Hydraulický výpočet topného systému na konkrétním příkladu

Vytápění na základě cirkulace horké vody – nejrozšířenější varianta zařízení rodinného domu. Pro řádný vývoj systému je nutné mít předběžné výsledky analýzy, tzv. hydraulický výpočet otopné soustavy, který propojuje tlak ve všech úsecích sítě s průměry trubek.

V předloženém článku je podrobně popsána metodika výpočtů. Abychom lépe pochopili algoritmus postupu, prozkoumali jsme pořadí výpočtu na konkrétním příkladu.

Dodržováním popsané posloupnosti se podaří určit optimální průměr hlavního potrubí, počet topných zařízení, výkon kotle a další parametry systému potřebné pro zařízení efektivního individuálního zásobování teplem.

Pojem hydraulického výpočtu

Rozhodujícím faktorem technologického rozvoje otopných soustav se stala běžná úspora na nosiči energie. Snaha ušetřit nutí pečlivěji přistupovat k projektování, výběru materiálů, způsobů montáže a provozu vytápění pro obydlí.

Proto, pokud jste se rozhodli vytvořit unikátní a především úspornou otopnou soustavu pro svůj byt či dům, pak doporučujeme seznámit se s pravidly výpočtu a projektování.

Než přistoupíme k definici hydraulického výpočtu systému, je nutné jasně a přesně chápat, že individuální otopná soustava bytu a domu se nachází podmíněně o řád výše v porovnání s centrálním topným systémem velké budovy.

Osobní topný systém je založen na zásadně odlišném přístupu k pojmům tepla a energetických zdrojů.

Podstata hydraulického výpočtu spočívá v tom, že průtok teplonosné látky není předem zadáván s výrazným přiblížením ke skutečným parametrům, ale je určován propojením průměrů potrubí s parametry tlaku ve všech okruzích systému.

Stačí provést triviální srovnání těchto systémů podle následujících parametrů.

1. Centrální topný systém (kotelna-dům-byt) je založen na standardních typech nosičů energie – uhlí, plyn. V autonomním systému lze použít prakticky jakoukoli látku, která má vysoké specifické spalné teplo, nebo kombinaci několika kapalných, pevných, granulovaných materiálů.
2. Centrální otopný systém je postaven na běžných prvcích: kovové trubky, “primitivní” radiátory, uzavírací armatury. Individuální otopná soustava však umožňuje kombinovat nejrůznější prvky: vícesekční radiátory s dobrým výdejem tepla, vysoce technologické termostaty, různé druhy trubek (PVC a měděné), ventily, koncovky, fitinky a samozřejmě vlastní úspornější kotle, oběhová čerpadla.
3. Pokud vstoupíte do bytu typického panelového domu postaveného před 20–40 lety, vidíme, že otopný systém se omezuje na přítomnost 7-sekčního radiátoru pod oknem v každé místnosti bytu plus svislé potrubí přes celý dům (stoupačka), pomocí kterého lze “komunikovat” se sousedy nahoře/dole. To ale není případ autonomního topného systému (AOS) – umožňuje vybudovat systém jakékoli složitosti s ohledem na individuální přání obyvatel bytu.
4. Na rozdíl od centrálního otopného systému zohledňuje samostatný topný systém poměrně impozantní seznam parametrů, které ovlivňují přenos tepla, spotřebu energie a tepelné ztráty. Teplotní režim okolního prostředí, požadovaný rozsah teplot v místnostech, plocha a objem místnosti, počet oken a dveří, účel místností atd.

Tedy hydraulický výpočet otopné soustavy (GRSO) – je to podmíněný soubor vypočítávaných charakteristik otopné soustavy, který poskytuje vyčerpávající informace o takových parametrech, jako je průměr trubek, počet radiátorů a ventilů.

Tento typ radiátorů byl instalován ve většině panelových domů v postsovětském prostoru. Úspora na materiálech a absence konstrukčního nápadu je “očividná”.

GRSO umožňuje správně vybrat vodní okruhové čerpadlo (topného kotle) pro dopravu horké vody ke koncovým prvkům otopné soustavy (radiátorům) a v konečném důsledku mít maximálně vyvážený systém, což přímo ovlivňuje finanční vklady v oblasti vytápění obydlí.

Další typ topného radiátoru pro CZT. Jedná se o univerzálnější výrobek, který může mít libovolný počet žeber. Tím lze zvětšit nebo zmenšit teplosměnnou plochu.

