De leidingen dimensioneren om drukverliezen te beperken

Welke context?

Het ontwerp van het hydraulische netwerk beïnvloedt het stroomverbruik van de circulatiepompen omwille van de drukverliezen die voornamelijk te wijten zijn aan de circulatiesnelheid van het water, de diameter en de materialen van de leidingen evenals het tracé van het netwerk (lengte, bochten, ...).

Bij een eengezinswoning heeft de precieze dimensionering van de diameter van de buizen weinig invloed op het stroomverbruik, gelet op de geringe verwarmingsbehoeften en het beperkt aantal circulatiepompen. Bij collectieve huisvesting en tertiaire gebouwen zijn de verwarmings- en koelbehoeften daarentegen groter en uiteenlopender in functie van de respectieve projecten. Het is dan ook van primordiaal belang om de leidingen correct te dimensioneren teneinde een te groot energieverbruik te vermijden, een goede uitbalancering van de hydraulische installatie te garanderen en de installatiekosten te beperken (door de leidingen niet te overdimensioneren).

Er bestaan twee soorten drukverliezen:

• de lineaire drukverliezen die aan de leidingen te wijten zijn;
• de specifieke drukverliezen die aan debochten, verbredingen, voorzieningen (kranen, T-stukken, radiatoren, ...), enz. toegeschreven kunnen worden.

Voor wat de dimensionering van de leidingen betreft, zullen hier enkel de lineaire drukverliezen aan bod komen. 

Welke hydraulische distributieschema's?

Net zoals bij de ventilatieleidingen, kan het hydraulische schema vertakt of stervormig zijn met aansluitingen op collectoren.

Hydraulisch ontwerpschema: links vertakt en rechts stervormig

Bron : 3E © Leefmilieu Brussel

Bij nieuwe installaties in woningen of kleine tertiaire gebouwen (< 1000 m²) wordt de voorkeur gegeven aan een stervormig netwerk. Hier zijn de leidingen (buiten de collectoren) aan het zicht onttrokken en in de dekvloer gegoten of in de muren ingewerkt. Vertakte netwerken treffen we meer aan in de tertiaire sector evenals in bestaande woningen waar de leidingen wel zichtbaar zijn.

Hoe de hydraulische distributieleidingen dimensioneren?

Er zijn vier parameters die de dimensionering van de leidingen beïnvloeden:

• de snelheid,
• de diameter,
• het debiet
• en de drukverliezen.

Voor de dimensionering kan een theoretische methode of een praktische methode gebruikt worden, waarbij deze laatste gebaseerd is op het gebruik van tabellen of nomogrammen.

Theoretische methode

1. Het hydraulisch debiet bepalen

   Op basis van het via het circuit over te brengen thermisch vermogen P en het temperatuurverschil ∆T, het hydraulisch debiet Q bepalen aan de hand van de volgende formule.

   $Q=\frac{P}{1,16.∆T}$

   met P in [W] en Q in [l/u]

   De waarden die voor de temperatuurverschillen ∆T in aanmerking genomen moeten worden, hangen af van de lichamen:

   • radiator, convector, ventilerende convector: ∆T = 20 °C;
   • vloerverwarming: ∆T = 5 à 10 °C;
   • koellichamen: ∆T = 5 °C (behalve voor een actieve vloerplaat: ∆T = 4 °C)

2. De binnendiameter bepalen

   Op basis van het hydraulisch debiet Q en een referentiesnelheid v, de binnendiameter van de leiding d bepalen aan de hand van de volgende formule:

   • v = 0,4 m/sec. voor diameters ≤ DN20;
   • v = 1,0 m/sec. voor diameters < DN100;
   • v = 1,5 m/sec. voor diameters < DN150;
   • v = 2,0 m/sec. voor diameters < DN150;

   $d=\frac{1}{\sqrt{3,6.{10}^6}}.\sqrt{\frac{4.Q}{v.\mathrm{\pi }}}$

   met d in [m], Q in [l/u] en v in [m/sec.]

   De aanbevolen waarden voor de referentiesnelheden v zullen gekozen worden in functie van de nominale diameter van de leiding:

3. De diameter aanpassen in functie van de drukverliezen

   De diameter van de leiding aanpassen, opdat de drukverliezen [∆P] van de leidingen zich tussen 50 en 100 Pa/m zouden situeren.

