Пример дипломной работы — Монтаж и расчет системы отопления с коллекторной разводкой

Введение. Актуальность и задачи дипломного проектирования

Современные тенденции в сфере индивидуального жилищного строительства диктуют повышенные требования не только к архитектурной выразительности, но и к энергоэффективности и комфорту жилых пространств. В этом контексте инженерные системы, и в первую очередь система отопления, выходят на первый план. Уходят в прошлое устаревшие схемы, неспособные обеспечить равномерный прогрев и гибкое управление микроклиматом. Вместо них приходят более совершенные технологические решения.

Одним из наиболее эффективных и управляемых решений для современных зданий является коллекторная (лучевая) система отопления. Ее ключевое преимущество заключается в том, что к каждому отопительному прибору прокладывается отдельная пара труб (подающая и обратная) от общего распределительного узла — коллектора. Это обеспечивает равномерный прогрев всех помещений и, что особенно важно, дает возможность индивидуально регулировать температуру в каждой комнате, оптимизируя расход тепловой энергии. Именно поэтому такие системы стали де-факто стандартом для владельцев современных коттеджей.

Исходя из высокой актуальности данной темы, была сформулирована главная цель дипломной работы:

Разработка проекта монтажа коллекторной системы отопления для двухэтажного жилого дома с обоснованием принятых технических решений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий комплекс задач:

1. Проанализировать исходные архитектурно-строительные и климатические данные по объекту проектирования.
2. Выполнить теплотехнический расчет ограждающих конструкций и определить теплопотери здания.
3. На основе теплопотерь произвести тепловой расчет и подбор отопительных приборов.
4. Выполнить гидравлический расчет трубопроводной сети для обеспечения корректной циркуляции теплоносителя.
5. Осуществить комплексный подбор основного и вспомогательного оборудования (котел, насос, коллекторы).
6. Разработать технологию производства монтажных работ.
7. Описать требования по обеспечению безопасности труда на объекте.
8. Составить экономическое обоснование проекта.

Объектом исследования выступает система отопления двухэтажного жилого дома. Предметом исследования является процесс проектирования, расчета и монтажа коллекторной системы отопления.

Глава 1. Аналитический обзор и характеристика объекта проектирования

Проектирование любой инженерной системы начинается с детального анализа исходных данных. В данной главе приводится характеристика объекта, на основе которой будут выполняться все последующие расчеты. Здание представляет собой двухэтажный жилой дом с общей площадью 180 м² и высотой потолков 2,8 м. На первом этаже расположены тамбур, холл, кухня-гостиная, санузел и котельная. На втором — три спальни и ванная комната.

Объект расположен в климатической зоне, для которой, согласно нормативным документам (СП 55.13330.2016 «Дома жилые одноквартирные»), приняты следующие расчетные параметры:

• Расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления: -26°C.
• Средняя скорость ветра за отопительный период: 4.2 м/с.
• Продолжительность отопительного периода: 210 суток.

Особое внимание уделено ограждающим конструкциям, так как именно через них происходят основные тепловые потери. Конструктивные решения стен, перекрытий и проемов следующие:

• Наружные стены: Газобетонный блок толщиной 400 мм с наружным утеплением минераловатной плитой толщиной 50 мм и отделкой фасадной штукатуркой.
• Оконные проемы: Двухкамерные стеклопакеты в ПВХ-профиле с приведенным сопротивлением теплопередаче 0.75 м²·°С/Вт.
• Перекрытие первого этажа: Железобетонная плита с утеплением экструдированным пенополистиролом толщиной 100 мм.
• Чердачное перекрытие: Деревянные балки с утеплением минеральной ватой толщиной 200 мм.

Для данного объекта был проведен сравнительный анализ современных систем отопления. Рассматривались классическая однотрубная, двухтрубная тройниковая и двухтрубная коллекторная (лучевая) схемы. Несмотря на более высокую стоимость материалов и монтажа, выбор был сделан в пользу коллекторной системы, так как она единственная в полной мере отвечает требованиям по комфорту и энергоэффективности, позволяя осуществлять точную гидравлическую балансировку и независимое управление каждым отопительным прибором.

