Теплове навантаження на опалення: визначення та розрахунки

Тема цієї статті – теплове навантаження. Ми з'ясуємо, що являє собою цей параметр, від чого він залежить і як може розраховуватися. Крім того, в статті буде наведено ряд довідкових значень теплового опору різних матеріалів, які можуть знадобитися для розрахунку.

Монтаж опалювального обладнання в будинку або на підприємстві завжди починається з розрахунків.

Що це таке

Термін, по суті, інтуїтивно-зрозумілий. Під тепловим навантаженням мається на увазі ту кількість теплової енергії, яка необхідна для підтримання в будівлі, квартирі або окремому приміщенні комфортної температури.

Максимальна годинне навантаження на опалення, таким чином – це, то кількість тепла, яке може знадобитися для підтримки нормованих параметрів протягом години в найбільш несприятливих умовах.

Які умови вважати несприятливими? Питання нерозривно пов'язаний з тим, від чого, власне, залежить теплове навантаження.

Отже, що впливає на потребу будівлі в теплі?

Матеріал і товщина стін. Зрозуміло, що стіна в 1 цеглу (25 сантиметрів) і стіна з газобетону під 15-сантиметровою пенопластовой шубою пропустять ДУЖЕ різну кількість теплової енергії.
Матеріал і структура покрівлі. Плоский дах із залізобетонних плит і утеплений горище теж будуть дуже помітно відрізнятися за тепловтрат.
Вентиляція – ще один важливий фактор. Її продуктивність, наявність або відсутність системи рекуперації тепла впливають на те, скільки тепла втрачається з відпрацьованим повітрям.
Площа скління. Через вікна і скляні фасади втрачається помітно більше тепла, ніж через суцільні стіни.

Однак: потрійні склопакети та скла з енергозберігаючим напиленням зменшують різницю в кілька разів.

Рівень інсоляції в вашому регіоні, ступінь поглинання сонячного тепла зовнішнім покриттям і орієнтація площин будівлі відносно сторін світу. Крайні випадки – будинок, що знаходиться протягом всього дня в тіні інших будівель і будинок, орієнтований чорною стіною і похилою покрівлею чорного кольору з максимальною площею на південь.

Стіни будинку на фото зачорнені саме для того, щоб поглинати якомога більше сонячного тепла.

Дельта температур між приміщенням і вулицею визначає тепловий потік через огороджувальні конструкції при постійному опорі теплопередачі. При +5 і -30 на вулиці будинок буде втрачати різну кількість тепла. Зменшить, зрозуміло, потреба в тепловій енергії і зниження температури всередині будівлі.
Нарешті, в проект часто доводиться закладати перспективи подальшого будівництва. Скажімо, якщо поточна теплове навантаження дорівнює 15 кіловат, але в найближчому майбутньому планується прибудувати до будинку утеплену веранду – логічно придбати побутової опалювальний котел з запасом по тепловій потужності.

розподіл

У разі водяного опалення пікова теплова потужність джерела тепла повинна дорівнювати сумі теплової потужності всіх опалювальних приладів в будинку. Зрозуміло, розводка теж не повинна ставати вузьким місцем.

Розподіл опалювальних приладів по приміщеннях визначається декількома факторами:

Площею кімнати і висотою її стелі;
Розташуванням усередині будівлі. Кутові і торцеві приміщення втрачають більше тепла, ніж ті, які розташовані в середині будинку.
Віддаленістю від джерела тепла. В індивідуальному будівництві цей параметр означає віддаленість від котла, в системі центрального опалення багатоквартирного будинку – тим, підключена батарея до стояка подачі або обратки і тим, на якому поверсі ви живете.

Уточнення: в будинках з нижнім розливом стояки з'єднуються попарно. На подає – температура убуває при підйомі з першого поверху до останнього, на зворотному, відповідно, навпаки.

Як розподіляться температури в разі верхнього розливу – здогадатися теж неважко.

