Расчет систем отопления (часть 2 -Теплотехнический расчет здания)

Основой для определения тепловой нагрузки систем отопления является процедура проведения теплотехнического расчета конструкций здания с учетом всех конструктивных особенностей используемых строительных материалов и их теплоизоляционных свойств. В расчетах также учитывается ориентация здания по сторонам света, наличие естественной или механической систем вентиляции и многие другие факторы теплового баланса помещений.

Методы расчета тепловой нагрузки системы отопления

1. Расчет потерь тепла по площади помещений.
2. Определение величины теплопотерь исходя из наружного объема здания.
3. Точный теплотехнический расчет всех конструкций жилого дома с учетом теплофизических коэффициентов материалов.

Расчет потерь тепла по площади помещений

Первым методом расчета тепловой нагрузки системы отопления пользуются для укрупненного определения мощности системы отопления всего дома и общего понимания количества и типа радиаторов, а также мощности котельного оборудования. Так как метод не учитывает регион строительства (расчетную наружную температуру зимой), количество потерь тепла через фундаменты, крыши или нестандартное остекление, то количество потерь тепла, рассчитанное укрупненным методом исходя из площади помещения, может быть как больше, так и меньше фактических значений.

Источники теплопотерь здания

А при использовании современных теплоизоляционных материалов мощность котельного оборудования может быть определена с большим запасом. Таким образом, при устройстве систем отопления возникнет большой перерасход материалов и будет приобретено более дорогостоящее оборудование. Поддержание комфортной температуры в помещениях будет возможно только при условии, что будет установлена современная автоматика, которая не допустит перегрева помещений выше комфортных температур.

В худшем случае, мощность системы отопления может быть занижена и дом в самые холодные дни не будет прогрет.

Тем не менее, этим способом определения мощности систем отопления пользуются достаточно часто. Следует только понимать, в каких случаях такие укрупненные расчеты приближены к реальности.

Итак, формула для укрупненного определения количества теплопотерь выглядит следующим образом:

При использовании первого метода для укрупненного метода расчета тепловой мощности следует ориентироваться на следующие рекомендации:

• В случае, когда в расчетном помещении из наружных ограждающих конструкций имеются одно окно и одна наружная стена, а высота потолков менее трех метров, то на 1м2 отапливаемой площади приходится 100 Вт тепловой энергии.
• При расчете углового помещения с двумя оконными конструкциями или балконными блоками либо помещение высотой более трех метров, то в диапазон удельной тепловой энергии на 1 м2 составляет от 120 до 150 Вт.
• Если же прибор отопления в будущем планируется устанавливать под окном в нише либо декорировать защитными экранами, поверхность радиаторов и, следовательно, их мощность необходимо увеличить на 20-30%. Это обусловлено тем, что тепловая мощность радиаторов будет частично тратиться на прогрев дополнительных конструкций.

Расчет тепловой мощности исходя из объема помещения

Этот метод определения тепловой нагрузки на системы отопления наименее универсален, чем первый, так как предназначен для расчетов помещений с высокими потолками, но при этом не учитывает, что воздух под потолком всегда теплее, чем в нижней части комнаты и, следовательно, количество потерь тепла будет различаться зонально.

Тепловая мощность системы отопления для здания или помещения с потолками выше стандартных рассчитывается исходя из следующего условия:

При использовании первого или второго метода расчета теплопотерь здания укрупненным методом можно пользоваться поправочными коэффициентами, которые в некоторой степени отражают реальность и зависимость потерь тепла зданием в зависимости от различных факторов.

1. Тип остекления:

• тройной пакет 0,85,
• двойной 1,0,
• двойной переплет 1,27.

1. Наличие окон и входных дверей увеличивает величину потерь тепла дома на 100 и 200 Ватт соответственно.
2. Теплоизоляционные характеристики наружных стен и их воздухопроницаемость:

• современные теплоизоляционные материалы 0,85
• стандарт (два кирпича и утеплитель) 1,0,
• низкие теплоизоляционные свойства или незначительная толщина стен 1,27-1,35.

