Проектирование и тепловой расчет системы отопления – обязательный этап при обустройстве обогрева дома. Основная задача вычислительных мероприятий – определение оптимальных параметров котла и системы радиаторов.
Согласитесь, на первый взгляд может показаться, что проведение теплотехнического расчета под силу только инженеру. Однако не все так сложно. Зная алгоритм действий, получится самостоятельно выполнить необходимые вычисления.
В статье подробно изложен порядок расчета и приведены все нужные формулы. Для лучшего понимания, мы подготовили пример теплового вычисления для частного дома.
Нормы температурных режимов помещений
Перед проведение любых расчётов параметров системы необходимо, как минимум, знать порядок ожидаемых результатов, а также иметь в наличии стандартизированные характеристики некоторых табличных величин, которые необходимо подставлять в формулы или ориентироваться на них.
Выполнив вычисления параметров с такими константами, можно быть уверенным в достоверности искомого динамического или постоянного параметра системы.
Для помещений разнообразного назначения существуют эталонные стандарты температурных режимов жилых и нежилых помещений. Эти нормы закреплены в так называемых ГОСТах
Для системы отопления одним из таких глобальных параметров является температура помещения, которая должна быть постоянной в независимости от периода года и условий окружающей среды.
Согласно регламенту санитарных нормативов и правил есть различия в температуре относительно летнего и зимнего периода года. За температурный режим помещения в летний сезон отвечает система кондиционирования, принцип ее расчета подробно изложен в этой статье.
А вот комнатная температура воздуха в зимний период обеспечивается системой отопления. Поэтому нам интересны диапазоны температур и их допуски отклонений для зимнего сезона.
В большинстве нормативных документов оговариваются следующие диапазоны температур, которые позволяют человеку комфортно находиться в комнате.
Для нежилых помещений офисного типа площадью до 100 м2:
- 22-24°С – оптимальная температура воздуха;
- 1°С – допустимое колебание.
Для помещений офисного типа площадью более 100 м2 температура составляет 21-23°С. Для нежилых помещений промышленного типа диапазоны температур сильно отличаются в зависимости от предназначения помещения и установленных норм охраны труда.
Комфортная температура помещения у каждого человека “своя”. Кто-то любит чтобы было очень тепло в комнате, кому-то комфортно когда в комнате прохладно – это всё достаточно индивидуально
Что же касаемо жилых помещений: квартир, частных домов, усадеб и т. д. существуют определённые диапазоны температуры, которые могут корректироваться в зависимости от пожеланий жильцов.
И всё же для конкретных помещений квартиры и дома имеем:
- 20-22°С – жилая, в том числе детская, комната, допуск ±2°С –
- 19-21°С – кухня, туалет, допуск ±2°С;
- 24-26°С – ванная, душевая, бассейн, допуск ±1°С;
- 16-18°С – коридоры, прихожие, лестничные клетки, кладовые, допуск +3°С
Важно отметить, что есть ещё несколько основных параметров, которые влияют на температуру в помещении и на которые нужно ориентироваться при расчёте системы отопления: влажность (40-60%), концентрация кислорода и углекислого газа в воздухе (250:1), скорость перемещения воздушных масс (0.13-0.25 м/с) и т. п.
Пример №1
В жилом доме монтирован один общий прибор, а индивидуальные приборы в помещениях отсутствуют. При решении вопроса, как рассчитать отопление в квартире, заметим, что плата за отопление в жилом помещении осуществляется по формуле №3 Правил на основе показаний прибора учета на индивидуальное отопление, который установлен в квартире, или норматива потребления тепла, установленного для отопления в помещениях жилого типа. Все показания прибора учитываются в Гкал.
- Объем тепла по данным общедомового прибора составил 250 Гкал.
- Площадь дома общая, в которую включены все квартиры, а также помещения нежилого типа, составляет 7000 кв. метров.
- Площадь квартиры – 75 кв. метров.
- Тариф на теплоэнергию составляет 1400 руб. за 1 Гкал.