Posloupnost kroků výpočtu

Když mluvíme o výpočtu otopné soustavy, poznamenáváme, že tento postup je nejednoznačný a důležitý z hlediska projektování.

Před provedením výpočtu je třeba provést předběžnou analýzu budoucího systému, například:

• stanovit tepelnou bilanci ve všech a konkrétně v každé místnosti bytu;
• vybrat termoregulátory, ventily a regulátory tlaku;
• určit úseky systému s maximálním a minimálním průtokem tepelného nosiče.

Kromě toho je třeba určit celkové schéma dopravy teplonosné látky: plný a malý okruh, jednotrubkový systém nebo dvoutrubková trasa.

V důsledku provedení hydraulického výpočtu získáme několik důležitých charakteristik hydraulického systému, které odpovídají na následující otázky:

• jaký by měl být výkon zdroje vytápění;
• jaký průtok a rychlost teplonosné látky;
• jaký je potřebný průměr hlavní trasy tepelného potrubí;
• jaké jsou možné ztráty tepla a samotné hmoty teplonosné látky.

Dalším důležitým aspektem hydraulického výpočtu je postup vyvážení (provázání) všech částí (větví) systému během extrémních tepelných režimů pomocí regulačních přístrojů.

Rozlišuje se několik základních typů topných zařízení: litinové a hliníkové vícesekční, ocelové panelové, bimetalové radiátory a konvektory. Nejrozšířenější jsou však hliníkové vícesekční radiátory.

Výpočtovou zónou potrubní trasy je úsek s konstantním průměrem samotné trasy a také s neměnným průtokem horké vody, který je stanoven podle vzorce tepelné bilance místností. Výčet výpočtových zón začíná od čerpadla nebo zdroje tepla.

Počáteční podmínky příkladu

Pro konkrétnější vysvětlení všech detailů hydraulického výpočtu si vezmeme konkrétní příklad běžného obytného prostoru. K dispozici máme klasický 2-pokojový byt panelového domu o celkové ploše 65,54 m², který zahrnuje dva pokoje, kuchyň, oddělené WC a koupelnu, dvojitou chodbu a sdružený balkon.

Po předání do užívání jsme obdrželi následující informace o stavu bytu. Popisovaný byt zahrnuje stěny z monolitických železobetonových konstrukcí ošetřené tmelem a základním nátěrem, okna z profilu s dvojskly, dřevotřískové vnitřní dveře, keramickou dlažbu na podlaze hygienického zařízení.

Typický panelový 9-patrový dům se čtyřmi vchody. Na každém patře jsou 3 byty: jeden 2-pokojový a dva 3-pokojové. Byt se nachází v pátém patře.

Kromě toho je předložené bydlení již vybaveno měděným rozvodem, rozvaděči a samostatným rozvodným panelem, plynovým sporákem, vanou, umyvadlem, toaletou, vyhřívaným věšákem na ručníky a dřezem.

A co je nejdůležitější, v obytných místnostech, koupelně a kuchyni jsou již nainstalovány hliníkové topné radiátory. Otázka ohledně trubek a kotle zůstává otevřená.

Jak se provádí sběr dat

Hydraulický výpočet systému je většinou založen na výpočtech souvisejících s výpočtem vytápění podle plochy místnosti.

Proto je nutné mít následující informace:

• plochu každé jednotlivé místnosti;
• rozměry okenních a dveřních otvorů (vnitřní dveře na tepelné ztráty prakticky nemají vliv);
• klimatické podmínky, zvláštnosti regionu.

Budeme vycházet z následujících údajů. Plocha obývacího pokoje – 18,83 m², ložnice – 14,86 m², kuchyně – 10,46 m², balkon – 7,83 m² (součet), chodba – 9,72 m² (součet), koupelna – 3,60 m², toaleta – 1,5 m². Vchodové dveře – 2,20 m², okenní vitrína obývacího pokoje – 8,1 m², okno ložnice – 1,96 m², okno kuchyně – 1,96 m².

Výška stěn bytu – 2 metry 70 cm. Vnější stěny jsou vyrobeny z betonu třídy B7 plus vnitřní omítka, tloušťka 300 mm. Vnitřní stěny a příčky – nosné 120 mm, běžné – 80 mm. Podlaha a strop jsou z betonových desek třídy B15, tloušťka 200 mm.

