Гидравлический расчет в Revit

Системы ВК в Revit – это логические объекты, которые позволяют рассчитывать расход, потери давления и определять параметры оборудования и трубопроводов. В данном обзоре мы постараемся описать свой опыт использования расчетных возможностей Revit для трубопроводных инженерных систем водоснабжения.

Проектирование систем внутреннего водопровода заключается в выборе типа труб, мест установки санитарных приборов, разводящих магистралей, ввода, водомерного узла, стояков, напорных баков, насосных установок.

Гидравлический расчет водопроводной сети позволяет найти наиболее экономичные диаметры труб для пропуска расчетного расхода воды и требуемый напор в системе. Расчет выполняется в следующем порядке:

  • выбирается расчетный путь
  • определяются расходы на расчетных участках пути
  • по расчетному расходу определяют диаметр трубы расчетного участка, потери напора по участкам и скорость движения воды
  • подбирается счетчик воды
  • определяется требуемый напор в системе.

Оборудование и сантехнические приборы в проекте Revit существуют независимо от трубопроводов. По умолчанию в программе имеется три типа сантехнических систем: горячее водоснабжение, холодное водоснабжение и канализация. После размещения компонентов в проекте для них можно создать любую из этих систем. Компоненты можно вручную добавить в систему, а после их назначения с помощью инструмента «Сформировать компоновку» автоматически создать трубопровод для системы.

Для проверки того, все ли компоненты назначены системе трубопроводов правильно, используется «Диспетчер инженерных систем». Основным признаком того, что система смоделирована правильно, является то, что при запуске инспектора систем в нем корректно отображается информация о направлениях потока и расходах жидкости. Это выполняется при следующих условиях:

  • коннекторы в семействах компонентов системы должны иметь соответствующие настройки
  • конечные потребители должны иметь расход
  • все компоненты системы должны относиться к одному типу системы.

Если внутри системы есть участок, который не принадлежит ей или не определен, то на нем не будет передаваться информация о расходе, что приведет к ошибке.

Рис.1 Работа с «Диспетчером инженерных систем»

Настройки коннекторов

Настройки коннекторов конечных потребителей (смесители и пр.)

  • Классификация систем – Приточная жидкость или Обратная жидкость
  • Конфигурация потока – Заданный
  • Направление потока – Внутрь или Наружу

Рис.2 Свойства коннекторов оборудования-потребителя

Настройки коннекторов соединительных деталей трубопроводов (отводы, тройники и пр.)

  • Классификация систем – Фитинг

Рис.3 Свойства коннекторов соединительных деталей трубопроводов

Настройки коннекторов трубопроводной арматуры (клапаны, краны и пр.)

  • Классификация систем – Глобальный
  • Конфигурация потока – Расчетный
  • Направление потока – Двустороннее

На трубопроводной арматуре лучше задавать двустороннее направление потока, т.к. арматура является промежуточным компонентов в системе и может устанавливаться как на подающих, так и на обратных трубопроводах.

Рис.4 Свойства коннекторов арматуры трубопроводов

Определение потерь давления

Линейные потери напора

В реальных системах водоснабжения идет сопротивление движению потока. На степень этого сопротивления влияют режим движения (или расхода): ламинарный, переходный, турбулентный, шероховатость труб, длина трубопровода, высота его участков относительно друг друга, количество компонентов. Потери, вызванные данными сопротивлениями, влияют на значение потери давления или потерю напора в системе. Потеря напора измеряется в единицах давления: паскалях, барах или высоте водного столба в метрах. Например, 0,1 МПа составляет 10 метров.

Компонентами являются: отводы, переходники, тройники, крестовины, запорные регулирующие вентили, краны, задвижки, затворы, предохранительные и регулирующие клапаны и т.д. Все они имеют местное гидравлическое сопротивление т.к. в них происходит нарушение нормального движения потока из-за изменения его направления, значения средней скорости и возникновения вихреобразования. Например, при повороте трубы скорость постоянна, а изменяется направления движения потока. В более сложных, таких как задвижки, клапаны, вентили, тройники, крестовины, вектор скорости изменяется и по значению, и по направлению.

В Revit все потери давления можно учесть и рассчитать полную потерю напора в системе.

