Теплотехнический и гидравлический расчет системы отопления 4-этажного общежития (на примере г. Иркутска)

Введение: Цели, задачи и актуальная нормативная база проекта

Проектирование систем отопления для жилых и общественных зданий, особенно в регионах с суровым климатом, требует не только точных расчетов теплового баланса, но и строгого соответствия действующим строительным нормам. Централизованная водяная система отопления 4-этажного общежития в г. Иркутске является сложной инженерной задачей, требующей тщательной гидравлической увязки и оптимизации тепловой защиты.

Краткая аннотация: Целью настоящего аналитического текста является предоставление исчерпывающей методологической основы для выполнения технической курсовой работы. Основными задачами являются: определение точных теплопотерь здания, гидравлический расчет двухтрубной системы отопления с нижней разводкой и подбор оборудования теплового пункта.

Принципиальным требованием современного проектирования является использование актуализированных нормативных документов. В данном проекте основой служат СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» для определения исходных климатических данных и СП 50.13330.2024 «Тепловая защита зданий», который является краеугольным камнем для определения минимально допустимого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, замещая устаревшие версии СНиП. Использование этих стандартов исключает риск проектных ошибок, связанных с неактуальными требованиями к энергоэффективности.

Исходные данные для теплотехнического расчета (г. Иркутск)

Корректный теплотехнический расчет начинается с определения расчетных климатических параметров, которые диктуют требования к тепловой защите здания и мощности отопительной системы. Ошибки на этом этапе приводят к несоблюдению санитарно-гигиенических норм или к перерасходу энергоресурсов.

Климатические параметры г. Иркутска (по СП 131.13330.2020)

Согласно СП 131.13330.2020, г. Иркутск относится к климатическому району, характеризующемуся значительной продолжительностью и суровостью холодного периода.

Для проектирования централизованной системы отопления принимаются следующие ключевые параметры:

Параметр	Обозначение	Значение для г. Иркутска	Единица измерения	Назначение
Расчетная температура наружного воздуха (наиболее холодной пятидневки, обеспеченность 0,92)	tн	-33	°С	Расчет максимальной тепловой нагрузки системы отопления.
Продолжительность отопительного периода (среднесуточная t ≤ 8°С)	zот	233	суток/год	Расчет годового потребления энергии и ГСОП.
Средняя температура отопительного периода	tот	-7,6	°С	Расчет ГСОП.
Расчетная температура внутреннего воздуха (для жилых помещений общежития, по ГОСТ 30494-2011)	tв	+20	°С	Принимается для расчета теплопотерь и ГСОП.
Средняя скорость ветра за отопительный период	vср	2,1	м/с	Используется для расчета инфильтрации.

Расчет градусо-суток отопительного периода (ГСОП)

Показатель Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) является критически важной климатической характеристикой, которая напрямую влияет на нормируемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций.

Формула расчета ГСОП:

ГСОП = (t_в - t_от) * z_от

Пошаговое применение формулы для г. Иркутска:

1. Разность температур: t_в — t_от = 20 — (-7,6) = 27,6 °С.
2. Подстановка значений: ГСОП = 27,6 · 233 = 6428,8 °С · сут/год.

Полученное значение ГСОП ≈ 6429 °С · сут/год будет использовано для определения минимальных требований к тепловой защите здания.

Расчет требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (СП 50.13330.2024)

Определение нормируемого R_тр для наружных стен

Требования к тепловой защите зданий регламентируются СП 50.13330.2024 «Тепловая защита зданий». Этот документ устанавливает поэлементные, комплексные и санитарно-гигиенические требования к теплозащитной оболочке здания.

Нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче R_тр для наружных стен общежития (здание I группы) определяется на основе расчетного параметра ГСОП.

Формула для определения базового требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен (Таблица 3 СП 50.13330.2024):

R_{о,тр} = 0,00035 * ГСОП + 1,4

Расчет нормируемого сопротивления для стен общежития в Иркутске:

1. Подстановка ГСОП: R_о,тр = 0,00035 · 6428,8 + 1,4
2. Расчет: R_о,тр = 2,25 + 1,4 ≈ 3,65 (м² · °С)/Вт.

Таким образом, фактическое сопротивление теплопередаче наружных стен (R_о,факт) проектируемого общежития должно быть не менее 3,65 (м² · °С)/Вт, чтобы соответствовать действующим нормам энергоэффективности для г. Иркутска.

Санитарно-гигиенические требования к ограждениям

Помимо энергоэффективности, СП 50.13330.2024 (п. 5.7) устанавливает санитарно-гигиенический стандарт: температура внутренней поверхности ограждающей конструкции не должна быть ниже температуры точки росы внутреннего воздуха при расчетной температуре наружного воздуха (t_н = -33°С).

