Формулы расчета теплопотерь дома

Первый шаг в организации отопления частного дома — расчет теплопотерь. Цель этого расчета — выяснить, сколько тепла уходит наружу сквозь стены, полы, кровлю и окна (общее название — ограждающие конструкции) при самых суровых морозах в данной местности. Зная, как рассчитать теплопотери по правилам, можно получить довольно точный результат и приступить к подбору источника тепла по мощности.

Базовые формулы

Чтобы получить более-менее точный результат, необходимо выполнять вычисления по всем правилам, упрощенная методика (100 Вт теплоты на 1 м² площади) здесь не подойдет. Общие потери теплоты зданием в холодное время года складываются из 2 частей:

• теплопотерь через ограждающие конструкции;
• потерь энергии, идущей на нагрев вентиляционного воздуха.

Базовая формула для подсчета расхода тепловой энергии через наружные ограждения выглядит следующим образом:

Q = 1/R х (t_в — t_н) х S х (1+ ∑β). Здесь:

• Q — количество тепла, теряемого конструкцией одного типа, Вт;
• R — термическое сопротивление материала конструкции, м²°С / Вт;
• S — площадь наружного ограждения, м²;
• t_в — температура внутреннего воздуха, °С;
• t_н — наиболее низкая температура окружающей среды, °С;
• β — добавочные теплопотери, зависящие от ориентации здания.

Термическое сопротивление стен либо кровли здания определяется исходя из свойств материала, из которого они сделаны, и толщины конструкции. Для этого используется формула R = δ / λ, где:

Если стена возведена из 2 материалов (например, кирпич с утеплителем из минваты), то термическое сопротивление рассчитывается для каждого из них, а результаты суммируются. Уличная температура выбирается как по нормативным документам, так и по личным наблюдениям, внутренняя — по необходимости. Добавочные теплопотери — это коэффициенты, определенные нормами:

1. Когда стена либо часть кровли повернута на север, северо-восток или северо-запад, то β = 0,1.
2. Если конструкция обращена на юго-восток или запад, β = 0,05.
3. β = 0, когда наружное ограждение выходит на южную или юго-западную сторону.

Порядок выполнения вычислений

Чтобы учесть все тепло, уходящее из дома, необходимо сделать расчет теплопотерь помещения, причем каждого по отдельности. Для этого производятся замеры всех ограждений, соседствующих с окружающей средой: стен, окон, крыши, пола и дверей.

Важный момент: обмеры следует выполнять по внешней стороне, захватывая углы строения, иначе расчет теплопотерь дома даст заниженный расход тепла.

Окна и двери измеряются по проему, который они заполняют.

По результатам замеров рассчитывается площадь каждой конструкции и подставляется в первую формулу (S, м²). Туда же вставляется значение R, полученное делением толщины ограждения на коэффициент теплопроводности строительного материала. В случае с новыми окнами из металлопластика величину R вам подскажет представитель фирмы-установщика.

В качестве примера стоит провести расчет теплопотерь через ограждающие стены из кирпича толщиной 25 см, площадью 5 м² при температуре окружающей среды -25°С. Предполагается, что внутри температура составит +20°С, а плоскость конструкции обращена к северу (β = 0,1). Сначала нужно взять из справочной литературы коэффициент теплопроводности кирпича (λ), он равен 0,44 Вт/(м°С). Затем по второй формуле вычисляется сопротивление передаче тепла кирпичной стены 0,25 м:

R = 0,25 / 0.44 = 0,57 м²°С / Вт

Чтобы определить теплопотери помещения с этой стенкой, все исходные данные надо подставить в первую формулу:

Q = 1 / 0,57 х (20 — (-25)) х 5 х (1 + 0,1) = 434 Вт = 4.3 кВт

Если в комнате имеется окно, то после вычисления его площади следует таким же образом определить теплопотери сквозь светопрозрачный проем. Такие же действия повторяются относительно полов, кровли и входной двери. В конце все результаты суммируются, после чего можно переходить к следующему помещению.

