een particulier huis. Voor een deskundige ontwikkeling van het systeem is het noodzakelijk om voorlopige analyseresultaten te hebben, de zogenaamde hydraulische berekening van het verwarmingssysteem, die de druk in alle delen van het netwerk koppelt aan de diameters van de leidingen.

In het gepresenteerde artikel wordt de berekeningsmethode gedetailleerd beschreven. Om het algoritme van acties beter te begrijpen, hebben we de rekenvolgorde aan de hand van een concreet voorbeeld bekeken.

Door de beschreven volgorde te volgen, kunt u de optimale diameter van de hoofdleiding, het aantal verwarmingstoestellen, het vermogen van de ketel en andere systeemparameters bepalen die nodig zijn voor het inrichten van een effectieve individuele warmtevoorziening.

Begrip van hydraulische berekening

De bepalende factor voor de technologische ontwikkeling van verwarmingssystemen is de gewone besparing op energiedrager geworden. Het streven naar besparing dwingt om zorgvuldiger om te gaan met het ontwerp, de materiaalkeuze, de installatiemethoden en de exploitatie van de verwarming voor de woning.

Daarom, als u hebt besloten een uniek en vooral zuinig verwarmingssysteem voor uw appartement of huis te creëren, dan raden wij u aan kennis te nemen van de reken- en ontwerpregels.

Voordat u de hydraulische berekening van het systeem definieert, moet u duidelijk begrijpen dat het individuele verwarmingssysteem van een appartement en huis voorwaardelijk een orde van grootte hoger ligt dan het centrale verwarmingssysteem van een groot gebouw.

Een persoonlijk verwarmingssysteem is gebaseerd op een fundamenteel andere benadering van de concepten warmte en energiebron.

De essentie van de hydraulische berekening is dat de koelvloeistofstroom niet vooraf wordt bepaald met een significante benadering van de werkelijke parameters, maar wordt bepaald door het afstemmen van de leidingdiameters op de drukparameters in alle lussen van het systeem.

Het is voldoende om een triviale vergelijking van deze systemen uit te voeren op basis van de volgende parameters.

1. Het centrale verwarmingssysteem (ketelhuis – huis – appartement) is gebaseerd op standaard soorten energiedragers – steenkool, gas. In een autonoom systeem kan praktisch elke stof worden gebruikt die een hoge soortelijke verbrandingswarmte heeft, of een combinatie van verschillende vloeibare, vaste, korrelvormige materialen.
2. Het centrale verwarmingssysteem is gebouwd met gewone elementen: metalen buizen, “klomphoutige” radiatoren, afsluiters. Een individueel verwarmingssysteem daarentegen maakt het mogelijk om een breed scala aan elementen te combineren: meersectionele radiatoren met een goede warmteafgifte, hoogtechnologische thermostaten, verschillende soorten buizen (PVC en koperen), kranen, doppen, fittingen en natuurlijk eigen zuinigere ketels, circulatiepompen.
3. Als u een appartement in een typisch paneelhuis binnengaat dat 20-40 jaar geleden is gebouwd, ziet u dat het verwarmingssysteem bestaat uit een 7-sectionele radiator onder het raam in elke kamer van het appartement plus een verticale buis door het hele huis (stijgbuis), waarmee u met buren boven/onder kunt “communiceren”. Dat is anders bij een autonoom verwarmingssysteem (AVS) – het maakt het mogelijk om een systeem van elke complexiteit te bouwen, rekening houdend met de individuele wensen van de bewoners van het appartement.
4. In tegenstelling tot het centrale verwarmingssysteem, houdt een apart verwarmingssysteem rekening met een vrij indrukwekkende lijst van parameters die van invloed zijn op warmteoverdracht, energieverbruik en warmteverlies. De omgevingstemperatuur, het vereiste temperatuurbereik in de ruimtes, de oppervlakte en inhoud van de ruimtes, het aantal ramen en deuren, de functie van de ruimtes, enz.