Этот критерий предотвращает образование конденсата, появление плесени и разрушение конструкции. Для обеспечения этого условия, фактическое сопротивление теплопередаче светопрозрачных конструкций (окон) должно быть не ниже требуемых значений, которые для условий Иркутска также будут весьма высокими.

Методика определения общих теплопотерь здания

Тепловой баланс помещения — это основа для определения требуемой мощности системы отопления. Он учитывает все пути оттока и притока теплоты. Как определить общую тепловую нагрузку с максимальной точностью?

Общие теплопотери помещения Q_общ определяются как сумма всех потерь за вычетом внутренних тепловыделений: Q_{общ} = Q_{осн} + Q_{инф} + Q_{доб} - Q_{быт}

Расчет основных теплопотерь через ограждения (Q_осн)

Основные теплопотери представляют собой теплоту, уходящую через наружные стены, окна, чердачное перекрытие и пол первого этажа.

Формула для расчета основных теплопотерь:

Q_{осн} = (A_{огр} / R_{о,факт}) * (t_в - t_н) * β

Где:

• A_огр — площадь ограждающей конструкции (м²).
• R_о,факт — фактическое приведенное сопротивление теплопередаче конструкции (м² · °С)/Вт.
• t_в — t_н — расчетный температурный напор (°С).
• β — добавочный коэффициент, учитывающий положение ограждения относительно наружного воздуха (например, для стен, контактирующих с подвалом или грунтом).

Расчет теплопотерь на нагрев инфильтрующегося воздуха (Q_инф)

Инфильтрация — неорганизованное проникновение наружного воздуха через неплотности ограждений, главным образом через окна и двери. Это один из наиболее значимых компонентов теплопотерь, особенно в зданиях старой постройки или с некачественными окнами.

Формула расчета теплопотерь на нагревание инфильтрующегося воздуха:

Q_{инф} = 0,28 * G_{и} * (t_в - t_н) * k_{и}

Где:

• 0,28 — произведение удельной теплоемкости воздуха на коэффициент перевода единиц.
• G_и — массовый расход инфильтрующегося воздуха (кг/ч), определяется по нормативным документам с учетом разности давлений на ограждении и аэродинамических характеристик здания.
• k_и — коэффициент учета влияния встречного теплового потока.

Особенность применения k_и: Коэффициент k_и (согласно СП 60.13330) учитывает эффект нагрева холодного инфильтрующегося воздуха при его прохождении через толщу ограждения. Для современных оконных конструкций его значение принимается:

• k_и = 0,7 (для конструкций с тройными раздельными переплетами).
• k_и = 0,8 (для конструкций с двойными раздельными переплетами).
• k_и = 1,0 (для конструкций с одинарными или спаренными переплетами).

Для курсовой работы необходимо точно определить фактический тип остекления и принять соответствующий коэффициент.

Учет бытовых тепловыделений (Q_быт)

Бытовые тепловыделения — это теплота, выделяемая людьми, осветительными приборами и бытовой техникой. Их учет позволяет уменьшить расчетную тепловую нагрузку, поскольку они частично компенсируют теплопотери.

В соответствии с нормами, для жилых комнат общежитий (здания I группы) в расчетах часто используют упрощенное значение Q_быт = 50 Вт на одного человека. Если используются расчеты на единицу площади, то принимается 10 Вт/м² площади жилых помещений.

Пример: Если в комнате проживает 3 человека, то Q_быт = 3 · 50 = 150 Вт. Это значение вычитается из суммы расчетных теплопотерь помещения.

Гидравлический расчет двухтрубной системы отопления (нижняя разводка)

Гидравлический расчет необходим для определения оптимальных диаметров трубопроводов, обеспечения равномерного расхода теплоносителя по всем стоякам и радиаторам, а также для определения требуемого напора циркуляционного насоса или элеватора. Для 4-этажного общежития с нижней разводкой этот расчет выполняется методом удельных потерь давления.

Выбор главного циркуляционного кольца и определение расхода

Главное циркуляционное кольцо — это путь движения теплоносителя от теплового пункта до наиболее удаленного и/или наиболее нагруженного отопительного прибора и обратно. На этом кольце будет наблюдаться наибольшее гидравлическое сопротивление. Потери давления в этом кольце определяют необходимый напор оборудования.

Расчет массового расхода теплоносителя (G_уч):

Расход теплоносителя на каждом участке определяется требуемой тепловой нагрузкой этого участка (Q_уч), рассчитанной на предыдущем этапе.

