Calcolo idraulico del sistema di riscaldamento su un esempio concreto

Il riscaldamento basato sulla circolazione di acqua calda – è l'opzione più comune per l'allestimento di una casa privata. Per uno sviluppo competente dell'impianto è necessario avere i risultati preliminari dell'analisi, il cosiddetto calcolo idraulico dell'impianto di riscaldamento, che collega la pressione in tutte le sezioni della rete con i diametri dei tubi.

Nell'articolo presentato viene descritta in dettaglio la metodologia di calcolo. Per comprendere meglio l'algoritmo delle operazioni, abbiamo considerato la procedura di calcolo su un esempio concreto.

Seguendo la sequenza descritta, si riuscirà a determinare il diametro ottimale della conduttura principale, il numero di apparecchi di riscaldamento, la potenza della caldaia e altri parametri dell'impianto necessari per allestire un efficace sistema di riscaldamento individuale.

Concetto di calcolo idraulico

Il fattore determinante dello sviluppo tecnologico degli impianti di riscaldamento è diventato il semplice risparmio sul vettore energetico. La voglia di risparmiare spinge ad affrontare con maggiore attenzione la progettazione, la scelta dei materiali, le modalità di installazione e di gestione del riscaldamento per l'abitazione.

Pertanto, se avete deciso di creare un impianto di riscaldamento unico e soprattutto economico per il vostro appartamento o casa, vi consigliamo di consultare le regole di calcolo e progettazione.

Prima di definire il calcolo idraulico dell'impianto, è necessario comprendere chiaramente che l'impianto di riscaldamento individuale di un appartamento o di una casa è, per così dire, di un ordine di grandezza superiore rispetto all'impianto di riscaldamento centralizzato di un grande edificio.

Il sistema di riscaldamento personale si basa su un approccio fondamentalmente diverso ai concetti di calore e risorsa energetica.

L'essenza del calcolo idraulico è che la portata del fluido termovettore non viene prefissata con un'approssimazione significativa ai parametri reali, ma viene determinata mediante il coordinamento dei diametri delle tubazioni con i parametri di pressione in tutti gli anelli dell'impianto.

È sufficiente effettuare un banale confronto di questi impianti secondo i seguenti parametri.

1. L'impianto di riscaldamento centralizzato (caldaia-edificio-appartamento) si basa su tipi standard di vettori energetici – carbone, gas. In un impianto autonomo si può utilizzare praticamente qualsiasi sostanza che abbia un elevato potere calorifico specifico, o anche una combinazione di più materiali liquidi, solidi o granulari.
2. Il sistema di riscaldamento centralizzato (COS) è costruito con elementi ordinari: tubi metallici, radiatori “rudimentali”, valvole di intercettazione. Il sistema di riscaldamento individuale permette invece di combinare elementi molto diversi: radiatori multisettoriali con buona resa termica, termostati ad alta tecnologia, diversi tipi di tubi (PVC e rame), rubinetti, tappi, raccordi e, naturalmente, caldaie più economiche e pompe di circolazione.
3. Se si entra in un appartamento tipico di un edificio a pannelli costruito 20-40 anni fa, si nota che l'impianto di riscaldamento si riduce alla presenza di un radiatore a 7 elementi sotto la finestra in ogni stanza dell'appartamento, più un tubo verticale che attraversa l'intero edificio (colonna montante), attraverso il quale si può “comunicare” con i vicini di sopra/sotto. Ben diverso è il sistema di riscaldamento autonomo (ASO) – permette di realizzare un impianto di qualsiasi complessità tenendo conto delle preferenze individuali degli occupanti dell'appartamento.
4. A differenza del SRC, il sistema di riscaldamento separato tiene conto di un elenco piuttosto imponente di parametri che influenzano la trasmissione, il consumo di energia e le perdite di calore. Il regime termico dell'ambiente esterno, l'intervallo di temperatura richiesto nei locali, la superficie e il volume degli ambienti, il numero di finestre e porte, la destinazione degli ambienti, ecc.

Pertanto, il calcolo idraulico del sistema di riscaldamento (GRSO) è un insieme convenzionale di caratteristiche calcolate del sistema di riscaldamento, che fornisce informazioni esaustive su parametri come il diametro dei tubi, il numero di radiatori e valvole.

Questo tipo di radiatori è stato installato nella maggior parte delle case prefabbricate nello spazio post-sovietico. Il risparmio sui materiali e la mancanza di un'idea progettuale sono “evidenti”.

Il GRSO consente di selezionare correttamente la pompa ad anello d'acqua (della caldaia) per trasportare l'acqua calda agli elementi finali del sistema di riscaldamento (radiatori) e, in ultima analisi, di ottenere un sistema il più equilibrato possibile, influenzando direttamente gli investimenti finanziari per il riscaldamento dell'abitazione.