Глава 2. Теплотехнический расчет как основа для определения мощности системы

Теплотехнический расчет является фундаментом всего проекта системы отопления. Его цель — определить количество теплоты, которое теряет здание в самый холодный период года. Именно эту мощность и должна компенсировать проектируемая система. Расчет выполняется в строгом соответствии с методикой, изложенной в своде правил СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».

Первым шагом является определение сопротивления теплопередаче (R₀) для каждого типа ограждающей конструкции. Оно рассчитывается как сумма термических сопротивлений всех слоев материала. Например, для наружной стены R₀ складывается из сопротивлений газобетонного блока, минераловатного утеплителя и слоев штукатурки. Расчеты производятся для всех ограждений: наружных стен, окон, входной двери, пола первого этажа и чердачного перекрытия.

Далее, зная площадь каждой конструкции и разницу между расчетной внутренней (принята +22°C) и наружной (-26°C) температурами, вычисляются теплопотери для каждого помещения. Итоговые данные по теплопотерям для каждого помещения сводятся в общую таблицу для наглядности и дальнейшего использования.

Основной принцип расчета: каждое помещение рассматривается как отдельный тепловой контур, что позволяет точно определить нагрузку на каждый радиатор в будущем.

После суммирования теплопотерь всех отапливаемых помещений определяется суммарная тепловая нагрузка на систему отопления здания. Этот показатель является ключевым для последующего подбора мощности отопительного котла и другого оборудования. В результате расчетов установлено, что общие теплопотери дома составляют 14,8 кВт.

Глава 3. Тепловой расчет и конструирование отопительных приборов

После того как определены теплопотери каждого отдельного помещения (Глава 2), следующей задачей является подбор отопительных приборов, способных эти потери восполнить. Выбор конкретного типа радиаторов зависит от множества факторов: материала, рабочего давления, дизайна и, конечно, теплоотдачи.

Для данного проекта были выбраны стальные панельные радиаторы. Этот выбор обоснован оптимальным соотношением цены и качества, высокой теплоотдачей, а также совместимостью с любыми типами труб и котлов в закрытых системах отопления. Расчет требуемой мощности радиатора для каждого помещения выполняется по формуле, учитывающей ранее рассчитанные теплопотери и температурный напор системы (разницу температур теплоносителя и воздуха в комнате).

Далее, по каталогам производителя, для каждой комнаты подбирается радиатор необходимого типоразмера (высота, длина, количество панелей), тепловая мощность которого должна быть не меньше расчетной. Например, для спальни с теплопотерями 1500 Вт подбирается радиатор с номинальной мощностью 1550-1600 Вт при заданных параметрах теплоносителя.

Итогом данной главы является сводная ведомость отопительных приборов, которая включает:

• Наименование помещения.
• Расчетные теплопотери, Вт.
• Выбранная модель и типоразмер радиатора.
• Номинальная тепловая мощность радиатора, Вт.

Эта ведомость служит основой для составления сметы и проведения монтажных работ.

Глава 4. Гидравлический расчет как метод проектирования трубопроводной сети

Определив «потребителей» тепла — радиаторы, необходимо спроектировать «транспортную сеть», которая доставит к ним теплоноситель. Эту задачу решает гидравлический расчет. Его главная цель — подобрать оптимальные диаметры трубопроводов и определить гидравлическое сопротивление системы, чтобы правильно выбрать циркуляционный насос.

Проектируемая система имеет двухтрубную лучевую схему разводки от коллекторов, установленных на каждом этаже. Для выполнения расчета была построена аксонометрическая схема системы отопления, на которой были обозначены все расчетные участки — от коллектора до каждого радиатора и обратно. Методика расчета включает в себя несколько ключевых этапов:

1. Определение расхода теплоносителя (G) для каждой ветки. Расход напрямую зависит от мощности радиатора, который обслуживает данная ветка.
2. Подбор диаметров трубопроводов. Диаметры подбираются таким образом, чтобы скорость теплоносителя находилась в оптимальном диапазоне (обычно 0,3-0,8 м/с) для минимизации шума и гидравлического сопротивления.
3. Расчет потерь давления. Для каждого участка рассчитываются потери давления на трение о стенки трубы и в местных сопротивлениях (повороты, фитинги, арматура).