Aldus is de hydraulische berekening van het verwarmingssysteem (GRSO) – een conditionele set van berekende kenmerken van het verwarmingssysteem, die uitputtende informatie verschaft over parameters zoals de diameter van leidingen, het aantal radiatoren en kleppen.

Dit type radiatoren werd geïnstalleerd in de meeste paneelwoningen in de post-Sovjet-ruimte. De besparing op materialen en het gebrek aan ontwerpfilosofie zijn “duidelijk zichtbaar”.

GRSO maakt het mogelijk om de juiste water-ringpomp (van de verwarmingsketel) te kiezen voor het transport van warm water naar de eindelementen van het verwarmingssysteem (radiatoren) en uiteindelijk een maximaal evenwichtig systeem te hebben, wat direct invloed heeft op de financiële investeringen in de verwarming van de woning.

Nog een type verwarmingsradiator voor CV-systemen. Dit is een veelzijdiger product dat een willekeurig aantal ribben kan hebben. Zo kan het warmtewisselingsoppervlak worden vergroot of verkleind.

Volgorde van berekeningsstappen

Wat betreft de berekening van het verwarmingssysteem merken we op dat deze procedure het meest dubbelzinnig en belangrijk is in het ontwerpproces.

Voordat u de berekening uitvoert, moet u een voorlopige analyse van het toekomstige systeem maken, bijvoorbeeld:

• het warmte-evenwicht vaststellen in alle en specifiek in elke kamer van de woning;
• thermostaten, kleppen en drukregelaars selecteren;
• de zones van het systeem met maximaal en minimaal debiet van de warmtedrager bepalen.

Bovendien moet de algemene transportroute van de warmtedrager worden bepaald: volledige en kleine kring, eenpijpssysteem of tweepijpsleiding.

Als resultaat van de hydraulische berekening verkrijgen we een aantal belangrijke kenmerken van het hydraulische systeem die antwoord geven op de volgende vragen:

• wat moet het vermogen van de warmtebron zijn;
• wat is het debiet en de snelheid van de warmtedrager;
• welke diameter is nodig voor de hoofdleiding van de warmtetransportleiding;
• wat zijn de mogelijke warmteverliezen en het verlies van de warmtedrager zelf.

Een ander belangrijk aspect van de hydraulische berekening is de procedure van balancering (afstemming) van alle delen (takken) van het systeem tijdens extreme thermische omstandigheden met behulp van regelapparatuur.

Er worden verschillende basistypen verwarmingstoestellen onderscheiden: gietijzeren en aluminium meerlatsradiatoren, stalen paneelradiatoren, bimetaalradiatoren en convectoren. Maar de meest gangbare zijn aluminium meerlatsradiatoren.

Het berekeningsgebied van de leidingroute is een sectie met een constante diameter van de leiding zelf, evenals een onveranderlijk debiet van het warme water, dat is bepaald door de formule van het warmte-evenwicht van de kamers. De opsomming van de berekeningszones begint vanaf de pomp of de warmtebron.

Beginvoorwaarden van het voorbeeld

Voor een meer specifieke uitleg van alle details van de hydraulische berekening nemen we een concreet voorbeeld van een gewone woonruimte. We hebben een klassiek 2-kamerappartement in een paneelgebouw, met een totale oppervlakte van 65,54 m², dat bestaat uit twee kamers, een keuken, aparte toilet en badkamer, een dubbele gang en een gekoppeld balkon.

Na ingebruikname hebben we de volgende informatie over de staat van het appartement ontvangen. Het beschreven appartement omvat met plamuur en grondverf behandelde muren van monolithische gewapend betonconstructies, ramen met profiel met dubbele beglazing, tyrso-geperste binnendeuren, keramische tegels op de vloer van de sanitairruimte.

Een typisch paneelgebouw van 9 verdiepingen met vier ingangen. Op elke verdieping zijn 3 appartementen: één 2-kamerappartement en twee 3-kamerappartementen. Het appartement bevindt zich op de vijfde verdieping.

Bovendien is het gepresenteerde appartement al uitgerust met koperen bedrading, verdeelinrichtingen en een aparte meterkast, een gasfornuis, badkuip, wastafel, toilet, handdoekdroger, gootsteen.