Un altro tipo di radiatore per riscaldamento per il COS (sistema di riscaldamento centralizzato). È un prodotto più versatile che può avere un numero qualsiasi di alette. In questo modo è possibile aumentare o ridurre la superficie di scambio termico.

Sequenza delle fasi di calcolo

Parlando del calcolo del sistema di riscaldamento, notiamo che questa procedura è la più ambigua e importante in fase di progettazione.

Prima di eseguire il calcolo, è necessario effettuare un'analisi preliminare del futuro sistema, ad esempio:

• stabilire il bilancio termico in tutte e specificamente in ogni stanza dell'appartamento;
• selezionare termostati, valvole e regolatori di pressione;
• determinare le sezioni del sistema con portata massima e minima del fluido termovettore.

Inoltre, è necessario determinare lo schema generale di trasporto del fluido termovettore: circuito completo e ridotto, sistema monotubo o rete bitubo.

In seguito al calcolo idraulico si ottengono diverse caratteristiche importanti del sistema idraulico, che rispondono alle seguenti domande:

• quale deve essere la potenza della fonte di riscaldamento;
• quale portata e velocità del fluido termovettore;
• quale diametro della conduttura principale del tubo di calore è necessario;
• quali sono le possibili perdite di calore e di massa del fluido termovettore.

Un altro aspetto importante del calcolo idraulico è la procedura di bilanciamento (allacciamento) di tutte le parti (rami) del sistema durante regimi termici estremi mediante dispositivi di regolazione.

Si distinguono diversi tipi principali di prodotti per riscaldamento: radiatori in ghisa e alluminio multisezione, pannelli in acciaio, radiatori bimetallici e convettori. Ma i più diffusi sono i radiatori in alluminio multisezione.

La zona di calcolo della conduttura è il tratto con diametro costante della conduttura stessa, nonché con portata costante di acqua calda, determinata dalla formula del bilancio termico delle stanze. L'elenco delle zone di calcolo inizia dalla pompa o dalla fonte di calore.

Condizioni iniziali dell'esempio

Per una spiegazione più dettagliata di tutti i particolari del calcolo idraulico, prendiamo un esempio concreto di un'abitazione comune. Abbiamo un classico appartamento bilocale in un edificio a pannelli, con una superficie totale di 65,54 m², che comprende due stanze, una cucina, bagno e toilette separati, un doppio corridoio e un balcone abbinato.

Dopo la consegna, abbiamo ottenuto le seguenti informazioni sullo stato di finitura dell'appartamento. L'appartamento descritto presenta pareti in strutture monolitiche di cemento armato trattate con stucco e primer, finestre con profili a doppio vetro, porte interne in truciolato pressato, e piastrelle in ceramica sul pavimento del bagno.

Un tipico edificio a pannelli di 9 piani con quattro ingressi. Su ogni piano ci sono 3 appartamenti: uno bilocale e due trilocali. L'appartamento si trova al quinto piano.

Inoltre, l'abitazione presentata è già dotata di impianto elettrico in rame, distributori e un quadro elettrico separato, fornello a gas, vasca da bagno, lavabo, water, scaldasalviette e lavello.

E, cosa più importante, nelle stanze, nel bagno e in cucina sono già presenti radiatori in alluminio per il riscaldamento. La questione relativa ai tubi e alla caldaia rimane aperta.

Come viene effettuata la raccolta dati

Il calcolo idraulico del sistema si basa principalmente su calcoli legati al calcolo del riscaldamento in base alla superficie del locale.

Pertanto, è necessario disporre delle seguenti informazioni:

• la superficie di ogni singolo locale;
• le dimensioni delle aperture di finestre e porte (le porte interne non influiscono praticamente sulla perdita di calore);
• le condizioni climatiche, le peculiarità della regione.

Partiamo dai seguenti dati. Superficie del soggiorno – 18,83 m², camera da letto – 14,86 m², cucina – 10,46 m², balcone – 7,83 m² (totale), corridoio – 9,72 m² (totale), bagno – 3,60 m², toilette – 1,5 m². Porta d'ingresso – 2,20 m², vetrata del soggiorno – 8,1 m², finestra della camera da letto – 1,96 m², finestra della cucina – 1,96 m².

Altezza delle pareti dell'appartamento – 2 metri e 70 cm. Le pareti esterne sono in calcestruzzo di classe B7 con intonaco interno, spessore 300 mm. Pareti interne e tramezzi – portanti 120 mm, normali – 80 mm. Pavimento e soffitto in lastre di calcestruzzo di classe B15, spessore 200 mm.

La planimetria di questo appartamento offre la possibilità di creare un unico ramo di riscaldamento che passa attraverso cucina, camera da letto e soggiorno, garantendo una temperatura media di 20-22 °C negli ambienti (+)

Per quanto riguarda l'ambiente? L'appartamento si trova in un edificio situato al centro di un quartiere di una piccola città. La città è situata in una depressione, con un'altitudine di 130-150 m sul livello del mare. Il clima è temperato continentale con inverni freschi ed estati abbastanza calde.

