Самостоятельный расчет тепловой нагрузки на отопление: часовых и годовых показателей

Как оптимизировать затраты на отопление? Эта задача решается только комплексным подходом, учитывающим все параметры системы, здания и климатические особенности региона. При этом важнейшей составляющей является тепловая нагрузка на отопление: расчет часовых и годовых показателей входят в систему вычислений КПД системы.

Зачем нужно знать этот параметр

Что же представляет собой расчет тепловой нагрузки на отопление? Он определяет оптимальное количество тепловой энергии для каждого помещения и здания в целом. Переменными величинами являются мощность отопительного оборудования – котла, радиаторов и трубопроводов. Также учитываются тепловые потери дома.

В идеале тепловая мощность отопительной системы должна компенсировать все тепловые потери и при этом поддерживать комфортный уровень температуры. Поэтому прежде чем выполнить расчет годовой нагрузки на отопление, нужно определиться с основными факторами, влияющими на нее:

• Характеристика конструктивных элементов дома. Наружные стены, окна, двери, вентиляционная система сказываются на уровне тепловых потерь;
• Размеры дома. Логично предположить, что чем больше помещение – тем интенсивнее должна работать система отопления. Немаловажным фактором при этом является не только общий объем каждой комнаты, но и площадь наружных стен и оконных конструкций;
• Климат в регионе. При относительно небольших снижениях температуры на улице нужно малое количество энергии для компенсации тепловых потерь. Т.е. максимальная часовая нагрузка на отопление напрямую зависит от степени снижения температуры в определенный период времени и среднегодовое значение для отопительного сезона.

Учитывая эти факторы составляется оптимальный тепловой режим работы системы отопления. Резюмируя все вышесказанное можно сказать, что определение тепловой нагрузки на отопление необходимо для уменьшения расхода энергоносителя и соблюдения оптимального уровня нагрева в помещениях дома.

Для расчета оптимальной нагрузки на отопление по укрупненным показателям нужно знать точный объем здания. Важно помнить, что эта методика разрабатывалась для больших сооружений, поэтому погрешность вычислений будет велика.

Выбор методики расчета

Перед тем, как выполнить расчет нагрузки на отопление по укрупненным показателям или с более высокой точностью необходимо узнать рекомендуемые температурные режимы для жилого здания.

Во время расчета характеристик отопления нужно руководствоваться нормами СанПиН 2.1.2.2645-10. Исходя из данных таблицы, в каждой комнате дома необходимо обеспечить оптимальный температурный режим работы отопления.

Методики, по которым осуществляется расчет часовой нагрузки на отопление, могут иметь различную степень точности. В некоторых случаях рекомендуется использовать достаточно сложные вычисления, в результате чего погрешность будет минимальна. Если же оптимизация затрат на энергоносители не является приоритетной задачей при проектировании отопления – можно применять менее точные схемы.

Во время расчета почасовой нагрузки на отопление нужно учитывать суточную смену уличной температуры. Для улучшения точности вычисления нужно знать технические характеристики здания.

Простые способы вычисления тепловой нагрузки

Любой расчет тепловой нагрузки нужен для оптимизации параметров системы отопления или улучшения теплоизоляционных характеристик дома. После его выполнения выбираются определенные способы регулирования тепловой нагрузки отопления. Рассмотрим нетрудоемкие методики вычисления этого параметра системы отопления.

Зависимость мощности отопления от площади

Для дома со стандартными размерами комнат, высотой потолков и хорошей теплоизоляцией можно применить известное соотношение площади помещения к требуемой тепловой мощности. В таком случае на 10 м² потребуется генерировать 1 кВт тепла. К полученному результату нужно применить поправочный коэффициент, зависящий от климатической зоны.

Предположим, что дом находится в Московской области. Его общая площадь составлять 150 м². В таком случае часовая тепловая нагрузка на отопление будет равна:

15*1=15 кВт/час

Главным недостатком этого метода является большая погрешность. Расчет не учитывает изменение погодных факторов, а также особенности здания – сопротивление теплопередачи стен, окон. Поэтому на практике его использовать не рекомендуется.

