Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

Как вычисляется расчетная тепловая нагрузка на отопление? Какие факторы влияют на потребность дома в тепловой энергии? Каким образом подобрать отопительные приборы оптимальной мощности? В статье мы постараемся ответить на эти и некоторые другие вопросы.

Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

Распределение теплопотерь частного дома.

Проще, еще проще

Сразу оговорим один нюанс: эта статья ориентирована на владельцев частных домов и квартир с автономным отоплением. Методики расчетов систем отопления многоквартирных зданий довольно сложны и должны учитывать массу факторов: работу вентиляции, розу ветров, степень инсоляции здания и многое другое.

В случае же, когда речь идет об отоплении одного небольшого дома, тепловую мощность проще подобрать с определенным запасом. Цена нескольких дополнительных секций батареи едва ли покажется разорительной на фоне общей стоимости строительства.

Эксплуатационные расходы же при должной организации не увеличатся вовсе: термостаты и дроссели ограничат тепловую мощность в теплые дни, когда она не будет востребованной.

Итак: наша цель – научиться выполнять расчет нагрузки на отопление максимально простыми и понятными неспециалисту способами.

Что считаем

Нам предстоит научиться рассчитывать:

  • Общую тепловую мощность (суммарную мощность отопительных приборов, а в случае автономной системы – еще и мощность котла).
  • Мощность отдельного отопительного прибора в отдельно взятом помещении.

Кроме того, мы затронем несколько смежных величин:

  • Расчет количества теплоносителя и объема расширительного бака системы отопления.

Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

Закрытая автономная система не будет работать без расширительного бака.

  • Подбор производительности циркуляционного насоса.
  • Выбор оптимального диаметра розлива.

Общая тепловая мощность

По площади

СНиПы полувековой давности предлагают простейшую схему расчета, которой многие пользуются по сей день: на 1 квадратный метр площади отапливаемого помещения берется 100 ватт тепла. На дом площадью 100 квадратов нужно 10 КВт. Точка.

Просто, понятно и… слишком неточно.

Причины?

  • СНиПы разрабатывались для многоквартирных домов. Утечки тепла в квартире, окруженной отапливаемыми помещениями, и в частном доме с ледяным воздухом за стенами несопоставимы.
  • Расчет верен для квартир с высотой потолка 2,5 метра. Более высокий потолок увеличит объем помещения, а, стало быть, и затраты тепла.
  • Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Отапливать квадратный метр площади в этом доме явно труднее, чем в хрущевке.

  • Через окна и двери теряется куда больше тепловой энергии, чем через стены.
  • Наконец, будет логичным предположить, что потери тепла в Сочи и Якутске будут сильно различаться. Увеличение дельты температур между помещением и улицей в два раза увеличит затраты тепла на отопление ровно вдвое. Физика, однако.
  • По объему

    Для помещений с нормированным тепловым сопротивлением ограждающих конструкций (для Москвы – 3,19 м2*С/Вт) можно использовать расчет тепловой мощности по объему помещения.

    • На кубометр отапливаемого объема квартиры берется 40 ватт тепла. На кубометр объема частного дома без общих стен с соседними отапливаемыми строениями – 60.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Для таунхаусов и квартир на крайних этажах берутся промежуточные значения.

    • На каждое окно к базовому значению добавляется 100 ватт тепловой энергии. На каждую ведущую на улицу дверь – 200.
    • Полученная мощность умножается на региональный коэффициент:
    Регион Коэффициент
    Краснодар, Крым 0,7-0,9
    Ленинградская и Московская области 1,2-1,3
    Сибирь, Дальний Восток 1,5-1,6
    Чукотка, Якутия 2,0

    Давайте еще раз рассчитаем потребность в тепловой мощности отопления для дома площадью 100 квадратов, однако теперь конкретизируем задачу:

    Параметр Значение
    Высота потолков 3,2 м
    Количество окон 8
    Количество ведущих на улицу дверей 2
    Расположение Г. Тында (средняя температура января – -28С)

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Зима в Тынде.