Бажаної температурою в приміщенні.Крім фільтрації тепла через зовнішні стіни, всередині будівлі при нерівномірному розподілі температур теж буде помітна міграція теплової енергії через перегородки.

Рекомендовані СНиП значення такі:

Для житлових кімнат в середині будівлі – 20 градусів;
Для житлових кімнат в кутку або торці будинку – 22 градуси. Більш висока температура, серед іншого, перешкоджає промерзання стін.
Для кухні – 18 градусів. У ній, як правило, є велика кількість власних джерел тепла – від холодильника до електроплити.
Для ванної кімнати та суміщеного санвузла нормою є 25С.

У разі повітряного опалення тепловий потік, що надходить в окрему кімнату, визначається пропускною здатністю повітряного рукава. Як правило, найпростіший метод регулювання – ручна підстроювання положень регульованих вентиляційних решіток з контролем температур по термометру.

Нарешті, в разі, якщо мова йде про систему обігріву з розподіленими джерелами тепла (електричні або газові конвектора, електричні теплі підлоги, масляні радіатори опалення, інфрачервоні обігрівачі й кондиціонери) необхідний температурний режим просто задається на термостаті. Все, що потрібно від вас – забезпечити пікову теплову потужність приладів на рівні піку тепловтрат приміщення.

Електричні радіатори і конвектори забезпечуються термостатами. Середня теплова потужність автоматично підганяється по потреба приміщення в теплі.

методики розрахунку

Шановний читач, у вас гарна уява? Давайте уявимо собі будинок. Нехай це буде зруб з 20-сантиметрового бруса з горищем і дерев'яною підлогою.

Подумки домалюємо і конкретизуємо виникла в голові картинку: розміри житлової частини будівлі будуть рівні 10 * 10 * 3 метра; в стінах ми прорубали 8 вікон і 2 дверей – на передній і внутрішній двори. А тепер помістимо наш будинок … скажімо, в місто Кондопога в Карелії, де температура в пік морозів може опуститися до -30 градусів.

Визначення теплового навантаження на опалення може бути виконано кількома способами з різною складністю і достовірністю результатів. Давайте скористаємося трьома найбільш простими.

Діючі СНиП пропонують нам найпростіший спосіб розрахунку. На 10 м2 береться один кіловат теплової потужності. Отримане значення множиться на регіональний коефіцієнт:

Для південних регіонів (Чорноморське узбережжя, Краснодарський край) результат множиться на 0,7 – 0,9.
Помірно-холодний клімат Московської і Ленінградської областей змусить використовувати коефіцієнт 1,2-1,3. Здається, наша Кондопога потрапить саме в цю кліматичну групу.
Нарешті, для Далекого Сходу районів Крайньої Півночі коефіцієнт коливається від 1,5 для Новосибірська до 2,0 для Оймякона.

Інструкція з розрахунку з використанням цього методу неймовірно проста:

Площа будинку дорівнює 10 * 10 = 100 м2.
Базове значення теплового навантаження дорівнює 100/10 = 10 КВт.
Множимо на регіональний коефіцієнт 1,3 і отримуємо 13 кіловат теплової потужності, необхідних для підтримки комфорту в будинку.

Ця таблиця пропонує піти шляхом спрощення ще далі. В общем-то, як ми з'ясуємо пізніше, надлишкова потужність котла проблем не створить.

Однак: якщо вже користуватися настільки простою методикою, краще зробити запас як мінімум в 20% для компенсації похибок і екстремальних погодних умов. Власне, буде показовим порівняти 13 КВт зі значеннями, отриманими іншими способами.

Зрозуміло, що при першому методі розрахунку похибки будуть величезними:

Висота стель в різних будівлях сильно розрізняється. З урахуванням того, що гріти нам доводиться не площа, а якийсь обсяг, причому при конвекційному опаленні тепле повітря збирається під стелею – фактор важливий.
Вікна та двері пропускають більше тепла, ніж стіни.
Нарешті, буде явною помилкою стригти під одну гребінку міську квартиру (причому незалежно від її розташування всередині будівлі) та приватний будинок, у якого внизу, вгорі і за стінами не теплі квартири сусідів, а вулиця.