Temperatura media annuale: +7,6°C. Temperatura media di gennaio: -6,6°C, di luglio: +18,7°C. Vento: 3,5 m/s, umidità media: 74%, precipitazioni: 569 mm.

Analizzando le condizioni climatiche della regione, è necessario notare che si ha a che fare con un'ampia escursione termica, che a sua volta influisce sul requisito speciale per la regolazione del sistema di riscaldamento dell'appartamento.

Potenza del generatore di calore

Uno dei componenti principali dell'impianto di riscaldamento è la caldaia: elettrica, a gas, combinata – in questa fase non ha importanza. Poiché ciò che conta è la sua caratteristica principale – la potenza, ovvero la quantità di energia per unità di tempo che verrà utilizzata per il riscaldamento.

La potenza della caldaia stessa è determinata dalla formula seguente:

Wkotla = (Spomeshch * Wudel) / 10,

dove:

• Spomeshch – somma delle aree di tutte le stanze che richiedono riscaldamento;
• Wudel – potenza specifica tenendo conto delle condizioni climatiche della località (ecco perché era necessario conoscere il clima della regione).

Caratteristicamente, per diverse zone climatiche abbiamo i seguenti dati:

• regioni settentrionali – 1,5 – 2 kW/m²;
• zona centrale – 1 – 1,5 kW/m²;
• regioni meridionali – 0,6 – 1 kW/m².

Questi numeri sono abbastanza indicativi, ma comunque forniscono una chiara risposta numerica riguardo l'influenza dell'ambiente sul sistema di riscaldamento dell'appartamento.

In questa mappa sono rappresentate le zone climatiche con diversi regimi termici. Dalla posizione dell'abitazione rispetto alla zona dipende quanti kilowatt di energia sono necessari per riscaldare un metro quadrato (+)

La superficie totale dell'appartamento da riscaldare – è uguale alla superficie totale dell'appartamento, ovvero – 65,54-1,80-6,03=57,71 m2 (meno il balcone). La potenza specifica della caldaia per la regione centrale con inverno freddo – 1,4 kW/m2. Pertanto, nel nostro esempio, la potenza termica calcolata della caldaia è equivalente a 8,08 kW.

Parametri dinamici del fluido termovettore

Passiamo alla fase successiva dei calcoli – l'analisi del consumo del fluido termovettore. Nella maggior parte dei casi, l'impianto di riscaldamento di un appartamento differisce da altri sistemi – ciò è dovuto al numero di pannelli radianti e alla lunghezza della tubazione. La pressione viene utilizzata come ulteriore “forza motrice” del flusso lungo il sistema in verticale.

Nelle case private a uno e più piani, nei vecchi condomini a pannelli, si utilizzano sistemi di riscaldamento ad alta pressione, che consentono di trasportare il fluido termovettore in tutte le parti del sistema di riscaldamento ramificato e multi-anello e di sollevare l'acqua fino a tutta l'altezza (fino al 14° piano) dell'edificio.

Al contrario, un normale appartamento di 2 o 3 locali con riscaldamento autonomo non ha una tale varietà di anelli e rami del sistema; include non più di tre circuiti.

Di conseguenza, il trasporto del fluido termovettore avviene mediante il processo naturale di scorrimento dell'acqua. Ma si possono anche usare pompe di circolazione, il riscaldamento è fornito da una caldaia a gas/elettrica.

Si consiglia di utilizzare una pompa di circolazione per il riscaldamento di ambienti superiori a 100 m². La pompa può essere installata sia prima che dopo la caldaia, ma di solito viene posizionata sul “ritorno” – minore temperatura del fluido, minore presenza di aria, maggiore durata della pompa.

I professionisti nel campo della progettazione e installazione di sistemi di riscaldamento individuano due approcci principali per il calcolo del volume del fluido termovettore:

1. In base alla capacità effettiva del sistema. Vengono sommati tutti i volumi delle cavità in cui scorrerà il flusso di acqua calda: la somma dei singoli tratti di tubi, sezioni di radiatori, ecc. Ma questa è un'opzione piuttosto laboriosa.
2. In base alla potenza della caldaia. Qui le opinioni degli esperti divergono notevolmente: alcuni dicono 10, altri 15 litri per unità di potenza della caldaia.

Da un punto di vista pragmatico, bisogna considerare il fatto che probabilmente il sistema di riscaldamento non fornirà solo acqua calda per la stanza, ma anche per bagno/doccia, lavabo, lavandino e asciugatrice, e magari anche per idromassaggio o jacuzzi. Questa opzione è più semplice.