Укрупненный расчет тепловой нагрузки здания

Укрупненный расчет нагрузки на отопление характеризуется более точными результатами. Изначально он применялся для предварительного расчета этого параметра при невозможности определить точные характеристики здания. Общая формула для определения тепловой нагрузки на отопление представлена ниже:

Где q° — удельная тепловая характеристика строения. Значения нужно брать из соответствующей таблицы, а – поправочный коэффициент, о котором говорилось выше, Vн – наружный объем строения, м³, Tвн и Tнро – значения температуры внутри дома и на улице.

Таблица удельных тепловых характеристик зданий

Предположим, что необходимо рассчитать максимальную часовую нагрузку на отопление в доме с объемом по наружным стенам 480 м³ (площадь 160 м², двухэтажный дом). В этом случае тепловая характеристика будет равна 0,49 Вт/м³*С. Поправочный коэффициент а = 1 (для Московской области). Оптимальная температура внутри жилого помещения (Твн ) должна составлять +22°С. Температура на улице при этом будет равна -15°С. Воспользуемся формулой для расчета часовой нагрузки на отопление:

Q=0.49*1*480(22+15)= 9,408 кВт

По сравнению с предыдущим расчетом полученная величина меньше. Однако она учитывает важные факторы – температуру внутри помещения, на улице, общий объем здания. Подобные вычисления можно сделать для каждой комнаты. Методика расчета нагрузки на отопление по укрупненным показателям дает возможность определить оптимальную мощность для каждого радиатора в отдельно взятом помещении. Для более точного вычисления нужно знать среднетемпературные значения для конкретного региона.

Такой метод расчета можно применять для вычисления часовой тепловой нагрузки на отопление. Но полученные результаты не дадут оптимально точную величину тепловых потерь здания.

Точные расчеты тепловой нагрузки

Но все же этот расчет оптимальной тепловой нагрузки на отопление не дает требуемую точность вычисления. Он не учитывает важнейший параметр – характеристики здания. Главной из них является сопротивление теплопередачи материал изготовления отдельных элементов дома – стен, окон, потолка и пола. Именно они определяют степень сохранения тепловой энергии, полученной от теплоносителя системы отопления.

Что же такое сопротивление теплопередачи (R)? Это величина, обратная теплопроводности (λ) – возможности структуры материала передавать тепловую энергию. Т.е. чем больше значение теплопроводности – тем выше тепловые потери. Для расчета годовой нагрузки на отопление воспользоваться этой величиной нельзя, так как она не учитывает толщину материала (d). Поэтому специалисты используют параметр сопротивление теплопередачи, который вычисляется по следующей формуле:

R=d/λ

Расчет по стенам и окнам

Существуют нормированные значения сопротивления теплопередачи стен, которые напрямую зависят от региона, где расположен дом.

В отличие от укрупненного расчета нагрузки на отопление сначала нужно вычислить сопротивление теплопередачи для наружных стен, окон, пола первого этажа и чердака. Возьмем за основу следующие характеристики дома:

• Площадь стен – 280 м². В нее включены окна – 40 м²;
• Материал изготовления стен – полнотелый кирпич (λ=0.56). Толщина наружных стен – 0,36 м. Исходя из этого рассчитываем сопротивление телепередачи — R=0.36/0.56= 0,64 м²*С/Вт;
• Для улучшения теплоизоляционных свойств был установлен наружный утеплитель – пенополистирол толщиной 100 мм. Для него λ=0,036. Соответственно R=0,1/0,036= 2,72 м²*С/Вт;
• Общее значение R для наружных стен равно 0,64+2,72= 3,36 что является очень хорошим показателем теплоизоляции дома;
• Сопротивление теплопередачи окон — 0,75 м²*С/Вт (двойной стеклопакет с заполнением аргоном).