Що ж, скорегуємо метод.

За базове значення візьмемо 40 ват на кубометр об'єму приміщення.
На кожні двері, що ведуть на вулицю, додамо до базового значення 200 ват. На кожне вікно – 100.
Для кутових і торцевих квартир в багатоквартирному будинку введемо коефіцієнт 1,2 – 1,3 залежно від товщини і матеріалу стін. Його ж використовуємо для крайніх поверхів в разі, якщо підвал і горище погано утеплені. Для приватного будинку значення помножимо і зовсім на 1,5.
Нарешті, можна застосувати ті ж регіональні коефіцієнти, що і в попередньому випадку.

Кліматична зона в будь-якому випадку впливає на розрахунки.

Як там поживає наш будиночок в Карелії?

Обсяг дорівнює 10 * 10 * 3 = 300 м2.
Базове значення теплової потужності дорівнює 300 * 40 = 12000 ват.
Вісім вікон і двоє дверей. 12000+ (8 * 100) + (2 * 200) = 13200 ват.
Приватний будинок. 13200 * 1,5 = 19800. Ми починаємо смутно підозрювати, що при підборі потужності котла по першій методиці довелося б померзнути.
А адже ще залишився регіональний коефіцієнт! 19800 * 1,3 = 25740. Разом – нам потрібен 28-кіловатний котел. Різниця з першим значенням, отриманим простим способом – дворазова.

Однак: на практиці така потужність буде потрібно лише в кілька днів піку морозів. Найчастіше розумним рішенням буде обмежити потужність основного джерела тепла меншим значенням і купити резервний нагрівач (наприклад, електрокотел або кілька газових конвекторів).

Не спокушайтеся: описаний спосіб теж вельми недосконалий. Ми дуже умовно врахували тепловий опір стін і стелі; дельта температур між внутрішнім і зовнішнім повітрям теж врахована лише в регіональному коефіцієнті, тобто дуже приблизно. Ціна спрощення розрахунків – велика похибка.

Згадаймо: для підтримки всередині будівлі постійної температури нам потрібно забезпечити кількість теплової енергії, що дорівнює всім втрат через огороджувальні конструкції і вентиляцію. На жаль, і тут нам доведеться дещо спростити собі розрахунки, пожертвувавши достовірністю даних. Інакше отримані формули повинні будуть враховувати дуже багато чинників, які важко виміряти і систематизувати.

Втрати тепла сильно залежать від матеріалу стін. Крім того, не менше третини теплової енергії йде через вентиляцію.

Спрощена формула виглядає так: Q = DT / R, де Q – кількість тепла, яке втрачає 1 м2 огороджувальної конструкції; DT – дельта температур між внутрішньою і зовнішньою температурами, а R – опір теплопередачі.

Зауважте: ми говоримо про втрати тепла через стіни, підлогу і стелю. В середньому ще близько 40% тепла втрачається через вентиляцію. Заради спрощення розрахунків ми підрахуємо тепловтрати через огороджувальні конструкції, а потім просто помножимо їх на 1,4.

Дельту температур виміряти легко, але де брати дані про термічний опір?

На жаль – тільки з довідників. Наведемо таблицю для деяких популярних рішень.

Стіна в три цегли (79 сантиметрів) має опір теплопередачі в 0,592 м2 * С / Вт.
Стіна в 2,5 цегли – 0,502.
Стіна в дві цеглини – 0,405.
Стіна в цегла (25 сантиметрів) – 0,187.
Дерев'яний зруб з діаметром колоди 25 сантиметрів – 0,550.
Те ж, але з колод діаметром 20 см – 0,440.
Зруб з 20-сантиметрового бруса – 0,806.
Зруб з брус товщиною 10 см – 0,353.
Каркасна стіна завтовшки 20 сантиметрів з утепленням мінеральною ватою – 0,703.
Стіна з піно-або газобетону при товщині 20 сантиметрів – 0,476.
Те ж, але з товщиною, збільшеною до 30 см – 0,709.
Штукатурка товщиною 3 сантиметри – 0,035.
Стельове або горищне перекриття – 1,43.
Дерев'яна підлога – 1,85.
Подвійні двері з дерева – 0,21.