Pertanto, in questo caso si consiglia di impostare 13,5 litri per unità di potenza. Moltiplicando questo numero per la potenza della caldaia (8,08 kW) si ottiene il volume d'acqua calcolato – 109,08 l.

La velocità calcolata del fluido termovettore nel sistema è proprio il parametro che consente di scegliere un diametro specifico del tubo per il sistema di riscaldamento.

Si calcola con la seguente formula:

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

dove:

• W – potenza della caldaia;
• t – temperatura dell'acqua in mandata;
• to – temperatura dell'acqua nel circuito di ritorno;
• k – rendimento della caldaia (0,95 per una caldaia a gas).

Inserendo i dati calcolati nella formula, otteniamo: (0.86 * 8080 * 0.95)/80-60 = 6601,36/20 = 330 kg/h. Pertanto, in un'ora nel sistema si spostano 330 l di fluido termovettore (acqua) e la capacità del sistema è di circa 110 l.

Determinazione del diametro dei tubi

Per la determinazione finale del diametro e dello spessore dei tubi di riscaldamento, resta da discutere la questione delle perdite di calore.

La quantità massima di calore si disperde dall'ambiente attraverso le pareti – fino al 40%, attraverso le finestre – 15%, il pavimento – 10%, tutto il resto attraverso il soffitto/tetto. Per un appartamento, le perdite si verificano principalmente attraverso le finestre e i moduli del balcone.

Esistono diversi tipi di perdite di calore negli ambienti riscaldati:

1. Perdite di carico del flusso nel tubo. Questo parametro è direttamente proporzionale al prodotto della perdita unitaria per attrito all'interno del tubo (fornito dal produttore) per la lunghezza totale del tubo. Tuttavia, considerando il problema attuale, tali perdite possono essere trascurate.
2. Perdite di carico localizzate nelle resistenze dei tubi – perdite di calore nei raccordi e all'interno delle apparecchiature. Ma considerando le condizioni del problema, il numero ridotto di curve e di radiatori, tali perdite possono essere trascurate.
3. Perdite di calore in base alla posizione dell'appartamento. Esiste un altro tipo di perdite termiche, ma sono più legate alla posizione dell'ambiente rispetto al resto dell'edificio. Per un normale appartamento situato al centro del palazzo, confinante a sinistra/destra/sopra/sotto con altri appartamenti, le perdite di calore attraverso le pareti laterali, il soffitto e il pavimento sono praticamente pari a “0”.

Nel calcolo si possono considerare solo le perdite attraverso la parte facciata dell'appartamento – il balcone e la finestra centrale della stanza comune. Ma questo problema viene risolto aggiungendo 2-3 elementi a ciascun radiatore.

Il valore del diametro dei tubi viene scelto in base alla portata del fluido termovettore e alla sua velocità di circolazione nella linea di riscaldamento

Analizzando le informazioni sopra esposte, è opportuno notare che per la velocità calcolata dell'acqua calda nel sistema di riscaldamento, è nota la velocità tabellare di spostamento delle particelle d'acqua rispetto alla parete del tubo in posizione orizzontale di 0,3-0,7 m/s.

Per aiutare il tecnico, presentiamo la cosiddetta checklist per l'esecuzione dei calcoli per un tipico calcolo idraulico del sistema di riscaldamento:

• raccolta dei dati e calcolo della potenza della caldaia;
• volume e velocità del fluido termovettore;
• perdite di calore e diametro dei tubi.

A volte durante il calcolo si può ottenere un diametro del tubo abbastanza grande da coprire il volume calcolato del fluido termovettore. Questo problema può essere risolto aumentando la capacità della caldaia o aggiungendo un vaso di espansione supplementare.

Sul nostro sito è presente una sezione di articoli dedicati al calcolo del sistema di riscaldamento, si consiglia di consultare:

1. Calcolo termico dell'impianto di riscaldamento: come eseguire correttamente il calcolo del carico sul sistema
2. Calcolo del riscaldamento ad acqua: formule, regole, esempi di esecuzione
3. Calcolo termotecnico dell'edificio: specificità e formule per eseguire i calcoli + esempi pratici

Conclusioni e video utili sull'argomento

Caratteristiche, vantaggi e svantaggi dei sistemi di circolazione naturale e forzata del fluido termovettore per i sistemi di riscaldamento:

Riassumendo i risultati del calcolo idraulico, abbiamo ottenuto caratteristiche fisiche specifiche del futuro sistema di riscaldamento.

Naturalmente, si tratta di uno schema di calcolo semplificato che fornisce dati approssimativi per il calcolo idraulico del sistema di riscaldamento di un tipico appartamento di due stanze.

State cercando di eseguire autonomamente il calcolo idraulico dell'impianto di riscaldamento? O forse non siete d'accordo con il materiale presentato? Attendiamo i vostri commenti e le vostre domande – il modulo per il feedback si trova qui sotto.