En het belangrijkste: in de woonkamers, badkamer en keuken zijn er al aluminium verwarmingsradiatoren. De vraag met betrekking tot de leidingen en de ketel blijft open.

Hoe gegevens worden verzameld

De hydraulische berekening van het systeem is meestal gebaseerd op berekeningen in verband met de verwarmingsberekening per oppervlakte van de ruimte.

Daarom is de volgende informatie nodig:

• oppervlakte van elke afzonderlijke ruimte;
• afmetingen van raam- en deuropeningen (binnendeuren hebben vrijwel geen invloed op warmteverlies);
• klimaatomstandigheden, specifieke kenmerken van de regio.

We gaan uit van de volgende gegevens. Oppervlakte woonkamer – 18,83 m², slaapkamer – 14,86 m², keuken – 10,46 m², balkon – 7,83 m² (totaal), gang – 9,72 m² (totaal), badkamer – 3,60 m², toilet – 1,5 m². Voordeur – 2,20 m², raam van woonkamer – 8,1 m², slaapkamerraam – 1,96 m², keukenraam – 1,96 m².

Hoogte van de muren van het appartement – 2 meter 70 cm. Buitenmuren zijn gemaakt van beton klasse B7 plus binnenpleister, dikte 300 mm. Binnenmuren en scheidingswanden – dragend 120 mm, normaal – 80 mm. Vloer en plafond zijn van betonnen vloerplaten klasse B15, dikte 200 mm.

De indeling van dit appartement biedt de mogelijkheid om één enkele verwarmingstak te creëren die door de keuken, slaapkamer en woonkamer loopt, wat een gemiddelde temperatuur van 20-22⁰C in de ruimtes zal garanderen (+)

Wat betreft de omgeving? Het appartement bevindt zich in een gebouw dat in het midden van een wijk van een kleine stad ligt. De stad ligt in een laagte, de hoogte boven zeeniveau is 130-150 m. Het klimaat is gematigd continentaal met een koele winter en een redelijk warme zomer.

De gemiddelde jaartemperatuur is +7,6°C. De gemiddelde temperatuur in januari is -6,6°C, in juli +18,7°C. De wind is 3,5 m/s, de gemiddelde luchtvochtigheid is 74%, de neerslaghoeveelheid is 569 mm.

Bij het analyseren van de klimatologische omstandigheden van de regio moet worden opgemerkt dat we te maken hebben met een grote temperatuurschommeling, wat op zijn beurt invloed heeft op de speciale eisen voor het regelen van het verwarmingssysteem van het appartement.

Vermogen van de warmtegenerator

Een van de belangrijkste componenten van het verwarmingssysteem is de ketel: elektrisch, gas, gecombineerd – in dit stadium maakt het niet uit. Omdat de belangrijkste eigenschap voor ons van belang is – het vermogen, dat wil zeggen de hoeveelheid energie per tijdseenheid die aan verwarming wordt besteed.

Het vermogen van de ketel zelf wordt bepaald door de onderstaande formule:

Wketel = (Sruimte * Wspec) / 10,

waarbij:

• Sruimte – de som van de oppervlakten van alle kamers die verwarming nodig hebben;
• Wspec – het specifieke vermogen rekening houdend met de klimatologische omstandigheden van de locatie (daarom was het nodig om het klimaat van de regio te kennen).

Kenmerkend is dat we voor verschillende klimaatzones de volgende gegevens hebben:

• noordelijke regio's – 1,5 – 2 kW/m²;
• centrale zone – 1 – 1,5 kW/m²;
• zuidelijke regio's – 0,6 – 1 kW/m².

Deze cijfers zijn tamelijk voorwaardelijk, maar geven niettemin een duidelijk numeriek antwoord over de invloed van de omgeving op het verwarmingssysteem van het appartement.

Op deze kaart zijn klimaatzones met verschillende temperatuurregimes weergegeven. Het hangt af van de ligging van de woning ten opzichte van de zone hoeveel kilowattuur energie per vierkante meter moet worden besteed (+).