Фактически тепловые потери через стены составят:

(1/3,36)*240+(1/0.75)*40= 124 Вт при разнице температуры в 1°С

Температурные показатели возьмем такие же, как и для укрупненного вычисления нагрузки на отопление +22°С в помещении и -15°С на улице. Дальнейший расчет необходимо делать по следующей формуле:

124*(22+15)= 4,96 кВт/час

Расчет по вентиляции

Затем необходимо вычислить потери через вентиляцию. Общий объем воздуха в здании составляет 480 м³. При этом его плотность примерно равна 1,24 кг/м³. Т.е. его масса равна 595 кг. В среднем за сутки (24 часа) происходит пятикратное обновление воздуха. В таком случае для вычисления максимальной часовой нагрузки для отопления нужно рассчитать тепловые потери на вентиляцию:

(480*40*5)/24= 4000 кДж или 1,11 кВт/час

Суммируя все полученные показатели можно найти общие тепловые потери дом:

4,96+1,11=6,07 кВт/час

Таким образом определяется точная максимальная тепловая нагрузка на отопление. Полученная величина напрямую зависит от температуры на улице. Поэтому для расчета годовой нагрузки на отопительную систему нужно учитывать изменение погодных условий. Если средняя температура в течение отопительного сезона составляет -7°С, то итоговая нагрузка на отопление будет равна:

(124*(22+7)+((480*(22+7)*5)/24))/3600)*24*150(дней отопительного сезона)=15843 кВт

Меняя температурные значения можно сделать точный расчет тепловой нагрузки для любой системы отопления.

К полученным результатам нужно прибавить значение тепловых потерь через крышу и пол. Это можно сделать поправочным коэффициентом 1,2 – 6,07*1,2=7,3 кВт/ч.

Полученная величина указывает на фактические затраты энергоносителя при работе системы. Существует несколько способов регулирования тепловой нагрузки отопления. Наиболее действенный из них – уменьшение температуры в комнатах, где нет постоянного присутствия жильцов. Это можно осуществить с помощью терморегуляторов и установленных датчиков температуры. Но при этом в здании должна быть установлена двухтрубная система отопления.

Для вычисления точного значения тепловых потерь можно воспользоваться специализированной программой Valtec. В видеоматериале показа пример работы с ней.

Расчет тепловой нагрузки на отопление дома

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ НА ОТОПЛЕНИЕ ДОМА ПО УКРУПНЕННЫМ ИЗМЕРИТЕЛЯМ

Расчет тепловой нагрузки на отопление дома произведен по удельной теплопотере, потребительский подход определения приведенных коэффициентов теплопередачи — вот главные вопросы, которые мы с вами рассмотрим в данном посте. Здравствуйте, дорогие друзья! Мы произведем с вами расчет тепловой нагрузки на отопление дома (Qо.р) различными способами по укрупненным измерителям. Итак, что нам известно на данный момент:1. Расчетная зимняя температура наружного воздуха для проектирования отопления tн = -40 оС. 2. Расчетная (усредненная) температура воздуха внутри отапливаемого дома tв = +20 оС. 3. Объем дома по наружному обмеру V = 490,8 м3. 4. Отапливаемая площадь дома Sот = 151,7 м2 (жилая – Sж = 73,5 м2). 5. Градусо сутки отопительного периода ГСОП = 6739,2 оС*сут.

Расчет тепловой нагрузки на отопление дома

1. Расчет тепловой нагрузки на отопление дома по отапливаемой площади. Здесь все просто – принимается, что теплопотери составляют 1 кВт * час на 10 м2 отапливаемой площади дома, при высоте потолка до 2,5м. Для нашего дома расчетная тепловая нагрузка на отопление будет равна Qо.р = Sот * wуд = 151,7 * 0,1 = 15,17 кВт. Определение тепловой нагрузки данным способом не отличается особой точностью. Спрашивается, откуда же взялось данное соотношение и насколько оно соответствует нашим условиям. Вот здесь то и надо сделать оговорочку, что данное соотношение справедливо для региона Москвы (tн = до -30 оС) и дом должен быть нормально утепленным. Для других регионов России удельные теплопотери wуд , кВт/м2 приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Регион	wуд , кВт/м2
Москва, Московская область, Центральные области Европейской части России (включая Ленинградскую на севере и Курскую на юге)	0,10-0,15
Северные регионы (Карелия, Архангельская область, республика Коми и др.)	0,15-0,2
Южные регионы (Воронежская, Волгоградская области, Краснодарский край и др.)	0,07-0,09

