Тепловой расчёт системы отопления: как правильно выполнить расчёт нагрузки на систему

Процесс проектирования и теплового расчёта отопления — это ключевой шаг при организации обогрева жилого пространства. Главная цель этих вычислений заключается в определении оптимальных характеристик котла и радиаторной системы.

На первый взгляд может возникнуть ощущение, что теплотехнический расчёт доступен лишь профессиональным инженерам. Тем не менее, все не так сложно, как кажется. Если вы ознакомитесь с пошаговым алгоритмом, вам удастся самостоятельно произвести необходимые расчёты.

В этой статье мы подробно объясним, как проводить расчёт, и предоставим все нужные формулы. Чтобы лучше разобраться в теме, мы также покажем пример теплового расчёта для загородного дома.

Генеральный порядок теплового расчёта отопления

Тепловой расчёт отопительной системы представляет собой совокупность технических документов, содержащих стандартные методы расчёта, которые следует выполнять поэтапно.

Но прежде чем переходить к вычислениям основных параметров, важно понять, что такое отопительная система.

Правильно выполненные расчёты и проектирование контуров автономного отопления необходимы для подбора оборудования, которое будет эффективно поддерживать нужную температуру в доме определённой площади.

Расчёты ориентируются на самый холодный месяц года, определяя период максимальной нагрузки системы.

Обязательно учитываются теплопотери, происходящие через двери и окна, а также через вентиляционное оборудование, выходящее на улицу.

При расчёте следует учитывать теплоизоляционные свойства строительных конструкций, основная задача которых — удержание тепла.

Отопительная система частного дома должна быть способна поддерживать комфортную температуру воздуха, несмотря на проветривание и открывание дверей.

Котел автономной отопительной системы обязан компенсировать теплопотери и его мощность должна обеспечивать комфортную температуру в помещении +20°C.

После выбора котла по уровню мощности важно найти оптимальный агрегат с учетом его КПД и эксплуатационных затрат.

Для систем с принудительным циркуляционным движением теплоносителя необходимо провести гидравлические расчёты, чтобы правильно выбрать насос и диаметр трубопроводов.

Цели расчётов для отопления

Специфика расчётов для отопительных систем

Учет теплопотерь через проемы

Учет теплоизоляции конструкций

Теплозатраты на нагрев воздуха

Рекомендации по выбору котла для отопления

Производительность оборудования

Отопительный контур с принудительной циркуляцией

Отопительная система включает в себя принудительное обеспечение теплом и естественный отвод его из помещения.

К основным задачам расчёта и проектирования отопительных систем относятся:

• максимально точное определение теплопотерь;
• вычисление объёма и условий использования теплоносителя;
• подбор элементов для генерации, перемещения и распределения тепла.

При создании системы отопления первоначально собираются данные о помещении, где она будет эксплуатироваться. В дальнейшем следует произвести расчеты тепловых параметров и проанализировать итоговые данные.

На основании полученных данных устанавливаются и приобретаются компоненты системы отопления, которые затем монтируются и вводятся в эксплуатацию.

Система отопления — это многоуровневая структура для поддержания заданного температурного режима в помещениях. Она является важной частью коммуникационной системы современного жилья.

Замечу, что описанный метод теплового расчёта позволяет довольно точно определить множество параметров, описывающих систему отопления.

В результате теплового расчёта вы получите следующую информацию:

• количество теплопотерь и мощности котла;
• количество и типы теплообменников для каждой комнаты;
• гидравлические характеристики трубопровода;
• объём и скорость теплоносителя, мощность насосного оборудования.

Тепловой расчёт — это не просто гипотетические данные, а точные и обоснованные выводы, которые полезно применять на практике для выбора компонентов системы отопления.

Нормы температурных режимов в помещениях

Прежде чем делать расчёты параметров системы, нужно иметь представление о предполагаемых результатах, а также ознакомиться с принятыми за стандарт значениями, которые должны использоваться в формулах.

Выполнив расчёты с указанными константами, можно уверенно полагаться на точность получаемых параметров системы.

Для различных типов помещений существуют общепринятые стандарты температурных режимов для жилых и нежилых объектов. Эти нормы задокументированы в так называемых ГОСТах.

Одним из основных параметров для системы отопления является температура в помещениях, которая должна сохраняться постоянной вне зависимости от сезона и окружающих условий.