Учет тепла на подогрев воздуха

Выполняя расчет теплопотерь здания, важно учесть количество тепловой энергии, расходуемой системой отопления на подогрев вентиляционного воздуха. Доля этой энергии достигает 30% от общих потерь, поэтому игнорировать ее недопустимо. Рассчитать вентиляционные теплопотери дома можно через теплоемкость воздуха с помощью популярной формулы из курса физики:

Здесь все величины известны, кроме массового расхода воздуха при вентиляции помещений. Чтобы не усложнять себе задачу, стоит согласиться с условием, что воздушная среда обновляется во всем доме 1 раз в час. Тогда объемный расход воздуха нетрудно посчитать путем сложения объемов всех помещений, а затем нужно перевести его в массовый через плотность. Поскольку плотность воздушной смеси меняется в зависимости от его температуры, нужно взять подходящее значение из таблицы:

Температура воздушной смеси, ºС	— 25	— 20	— 15	— 10	— 5	0	+ 5	+ 10
Плотность, кг/м 3	1,422	1,394	1,367	1,341	1,316	1,290	1,269	1,247

Пример. Необходимо просчитать вентиляционные теплопотери здания, куда поступает 500 м³ в час с температурой -25°С, внутри поддерживается +20°С. Сначала определяется массовый расход:

m = 500 х 1,422 = 711 кг/ч

Подогрев такой массы воздуха на 45°С потребует такого количества теплоты:

Q_возд = 0.28 х 711 х 45 = 8957 Вт, что примерно равно 9 кВт.

По окончании расчетов результаты тепловых потерь сквозь наружные ограждения суммируются с вентиляционными теплопотерями, что дает общую тепловую нагрузку на систему отопления здания.

Представленные методики вычислений можно упростить, если формулы ввести в программу Excel в виде таблиц с данными, это существенно ускорит проведение расчета.

Расчёт потерь тепла с трубопроводов
Тепловых сетей

Расчёт потерь тепла с трубопроводов тепловых сетей выполнен на основе методики приведенной в СНиП 2.04.14 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.

Методика расчёта тепловых потерь пригодна для всех трубопроводов, на которые распространяется действие данных норм, за исключением систем с отрицательной температурой рабочей среды.

Расчёт величины тепловых потерь выполнен по нормативной плотности теплового потока через изолированную поверхность трубопровода. В методике использованы табличные данные удельных тепловых потерь с одного метра трубы, приведенные в СНиП. Потери тепла для диаметров труб и температур теплоносителя, не приведенных в таблицах — определены методами интерполяции и экстраполяции.

Расчётные потери тепла трубопроводами тепловой сети определяется по формуле:

q – удельная нормативная величина тепловых потерь с одного метра трубы, Вт/м, при средней температуре теплоносителя и заданном количестве часов работы в год, определяется для каждого из диаметров по табличным данным СНиП 2.04.14;

k – коэффициент, учитывающий дополнительные потери тепла с опор трубопровода и арматуры, принимается по табличным данным;

b – коэффициент, учитывающий изменение плотности теплового потока через теплоизоляционный слой из пенополиуретана (ППУ), определяется по СНиП 2.04.14;

l – длина участка трубопровода, м.

Температуру теплоносителя для расчёта потерь тепла в тепловых сетях следует принимать:

• среднюю температуру теплоносителя за год — для непрерывно работающих сетей;
• среднюю температуру теплоносителя за период со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже 8°С — для тепловых сетей работающих только в отопительный период.

Расчётные температуры в двухтрубных водяных тепловых сетях при качественном регулировании в зависимости от температурного графика отпуска тепла применяют:

Расчётные температуры
по ДБН В.2.5-39
Тепловые сети

Как произвести расчет теплопотерь частного дома + формулы

Как произвести расчет теплопотерь частного дома + формулы

Чтобы ваш дом не был бездонной ямой для расходов на отопление, стоит изучить базовые направления тепловых технических изысканий и методы расчетов. Без заранее проведенного расчета тепловой проницаемости и накопления влаги теряется вся суть строительства домов. Предлагаем рассмотреть, как сделать расчет теплопотерь частного дома.

Разные области физики имеют много похожего в описании явлений, которыми ими изучаются. Все то же и в теплотехнике – принципы, которые описывают термодинамические системы, наглядно перекликаются с основами электрического магнетизма, классической механики и гидродинамики.

В конце концов, речь пойдет об описании одного и того же мира, и поэтому будет неудивительно, что модели процессов характеризуются определенными общими чертами в большинстве областей исследований.

Общие сведения

Теплотехнические процессы и их физика

Суть тепловых явлений понять несложно. Температура тела или степень нагревание будет ничем иным, как мера интенсивности колебаний элементарных частиц, их которых тело состоит. Понятно, что при столкновении двух частиц та, у которой выше энергетический уровень, будет отдавать энергию частице, у которой энергии меньше, но не наоборот. Но это не единственный путь обмена энергий, потому что передача возможна за счет квантов излучения тепла. При этом основной принцип обязательно сохранится – квант, излученный менее прогретым атомом, не в состоянии передавать энергию более горячим элементами частицам. Он просто отражается от нее и может бесследно пропасть, или же передать свою энергию второму атому, у которого меньше энергии.