De totale vloeroppervlakte van het appartement die verwarmd moet worden – is gelijk aan de totale oppervlakte van het appartement en is dus – 65,54 - 1,80 - 6,03 = 57,71 m² (minus balkon). Het specifieke vermogen van de ketel voor de centrale regio met een koude winter is – 1,4 kW/m². Dus in ons voorbeeld is het berekende vermogen van de verwarmingsketel gelijk aan 8,08 kW.

Dynamische parameters van de warmtedrager

We gaan over naar de volgende fase van de berekeningen – analyse van het warmtemediumverbruik. In de meeste gevallen verschilt het verwarmingssysteem van een appartement van andere systemen – dit houdt verband met het aantal verwarmingspanelen en de lengte van de leidingen. De druk wordt gebruikt als een extra “aandrijfkracht” voor de stroming verticaal door het systeem.

In particuliere een- en meergezinswoningen, oude paneelgebouwen met meerdere appartementen, worden verwarmingssystemen met hoge druk toegepast, waardoor het warmteoverdragende medium naar alle delen van een vertakt, meervoudig ringverwarmingssysteem kan worden getransporteerd en het water tot de volledige hoogte (tot de 14e verdieping) van het gebouw kan worden opgepompt.

Daarentegen heeft een gewone 2- of 3-kamerappartement met autonome verwarming niet zo'n verscheidenheid aan ringen en vertakkingen van het systeem; het omvat niet meer dan drie circuits.

Dat betekent dat het transport van het warmtedragend medium ook plaatsvindt via het natuurlijke proces van waterstroming. Maar u kunt ook circulatiepompen gebruiken; de verwarming wordt verzorgd door een gas-/elektrische ketel.

Wij raden aan om een circulatiepomp te gebruiken voor het verwarmen van ruimten groter dan 100 m². De pomp kan zowel vóór als na de ketel worden geïnstalleerd, maar meestal wordt deze op de retourleiding geplaatst – dan is de temperatuur van het medium lager, is er minder lucht in het systeem en gaat de pomp langer mee.

Specialisten op het gebied van ontwerp en installatie van verwarmingssystemen onderscheiden twee hoofdbenaderingen voor het berekenen van het volume van het warmtedragend medium:

1. Op basis van de werkelijke capaciteit van het systeem. Alle volumes van de holtes waar het warme water doorheen zal stromen, worden zonder uitzondering opgeteld: de som van afzonderlijke buisdelen, radiatordelen, enz. Dit is echter een vrij arbeidsintensieve optie.
2. Op basis van het vermogen van de ketel. Hier lopen de meningen van specialisten sterk uiteen: sommigen zeggen 10 liter per eenheid ketelvermogen, anderen 15 liter.

Vanuit pragmatisch oogpunt moet u rekening houden met het feit dat het verwarmingssysteem waarschijnlijk niet alleen warm water voor de kamer levert, maar ook water verwarmt voor bad/douche, wastafel, gootsteen en droger, en misschien ook voor hydromassage of jacuzzi. Deze optie is eenvoudiger.

Daarom raden wij in dit geval aan om 13,5 liter per eenheid vermogen te installeren. Als u dit getal vermenigvuldigt met het ketelvermogen (8,08 kW), krijgt u het berekende volume watermassa – 109,08 l.

De berekende snelheid van het warmtedragend medium in het systeem is precies de parameter die het mogelijk maakt een specifieke buisdiameter voor het verwarmingssysteem te kiezen.

Deze wordt berekend met de volgende formule:

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

waarbij:

• W – ketelvermogen;
• t – temperatuur van het toevoerwater;
• to – temperatuur van het water in het retourcircuit;
• k – rendement van de ketel (0,95 voor een gasketel).

Als we de berekende gegevens in de formule invullen, krijgen we: (0,86 * 8080 * 0,95)/80-60 = 6601,36/20 = 330 kg/u. Zo wordt er per uur 330 l warmtedragend medium (water) door het systeem verplaatst, en de capaciteit van het systeem is ongeveer 110 l.