Что еще надо учесть при выборе коэффициента удельных теплопотерь? Cолидные проектные организации требуют от «Заказчика» до 20-ти дополнительных данных и это оправдано, так как правильный расчет потерь тепла домом — один из основных факторов, определяющий, насколько комфортно будет находиться в помещении. Ниже приведены характерные требования с разъяснениями:
— суровость климатической полосы – чем ниже температура «за бортом», тем сильнее придется топить. Для сравнения: при -10 градусах – 10 кВт, а при -30 градусах – 15 кВт;
— состояние окон – чем герметичней и больше количество стекол, тем потери уменьшаются. К примеру (при -10 градусах): стандартная двойная рама – 10 кВт, двойной стеклопакет – 8 кВт, тройной стеклопакет – 7 кВт;
— отношения площадей окон и пола – чем больше окна, тем больше потерь. При 20 % — 9 кВт, при 30 % — 11 кВт, а при 50 % — 14 кВт;
— толщина стен или теплоизоляция напрямую влияют на потери тепла. Так при хорошей теплоизоляции и достаточной толщине стен (3 кирпича – 800 мм) требуется 10 кВт, при 150 мм утеплителя или толщине стены в 2 кирпича – 12 кВт, а при плохой изоляции или толщине в 1 кирпич – 15 кВт;
— число наружных стен – напрямую связанно со сквозняками и многосторонним воздействием промерзания. Если помещение имеет одну внешнюю стену, то требуется 9 кВт, а если — 4, то – 12 кВт;
— высота потолка хоть и не так значительно, но все же влияет на увеличение потребляемой мощности. При стандартной высоте в 2,5 м требуется 9,3 кВт, а при 5 м – 12 кВт.
Данное пояснение показывает, что грубый расчет требуемой мощности 1 кВт котла на 10 м2 отапливаемой площади, имеет обоснование.

2. Расчет тепловой нагрузки на отопление дома по укрупненным показателям согласно § 2.4 СНиП Н-36-73. Чтобы определить тепловую нагрузку на отопление данным способом, нам надо знать жилую площадь дома. Если она не известна, то принимается в размере 50% от общей площади дома. Зная расчетную температуру наружного воздуха для проектирования отопления, по таблице 2 определяем укрупненный показатель максимально-часового расхода тепла на 1 м2 жилой площади.

Таблица 2

Расчетная температура наружного воздуха для воздуха для проектирования отопления, оС	0	-10	-20	-30	-40
Укрупненный показатель максимально-часового расхода тепла на отопление жилых зданий (на 1 м2 жилой площади), кДж/(ч*м2)	335	461	545	628	670

Для нашего дома расчетная тепловая нагрузка на отопление будет равна Qо.р = Sж * wуд.ж = 73,5 * 670 = 49245 кДж/ч или 49245/4,19=11752 ккал/ч или 11752/860=13,67 кВт

3. Расчет тепловой нагрузки на отопление дома по удельной отопительной характеристике здания. Определять тепловую нагрузку по данному способу будем по удельной тепловой характеристике (удельная теплопотеря тепла) и объема дома по формуле:

Qо.р = α * qо * V * (tв – tн ) * 10-3 , кВт

Qо.р – расчетная тепловая нагрузка на отопление, кВт;
α — поправочный коэффициент, учитывающий климатические условия района и применяемый в случаях, когда расчетная температура наружного воздуха tн отличается от -30 оС, принимается по таблице 3;
qо – удельная отопительная характеристика здания, Вт/м3 * оС;
V – объем отапливаемой части здания по наружному обмеру, м3;
tв – расчетная температура воздуха внутри отапливаемого здания, оС;
tн – расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, оС.
В данной формуле все величины, кроме удельной отопительной характеристики дома qо, нам известны. Последняя является теплотехнической оценкой строительной части здания и показывает тепловой поток, необходимый для повышения температуры 1 м3 объема постройки на 1 °С. Численное нормативное значение данной характеристики, для жилых домом и гостиниц, приведено в таблице 4.