   Zie de volgende referenties:

   • Doninelli M. en M. (2005), Les pertes de charge dans les installations , artikel gepubliceerd in het tijdschrift Hydraulique, nr. 2, oktober 2005
   • Philippe Courtin (2012), Module de cours sur les pertes de charges linéiques , presentatie van november 2012

   Tot slot wordt het drukverlies ook nog beïnvloed door het type van materiaal via zijn ruwheidsfactor . Daarbij geldt: hoe ruwer het materiaal, hoe groter het drukverlies. Zo werden de volgende materialen gerangschikt in oplopende mate van ruwheid:

   • nieuw koper,
   • PER (verknoopt polyetheen met hoge dichtheid),
   • pvc,
   • nieuw staal,
   • met kalkaanslag bedekt koper,
   • verroest staal.

Praktische methode

In de praktijk maken de studiebureaus gebruik van de nomogrammen, de tabellen of de berekeningsregels van de leveranciers om de diameter van de buis in functie van het debiet (en soms zelfs direct in functie van het vermogen) en het temperatuurverschil te bepalen.

De waarden die voor de temperatuurverschillen   ∆T in aanmerking genomen moeten worden, hangen af van de afgifte-elementen:

• radiator, convector, ventilerende convector: ∆T = 20 °C;
• vloerverwarming: ∆T = 5 à 10 °C;
• koellichamen: ∆T = 5 °C (behalve voor een actieve vloerplaat: ∆T = 4 °C)

Hieronder worden - ter informatie - enkele waardetabellen voor buizen in staal en kunststof voorgesteld.

Indicatieve tabel voor de keuze van diameter bij buizen in staal

(Bron: Rapport nr. 14 van het WTCB )

Indicatieve tabel voor de keuze van diameter bij buizen in kunststof

(Bron: Rapport nr. 14 van het WTCB )

Voorbeelden

Eengezinswoning

Laten we even het voorbeeld nemen van een bestaande eengezinswoning van 150 m² met 3 verdiepingen en een stookruimte in de kelder die via een vertakt netwerk voor de nodige verwarming en het benodigde sanitair warm water (SWW) zorgt. 

Aangezien er geen SWW-circulatielus is, wordt de SWW-leiding gewoonlijk gedimensioneerd in verhouding tot het koudwatercircuit van het leidingwater. Over het algemeen zal een loodgieter hier een leiding van DN15 voorschrijven.

De hoofdverwarmingsleiding in staal voorziet de 3 verdiepingen van de nodige warmte en biedt een vermogen van 18 kW (120 W/m² x 150 m² = 18 kW). Op basis van de tabel die de diameter van de leidingen vermeldt (praktische methode), is er voor dit vermogen en rekening houdend met een ∆T = 20°C (de afgifte-elementen zijn radiatoren) een leiding van 1" of DN25 nodig.

Het vereiste vermogen voor het verwarmen van een verdieping bedraagt 6 kW (18 kW/3 verdiepingen = 6kW). Dit vermogen wordt afgegeven door 3 radiatoren van 2000 W die via een vertakt circuit door een hoofdtoevoerleiding in staal van DN15 van de nodige warmte voorzien worden. Hierbij dient opgemerkt dat als het netwerk stervormig geweest zou zijn, deze leiding niet nodig zou zijn geweest.

De diameter van de secundaire leidingen, in kunststof (voor 2.000 W), bedraagt DN12. Deze diameter varieert natuurlijk in functie van de aansluiting van de weerhouden radiatoren. Daarbij geldt dat, als de diameter van de aansluiting groter is, het drukverlies kleiner zal zijn.

Collectieve woning

Via een koker wordt een nieuw collectief woongebouw met 8 appartementen van de nodige warmte voorzien. Elk van deze appartementen vertegenwoordigt een unitaire behoefte van 20 kW voor radiatoren en sanitair warm water (type combilus) ofwel 160 kW in totaal. Op basis van de tabel die de diameter van de leidingen vermeldt (praktische methode), is er voor dit vermogen en rekening houdend met een ∆T = 20°C (de afgifte-elementen zijn radiatoren) een leiding in staal van DN65 nodig.

Meer weten

Andere publicaties van Leefmilieu Brussel

• Leefmilieu Brussel (2013), Efficiënt verwarmen? , Brussel (voor particulieren bestemd document waarin de EPB-reglementering besproken wordt)

Websites

• ThermExcel: Berekening van lineaire drukverliezen
• Lenntech= Het bepalen van drukval over een leiding
• Caleffi: Tabellen en diagrammen van hydraulische drukverliezen

Bibliografie

• Costic (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques): Tool voor de berekening van de drukverliezen (online Excel-tool)
• WTCB (2014), Berekening van drukverliezen en dimensionering van luchtdistributienetwerken – Rapport nr. 15
• Doninelli M. en M. (2005), Les pertes de charge dans les installations , artikel gepubliceerd in het tijdschrift Hydraulique, nr. 2, oktober 2005
• Philippe Courtin (2012), Module de cours sur les pertes de charges linéiques , presentatie van november 2012