Ключевой задачей гидравлического расчета лучевой системы является увязка всех циркуляционных колец (петель). Необходимо добиться того, чтобы потери давления во всех ветках, идущих от одного коллектора, были примерно одинаковыми. Это достигается за счет использования регулирующих клапанов на коллекторе. Результаты всех вычислений сводятся в итоговую таблицу гидравлического расчета, которая показывает полное гидравлическое сопротивление системы. Это значение является исходным для подбора насоса.

Глава 5. Комплексный подбор основного и вспомогательного оборудования

На основании всех предыдущих расчетов производится аргументированный выбор полного комплекта оборудования для котельной и системы отопления в целом. Подбор осуществляется покомпонентно.

• Выбор котла. Суммарная тепловая нагрузка здания, рассчитанная в Главе 2, составила 14,8 кВт. С учетом 15% запаса на аномально холодные периоды и нужды ГВС, подбирается двухконтурный газовый настенный котел мощностью 24 кВт. Выбор газового котла обусловлен доступностью магистрального газа на объекте.
• Выбор циркуляционного насоса. На основе данных гидравлического расчета из Главы 4 (общий расход теплоносителя и полное гидравлическое сопротивление системы) подбирается циркуляционный насос. Выбирается современная модель с частотным регулированием, которая автоматически подстраивает свою производительность под текущие нужды системы, экономя электроэнергию.
• Выбор коллекторов. Для системы отопления выбраны коллекторные группы из латуни с расходомерами на каждом контуре, что позволяет визуально контролировать и точно настраивать поток теплоносителя к каждому радиатору. Для первого и второго этажа подбираются коллекторы с соответствующим количеством контуров.
• Выбор прочего оборудования. Также подбирается мембранный расширительный бак необходимого объема для компенсации теплового расширения воды, группа безопасности котла (манометр, предохранительный клапан, воздухоотводчик) и вся необходимая запорная арматура (шаровые краны, фильтры).

Результатом этой главы является полная спецификация оборудования и материалов, которая служит основанием для закупки и составления сметы проекта.

Глава 6. Технология и организация монтажных работ

В данной главе описывается практическая реализация проекта — последовательность и ключевые технологические операции при монтаже системы отопления. Весь процесс разбивается на логические этапы, для которых составляется календарный план-график выполнения работ.

Этапы работ:

1. Подготовительные работы. Включают в себя точную разметку трасс прокладки трубопроводов в стяжке пола, мест установки радиаторов и коллекторных шкафов. При необходимости выполняется штробление стен под трубы и ниши для коллекторов.
2. Монтаж ключевых узлов. Производится установка отопительного котла на стену в котельной и выполняется его первичная обвязка (подключение к дымоходу, группам безопасности). В подготовленные ниши монтируются коллекторные шкафы и в них закрепляются коллекторные группы.
3. Прокладка трубопроводов и установка радиаторов. От коллекторов к местам установки радиаторов прокладываются трубы (обычно из сшитого полиэтилена) в защитной гофре. После этого на стены навешиваются и подключаются радиаторы.
4. Гидравлические испытания. Это критически важный этап, который проводится после завершения монтажа всей системы, но до заливки стяжки и финишной отделки. Система заполняется водой и подвергается испытательному давлению, превышающему рабочее в 1,5 раза. Испытания проводятся гидростатическим методом для проверки полной герметичности всех соединений.

Все работы выполняются с опорой на графическую часть проекта, включая схемы обвязки оборудования и узлов крепления элементов.

Глава 7. Обеспечение безопасности труда при производстве работ

Проведение монтажных работ сопряжено с рядом опасных и вредных производственных факторов. Данная глава посвящена разработке мероприятий по обеспечению безопасности в соответствии с действующими нормами и правилами охраны труда.

Основные опасные факторы при монтаже систем отопления:

• Поражение электрическим током при работе с электроинструментом и подключении оборудования.
• Падение с высоты при работе на стремянках и лесах.
• Термические ожоги при работе со сварочным оборудованием или пусконаладке.
• Порезы и ушибы при работе с ручным инструментом и перемещении грузов.