1. Процентное отношение площади окон к площади помещения: 10%-0,8, 20%—0,9, 30%—1,0, 40%—1,1, 50%—1,2.
2. Расчет для индивидуального жилого дома должен производиться с поправочным коэффициентом порядка 1,5 в зависимости от типа и характеристик используемых конструкций пола и кровли.
3. Расчетная температура наружного воздуха в зимний период (для каждого региона своя, определяется нормативами): -10 градусов 0,7, -15 градусов 0,9, -20 градусов 1,10, -25 градусов 1,30, -35 градусов 1,5.
4. Тепловые потери так же растут в зависимости от увеличения количества наружных стен по следующей зависимости: одна стена – плюс 10% от тепловой мощности.

Но, тем не менее, определить какой метод даст точный и действительно верный результат тепловой мощности отопительного оборудования можно лишь после выполнения точного и полного теплотехнического расчета здания.

Теплотехнический расчет индивидуального жилого дома

Приведенные выше методики укрупненных расчетов больше всего ориентированы на продавцов или покупателей радиаторов систем отопления, устанавливаемых в типовых многоэтажных жилых домах. Но когда речь идет о подборе дорогостоящего котельного оборудования, о планировании системы отопления загородного дома, в котором кроме радиаторов будут установлены системы напольного отопления, горячего водоснабжения и вентиляции, пользоваться этими методиками крайне не рекомендуется.

Каждый владелец индивидуального жилого дома или коттеджа еще на стадии строительства достаточно скрупулезно подходит к разработке строительной документации, в которой учитываются все современные тенденции использования строительных материалов и конструкций дома. Они обязательно должны не быть типовыми или морально устаревшими, а изготовлены с учетом современных энергоэффективных технологий. Следовательно, и тепловая мощность системы отопления должна быть пропорционально ниже, а суммарные затраты на устройство системы обогрева дома значительно дешевле. Эти мероприятия позволяют в дальнейшем при использовании отопительного оборудования снижать затраты на потребление энергоресурсов.

Расчет теплопотерь выполняется в специализированных программах либо с использованием основных формул и коэффициентов теплопроводности конструкций, учитывается влияние инфильтрации воздуха, наличие или отсутствие систем вентиляции в здании. Расчет заглубленных цокольных помещений, а также крайних этажей производится по отличной от основных расчетов методике, которая учитывает неравномерность остывания горизонтальных конструкций, то есть потери тепла через крышу и пол. Выше приведенные методики этот показатель не учитывают.

Теплотехнический расчет выполняется, как правило, квалифицированными специалистами в составе проекта на систему отопления в результате которого производится дальнейший расчет количества и мощность приборов отопления, мощность отдельного оборудования, подбор насосов и другого сопутствующего оборудования.

В качестве наглядного примера выполним расчет теплопотерь в специализированной программе для трех домов, построенных по одной технологии, но с различной толщиной теплоизоляции наружных стен: 100 мм, 150 мм и 200 мм. Расчет ведется для угловой жилой комнаты с одним окном, площадью 8,12 м?. Регион строительства Московская область.

Исходные данные:

• Помещение с обмером по наружным габаритам 3000х3000;
• Окно размерами 1200х1000.

Целью расчета является определение удельной мощности системы отопления, необходимой для нагрева 1м?.

Результат:

• Qуд при т/изоляции 100 мм составляет 103 Вт/м?
• Qуд при т/изоляции 150 мм составляет 81 Вт/м?
• Qуд при т/изоляции 200 мм составляет 70 Вт/м?

Как видно из расчета, наибольшие потери тепла составляют для жилого дома с наименьшей толщиной изоляции, следовательно, мощность котельного оборудования и радиаторов будет выше на 47% чем при строительстве дома с теплоизоляцией в 200 мм.

Инфильтрация воздуха или вентиляция зданий

Все здания в особенности жилые имеют свойство «дышать», то есть проветриваться различными способами. Это обусловлено созданием разряженного воздуха в помещениях за счет устройства вытяжных каналов в конструкциях дома либо дымоходов. Как известно, вентиляционные каналы создаются в зонах с повышенными выделениями загрязнений, таких как, кухни, ванные комнаты и санузлы.

Таким образом, при работе системы вентиляции или при проветривании соблюдается главное правило создания благоприятной среды воздуха в жилых зданиях: направление движения свежего воздуха должно быть организовано из помещений с постоянным пребыванием людей в направлении помещений с максимальным уровнем загрязнения.