Dispozice tohoto bytu poskytuje možnost vytvořit jedinou větev vytápění procházející kuchyní, ložnicí a obývacím pokojem, což zajistí průměrnou teplotu 20-22 °C v místnostech (+)

Co se týče životního prostředí? Byt se nachází v domě, který je uprostřed sídliště malého města. Město leží v jakési nížině, nadmořská výška 130–150 m. Podnebí je mírně kontinentální s chladnou zimou a poměrně teplým létem.

Průměrná roční teplota +7,6 °C. Průměrná teplota v lednu -6,6 °C, v červenci +18,7 °C. Vítr 3,5 m/s, průměrná vlhkost vzduchu 74 %, množství srážek 569 mm.

Při analýze klimatických podmínek regionu je třeba poznamenat, že máme co do činění s velkým teplotním rozptylem, což následně ovlivňuje zvláštní požadavky na regulaci topného systému bytu.

Výkon generátoru tepla

Jedním z hlavních prvků topného systému je kotel: elektrický, plynový, kombinovaný – v této fázi to nemá význam. Důležitá je jeho hlavní charakteristika – výkon, tedy množství energie za jednotku času, které bude použito na vytápění.

Výkon samotného kotle se určuje podle níže uvedeného vzorce:

Wkotle = (Sprostor * Wměrné) / 10,

kde:

• Sprostor – součet ploch všech místností, které vyžadují vytápění;
• Wměrn – měrný výkon zohledňující klimatické podmínky lokality (proto bylo třeba znát klima regionu).

Je charakteristické, že pro různé klimatické zóny máme následující údaje:

• severní oblasti – 1,5 – 2 kW/m²;
• centrální zóna – 1 – 1,5 kW/m²;
• jižní regiony – 0,6 – 1 kW/m².

Tato čísla jsou dosti orientační, ale přesto poskytují jasnou číselnou odpověď ohledně vlivu životního prostředí na topný systém bytu.

Na této mapě jsou znázorněny klimatické zóny s různými teplotními režimy. Od umístění bydlení vzhledem k zóně závisí, kolik je třeba vynaložit na vytápění jednoho čtverečního metru kilowatthodin energie (+)

Součet plochy bytu, kterou je třeba vytápět – se rovná celkové ploše bytu, tedy – 65,54-1,80-6,03=57,71 m² (mínus balkon). Měrný výkon kotle pro centrální region s chladnou zimou – 1,4 kW/m². V našem příkladu je tedy výpočtový výkon topného kotle ekvivalentní 8,08 kW.

Dynamické parametry teplonosné látky

Přecházíme k další fázi výpočtů – analýza spotřeby teplonosné látky. Ve většině případů se systém vytápění bytu liší od jiných systémů – je to způsobeno počtem topných panelů a délkou potrubí. Tlak se používá jako dodatečná “hnací síla” toku svisle v systému.

V soukromých jednopodlažních a vícepodlažních domech, starých panelových bytových domech se používají topné systémy s vysokým tlakem, což umožňuje dopravovat teplonosné médium do všech částí rozvětveného, vícesmyčkového topného systému a zvedat vodu do celé výšky (až do 14. patra) budovy.

Naproti tomu běžný dvou- nebo třípokojový byt s autonomním vytápěním nemá takovou rozmanitost smyček a větví systému; zahrnuje nejvýše tři okruhy.

A tedy doprava teplonosného média probíhá pomocí přirozeného průtoku vody. Lze však také použít cirkulační čerpadla, ohřev zajišťuje plynový/elektrický kotel.

Doporučujeme použít cirkulační čerpadlo pro vytápění místností větších než 100 m². Čerpadlo lze instalovat jak před, tak za kotel, ale obvykle se umísťuje na “zpátečku” – nižší teplota média, menší provzdušnění, delší životnost čerpadla.

Odborníci v oblasti projektování a montáže topných systémů definují dva hlavní přístupy pro výpočet objemu teplonosného média:

1. Podle skutečné kapacity systému. Sečtou se všechny objemy dutin, kudy bude proudit horká voda: součet jednotlivých úseků trubek, sekcí radiátorů atd. To je však poměrně pracná varianta.
2. Podle výkonu kotle. Zde se názory odborníků značně rozcházejí; jedni říkají 10, druzí 15 litrů na jednotku výkonu kotle.

Z pragmatického hlediska je třeba vzít v úvahu, že topný systém pravděpodobně nebude pouze dodávat horkou vodu do místnosti, ale také ohřívat vodu pro koupelnu/sprchu, umyvadlo, dřez a sušičku, případně pro hydromasáž nebo vířivku. Tato varianta je jednodušší.