Bepaling van de diameter van leidingen

Voor de definitieve bepaling van de diameter en dikte van de verwarmingsbuizen moet nog het vraagstuk van de warmteverliezen worden besproken.

De maximale hoeveelheid warmte verlaat de ruimte via de muren – tot 40%, via de ramen – 15%, de vloer – 10%, al het overige via het plafond/dak. Voor een appartement zijn de verliezen voornamelijk via de ramen en balkonmodules

Er zijn verschillende soorten warmteverliezen in verwarmde ruimtes:

1. Drukverlies van de stroming in de buis. Deze parameter is recht evenredig met het product van de specifieke wrijvingsverlies in de buis (verstrekt door de fabrikant) en de totale lengte van de buis. Maar gezien de huidige taak kunnen dergelijke verliezen worden genegeerd.
2. Drukverlies bij lokale leidingweerstanden – warmteverliezen op fittingen en in apparatuur. Maar gezien de omstandigheden van de taak, het kleine aantal fittingbochten en het aantal radiatoren, kunnen dergelijke verliezen worden verwaarloosd.
3. Warmteverlies op basis van de locatie van het appartement. Er is nog een type warmteverlies, maar dit heeft meer te maken met de locatie van de ruimte ten opzichte van de rest van het gebouw. Voor een normaal appartement dat zich in het midden van het huis bevindt en links/rechts/boven/onder grenst aan andere appartementen, zijn de warmteverliezen via de zijmuren, het plafond en de vloer praktisch gelijk aan “0”.

In de berekening kunnen alleen de verliezen via het gevelgedeelte van het appartement worden meegenomen – het balkon en het centrale raam van de gemeenschappelijke kamer. Maar dit probleem wordt opgelost door 2-3 secties aan elk van de radiatoren toe te voegen.

De waarde van de buisdiameter wordt gekozen op basis van het debiet van het koelmiddel en de circulatiesnelheid in de verwarmingsleiding.

Bij het analyseren van de bovenstaande informatie moet worden opgemerkt dat voor de berekende snelheid van het warme water in het verwarmingssysteem een tabelwaarde bekend is van de snelheid van waterdeeltjes ten opzichte van de buiswand in horizontale positie van 0,3-0,7 m/s.

Ter ondersteuning van de vakman presenteren we een zogenaamde checklist voor het uitvoeren van berekeningen voor een typische hydraulische berekening van het verwarmingssysteem:

• gegevensverzameling en berekening van het ketelvermogen;
• volume en snelheid van het koelmiddel;
• warmteverlies en buisdiameter.

Soms kan men bij de berekening een vrij grote buisdiameter krijgen om het berekende volume van het koelmiddel te dekken. Dit probleem kan worden opgelost door het ketelvolume te vergroten of een extra expansievat toe te voegen.

Op onze website is er een blok met artikelen over het berekenen van het verwarmingssysteem, wij raden u aan om kennis te nemen:

1. Thermische berekening van het verwarmingssysteem: hoe correct de belasting van het systeem berekenen.
2. Berekening van waterverwarming: formules, regels, voorbeelden van uitvoering
3. Thermotechnische berekening van een gebouw: specificatie en formules voor het uitvoeren van berekeningen + praktijkvoorbeelden

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Kenmerken, voordelen en nadelen van natuurlijke en geforceerde circulatiesystemen van het koelmiddel voor verwarmingssystemen:

Na het samenvatten van de hydraulische berekening hebben we als resultaat specifieke fysieke kenmerken van het toekomstige verwarmingssysteem verkregen.

Uiteraard is dit een vereenvoudigd berekeningsschema dat bij benadering gegevens geeft voor de hydraulische berekening van het verwarmingssysteem van een typisch tweekamerappartement.

Probeert u zelf een hydraulische berekening van het verwarmingssysteem uit te voeren? Of bent u het niet eens met het gepresenteerde materiaal? Wij wachten op uw opmerkingen en vragen – het feedbackblok bevindt zich hieronder.