То есть при правильном воздухообмене приточный воздух поступает в помещение через окно, вентиляционный клапан или приточную решетку и удаляется в кухнях и санузлах.

При расчете теплопотерь знания имеет принципиальное значение, какой способ вентиляции жилых помещений будет выбран:

• Устройство механической вентиляции с подогревом приточного воздуха.
• Инфильтрация — неорганизованный воздухообмен через неплотности в стенах, при открывании окон или при использовании заранее установленных воздушных клапанов в конструкции стен или оконных стеклопакетах.

В случае применения в жилом здании сбалансированной системы вентиляции (когда объем приточного воздуха больше или равен вытяжному, то есть исключаются любые прорывания холодного воздуха в жилые помещения) воздух, поступающий в жилые помещения, предварительно прогревается в вентиляционной установке. При этом мощность, необходимая для нагрева вентиляции, учитывается в расчете мощности котельного оборудования.

Расчет вентиляционной тепловой нагрузки производится по формуле:

Если в жилых помещениях отсутствует организованный воздухообмен, то при расчете теплопотерь здания производится учет тепла, затрачиваемого системой отопления на нагрев инфильтрационного воздуха. При этом обогрев воздуха, поступающего в помещения осуществляется радиаторами систем отопления, то есть учитывается в их тепловой нагрузке.

Если в помещениях установлены герметичные стеклопакеты без встроенных воздушных клапанов, то потери тепла на нагрев воздуха, тем не менее учитываются. Это обусловлено тем, что в случае кратковременного проветривания, поступивший холодный воздух все равно требуется нагревать.

Для более комфортной вентиляции встраивается приточный стеновой клапан.

Учет количества инфильтрационной тепловой энергии производится по нескольким методикам, а в тепловом балансе здания в расчет принимается наибольшее из значений.

Например, количество тепла на нагрев воздуха, проникающего в помещения для компенсации естественной вытяжки, определяется по формуле:

Количество воздуха, поступающего в зимний период в жилые помещения, как правило, обусловлено работой естественных вытяжных систем, поэтому в одном случае принимается равным объему вытягиваемого воздуха.

Количество вытяжки в жилых помещениях определяется согласно СНиП 41-01-2003 по нормативным показателям удаления воздуха от плит и санитарных приборов.

• От кухонной плиты – электрической 60 м?/час или газовой 90 м?/час;
• Из ванны и санузлов по 25 м?/час

Во втором случае данный показатель инфильтрации определяется исходя из санитарной нормы свежего наружного воздуха, который должен поступать в помещение для обеспечения оптимального и качественного состава воздушной среды в жилых помещениях. Этот показатель определяется по удельной характеристике: 3 м?/час на 1м? жилой площади.

За расчетное значение принимается наибольший расход воздуха и соответственно большее количество теплопотерь на инфильтрацию.

Пример: Так как здание, рассматриваемое в примере, построено по каркасному типу с установкой окон в деревянных переплетах, то при создании вытяжной вентиляции на кухне и в санузлах объем инфильтрации будет достаточно высок. Дома такого типа, как правило, являются наиболее «дышащими».

Инфильтрационная составляющая определяется согласно выше приведенным методикам. Расчет производится для всего жилого дома при условии, что на кухне установлена электроплита, на первом этаже находится санузел и ванная.

То есть объем вытяжного воздуха по первой методике составляет Lвыт=60+25+25=110 м?/ч,

а по второй методике санитарная норма приточного воздуха Lприт=3м?/ч*62м?(жилая площадь)=186 м3/час.

К расчету принимаем максимальное количество воздуха.

Qинф=0,28*186*1,2*1,005*(22+28)=3 140 Вт, что составляет 44Вт/м?.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Теплотехнический расчет

Системы отопления призваны компенсировать потери тепла через ограждающие строительные конструкции: наружные стены, полы, потолки. При проведении теплотехнического расчета учитываются следующие факторы:

1. среднегодовая температура и влажность наружного воздуха в соответствии с климатической зоной;
2. направления и сила ветров;
3. толщина наружных строительных конструкций и коэффициент теплопроводности материала;
4. наличие оконных и дверных проемов, характеристики остекления;
5. наличие чердачных и подвальных помещений для первых и верхних этажей.