  • Высота потолков в 3,2 метра даст нам внутренний объем дома в 3,2*100=320 м3.
  • Базовая тепловая мощность составит 320*60=19200 ватт.
  • Окна и двери внесут свою лепту: 19200+(100*8)+(200*2)=20400 ватт.
  • Бодрящий холод января заставит нас использовать климатический коэффициент 1,7. 20400*1,7=34640 ватт.
  • Как нетрудно заметить, разница с расчетом по первой схеме не просто велика – она разительна.

    Что делать, если качество утепления дома существенно лучше или хуже, чем предписывает СНиП “Тепловая защита зданий”?

    По объему и коэффициенту утепления

    Инструкция для этой ситуации сводится к использования формулы вида Q=V*Dt*K/860, в которой:

    • Q – заветный показатель тепловой мощности в киловаттах.
    • V – Объем отапливаемого помещения.
    • Dt -дельта температур между помещением и улицей в пик холодов.
    • K – коэффициент, зависящий от степени утепления здания.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Дом из sip-панелей явно будет терять меньше тепла, чем кирпичный.

    Две переменных требуют отдельных комментариев.

    Дельта температур берется между предписанной СНиП температурой жилого помещения (+18 для регионов с нижней границей зимних холодов до -31С и +20 – для зон с более сильными морозами) и средним минимумом наиболее холодного месяца. Ориентироваться на абсолютный минимум не стоит: рекордные холода редки и, простите за невольный каламбур, погоды не делают.

    Коэффициент утепления можно вывести аппроксимацией данных из следующей таблицы:

    Коэффициент утепления Ограждающие конструкции
    0,6 – 0,9 Пенопластовая или минераловатная шуба, утепленная кровля, энергосберегающие тройные стеклопакеты
    1,-1,9 Кладка в полтора кирпича, однокамерные стеклопакеты
    2 – 2,9 Кладка в кирпич, окна в деревянных рамах без утепления
    3-4 Кладка в полкирпича, остекление в одну нитку

    Давайте еще раз выполним расчет тепловых нагрузок на отопление для нашего дома в Тынде, уточнив, что он утеплен пенопластовой шубой толщиной 150 мм и защищен от непогоды окнами с тройными стеклопакетами.

    Собственно, иначе современные дома в условиях Крайнего Севера не строятся.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Жители северных регионов страны вынуждены очень серьезно относиться к утеплению дома.

  • Температуру внутри дома примем равной +20 С.
  • Средний минимум января услужливо подскажет общеизвестная интернет-энциклопедия. Он равен -33С.
  • Таким образом, Dt=53 градуса.
  • Коэффициент утепления возьмем равным 0,7: описанное нами утепление близко к верхней границе эффективности.
  • Q=320*53*0,7/860=13,8 КВт. Именно на это значение и стоит ориентироваться при выборе котла.

    Подбор мощности отопительного прибора

    Как вычислить тепловую нагрузку на участок контура, соответствующий отдельно взятому помещению?

    Проще простого: выполнив расчет по одной из приведенных выше схем, но уже для объема комнаты. Скажем, на комнату площадью 10 м2 будет приходиться ровно 1/10 общей тепловой мощности; согласно расчету по последней схеме она равна 1380 ватт.

    Как подобрать отопительный прибор с нужными характеристиками?

    В общем случае – просто-напросто изучив документацию на присмотренный вами радиатор или конвектор. Производители обычно указывают значение теплового потока для отдельной секции или всего прибора.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Параметры некоторых биметаллических секционных радиаторов.

    Нюанс: тепловой поток обычно указывается для 70-градусной дельты температур между теплоносителем и воздухом в комнате.
    Уменьшение этой дельты вдвое повлечет за собой двукратное падение мощности.

    Если в силу каких-то причин документация и сайт производителя недоступны, можно ориентироваться на следующие средние значения:

    Тип секционного радиатора Тепловой поток на одну секцию, ватты
    Чугунный 140-160
    Биметаллический (сталь и алюминий) 180
    Алюминиевый 200

    Отдельно стоит оговорить расчет теплоотдачи регистра.