При гидравлическом расчете для вычисления потерь напора по длине трубопровода существует много разных формул. Все они зависят от геометрии и шероховатости трубопроводов, а также плотности и динамической вязкости жидкости. В Revit для расчета падения давления в сегментах труб, фитингах и арматуре используется уравнение Дарси-Вейсбаха.

ΔP = f * ( L / D ) * p * ( V2 / 2 ) , где

  • ΔP – потеря напора, м
  • f – коэффициент гидравлического трения (безразмерный)
  • L – длина трубопровода, м
  • D – внутренний диаметр трубы, м
  • p – плотность вещества, кг/м3
  • V – скорость потока жидкости, м/сек

Значения плотности и динамической вязкости воздуха указаны в диалоговом окне «Настройки систем ОВиВК». Шероховатость относится к свойствам типа для семейств труб и соединительных деталей трубопровода.

Рис.5 Шероховатость

Как видно из таблицы вязкость и плотность зависят от температуры жидкости.

Рис.6 Вязкость и плотность

Там же выбирается один из двух методов для определения коэффициента трения Уравнения Халанда или Формулы Колбрука для ламинарного или турбулентного режима расхода. Проектирование трубопроводов на переходном режиме не рекомендуется. Выбор формулы проектировщик осуществляет в соответствии с собственными соображениями. Здесь используется для примера уравнение Халанда.

Для ламинарного потока

f = 64/Re,

Для турбулентного потока

1 / ( ν * f) = – 1,8 * log10 * [( ε / (3.7 * D ))1.11 +  6.9 / Re ] , где

  • Re – число Рейнольдса
  • ε – абсолютная шероховатость, м

Надо отметить, что шероховатость может быть абсолютной и относительной. Часто в таблицах встречается величина “эквивалент шероховатости труб”. Эквивалент означает – средняя высота шероховатости. В Revit для разного вида материала труб задана ε в мм. Относительная шероховатость r = ε / D

  • ν – кинематическая вязкость, м2/сек
  • ν  = μ / p, где μ – динамическая вязкость.

Из данных формул видно, что коэффициент гидравлического трения f зависит от числа Рейнольдса и шероховатости труб. Данная формула применима только к круглым трубам.

Re = D * V / ν

  • Re < 2000 Ламинарный
  • Re > 4000 Турбулентный

Существует два типа турбулентных потоков: с неустановившейся и развитой турбулентностью.

Рис.7 Выбор метода расчета падения давления по длине трубопровода

На практике выявлено, что значение потери давления по длине трубопровода с использованием других программ и данных справочников отличается от результатов в Revit в пределах 5-10%.

Обобщая, хочется отметить, что при увеличении скорости или увеличении расхода, сопротивление движению потока жидкости всегда увеличивается, то есть увеличиваются потери напора. Причем увеличиваются не пропорционально, а квадратично. Т.о. иметь большую скорость потока жидкости в трубе нецелесообразно. Например, скорость в трубах внутренних водопроводных сетей жилого дома желательно принимать не более 1,5 м/с в магистралях и стояках, и не более 2,5 м/с в подводках к приборам, допускаемые потери напора в крыльчатых счетчиках холодной воды не должны превышать 2,5 м и т.д. Поэтому важно определить оптимальный диаметр потока и приборов.

Кроме потери напора по длине трубопровода, также существует потери напора по высоте. Если труба идет вверх, то эта высота добавляется к потере напора, если труба идет вниз, вычитается. В этом случае Revit определяет статическое давление, т.е давление в системе без протекания в ней жидкости.

Местные потери напора

Как уже указывалось ранее, местные сопротивления компонентов системы значительно влияют на потерю напора всей системы. В таких сопротивлениях в результате резких изменений направления и скорости происходит деформация потока с интенсивным вихреобразованием.

Местными потерями напора называют затраты удельной механической энергии на преодоление потоком жидкости местного сопротивления в результате работы сил трения и вихреобразования. При движении потока в местном сопротивлении потери механической энергии превращаются в тепловую энергию. Вейсбах предложил местные потери напора определять по формуле:

ΔP = ξ * V2 / ( 2 * g ) ,

  • ΔP – потеря напора, м
  • ξ –  коэффициент местного сопротивления
  • V – скорость потока жидкости, м/сек
  • g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с2

V = 4 * Q / ( π * D2), где

  • π = 3,14, константа
  • Q – расход воды, м3/с
  • D – внутренний диаметр трубы, м

Коэффициент ξ показывает количество скоростного напора, затрачиваемого на преодоление какого-либо местного сопротивления. Он зависит от формы компонента, его размера, шероховатости и режима движения (числа Рейнольдса). Наиболее часто встречающиеся коэффициенты местных сопротивлений приводятся в справочниках, определяются экспериментально или рассчитываются.