Proto v tomto případě doporučujeme nastavit 13,5 litru na jednotku výkonu. Vynásobením tohoto čísla výkonem kotle (8,08 kW) získáme výpočtový objem vodní hmoty – 109,08 l.

Vypočítaná rychlost teplonosného média v systému je právě parametrem, který umožňuje zvolit určitý průměr trubky pro topný systém.

Vypočítá se podle následujícího vzorce:

V = (0.86*W*k)/t-to,

kde:

• W – výkon kotle;
• t – teplota přiváděné vody;
• to – teplota vody ve zpětném okruhu;
• k – účinnost kotle (0,95 pro plynový kotel).

Dosazením vypočtených údajů do vzorce máme: (0,86 * 8080 * 0,95)/80-60 = 6601,36/20 = 330 kg/h. Za jednu hodinu se tedy v systému přemístí 330 l teplonosného média (vody) a kapacita systému je asi 110 l.

Určení průměru trubek

Pro konečné určení průměru a tloušťky topných trubek zbývá prodiskutovat otázku týkající se tepelných ztrát.

Maximální množství tepla uniká z místnosti stěnami – až 40 %, okny – 15 %, podlahou – 10 %, zbytek stropem/střechou. Pro byt jsou typické ztráty hlavně okny a balkonovými moduly

Existuje několik druhů tepelných ztrát ve vytápěných místnostech:

1. Ztráty tlaku proudění v potrubí. Tento parametr je přímo úměrný součinu měrné ztráty třením uvnitř potrubí (poskytuje výrobce) a celkové délky potrubí. Ale vzhledem k aktuálnímu úkolu lze tyto ztráty zanedbat.
2. Ztráty tlaku na místních odporech potrubí – tepelné ztráty na tvarovkách a uvnitř zařízení. Ale vzhledem k podmínkám úkolu, malému počtu ohybů tvarovek a počtu radiátorů lze tyto ztráty zanedbat.
3. Tepelné ztráty v závislosti na umístění bytu. Existuje další typ tepelných ztrát, ale ty souvisejí spíše s umístěním místnosti vůči zbytku budovy. U běžného bytu, který se nachází uprostřed domu a sousedí vlevo/vpravo/nahoře/dole s jinými byty, jsou tepelné ztráty bočními stěnami, stropem a podlahou prakticky rovny “0”.

Do výpočtu lze zahrnout pouze ztráty fasádní částí bytu – balkonem a centrálním oknem obývacího pokoje. Tento problém se však řeší přidáním 2-3 článků ke každému radiátoru.

Hodnota průměru potrubí se volí podle průtoku topného média a jeho rychlosti cirkulace v otopné síti

Při analýze výše uvedených informací stojí za zmínku, že pro vypočtenou rychlost horké vody v otopné soustavě je známa tabulková rychlost pohybu částic vody vůči stěně potrubí v horizontální poloze 0,3-0,7 m/s.

Na pomoc mistrovi předkládáme tzv. kontrolní seznam pro provádění výpočtů typického hydraulického výpočtu otopné soustavy:

• sběr dat a výpočet výkonu kotle;
• objem a rychlost topného média;
• tepelné ztráty a průměr potrubí.

Někdy lze při výpočtu získat poměrně velký průměr potrubí, aby pokryl vypočtený objem topného média. Tento problém lze vyřešit zvýšením objemu kotle nebo přidáním další expanzní nádoby.

Na našem webu je blok článků věnovaných výpočtu otopné soustavy, doporučujeme se s nimi seznámit:

1. Tepelný výpočet topného systému: jak správně provést výpočet zatížení systému
2. Výpočet vodního vytápění: vzorce, pravidla, příklady provedení
3. Tepelnětechnický výpočet budovy: specifika a vzorce pro provádění výpočtů + praktické příklady

Závěry a užitečné video k tématu

Vlastnosti, výhody a nevýhody přirozené a nucené cirkulace topného média pro otopné soustavy:

Shrnutím výsledků hydraulického výpočtu jsme získali konkrétní fyzické charakteristiky budoucí otopné soustavy.

Přirozeně se jedná o zjednodušené schéma výpočtu, které poskytuje přibližné údaje týkající se hydraulického výpočtu pro otopnou soustavu typického dvoupokojového bytu.

Pokoušíte se samostatně provést hydraulický výpočet otopné soustavy? Nebo snad nesouhlasíte s uvedeným materiálem? Očekáváme vaše komentáře a dotazy – blok pro zpětnou vazbu je umístěn níže.