    Для горизонтальной трубы круглого сечения она рассчитывается по формуле Q=Pi*Dн*L*k*Dt, в которой:

    • Q – тепловая мощность в ваттах;
    • Pi – число “пи”, принимаемое равным 3,1415;
    • Dн – наружный диаметр секции регистра в метрах.
    • L – длина трубы в метрах.
    • k – коэффициент теплопроводности, который для стальной трубы берется равным 11,63 Вт/м2*С;
    • Dt – дельта температур между теплоносителем и воздухом в комнате.

    Типичный регистр состоит из нескольких секций. При этом все они, кроме первой, находятся в восходящем потоке теплого воздуха, что уменьшает параметр Dt и прямо влияет на теплоотдачу. Именно поэтому для второй и прочих секций используется дополнительный коэффициент 0,9.

    Сопроводим примером и этот расчет.

    Давайте вычислим тепловую мощность четырехсекционного регистра длиной три метра, выполненного из трубы с наружным диаметром 208 мм, при температуре теплоносителя 70 градусов и температуре воздуха в комнате 20 градусов.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Четырехрядный отопительный регистр.

  • Мощность первой секции составит 3,1415*0,208*3*11,63*50=1140 ватт (с округлением до целого числа).
  • Мощность второй и прочих секций равна 1140*0,9=1026 ватт.
  • Полная тепловая мощность регистра – 1140+(1026*3)=4218 ватт.
  • Объем расширительного бака

    Это один из параметров, нуждающихся в расчете в автономной отопительной системе. Расширительный бак должен вместить избыток теплоносителя при его температурном расширении. Цена его недостаточного объема – постоянное срабатывание предохранительного клапана.

    Однако: завышенный объем бачка никаких негативных последствий не имеет.

    В простейшем варианте расчета бак берется равным 10% общего количества теплоносителя в контуре. Как узнать количество теплоносителя?

    Вот пара простых решений:

    • Система заполняется водой, после чего та сливается в любую мерную посуду.
    • Кроме того, в сбалансированной системе объем теплоносителя в литрах примерно равен 13-кратной мощности котла в киловаттах.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Мощность котла должна соответствовать количеству теплоносителя.

    Более сложная (но и дающая более точный результат) формула расчета бачка выглядит так:

    V = (Vt х E)/D.

    В ней:

    • V – искомый объем бака в литрах.
    • Vt – объем теплоносителя в литрах.
    • Е – коэффициент расширения теплоносителя при максимальной рабочей температуре контура.
    • D – коэффициент эффективности бака.

    И в этом случае пара параметров нуждается в комментариях.

    Коэффициент расширения воды, которая чаще всего выступает в качестве теплоносителя, при нагреве с исходной температуры в +10С можно взять из следующей таблицы:

    Нагрев, С Расширение, %
    30 0,75
    40 1,18
    50 1,68
    60 2,25
    70 2,89
    80 3,58
    90 4,34
    100 5,16

    Полезно: водно-гликолевые смеси, использующиеся в качестве антифризов для отопительных контуров, расширяются при нагреве несколько сильнее.
    Разница достигает 0,45% при нагреве на 100 градусов 30-процентного раствора гликоля.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    На фото – антифриз для системы отопления.

    Коэффициент эффективности расширительного бачка вычисляется по следующей формуле: D = (Pv – Ps) / (Pv + 1).

    В ней:

    • Pv – максимально допустимое рабочее давление в контуре. На него выставляется срабатывание предохранительного клапана. Как правило, оно выбирается равным 2,5 атмосферы.
    • Ps – давление зарядки бака. Оно обычно соответствует высоте водяного столба в контуре над баком. Скажем, в системе отопления, где верх радиаторов на втором этаже возвышается над баком, смонтированным в подвале, на 5 метров, бак заряжается давлением в 0,5 атмосферы (что соответствует пятиметровому напору).