Рис. 8 Примеры значений коэффициентов местных сопротивлений

В Revit для определения потерь давления на фитингах есть два варианта определения коэффициента местного сопротивления:

  • Табличный коэффициент К 
  • Коэффициент К

При выборе варианта Табличный коэффициент К необходимо назначить параметр Таблица коэффициентов К, выбрав один из предложенных вариантов таблиц ASHRAE.

Рис. 9. Выбор таблиц ASHRAE соединительных деталей трубопроводов

ASHRAE – стандарт американского общества инженеров по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха, которая интегрирована в программу.

Рис.10 Выдержка из стандарта: 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook

При выборе параметра Коэффициент К необходимо ввести значение данного параметра или загрузить* через таблицы поиска.

* Необходимо отметить, что Коэффициент К для соединительных деталей трубопроводов является встроенным параметром типа. Если фитинги в семействе подбираются таблицами поиска в зависимости от диаметра и угла поворота, то необходимо изменить его на параметр экземпляра и задать разные значения для разных типоразмеров.  Задайте любое значение параметру Коэффициент К в семействе. Замените категорию семейства на Обобщенную модель и измените параметр Коэффициент К на параметр экземпляра. Загрузите таблицу поиска и пропишите ее в разделе Формулы. Поменяйте категорию семейства обратно на Соединительные детали трубопроводов.

Гидравлическое сопротивление оборудования и трубопроводной арматуры можно определить с помощью пропускной способности Kvs. Значение пропускной способности измеряется в м3/час. Она указывается в каталогах производителей. Это значение показывает расход, при котором возникает потеря напора равная 1 Bar.

ΔP = ( Q / Kvs )2  , где

  • ΔP – потеря напора, бары
  • Q – фактический расход, м3/час
  • Kvs – пропускная способность, м3/час

В Revit потери давления с помощью параметра Kvs назначаются через формулу.

=(ADSK_Расход жидкости/Kvs)^2

Рис.11 Расчет потерь давления трубопроводной арматуры с помощью Kvs

Для определения потерь давления в Revit необходимо, чтобы в семействах на трубопроводной арматуре и оборудовании на коннекторах в разделе Метод определения потерь был назначен один из двух параметров:

  • Удельные потери
  • Коэффициент К

Первый позволяет назначить конкретное значение потерь давления, второй определяет потери давления через коэффициент местного сопротивления, который задается в семействе.

При выборе метода Удельные потери становится доступным редактирование параметра Падение давления для данного коннектора. Можно задать его непосредственно в свойствах коннектора или приравнять к параметру семейства.

Рис.12 Назначение падения давления на коннекторе трубопроводной арматуры

Рис.13 Назначение коэффициента местного сопротивления на коннекторе трубопроводной арматуры

При этом необходимо помнить, что если потери давления или коэффициент местного сопротивления будут назначены обоим коннекторам семейства, то в расчетах они будут учтены дважды.

Если все семейства настроены правильно, то потери давления в системе будут определены корректно, и их можно использовать для подбора водоразборного прибора. Необходимо рассчитать общий поток для всех точек потребления системы, когда возможно максимальное включение всех приборов потребления воды.

Проектируемый внутренний водопровод должен обеспечивать подачу воды с необходимым расходом и напором к любой водоразборной точке здания. Расчетный путь отсчитывается от диктующего прибора, наиболее высоко расположенного и удаленного от ввода, до насоса. Насос системы должен отвечать двум заданным параметрам:

  • расчетному расходу, м3
  • расчетным потеря напора, м или единицах давления Па, Бары

В Revit насосы имеют два встроенных параметра: «Расчетный расход» и «Расчетное падение давления».

Рис.14 Параметры насоса

Чтобы активировать параметры «Расчетный расход» и «Расчетное падение давления» для всей сети, установите в типе семейства механического оборудования классификацию «Насос».

Рис.15 Назначение классификации типу семейства механического оборудования