Согласно действующим санитарным нормам, существуют различия в температуре для летнего и зимнего периодов. За поддержание комфортной температуры в летний период отвечает система кондиционирования, методика расчёта которой подробно рассмотрена в данной статье.

В то время как комфортная температура в зимний период обеспечивается отопительной системой. Поэтому нас интересуют диапазоны температур и допустимые колебания для зимнего времени.

В большинстве нормативных документов указаны температурные диапазоны, которые обеспечивают удобство пребывания в помещениях.

Для офисных помещений площадью до 100 м²:

• 22-24°C — идеальная температура;
• 1°C — допустимое отклонение.

Для офисов площадью более 100 м² оптимальная температура составляет 21-23°C. Для непроизводственных помещений температуры также варьируются в зависимости от назначения комнат и установленных норм охраны труда.

Но комфортная температура для каждого человека индивидуальна. Кто-то предпочитает тепло, а кому-то приятней прохлада — это достаточно субъективно.

Что касается жилых помещений: квартир или частных домов, то для них существуют определённые температурные диапазоны, которые могут изменяться в зависимости от предпочтений жильцов.

Тем не менее, для квартир и домов можно определить следующие диапазоны:

• 20-22°C — для жилых комнат, включая детские, допуск ±2°C;
• 19-21°C — для кухонь и туалетов, допуск ±2°C;
• 24-26°C — для ванных комнат и душевых, допуск ±1°C;
• 16-18°C — для коридоров и прихожих, допуск +3°C.

Важно отметить, что есть и другие ключевые факторы, влияющие на температуру в помещении, на которые стоит ориентироваться при расчёте систем отопления: влажность (40-60%), уровень кислорода и углекислого газа в воздухе (в соотношении 250:1), скорость движения воздушных потоков (0,13-0,25 м/с) и прочие.

Расчёт теплопотерь в жилом доме

Согласно второму закону термодинамики, энергия не может самопроизвольно передаваться от холодных объектов к горячим. Специфическим случаем этого закона является склонность систем к созданию температурного равновесия.

К примеру, первая система — это окружающая среда с температурой -20°C, вторая система — здание с внутренней температурой +20°C. Эти две системы будут стремиться к равновесию через обмен теплом, что ведёт к потерям тепла со стороны помещения и охлаждению окружающей среды.

Температура внешней среды прямо зависит от географического положения, в котором находится жилой дом. А разница температур влияет на уровень теплопотерь из здания.

Теплопотери — это нежелательный выход тепла (энергии) из какого-либо объекта (дома или квартиры). В случае обычной квартиры этот процесс менее заметен по сравнению с частным домом, так как квартира располагается внутри здания и соседствует с другими жилыми помещениями.

В частном доме тепло уходит через внешние стены, пол, крышу, окна и двери.

Определив уровень теплопотерь в самых неблагоприятных условиях и соответственно охарактеризовав эти условия, можно с высокой точностью вычислить требуемую мощность отопительной системы.

Таким образом, объём утечек тепла из здания вычисляется по следующей формуле:

Qi — объём теплопотерь для единообразной оболочки здания.

Каждый элемент формулы рассчитывается по следующему уравнению:

Q=S*∆T/R, где

• Q – уровень теплопотерь, В;
• S – площадь конкретного элемента конструкции, м²;
• ∆T – разница температур между окружающей средой и помещением, °C;
• R – теплосопротивление определённой конструкции, м²*°C/Вт.

Величину теплосопротивления для реально имеющихся материалов лучше всего брать из вспомогательных таблиц.

Также теплотехническое сопротивление может быть определено с использованием следующего соотношения:

R=d/k, где

• R – тепловое сопротивление, (м²*K)/Вт;
• k – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м²*K);
• d – толщина данного материала, м.

В зданиях, которые имеют старую кровлю и испытывают проблемы с влажностью, основной путь утечки тепла ведёт через крыши и чердаки. Для устранения данной проблемы рекомендуется утепление потолков или теплоизоляция мансардных конструкций.

Если провести утепление чердачного пространства и крыши, это значительно сократит общие тепловые потери здания.

Однако в доме также имеются другие источники потерь тепла, такие как щели в конструкциях, работа системы вентиляции, вытяжки на кухне, а также обычные открытия окон и дверей. Тем не менее, эти утечки составляют лишь около 5% от всех основных потерь тепла, поэтому их можно не учитывать.