    Давайте в качестве примера выполним своими руками расчет бачка для следующих условий:

    • Объем теплоносителя в контуре равен 400 литрам.
    • Теплоноситель – вода, нагреваемая котлом с 10 до 70 градусов.
    • Предохранительный клапан выставлен на 2,5 кгс/см2.
    • Расширительный бак накачан воздухом до давления в 0,5 кгс/см2.

    Итак:

  • Коэффициент эффективности бака равен (2,5-0,5)/(2,5+1)=0,57.
  • Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Вместо расчета коэффициент эффективности бака можно взять из таблицы.

  • Коэффициент расширения воды при нагреве на 60 градусов равен 2,25%, или 0,0225.
  • Бак должен иметь минимальный объем в 400*0,0225/0,57=16 (с округлением до ближайшего значения из линейки размеров бачков) литров.
  • Насос

    Как подобрать оптимальный напор и производительность насоса?

    С напором все просто. Минимального его значения в 2 метра (0,2 кгс/см2) достаточно для контура любой разумной протяженности.

    Справка: система отопления многоквартирного дома функционирует при перепаде между смесью и обраткой именно в два метра.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Перепад между смесью (справа вверху) и обраткой (внизу) регистрируется не всяким манометром.

    Производительность может быть рассчитана по простейшей схеме: весь объем контура должен оборачиваться трижды за час. Так, для приведенного нами выше количества теплоносителя в 400 литров разумный минимум производительности циркуляционного насоса отопительной системы при рабочем напоре должен быть равен 0,4*3=1,2 м3/час.

    Для отдельных участков контура, снабжающихся собственным насосом, его производительность может быть рассчитана по формуле G=Q/(1,163*Dt).

    В ней:

    • G – заветное значение производительности в кубометрах в час.
    • Q – тепловая мощность участка системы отопления в киловаттах.
    • 1,163 – константа, средняя теплоемкость воды.
    • Dt – разница температур между подающим и обратным трубопроводами в градусах по шкале Цельсия.

    Подсказка: в автономных системах она обычно берется равной 20 градусам.

    Так, для контура с тепловой мощностью в 5 киловатт при 20-градусной дельте между подачей и обраткой нужен насос с производительностью не менее 5/(1,163*20)=0,214 м3/час.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Параметры насоса обычно указываются в его маркировке.

    Диаметр труб

    Как подобрать оптимальный диаметр розлива в контуре с известной тепловой мощностью?

    Здесь поможет формула D=354*(0,86*Q/Dt)/v.

    В ней:

    • D – внутренний диаметр трубы в сантиметрах.
    • Q – тепловая мощность контура в киловаттах.
    • Dt – дельта температур между подачей и обратным трубопроводом. Напомним, что типичное значение Dt для автономной отопительной системы – 20 С.
    • v – скорость потока. Диапазон ее значений – от 0,6 до 1,5 м/с. При более низкой скорости растет разница температур между первыми и последними радиаторами в контуре; при более высокой – становятся заметными гидравлические шумы.

    Давайте вычислим минимальный диаметр для пресловутого контура мощностью 5 КВт при скорости воды в трубах, равной 1 м/с.

    D=354*(0,86*5/20)/1=4,04 мм. С практической стороны это означает, что можно брать трубы минимально доступного размера и не бояться медленной циркуляции в них.

    Расчет тепловой нагрузки на отопление и смежных величин

    Не забудьте, что нами рассчитан внутренний диаметр. Пластиковые трубы маркируются наружным.

    Заключение

    Надеемся, что обилие формул и сухих цифр не утомило уважаемого читателя. Как обычно, прикрепленное видео предложит его вниманию дополнительную тематическую информацию. Успехов!

    Понравилась статья? Подписывайтесь на наш канал Яндекс.Дзен

    Оставить комментарий

    ОБЯЗАТЕЛЬНО приложите ФОТО проблемы — так ответ эксперта будет гораздо точней

    Оставляя комментарий, Вы принимаете пользовательское соглашение

    Ваше имя:
    Ваш e-mail:
    Источник gidroguru.com