Термодинамика прекрасна тем, что происходящие в ней процессы полностью наглядные, а еще могут быть интерпретированы под видом разных моделей. Главное, чтобы были соблюдены основные постулаты, к примеру, закон передачи энергии и равновесия термодинамического типа. Так что если ваше представление будет соответствовать таким правилам, то вы легко сможете понять методику теплотехнических расчетов от а до я.

Понятие сопротивления тепловой передачи

Способность тех или иных материалов передавать тепловую энергию называется тепловой проводимостью. Она всегда выше, нежели плотность вещества и тем лучше структура приспособлена для передачи колебаний кинетического типа. Величиной, которая обратно пропорциональная тепловой проводимости, будет сопротивление термического типа. У всех материалов свойство может принимать уникальные значения в зависимости от формы, структуры, а еще множество остальных факторов. К примеру, речь идет про эффективность тепловой передачи в толщу материалов и в зоне контакта с остальными средами способны отличаться, а особенно, если между материалами есть хотя бы маленькая прослойка вещества в ином агрегатном состоянии.

Формулы

Термические сопротивление количественно выражается в разнице температур, разделенной на мощность потока тепла:

• R_t является сопротивление участка термического типа, измеряется в К/Вт;
• T₂ представляет собой температуру начала участка, измеряется в К;
• T₁ это температура конца участка, тоже измеряется в К;
• P представляет собой поток тепла, обозначается как Вт.

Если говорить про расчет отопления частного дома, то термическое сопротивление будет играть определяющую роль. Любая конструкция ограждения может быть представлена как преграда плоскопараллельного типа на пути потока тепла. Ее общее сопротивление термического типа складывается из сопротивлений всех слоев по отдельно, и при этом все перегородки складываются в конструкции пространства, которая является зданием.

При этом в формуле:

• R_t —сопротивление участка цепи термически, обозначается как К/Вт;
• l — длина участка цепи тепла, измеряется в м;
• λ — коэффициент тепловой проводимости материала, измеряется в Вт/(м·К);
• S — площадь поперечного сечения участка, м 2 .

А теперь перейдем к рассмотрению факторов.

Факторы, которые влияют на тепловые потери

Процессы теплового типа прекрасно коррелируют с электротехническими – в роли напряжение будет выступать разница температур, и поток тепла можно рассмотреть, как токовую силу, а для сопротивления даже своего термина придумать не требуется. Еще в полной степени справедливо и понятие самого меньшего сопротивления, которое фигурирует в тепловой технике как мосты холода. Если рассмотреть произвольный материал в разрезе, хватит простой установку пути потока тепла как на макроуровне, и на микроуровне. В роли первой модели примем стену из бетона, в которой по технологической необходимости сделаны сквозные крепления стержнями из стали с произвольным сечением.

Сталь способна проводить тепло немного лучше бетона, и потому можно выделить 3 основных потока тепла:

• Через бетонную толщу.
• Через стержни стали.
• От остальных стержней до бетона.

Модель последнего потока тепла самая интересная. Так как стальной стержень нагревается скорее, то ближе к наружной стороне стен наблюдается разница температур материалов. Таким образом, сталь не только способна «перекачивать» тепло наружу сама по себе, она тоже будет увеличивать проводимость тепла бетона, который прилегает рядом. В пористой среде тепловые процессы протекают также. Практически все стройматериалы сделаны из разветвленной паутины твердого вещества, а еще пространство между ними заполнено воздухом. Так, главным проводником тепла будет служить плотный и твердый материал, но за счет сложностей структуры путь, по которому распространяется тепло, будет больше, чем поперечное сечение. Так, второй фактор, который определяет термическое сопротивление, это то, что каждый слой неоднородный и имеет ограждающую конструкцию в целом.

Третий фактор, который влияет на тепловую проводимость, мы назовем накопление влаги внутри пор. Вода обладает термическим сопротивлением в 25 раз меньше, нежели у воздуха, и если она будет наполнять поры, и в целом тепловая проводимость материала станет даже выше, чем если бы вообще не было пор. При замерзании воды ситуация станет еще хуже – тепловая проводимость может увеличиться до 80 раз, а источником влаги обычно становится воздух внутри комнаты и осадки. Итак, три главные способы борьбы с подобным явлением будет наружная стеновая гидроизоляция, применение паровой защиты и расчет накопления влаги, который обязательно следует произвести параллельно прогнозированию потерь тепла.