Расчет отопления по площади квартиры будет производиться при помощи использования такой схемы:
250 * 75 / 7000 * 1400 = 3750 рублей
Это был расчет первой составляющей квитанции, вторая составляющая будет высчитываться по формулам №10 и №14. По первой формуле вычисляется объем услуги, а по второй – размер платы в рублях. Чтобы выявить объем, нужно учесть площадь нежилых помещений и квартир. К примеру, размер площади составляет 6000 кв. метров.
Объем тепла будет произведен следующим вычислением:
250 * (1-6000 / 7000) * 75 / 6000 = 0,446428571 Гкал.
После этих расчетов можно посчитать плату за отопление:
3750 + 625 = 4375 руб.
Установка счетчика тепла в подвале многоквартирного дома
Расчёт теплопотерь в доме
Согласно второму началу термодинамики (школьная физика) не существует самопроизвольной передачи энергии от менее нагретых к более нагретым мини- или макрообъектам. Частным случаем этого закона является “стремление” создания температурного равновесия между двумя термодинамическими системами.
Например, первая система – окружающая среда с температурой -20°С, вторая система – здание с внутренней температурой +20°С. Согласно приведённого закона эти две системы будут стремиться уравновеситься посредством обмена энергии. Это будет происходить с помощью тепловых потерь от второй системы и охлаждения в первой.
Однозначно можно сказать, что температура окружающей среды зависит от широты на которой расположен частный дом. А разница температур влияет на количество утечек тепла от здания (+)
Под теплопотерями подразумевают непроизвольный выход тепла (энергии) от некоторого объекта (дома, квартиры). Для обычной квартиры этот процесс не так “заметен” в сравнении с частным домом, поскольку квартира находиться внутри здания и “соседствует” с другими квартирами.
В частном доме через внешние стены, пол, крышу, окна и двери в той или иной степени “уходит” тепло.
Зная величину теплопотерь для самых неблагоприятных погодных условий и характеристику этих условий, можно с высокой точностью вычислить мощность системы отопления.
Итак, объём утечек тепла от здания вычисляется по следующей формуле:
Q=Qпол+Qстена+Qокно+Qкрыша+Qдверь+…+Qi, где
Qi – объём теплопотерь от однородного вида оболочки здания.
Каждая составляющая формулы рассчитывается по формуле:
Q=S*∆T/R, где
- Q – тепловые утечки, В;
- S – площадь конкретного типа конструкции, кв. м;
- ∆T – разница температур воздуха окружающей среды и внутри помещения, °C;
- R – тепловое сопротивление определённого типа конструкции, м2*°C/Вт.
Саму величину теплового сопротивления для реально существующих материалов рекомендуется брать из вспомогательных таблиц.
Кроме того, тепловое сопротивление можно получить с помощью следующего соотношения:
R=d/k, где
- R – тепловое сопротивление, (м2*К)/Вт;
- k – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м2*К);
- d – толщина этого материала, м.
В старых домах с отсыревшей кровельной конструкцией утечки тепла происходят через верхнюю часть постройки, а именно через крышу и чердак. Проведение мероприятий по утеплению потолка или теплоизоляции мансардной крыши решают эту проблему.
Если утеплить чердачное пространство и крышу, то общие потери тепла от дома можно значительно уменьшить
В доме существуют ещё несколько видов тепловых потерь через щели в конструкциях, систему вентиляции, кухонную вытяжку, открывания окон и дверей. Но учитывать их объём не имеет смысла, поскольку они составляют не более 5% от общего числа основных утечек тепла.
Точный расчёт теплопотерь
С помощью специальной величины, которая характеризует тепловой поток и измеряется в кКал/час, выясняют тепловые потери дома.
Эта величина показывает, сколько тепла уходит через стены здания при определённом температурном режиме внутри дома.
Данный показатель рассматривают в прямой зависимости от архитектурных особенностей здания, строительных материалов, из которых оно построено, толщины и степени теплоизоляции стен, потолка и пола. Оказывает влияние площадь остекления, качество теплоизоляторов и соблюдение технологии при их монтаже.
То есть теплопотери складываются из многих элементов.