Расчет мощности котла

Для поддержания необходимой разницы температур с внешней средой требуется автономная отопительная система, которая будет обеспечивать комфортную температуру в каждом помещении дома.

В основе этой системы лежат различные типы котлов: жидкотопливные, твердотопливные, электрические и газовые.

Котел выступает центральным элементом отопительной установки, который вырабатывает тепло. Главной характеристикой котла является его мощность, то есть скорость преобразования тепловой энергии за единицу времени.

Чтобы определить необходимую мощность котла, нужно провести расчеты тепловой нагрузки.

Для стандартной многокомнатной квартиры мощность котла вычисляется на основе площади и удельной мощности:

• S_{помещения} — общая площадь отапливаемого пространства;
• Р_{уделльная} — удельная мощность, соответствующая климатическим условиям.

Однако данная формула не учитывает теплопотери, которые в частных домах могут быть значительными.

Существует иное уравнение, включающее этот параметр:

Р_котла=(Q_потерь*S)/100, где

Необходимо увеличить расчетную мощность котла, если он будет использоваться для подогрева воды в ванной и кухне.

В большинстве частных домов рекомендуется устанавливать расширительный резервуар для хранения запасов теплоносителя. Каждому дому требуется обеспечение горячей водой.

Чтобы учесть запас мощности котла в указанной формуле, стоит добавить коэффициент запаса К:

Р_котла=(Q_потерь*S*К)/100, где

К равен 1.25, что подразумевает увеличение расчетной мощности котла на 25%.

Таким образом, мощность котла обеспечивает поддержание требуемой температуры воздуха в помещениях и наличие необходимого запаса горячей воды в доме.

Выбор радиаторов

Основными компонентами, отвечающими за отопление в помещениях, являются: радиаторы, панели, системы «теплый пол», конвекторы и прочее. Наиболее распространёнными элементами системы отопления выступают радиаторы.

Тепловой радиатор представляет собой специфическую полую конструкцию модульного типа, изготовленную из сплавов с высокой теплоотдачей. Основные материалы — это сталь, алюминий, чугун, керамика и другие сплавы. Основной принцип работы радиатора заключается в излучении тепла от теплоносителя в помещение через его «лепестки».

Современные алюминиевые и биметаллические радиаторы пришли на смену массивным чугунным батареям. Лёгкость в производстве и высокая теплоотдача сделали эти изделия популярными при использовании для обогрева помещений.

Существует несколько методов расчета температуры радиаторов в комнате. Ниже представлен список методов, упорядоченный по возрастанию точности вычислений:

1. Расчет по площади. N=(S*100)/C, где N — количество секций, S — площадь комнаты (м²), C — теплоотдача одной секции радиатора (Вт, данные берутся из технической документации), 100 Вт — количество необходимого теплового потока для нагрева 1 м² (эмпирически определённая величина). Как учесть высоту потолка в комнате?
2. Расчет по объему. N=(S*H*41)/C, где N, S, C — аналогично. Н — высота помещения, 41 Вт — необходимый тепловой поток для обогрева 1 м³ (эмпирическая величина).
3. Расчет по коэффициентам. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, где N, S, C и 100 — аналогично. k1 — учёт количества камер в стеклопакете окон, k2 — теплоизоляция стен, k3 — соотношение площади окон к площади комнаты, k4 — средняя температура в самые холодные зимние недели, k5 — количество внешних стен комнаты, k6 — тип помещения сверху, k7 — высота потолка.

Этот вариант расчёта количества секций является наиболее точным. Естественно, дробные результаты всегда округляются до следующего целого числа.

Гидравлический расчет системы водоснабжения

Несомненно, расчёты тепла для отопления были бы неполными без определения таких характеристик как объем и скорость теплоносителя. Чаще всего теплоносителем выступает обычная вода в жидком или газообразном состоянии.

Рекомендуется рассчитывать реальный объем теплоносителя путём суммирования всех полостей в системе отопления. Для одноконтурного котла это оптимально. Если используются двухконтурные котлы, необходимо учитывать расход горячей воды для хозяйственных нужд.

Расчет объема горячей воды, подогреваемой двухконтурным котлом для нужд жильцов и обогрева теплоносителя, производится путём суммирования объёма отопительного контура и реальных потребностей пользователей в горячей воде.