Формула для расчета массового расхода (кг/ч):

G_{уч} = (3,6 * Q_{уч}) / (c * (t_г - t_о))

Где:

• Q_уч — тепловая нагрузка участка (Вт).
• c — удельная теплоемкость воды (стандартно c ≈ 4,187 кДж/(кг · °С) или 1,163 Вт · ч/(кг · °С)).
• t_г — температура воды в подающем трубопроводе системы (°С).
• t_о — температура воды в обратном трубопроводе системы (°С).

Для стандартного графика 95/70 °С разность температур составляет Δt = 25 °С.

Расчет потерь давления и подбор диаметров трубопроводов

Потеря давления на любом участке трубопровода ΔP_уч складывается из двух составляющих: потерь на трение по длине (ΔP_тр) и потерь в местных сопротивлениях (ΔP_мс):

ΔP_{уч} = ΔP_{тр} + ΔP_{мс} = R * l_{уч} + Z_{уч}

Где:

• R — удельные потери давления на трение (Па/м).
• l_уч — длина участка (м).
• Z_уч — потери давления в местных сопротивлениях (Па).

Потери в местных сопротивлениях Z_уч рассчитываются по сумме коэффициентов местных сопротивлений (Σξ) для арматуры, фитингов и поворотов:

Z_{уч} = Σξ * (ρ * v² / 2)

Где v — скорость теплоносителя (м/с), ρ — плотность теплоносителя (кг/м³).

Для гидравлического расчета необходимо принять диаметры труб таким образом, чтобы удельные потери давления находились в допустимом диапазоне (обычно 100–300 Па/м), а суммарные потери давления в ветвях системы были максимально сбалансированы.

Ограничения по скорости теплоносителя (СП 60.13330)

Критически важным аспектом проектирования систем отопления в жилых зданиях (общежитиях) является обеспечение акустического комфорта. В соответствии с СП 60.13330 (п. 6.3.10), скорость движения теплоносителя в магистральных и стояковых трубопроводах, проходящих в жилых помещениях, не должна превышать допустимых значений, чтобы избежать шумового загрязнения:

• Для магистралей, проложенных в технических помещениях или подвалах: допускается до 1,5 м/с.
• Для трубопроводов, проходящих непосредственно в жилых комнатах и коридорах: скорость должна быть значительно ниже, в пределах 0,4–0,6 м/с.

При подборе диаметров для стояков и горизонтальных разводок в комнатах, инженер-проектировщик обязан выбирать такой диаметр, который обеспечивает требуемый расход при скорости, не превышающей 0,6 м/с. Это прямо влияет на выбор диаметра и, следовательно, на общую стоимость проекта.

Расчет и подбор элеваторного узла теплового пункта

В централизованных системах отопления элеваторный узел является ключевым элементом, выполняющим две функции: смешивание высокотемпературной сетевой воды с обратной водой системы для получения необходимого графика (например, 95/70 °С) и создание циркуляционного напора.

Определение коэффициента смешения (U)

Коэффициент смешения U показывает отношение расхода воды, циркулирующей в системе отопления, к расходу воды, поступающей из тепловой сети.

Формула расчета коэффициента смешения:

U = (t_г - t_{см}) / (t_{см} - t_о)

Где:

• t_г — температура сетевой воды, поступающей из ТЭЦ (например, 130 °С).
• t_о — температура обратной воды из системы отопления (расчетная, например, 70 °С).
• t_см — температура смешанной воды, подаваемой в систему отопления (расчетная, например, 95 °С).

Пример: Если сетевой график 130/70 °С, а системный 95/70 °С:

U = (130 - 95) / (95 - 70) = 35 / 25 = 1,4

Это означает, что на каждый 1 кг/ч сетевой воды в системе циркулирует 1,4 кг/ч обратной воды.

Расчет диаметра сопла элеватора (d_с)

Диаметр сопла — основной геометрический параметр элеватора, определяющий его пропускную способность и способность создавать напор.

Упрощенная формула для расчета диаметра сопла (мм):

d_{с} = 9,6 * √(G²_{р} / H)

Где:

• G_р — расчетный расход сетевой воды (т/ч), определяемый по максимальной тепловой нагрузке здания.
• H — располагаемый напор перед элеватором (м), предоставляемый тепловой сетью.

Важное инженерное условие: Диаметр сопла d_с должен быть не менее 3 мм для предотвращения засорения механическими примесями, содержащимися в теплоносителе.

Определение требуемого напора (H_э)

Требуемый напор элеватора H_э должен быть достаточен для преодоления гидравлического сопротивления всей системы отопления (ΔP_со), включая главное циркуляционное кольцо.

Приближенная формула для расчета требуемого напора (СП 41-101-95):

H_{э} = 1,4 * ΔP_{со} * (1 + U)²

Где ΔP_со выражено в метрах водяного столба (10000 Па ≈ 1 м вод. ст.).

После расчета H_э и d_с подбирается стандартный элеватор с параметрами, наиболее близкими к расчетным.