Формула следующая: G = Sх1/Pох(Тв- Тн)к, где:
- G — величина, которую выражают в кКал/ч;
- Po — показатель сопротивления при теплопередаче;
- Тв иТн — разница температурного режима внутри и снаружи;
- к — коэффициент, который показывает, насколько теряется тепло, он у каждого заграждения свой.
Так как температура на улице и в помещении меняется в течение отопительного сезона, величины берут средние. Учитывается и тот факт, что у каждого региона с разными климатическими условиями показатель свой.
В данной формуле используются конкретные величины, все они известны. По ней можно узнать тепловые потери любого здания.
Понижающий коэффициент и значение сопротивления Pо относятся к категории нормативно-справочной информации.
Так, например, могут понадобиться следующие коэффициенты:
- 1 — если под чистовыми полами грунт или деревянные лаги;
- 0,9 — для чердачных перекрытий, где кровельным материалом являются сталь, черепица на обрешётке, асбоцемент (либо крыша без чердака с вентиляцией);
- 0,8 — материалы кровли те же, но настил сплошной;
- 0,75 — чердачные перекрытия, где кровля из любого рулонного материала;
- 0,7 — для внутренних стен, которые выходят в соседнее неотапливаемое помещение без наружных стен;
- 0,4 — для внутренних стен, которые соединяют с соседним неотапливаемым помещением, у которого есть наружные стены, и для полов над погребом, углублённом в грунт;
- 0,75 — полы над погребом, устроенном выше грунта;
- 0,6 — поверхности над подвалами, расположенными либо ниже грунта, либо не выше одного метра над ним.
- Аналогично можно подобрать коэффициенты для других ситуаций.
Могут понадобиться следующие значения сопротивления:
- 0,38 — при сплошной кирпичной кладке с толщиной стен в 13,5 см, 0,57 — с толщиной кладки 26,5 см, 0,76 — 39,5 см, 0,94 — 52,5 см, 1,13 — 65,5 см.
- 0,9 — при сплошной кладке с воздушной прослойкой при толщине 43,5 см, 1,09 — 56,5 см, 1,28 — 65,5 см;
- 0,89 — при сплошной кладке из декоративного кирпича с толщиной в 39,5 см, 1,2 — 52,5 см, 1,4 — 65,5 см.
- 1,03 — для сплошной кладки, где термоизоляционный слой с толщиной в 39,5см, 1,49 — 52,5 см;
- 1,33 — для деревянных стен из дерева (не бруса) с толщиной в 200 мм, 1,45 — 220 мм, 1,56 — 240 мм;
- 1,18 — для стен из бруса с толщиной 150 мм, 1,28 — 180 мм, 1,32 — 200 мм;
- 0,69 — для чердачных перекрытий из железобетонных плит с утеплителем с толщиной в 100 мм, 0,89 — 150 мм.
Эти показатели берут для формулы расхода воды на отопление.
Определение мощности котла
Для поддержки разницы температур между окружающей средой и температурой внутри дома необходима автономная система отопления, которая поддерживает нужную температуру в каждой комнате частного дома.
Базисом системы отопления выступают разные виды котлов: жидко- или твердотопливные, электрические или газовые.
Котел – это центральный узел системы отопления, который генерирует тепло. Основной характеристикой котла есть его мощность, а именно скорость преобразования количество теплоты за единицу времени.
Произведя расчеты тепловой нагрузки на отопление получим требуемую номинальную мощность котла.
Для обычной многокомнатной квартиры мощность котла вычисляется через площадь и удельную мощность:
Ркотла=(Sпомещения*Рудельная)/10, где
- Sпомещения– общая площадь отапливаемого помещения;
- Руделльная– удельная мощность относительно климатических условий.
Но эта формула не учитывает тепловые потери, которых достаточно в частном доме.
Существует иное соотношение, которое учитывает этот параметр:
Ркотла=(Qпотерь*S)/100, где
- Ркотла– мощность котла;
- Qпотерь– потери тепла;
- S – отапливаемая площадь.
Расчетную мощность котла необходимо увеличить. Запас необходим, если планируется использование котла для подогрева воды для ванной комнаты и кухни.