Поправочный коэффициент α

Таблица 3

tн	-10	-15	-20	-25	-30	-35	-40	-45	-50
α	1,45	1,29	1,17	1,08	1	0,95	0,9	0,85	0,82

Удельная отопительная характеристика здания, Вт/м3 * оС

Таблица 4

Тип здания	Строительный объем здания V,тыс.м3	Удельная отопительная характеристика на отопление qо, Вт/м3 * оС
Жилые дома, гостиницы, общежития	до 3 до 5 до 10	0,49 0,44 0,39

Итак, Qо.р = α* qо * V * (tв – tн ) * 10-3 = 0,9 * 0,49 * 490,8 * (20 – (-40) ) * 10-3 = 12,99 кВт. На стадии технико-экономического обоснования строительства (проекта) удельная отопительная характеристика должна являться одним из контрольных ориентиров. Все дело в том, что в справочной литературе, численное значение ее разное, поскольку приведена она для разных временных периодов, до 1958года, после 1958года, после 1975года и т.д. Кроме того, хоть и не значительно, но менялся также и климат на нашей планете. А нам бы хотелось знать значение удельной отопительной характеристики здания на сегодняшний день. Давайте попробуем определить ее самостоятельно.

ПОРЯДОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ОТОПИТЕЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1. Предписывающий подход к выбору сопротивления теплопередаче наружных ограждений. В этом случае расход тепловой энергии не контролируется, а значения сопротивлений теплопередаче отдельных элементов здания должно быть не менее нормируемых значений, смотри таблицу 5. Здесь уместно привести формулу Ермолаева для расчета удельной отопительной характеристики здания. Вот эта формула

qо = [Р/S * ((kс + φ * (kок — kс)) + 1/Н * (kпт + kпл)], Вт/м3 * оС

φ – коэффициент остекления наружных стен, принимаем φ = 0,25. Данный коэффициент принимается в размере 25% от площади пола; Р – периметр дома, Р = 40м; S – площадь дома (10 *10), S = 100 м2; Н – высота здания, Н = 5м; kс, kок, kпт, kпл – приведенные коэффициенты теплопередачи соответственно наружной стены, световых проемов (окон), кровли (потолка), перекрытия над подвалом (пола). Определение приведенных коэффициентов теплопередачи, как при предписывающем подходе, так и при потребительском подходе, смотри таблицы 5,6,7,8. Ну что ж, со строительными размерами дома мы определились, а как быть с ограждающими конструкциями дома? Из каких материалов должны быть изготовлены стены, потолок пол, окна и двери? Дорогие друзья, вы должны четко понять, что на данном этапе нас не должен волновать выбор материала ограждающих конструкций. Спрашивается, почему? Да потому, что в выше приведенную формулу мы поставим значения нормируемых приведенных коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций. Так вот, независимо из какого материала будут выполнены эти конструкции и какова их толщина, сопротивление должно быть определенным. (Выписка из СНиП II-3-79* Строительная теплотехника).

Нормируемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций
(предписывающий подход)

Таблица 5

Здания	ГСОП, оС*сут	Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Rо, м2 * оС/Вт (не менее)
		Стен	Полов	Потолков	Окон
Жилые	2000 4000 6000 8000 10000 12000 6739,2	2,1 2,8 3,5 4,2 4,9 5,6 3,76	3,2 4,2 5,2 6,2 7,2 8,2 5,57	2,8 3,7 4,6 5,5 6,4 7,3 4,93	0,3 0,45 0,6 0,7 0,75 0,8 0,47

Определение приведенных коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций
(предписывающий подход)

Таблица 6

Здания	ГСОП, оС*сут	Приведенные коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций kпр = 1/ Rо, Вт/ м2 * оС (не менее)
		Стен	Полов	Потолков	Окон
Жилые	6739,2	0,266	0,18	0,203	2,13