Для минимизации рисков разрабатывается комплекс мероприятий. Перед началом работ все сотрудники проходят инструктаж по технике безопасности, проверяется исправность инструмента и наличие средств индивидуальной защиты (СИЗ). Во время работ необходимо использовать спецодежду, защитные перчатки и очки. Зона проведения работ должна быть ограждена.

Особое внимание уделяется электробезопасности при подключении котла и насоса — все работы выполняются квалифицированным персоналом с отключением напряжения. Также описываются меры пожарной безопасности, особенно при необходимости проведения огневых работ, которые включают наличие огнетушителей и очистку рабочего места от горючих материалов.

Глава 8. Экономическое обоснование проектного решения

Цель данной главы — определить полную стоимость реализации спроектированной системы отопления и оценить ее экономическую целесообразность. Расчет выполняется на основе составления локальной сметы.

Смета состоит из двух основных частей:

1. Прямые затраты. Включают в себя стоимость всех материалов и оборудования согласно спецификации, разработанной в Главе 5. Сюда входят затраты на котел, радиаторы, трубы, коллекторы, фитинги, запорную арматуру и крепеж.
2. Затраты на выполнение работ. Рассчитываются на основе нормативных трудозатрат на каждую операцию (монтаж котла, прокладка метра трубы, установка радиатора и т.д.) и стоимости человеко-часа.

Полная сметная стоимость проекта определяется как сумма прямых затрат, затрат на работы, а также накладных расходов и плановой прибыли монтажной организации.

В качестве дополнительного анализа можно провести сравнение эксплуатационных затрат спроектированной системы с альтернативными вариантами. Например, можно рассчитать гипотетические затраты на отопление с использованием электрических конвекторов или альтернативных источников тепла, таких как солнечные коллекторы. Хотя стоимость установки последних может быть высокой (в среднем 500-1000 долларов за единицу), в долгосрочной перспективе они могут снизить нагрузку на основной котел и уменьшить счета за газ.

Такой расчет доказывает, что, несмотря на первоначальные вложения, выбранная система является экономически обоснованным решением на длительный срок эксплуатации.

Заключение и выводы

В ходе выполнения данной дипломной работы была решена комплексная инженерная задача: разработан полноценный проект монтажа современной коллекторной системы отопления для двухэтажного жилого дома.

В результате проделанной работы были получены следующие ключевые результаты:

• Проанализированы исходные данные объекта и на их основе аргументирован выбор в пользу лучевой схемы отопления как наиболее эффективной и комфортной.
• Выполнен теплотехнический расчет, по результатам которого определены теплопотери здания, составившие 14,8 кВт.
• На основе теплопотерь подобраны отопительные приборы для каждого помещения и основное котельное оборудование, включая газовый котел марки Y мощностью 24 кВт.
• Выполнен гидравлический расчет трубопроводной сети, что позволило подобрать оптимальные диаметры труб и циркуляционный насос.
• Разработана технология монтажа и определены требования к проведению гидравлических испытаний.
• Составлено экономическое обоснование и определена сметная стоимость проекта.

Таким образом, можно сделать итоговый вывод: спроектированная система отопления полностью удовлетворяет требованиям по производительности для компенсации теплопотерь, а также критериям надежности, безопасности и экономической целесообразности. Практическая значимость работы заключается в том, что она представляет собой готовое инженерное решение, которое может быть использовано в качестве основы для реализации реального проекта.

Список использованной литературы

1. В.М. Рыбаков. Сварка и резка металлов. — М.: Высшая школа, 1977г.
2. Б.А. Журавлёв. Справочник слесаря сантехника. — М.: Стройиздат, 1974г.
3. В.А. Евдокимова. Слесарь сантехник. — Лениздат, 1974г.
4. Ш.И. Каганов. Охрана труда при производстве санитарно — технических работ. — М.: Стройиздат, 1980г.
5. К.С. Орлов. Монтаж санитарно — технических, вентиляционных систем и оборудования. — М.: 1999г.