В большинстве систем отопления частных домов рекомендуется обязательно использовать расширительный резервуар, в котором будет храниться запас теплоносителя. Каждый частный дом нуждается в горячем водоснабжении
Дабы предусмотреть запас мощности котла в последнюю формулу надо добавить коэффициент запаса К:
Ркотла=(Qпотерь*S*К)/100, где
К – будет равен 1.25, то есть расчётная мощность котла будет увеличена на 25%.
Таким образом, мощность котла предоставляет возможность поддерживать нормативную температуру воздуха в комнатах здания, а также иметь начальный и дополнительный объём горячей воды в доме.
Итоги расчетов Гкал по отоплению
Если вы правильно выполнили расчет потребления Гкал тепловой энергии, то вы можете не беспокоиться о переплатах за коммунальные услуги. Если воспользоваться вышеперечисленными формулами, то можно сделать вывод, что при отоплении жилого дома площадью до 200 кв.м. потребуется затратить около 3 Гкал за 1 месяц. Если учесть что отопительный сезон во многих регионах страны длится примерно 6 месяцев, то можно посчитать приблизительный расход тепловой энергии. Для этого 3 Гкал умножаем на 6 месяцев и получаем 18 Гкал.
Посчитать расход гигакалорий намного легче в частном доме, так как там можно установить свой индивидуальный прибор. В многоквартирных домах с централизованным отоплением обойтись обычным прибором не получится.
Исходя из информации указанной выше, можно сделать вывод, что все расчеты по расходу тепловой энергии в определенном доме можно сделать самостоятельно без помощи специальных организаций. Но стоит помнить, что все данные должны быть рассчитаны точно по специальным математическим формулам. Кроме этого все процедуры нужно согласовывать со специальными органами, которые контролируют такие действия. Если вы не уверены, что выполните расчет самостоятельно, то можете воспользоваться услугами профессиональных специалистов, которые занимаются такой работой и имеют в наличии материалы, подробно описывающие весь процесс и фото образцов системы отопления, а также их схемы подключения.
Особенности подбора радиаторов
Стандартными компонентами обеспечения тепла в помещении являются радиаторы, панели, системы “тёплый” пол, конвекторы и т. д. Самыми распространёнными деталями отопительной системы есть радиаторы.
Тепловой радиатор – это специальная полая конструкция модульного типа из сплава с высокой теплоотдачей. Он изготавливается из стали, алюминия, чугуна, керамика и других сплавов. Принцип действия радиатора отопления сводится к излучению энергии от теплоносителя в пространство помещения через “лепестки”.
Алюминиевый и биметаллический радиатор отопления пришёл на смену массивным чугунным батареям. Простота производства, высокая теплоотдача, удачная конструкция и дизайн сделали это изделие популярным и распространённым инструментом излучения тепла в помещении
Существует несколько методик расчёта радиаторов отопления в комнате. Нижеприведённый перечень способов отсортирован в порядке увеличения точности вычислений.
Варианты вычислений:
- По площади. N=(S*100)/C, где N – количество секций, S – площадь помещения (м2), C – теплоотдача одной секции радиатора (Вт, берётся из тех паспорта или сертификата на изделие), 100 Вт – количество теплового потока, которое необходимо для нагрева 1 м2 (эмпирическая величина). Возникает вопрос: а каким образом учесть высоту потолка комнаты?
- По объёму. N=(S*H*41)/C, где N, S, C – аналогично. Н – высота помещения, 41 Вт – количество теплового потока, которое необходимо для нагрева 1 м3 (эмпирическая величина).
- По коэффициентам. N=(100*S*к1*к2*к3*к4*к5*к6*к7)/C, где N, S, C и 100 – аналогично. к1 – учёт количества камер в стеклопакете окна комнаты, к2 – теплоизоляция стен, к3 – соотношение площади окон к площади помещения, к4 – средняя минусовая температура в наиболее холодную неделю зимы, к5 – количество наружных стен комнаты (которые “выходят” на улицу), к6 – тип помещения сверху, к7 – высота потолка.
Это максимально точный вариант расчёта количества секций. Естественно, что округление дробных результатов вычислений производится всегда к следующему целому числу.