Условие регулирования: Если располагаемый напор тепловой сети H превышает требуемый напор H_э, то избыточный напор необходимо гасить. Для этого перед элеватором устанавливается дроссельная диафрагма, диаметр которой рассчитывается отдельно для обеспечения стабильности гидравлического режима. Это гарантирует, что система будет работать в расчетном режиме, а не под воздействием избыточного давления от теплосети.

Выводы и заключение

Проведенный анализ подтверждает, что выполнение теплотехнического и гидравлического расчета системы отопления 4-этажного общежития для г. Иркутска требует строгого соблюдения актуальных нормативных документов.

1. Теплотехнический расчет: Использование климатических данных из СП 131.13330.2020 (t_н = -33°С, ГСОП ≈ 6429 °С · сут/год) позволило определить минимально требуемое сопротивление теплопередаче наружных стен — R_о,тр ≈ 3,65 (м² · °С)/Вт, согласно СП 50.13330.2024. Расчет общих теплопотерь должен обязательно включать корректное определение теплопотерь на инфильтрацию с учетом коэффициента k_и и вычет бытовых тепловыделений (50 Вт/чел).
2. Гидравлический расчет: Расчет двухтрубной системы методом удельных потерь давления должен быть выполнен с учетом критически важного ограничения по скорости теплоносителя в жилых помещениях (0,4–0,6 м/с), что обеспечивает акустический комфорт согласно СП 60.13330.
3. Оборудование: Расчет элеваторного узла включает определение коэффициента смешения U и расчет диаметра сопла d_с с обязательной проверкой условия d_с ≥ 3 мм и расчет требуемого напора H_э, что обеспечивает работоспособность централизованной системы.

Соблюдение представленной методики и использование актуальной нормативной базы гарантирует техническую корректность проекта и позволяет оформить полноценную, высококачественную техническую курсовую работу в области теплогазоснабжения и вентиляции.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. Москва : Госстрой России, 1996.
2. Еремкин, А.И., Королева, Т.И. Тепловой режим зданий : учебное пособие. Москва : Издательство Ассоциации строительных вузов, 2001.
3. Потапова, Т.А. Отопление зданий и сооружений : методические указания. Братск : БрГУ, 2003. 18 с.
4. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Москва : Стройиздат, 1992.
5. СНиП 2.04.05-91. Пособие 13.91. Противопожарные требования к системам отопления, вентиляции и кондиционирования.
6. Староверов, И.Г. Внутренние санитарно-технические устройства : справочник проектировщика. 3-е изд., перераб. и доп. Москва : Стройиздат, 1975. 429 с.
7. Тихомиров, К.В., Сергеенко, Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция : учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. Москва : Стройиздат, 1991. 480 с.
8. Каменев, П.Н., Сканави, А.Н., Богословский, В.Н. Отопление и вентиляция. Учебник для вузов. В 2 ч. Ч. 1. Отопление. 3-е изд., перераб. и доп. Москва : Стройиздат, 1975. 483 с.
9. Щекин, Р.В., Березовский, В.А., Потапов, В.А. Расчет систем центрального отопления. Киев : Вища школа, 1975. 213 с.
10. Гидравлический расчет двухтрубной системы водяного отопления методом удельных потерь давления. URL: engineeringsystems.ru (дата обращения: 22.10.2025).
11. Расчет гидравлического сопротивления в системе отопления. URL: infobos.ru (дата обращения: 22.10.2025).
12. Основные расчётные формулы. URL: teploov.ru (дата обращения: 22.10.2025).
13. Расход теплоты на нагревание инфильтрующегося наружного воздуха через ограждающие конструкции помещений (по СНиП 2.04.05-91*). URL: minkor.ru (дата обращения: 22.10.2025).
14. Расчет и регулировка элеваторов. URL: rosteplo.ru (дата обращения: 22.10.2025).
15. Расчет инфильтрации. URL: infosantehnik.ru (дата обращения: 22.10.2025).
16. Гидравлический расчет системы отопления. URL: psu.by (дата обращения: 22.10.2025).
17. Расчет параметров элеваторного узла для систем отопления. URL: abok.ru (дата обращения: 22.10.2025).
18. СП 131.13330.2020. Свод правил. Строительная климатология. СНиП 23-01-99* (ред. от 30.06.2023). URL: meganorm.ru (дата обращения: 22.10.2025).
19. Требуемое сопротивление теплопередаче стены для городов. URL: grouphe.ru (дата обращения: 22.10.2025).
20. Расчет теплопотерь наружными ограждениями помещений : методические указания. URL: pguas.ru (дата обращения: 22.10.2025).
21. СП 50.13330.2024. Тепловая защита зданий. URL: cntd.ru (дата обращения: 22.10.2025).