Дифференцированные схемы расчетов

Самым простым методом для установления размера потерь тепла здания будет полное суммирование значений тепловых потоков через конструкции, которыми это здание будет оборудован. Такой метод полностью учитывает разницу в структуре разных материалов, а еще специфику потока тепла сквозь них, а еще в узлах примыкания единой плоскости к иной. Такой подход к расчету тепловых потерь дома сильно упростит задачу, потому что разные конструкцию ограждающего типа могут существенно отличаться в устройство систем тепловой защиты. получается, что при раздельном исследовании определит сумму тепловых потерь проще,

потому что для этого предусмотрены разные методы вычислений:

1. Для стен утечки тепла по количеству будут равны общей площади, которая умножена на отношение разницы температур к сопротивлению. При этом следует взять во внимание стеновую ориентацию по сторонам света для учета прогревания в дневное время, а также продуваемость конструкций строительного типа.
2. Для перекрытия способ тот же, но при этом будет учтено наличие чердачного помещения и режим использования. Еще за комнатную температуру можно применять значение на 4 градуса выше, а расчетная влажность тоже будет больше на 5-10%.
3. Тепловые потери через пол считают зонально, и описывая пояса по всему периметру строения. Это связано с тем, что температура земли под полом куда выше около центра здания по сравнению с частью, где стоит фундамент.
4. Поток тепла через остекление определяется паспортными данными оконных рам, а еще следует учесть тип примыкания окон к стене, а еще глубину откосов.

Дальше перейдем к примеру по расчету.

Пример расчетов тепловой потери

Перед тем, как продемонстрировать пример расчета, следует ответить на еще один вопрос – как правильно посчитать интегральное сопротивление термического типа сложных конструкций с большим числом слоев? Это возможно сделать вручную, к счастью, в современным строительстве применяется не так много видов несущих оснований и утеплительных систем. Но учесть при этом наличие декоративной отделки, фасадной и интерьерной штукатурки, а еще влияние всех процессов переходного типа и остальных факторов весьма сложно, и лучше использовать автоматизированные вычисления. Один из лучших ресурсов сетевого типа для подобных задач будет smаrtсаlс.ru, который дополнительно составит диаграмму смещения точки росы в зависимости от условий климата.

К примеру, возьмем произвольное строение. Это будет одноэтажный дом правильной прямоугольной формы с размером 8*10 метров и высотой потолков в 3 метра. В доме сделан неутепленный пол по грунтовке досками на лагах с зазорами воздуха, а высота пола на 0.15 метров больше отметки планирования земли на участке. Материалов стен будет шлаковый монолит с толщиной 0.42 метра с внутренней известково-цементной штукатуркой с толщиной до 3 см и наружной шлаково-цементной штукатурной смесью «шуба» с толщиной до 5 см. общая площадь остекления составляет 9.5 квадратных метров, и в роли окон применяют двухкамерный стекловой пакет в тепловом сберегающей профиле со средним сопротивлением термического типа в 0.32 м 2 *С/Вт. Перекрытие сделано на деревянных балках – снизу будет оштукатурено по дранке, заполнено шлаком и сверху покрыто глиняной стяжкой, над перекрытием – холодный чердак. Задача подсчета тепловых потерь будет формирование теплозащитной системы стеновых поверхностей.

Стены

Применяя данные про местность, а еще толщину и материалы слоев, которые использованы для стен, на упомянутом выше сервисе следует заполнит соответствующие поля. По результатам расчета сопротивление тепловой передачи оказывается равно 1.11 м 2 *С/Вт, а поток тепла через стены 18 Вт на всех квадратных метров. При общей стеновой площадки (за вычетом остекления) в 102 квадратных метра общие потери тепла через стены составляет 1.92 кВт/ч. При этом тепловые потери через окна составят 1 кВт.

Кровля и перекрытие

Формула расчета теплопотерь дома через чердачное перекрытие можно сделать в онлайн-калькуляторе, выбирая требуемый тип конструкций ограждения. В результате сопротивления перекрытия тепловой передачи составляет 0.6 м 2 *С/Вт, а тепловые потери составляет 31 Вт на квадратный метр, то есть 2.6 кВт со всей площади конструкции ограждения. Итогом будут суммарные потери тепла по расчетам 7 кВт*ч. При низком качестве конструкций строительного типа показатель очевидно сильно меньше настоящего.

На самом деле расчет идеализирован, и в нем не учтены особые коэффициенты, к примеру, продуваемость, составляющая теплового обмена конвекционного типа, а еще потери через входные двери и вентиляцию. В действительно, из-за установки окон низкого качества, отсутствия защиты на примыкании крыши к мауэрлату и ужасной гидроизоляции стен от фундамента настоящие тепловые потери могут быть в 2-3 раза больше расчетных. И все-таки даже основные теплотехнические исследования помогут определиться, будут ли конструкции дома соответствовать санитарным нормам.