Необходимость расчета тепловой мощности системы отопления
Потребность в вычислении тепловой энергии, необходимой для обогрева комнат и подсобных помещений, связана с тем, что нужно определить основные характеристики системы в зависимости от индивидуальных особенностей проектируемого объекта, включая:
- назначение здания и его тип;
- конфигурацию каждого помещения;
- количество жильцов;
- географическое положение и регион, в котором находится населенный пункт;
- прочие параметры.
Расчет необходимой мощности отопления является важным моментом, его результат используют для вычисления параметров отопительного оборудования, которое планируют установить:
- Подбор котла в зависимости от его мощности
. Эффективность функционирования отопительной конструкции определяется правильностью выбора нагревательного агрегата. Котел должен иметь такую производительность, чтобы обеспечить обогрев всех помещений в соответствии с потребностями людей, проживающих в доме или квартире, даже в наиболее холодные зимние дни. Одновременно при наличии у прибора избыточной мощности часть вырабатываемой энергии не будет востребована, а значит, некоторая сумма денег потратится напрасно. - Необходимость согласовывать подключение к магистральному газопроводу
. Для присоединения к газовой сети потребуется ТУ. Для этого подают заявку в соответствующую службу с указанием предполагаемого расхода газа на год и оценкой тепловой мощности в сумме для всех потребителей. - Выполнение расчетов периферийного оборудования
. Расчет тепловых нагрузок на отопление необходим для определения длины трубопровода и сечения труб, производительности циркуляционного насоса, типа батарей и т.д.
Гидравлический расчёт водоснабжения
Безусловно, “картина” расчета тепла на отопление не может быть полноценной без вычисления таких характеристик, как объём и скорость теплоносителя. В большинстве случаев теплоносителем выступает обычная вода в жидком или газообразном агрегатном состоянии.
Реальный объём теплоносителя рекомендуется рассчитывать через суммирование всех полостей в системе отопления. При использовании одноконтурного котла – это оптимальный вариант. При применении двухконтурных котлов в системе отопления необходимо учитывать расходы горячей воды для гигиенических и иных бытовых целей
Расчет объема воды, подогреваемой двухконтурным котлом для обеспечения жильцов горячей водой и нагрева теплоносителя, производится путем суммирования внутреннего объема отопительного контура и реальных потребностей пользователей в нагретой воде.
Объём горячей воды в отопительной системе рассчитывается по формуле:
W=k*P, где
- W – объём носителя тепла;
- P – мощность котла отопления;
- k – коэффициент мощности (количество литров на единицу мощности, равен 13.5, диапазон – 10-15 л).
В итоге конечная формула выглядит так:
W = 13.5*P
Скорость теплоносителя – заключительная динамическая оценка системы отопления, которая характеризует скорость циркуляции жидкости в системе.
Эта величина помогает оценить тип и диаметр трубопровода:
V=(0.86*P*μ)/∆T, где
- P – мощность котла;
- μ – КПД котла;
- ∆T – разница температур между подаваемой водой и водой обратном контуре.
Используя вышеизложенные способы гидравлического расчёта, удастся получить реальные параметры, которые являются “фундаментом” будущей системы отопления.
Счетчики тепла
Для того чтобы рассчитать тепловую энергию нужно знать следующую информацию:
- Температура жидкости на входе и выходе определенного участка магистрали.
- Расход жидкости, которая движется через отопительные приборы.
Расход можно определить при помощи счетчиков тепла. Приборы учета тепла могут быть двух видов:
- Крыльчатые счетчики. Такие приборы используются для учета тепловой энергии, а также расхода горячей воды. Отличие между такими счетчиками и приборами для учета холодной воды – материал, из которого изготавливается крыльчатка. В таких приборах она наиболее устойчива к воздействию высоких температур. Принцип работы схож у двух приборов:
- Учетному устройству передается вращение крыльчатки;
- Крыльчатка начинает вращение из-за движения рабочей жидкости;
- Передача производится без непосредственного взаимодействия, а с помощью перманентного магнита.
Такие приборы имеют простую конструкцию, но порог срабатывания у них невысок. А также они имеют надежную защиту от искажений показаний. При помощи антимагнитного экрана происходит предотвращение торможения крыльчатки наружным магнитным полем.