Объём горячей воды в системе отопления вычисляется по формуле:

W=k*P, где

• W — объем теплоносителя;
• P — мощность котла;
• k — коэффициент мощности (количество литров на единицу мощности, равен 13.5, с диапазоном 10-15 л).

Итак, конечная формула имеет вид:

W = 13.5*P

Скорость теплоносителя является последним динамическим показателем системы отопления, характеризующим скорость циркуляции жидкости в системе.

Эта величина помогает определять тип и диаметр трубопровода:

V=(0.86*P*μ)/∆T, где

• P — мощность котла;
• μ — КПД котла;
• ∆T — разница температур между подаваемой и обратной водой.

Используя вышеописанные методы гидравлического расчёта, можно получить реальные параметры, необходимые для дальнейшей установки системы отопления.

Пример расчёта тепловых потерь

Для примера возьмем обычный 1-этажный дом, состоящий из четырёх жилых комнат, кухни, ванной и хозяйственных помещений.

Фундамент выполнен из монолитной железобетонной плиты (20 см), внешние стены — из бетона (25 см) с штукатурным покрытием, крыша — перекрития из деревянных балок, кровля — из металлочерепицы с минеральной ватой (10 см).

Определим исходные параметры для расчетов:

• высота этажа — 3 м;
• малые окна на фасаде и задней стороне — 1470*1420 мм;
• большое окно на фасаде — 2080*1420 мм;
• входные двери — 2000*900 мм;
• двери на задней стороне (выход на террасу) — 2000*1400 (700 + 700) мм.

Общая ширина здания составляет 9.5 м², длина — 16 м². Отапливаться будут только жилые комнаты (4).

Для более точного подсчета теплопотерь на внешних стенах нужно вычесть площадь всех окон и дверей — это совершенно другой материал с собственным тепловым сопротивлением.

Начнём с расчёта площадей однородных материалов:

• площадь пола — 152 м²;
• площадь крыши — 180 м², при высоте чердака 1.3 м и ширине 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 внешних стен составит 51*3 — 9.22 — 7.4 = 136.38 м².

Теперь перейдём к расчету теплопотерь по каждому материалу:

• Q_пол=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 Вт;
• Q_крыша=180*40*0.1/0.05=14400 Вт;
• Q_окно=9.22*40*0.36/0.5=265.54 Вт;
• Q_двери=7.4*40*0.15/0.75=59.2 Вт;

Также Q_стена будет равен 136.38*40*0.25/0.3=4546. Общее количество теплопотерь составит 19628.4 Вт.

В конце подсчитаем мощность котла: Р_котла=Q_потерь*S_{отаплив_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.

Теперь рассчитаем количество секций радиаторов для одной из комнат. Для остальных вычисления проводятся аналогично. Например, для угловой комнаты (слева в нижнем углу схемы) площадью 10.4 м² понадобится 9 секций радиатора с теплоотдачей 180 Вт.

Теперь рассчитаем количество теплоносителя в системе: W=13.5*P=13.5*21=283.5 л. Значит, скорость теплоносителя составит: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 л.

В итоге полный оборот всего объёма теплоносителя в системе будет составлять 2.87 раз в час.

Подборка статей по тепловым расчетам поможет определиться с точными характеристиками элементов отопительной системы:

1. Расчет системы отопления частного дома: правила и практические примеры
2. Теплотехнический расчет здания: особенности и формы выполнения расчетов + практические примеры

Заключение и полезное видео по теме

Простой расчет системы отопления для частного дома представлен в следующем видеообзоре:

Ниже представлены все методы и нюансы, касающиеся расчета теплопотерь в здании:

Также существует другой способ анализа утечек тепловой энергии в обычном частном доме:

В этом видео показываются специфика циркуляции теплоносителя, который используется для обогрева жилья:

Для теплового расчёта системы отопления требуется индивидуальный подход; важно проводить его тщательно и с вниманием. Чем более точными будут проведенные расчеты, тем меньше расходов потребуется владельцам загородного дома в процессе его использования.

У вас есть опыт в проведении теплового расчета отопительной системы? Или возникли вопросы по данному вопросу? Пожалуйста, поделитесь своим опытом и оставьте комментарии. Блок для обратной связи находится ниже.