Таблиця містить ряд значень для популярних утеплювачів різної товщини.

А тепер повернемося до нашого дому. Якими параметрами ми маємо?

Дельта температур в пік морозів буде дорівнює 50 градусам (+20 всередині і -30 зовні).
Тепловтрати через квадратний метр підлоги складуть 50 / 1,85 (опір теплопередачі дерев'яної підлоги) = 27,03 вата. Через всю підлогу – 27,03 * 100 = 2703 Вт.
Порахуємо втрати тепла через стелю: (50 / 1,43) * 100 = 3497 ват.
Площа стін дорівнює (10 * 3) * 4 = 120 м2.Оскільки у нас стіни виконані з 20-санттіметрового бруса, параметр R дорівнює 0,806. Втрати тепла через стіни рівні (50 / 0,806) * 120 = 7444 Вт.
Тепер складемо отримані значення: 2703 + 3497 + 7444 = 13644. Саме стільки наш будинок буде втрачати через стелю, підлогу і стіни.

Зауважте: щоб не вираховувати частки квадратних метрів, ми знехтували різницею в теплопровідності стін і вікон з дверима.

Потім додамо 40% втрат на вентиляцію. 13644 * 1,4 = 19101. Відповідно до цього розрахунку нам повинно вистачити 20-кіловатного котла.

Висновки і рішення проблем

Як бачите, існуючі методи розрахунку теплового навантаження своїми руками дають вельми істотні похибки. На щастя, надлишкова потужність котла не зашкодить:

Газові котли на зменшеній потужності працюють практично без падіння ККД, а конденсаційні так і зовсім виходять на найбільш економічний режим при неповному навантаженні.
Те ж саме стосується соляровим котлів.
Електричне нагрівальне обладнання будь-якого типу завжди має ККД, що дорівнює 100 відсоткам (зрозуміло, це не відноситься до теплових насосів). Згадайте фізику: вся потужність, не витрачена на здійснення механічної роботи (тобто переміщення маси проти вектора гравітації) в кінцевому рахунку, витрачається на нагрів.

Єдиний тип котлів, для яких робота на потужності менше номінальної протипоказана – твердопаливні. Регулювання потужності в них здійснюється досить примітивним способом – обмеженням припливу повітря в топку.

Що в результаті?

При нестачі кисню паливо згоряє не повністю. Утворюється більше золи і сажі, які забруднюють котел, димохід і атмосферу.
Слідство неповного згоряння – падіння ККД котла. Логічно: адже часто палива залишає котел до того, як згоріла.

Обмеження потужності твердопаливного котла позначається на його ККД.

Однак і тут є простий і витончений вихід – включення в схему опалення теплоаккумулятора. Теплоізольований бак ємністю до 3000 літрів підключається між подає і зворотним трубопроводом, розмикаючи їх; при цьому формується малий контур (між котлом і буферною ємністю) і великий (між ємністю і опалювальними приладами).

Як працює така схема?

Після розпалювання котел працює на номінальній потужності. При цьому за рахунок природної або примусової циркуляції його теплообмінник віддає тепло буферної ємності. Після того, як паливо згорить, циркуляція в малому контурі зупиняється.
Наступні кілька годин теплоносій рухається по великому контуру. Буферна ємність поступово віддає накопичене тепло радіаторів або водяним теплим полам.

Як бачите, в цьому випадку запас по потужності котла матиме виключно позитивний наслідок – більший проміжок часу між розпалювання (читайте також статтю «Розрахункова температура зовнішнього повітря для проектування опалення та залежність від неї температури теплоносія»).

Просте вирішення складної проблеми.

висновок

Як завжди, кілька додаткової інформації про те, як ще може бути розрахована теплове навантаження, ви знайдете в відео в кінці статті. Теплих зим!