- Устройства с регистратором перепадов. Такие счетчики работают по закону Бернулли, который утверждает, что скорость движения потока жидкости или газа обратно пропорциональна его статическому движению. Если давление регистрируется двумя датчиками, то можно без труда определить расход в реальном времени. Счетчик подразумевает в устройстве конструкции электронику. Практически все модели предоставляют информацию о расходе и температуре рабочей жидкости, а также определяют расход тепловой энергии. Настраивать работу можно вручную при помощи ПК. Подключить прибор можно к ПК через порт.
Многие жильцы задаются вопросом, как рассчитать количество Гкал на отопление в открытой системе отопления, в которой возможен отбор для горячей воды. Датчики напора устанавливаются на обратную трубу и подающую одновременно. Разница, которая будет в расходе рабочей жидкости, будет показывать количество теплой воды, которая была потрачена для бытовых нужд.
Пример теплового расчёта
В качестве примера теплового расчёта в наличии есть обычный 1-этажный дом с четырьмя жилыми комнатами, кухня, санузел, “зимний сад” и подсобные помещения.
Фундамент из монолитной железобетонной плиты (20 см), наружные стены – бетон (25 см) со штукатуркой, крыша – перекрытия из деревянных балок, кровля – металлочерепица и минеральная вата (10 см)
Обозначим исходные параметры дома, необходимые для проведения расчетов.
Габариты здания:
- высота этажа – 3 м;
- малое окно фасадной и тыльной части здания 1470*1420 мм;
- большое окно фасада 2080*1420 мм;
- входные двери 2000*900 мм;
- двери тыльной части (выход на террасу) 2000*1400 (700 + 700) мм.
Общая ширина постройки 9.5 м2, длинна 16 м2. Отапливаться будут только жилые комнаты (4 шт.), санузел и кухня.
Для точного расчёта теплопотерь на стенах из площади внешних стен нужно вычесть площадь всех окон и дверей – это совсем другой тип материала со своим тепловым сопротивлением
Начинаем с расчёта площадей однородных материалов:
- площадь пола – 152 м2;
- площадь крыши – 180 м2 , учитывая высоту чердака 1.3 м и ширину прогона – 4 м;
- площадь окон – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 м2;
- площадь дверей – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 м2.
Площадь наружных стен будет равна 51*3-9.22-7.4=136.38 м2.
Переходим к расчёту теплопотерь на каждом материале:
- Qпол=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 Вт;
- Qкрыша=180*40*0.1/0.05=14400 Вт;
- Qокно=9.22*40*0.36/0.5=265.54 Вт;
- Qдвери=7.4*40*0.15/0.75=59.2 Вт;
А также Qстена эквивалентно 136.38*40*0.25/0.3=4546. Сумма всех теплопотерь будет составлять 19628.4 Вт.
В итоге подсчитаем мощность котла: Ркотла=Qпотерь*Sотаплив_комнат*К/100=19628.4*(10.4+10.4+13.5+27.9+14.1+7.4)*1.25/100=19628.4*83.7*1.25/100=20536.2=21 кВт.
Расчёт количества секций радиаторов произведём для одной из комнат. Для всех остальных вычисления аналогичны. Например, угловая комната (слева, нижний угол схемы) площадь 10.4 м2.
Значит, N=(100*к1*к2*к3*к4*к5*к6*к7)/C=(100*10.4*1.0*1.0*0.9*1.3*1.2*1.0*1.05)/180=8.5176=9.
Для этой комнаты необходимо 9 секций радиатора отопления с теплоотдачей 180 Вт.
Переходим к расчёту количества теплоносителя в системе – W=13.5*P=13.5*21=283.5 л. Значит, скорость теплоносителя будет составлять: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 л.
В результате полный оборот всего объёма теплоносителя в системе будет эквивалентен 2.87 раза в один час.
Подборка статей по тепловому расчету поможет определиться с точными параметрами элементов отопительной системы:
- Расчет системы отопления частного дома: правила и примеры расчёта
- Теплотехнический расчет здания: специфика и формулы выполнения вычислений + практические примеры