И вот только теперь, зная ГСОП = 6739,2 оС*сут, методом интерполяции мы определяем нормируемые сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, смотри таблицу 5. Приведенные коэффициенты теплопередачи будут равны соответственно: kпр = 1/ Rо и приведены в таблице 6. Удельная отопительная характеристика дома qо = = [Р/S * ((kс + φ * (kок — kс)) + 1/Н * (kпт + kпл)] = [40/100 * ((0,266 + 0,25 * (2,13 – 0,266)) + 1/5 * (0,203 + 0,18)] = 0,37 Вт/м3 * оС
Расчетная тепловая нагрузка на отопление при предписывающем подходе будет равна Qо.р = α* qо * V * (tв – tн ) * 10-3 = 0,9 * 0,37 * 490,8 * (20 – (-40) ) * 10-3 = 9,81 кВт

2. Потребительский подход к выбору сопротивления теплопередаче наружных ограждений . В данном случае, сопротивление теплопередаче наружных ограждений можно снижать в сравнении с величинами указанными в таблице 5, пока расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление дома не превысит нормируемый. Сопротивление теплопередаче отдельных элементов ограждения не должно быть ниже минимальных величин: для стен жилого дома Rс = 0,63Rо, для пола и потолка Rпл = 0,8Rо, Rпт = 0,8Rо, для окон Rок = 0,95Rо. Результаты расчета приведены в таблице 7. В таблице 8 приведены приведенные коэффициенты теплопередачи при потребительском подходе. Что касается удельного расхода тепловой энергии за отопительный период, то для нашего дома эта величина равна 120 кДж/ м2 * оС* сут. И определяется она по СНиП 23-02-2003. Мы же определим данную величину когда будем производить расчет тепловой нагрузки на отопление более подробным способом – с учетом конкретных материалов ограждений и их теплофизических свойств (п. 5 нашего плана по расчету отопления частного дома).

Нормируемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций
(потребительский подход)

Таблица 7

Здания	ГСОП, оС*сут	Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций Rо, м2 * оС/Вт (не менее)
		Стен	Полов	Потолков	Окон
Жилые	6739,2 2,1	3,76*0,63 =2,37	5,57*0,8 = 4,46	4,93* 0,8 = 3,94	0,47* 0,95 = 0,446

Определение приведенных коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций
(потребительский подход)

Таблица 8

Здания	ГСОП, оС*сут	Приведенные коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций kпр = 1/ Rо, Вт/ м2 * оС (не менее)
		Стен	Полов	Потолков	Окон
Жилые	6739,2	0,422	0,224	0,254	2,24

Удельная отопительная характеристика дома qо = = [Р/S * ((kс + φ * (kок — kс)) + 1/Н * (kпт + kпл)] = [40/100 * ((0,422 + 0,25 * (2,24 – 0,422)) + 1/5 * (0,254 + 0,224)] = 0,447 Вт/м3 * оС. Расчетная тепловая нагрузка на отопление при потребительском подходе будет равна Qо.р = α * qо * V * (tв – tн ) * 10-3 = 0,9 * 0,447 * 490,8 * (20 – (-40) ) * 10-3 = 11,85 кВт

Расчет тепловой нагрузки на отопление дома

Основные выводы:
1. Расчетная тепловая нагрузка на отопление по отапливаемой площади дома, Qо.р = 15,17 кВт.
2. Расчетная тепловая нагрузка на отопление по укрупненным показателям согласно § 2.4 СНиП Н-36-73. отапливаемой площади дома, Qо.р = 13,67 кВт.
3. Расчетная тепловая нагрузка на отопление дома по нормативной удельной отопительной характеристике здания, Qо.р = 12,99 кВт.
4. Расчетная тепловая нагрузка на отопление дома по предписывающему подходу к выбору сопротивления теплопередаче наружных ограждений, Qо.р = 9,81 кВт.
5. Расчетная тепловая нагрузка на отопление дома по потребительскому подходу к выбору сопротивления теплопередаче наружных ограждений, Qо.р = 11,85 кВт.
Как видите, дорогие друзья, расчетная тепловая нагрузки на отопление дома при разном подходе к ее определению, разнится довольно таки значительно – от 9,81 кВт до 15,17 кВт. Какую же выбрать и не ошибиться? На этот вопрос мы и постараемся ответить в следующих постах. Сегодня мы с вами выполнили 2-ой пункт нашего плана по расчету системы отопления дома. Кто еще не успел присоединяйтесь!

С уважением, Григорий Володин