Правильно подобрать конечные теплотехнические приборы можно только при условии полного учета всех перечисленных параметров. При проведении расчетов лучше несколько завысить показатели, в противном случае недостаток тепловой мощности может привести к необходимости переделки всей системы в целом.

При расчете теплотехнических расчетов показатели лучше зависеть.

Выбрать потребные для данной схемы отопления приборы, в частности, радиаторы можно по результатам теплотехнического расчета. В соответствии со СНиП 41-01-2003 «Отопление и вентиляция» рекомендуемая удельная мощность для жилых помещений составляет от 100 Вт на 1 м.кв. общей площади при высоте перекрытия не более 3000 мм. Эта величина корректируется специальными коэффициентами.

Как лучше учесть все факторы для точного расчета необходимой мощности приборов отопления? Следует учесть, что наличие в комнате одного или двух окон увеличивает теплопотери на 20-30%.

Если же они находятся на северной или на ветреной стороне, то поправку можно смело увеличивать еще на 10%.

Важно! Радиаторы призваны компенсировать потери тепла и их параметры должны быть рассчитаны с некоторым запасом

1 Общая последовательность выполнения теплотехнического расчета

В
соответствии с п. 4 настоящего пособия
определить вид здания и условия, по
которым следует рассчитывать R_отр.

по
формуле (5), если здание рассчитывается
по санитарно-гигиеническим и комфортным
условиям;

по
формуле (5а) и табл. 2, если расчет должен
вестись исходя из условий энергосбережения.

Составить
уравнение общего сопротивления
ограждающей конструкции с одним
неизвестным по формуле (4) и приравнять
его R_отр.

Вычислить
неизвестную толщину слоя утеплителя
и определить общую толщину конструкции.
При этом необходимо учесть типовые
толщины наружных стен:

толщина
кирпичных стен должна быть кратна
размеру кирпича (380, 510, 640, 770 мм);

толщина
наружных стеновых панелей принимается
250, 300 или 350 мм;

толщина
панелей типа «сэндвич» принимается
равной 50, 80 или 100 мм.

Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса

При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.

При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.

Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.

Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле

Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.

При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.

Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.

Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.

Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула .

Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.

Технические требования к теплотехническим приборам

Как выбрать стальные или алюминиевые радиаторы наиболее подходящие для данных конкретных условий. Общие технические требования к приборам отопления устанавливаются ГОСТ 31311-2005. Этим документом устанавливаются основные понятия и их номинальные показатели. Максимальная температура теплоносителя для водяных приборов — 70°C при расходе не менее 60 кг в минуту и давлении в 1 атм.

При покупке радиатора важно изучить его техническую документацию. Ответ на вопрос, какие выбрать устройства для систем обогрева, и в частности радиаторы, можно получить после внимательного изучения его технической документации

На предприятии изготовителе проводят паспортные испытания, результаты которых отражаются в информационных официальных изданиях завода изготовителя

Ответ на вопрос, какие выбрать устройства для систем обогрева, и в частности радиаторы, можно получить после внимательного изучения его технической документации. На предприятии изготовителе проводят паспортные испытания, результаты которых отражаются в информационных официальных изданиях завода изготовителя.

Рекомендации, какие лучше приборы для конкретных систем отопления могут дать сотрудники эксплуатационных предприятий. Наличие теплостойкого наружного покрытия не только имеет декоративное значение, но и защищает металлические детали от коррозии. Требования к качеству таких покрытий определяется в соответствии с нормативами органов санитарного надзора и должны отвечать требованиям ГОСТ 9.032-74 (класс не ниже IV).

Важно! Оборудование систем обогрева зданий не должно иметь острых углов и кромок, способных травмировать человека при неосторожном обращении. Особенно внимательно к этому вопросу следует подходить при выборе оборудования для школ, детских садов и больниц

Определение толщины утеплителя стены

Определение толщены ограждающей конструкции. Исходные данные:

1. Район строительства – г.Средний
2. Назначение здания – Жилое.
3. Тип конструкции – трёхслойная.
4. Нормативная влажность помещения – 60%.
5. Температура внутреннего воздуха — 18°С.

Каменная кладка (котелец)

2 Порядок расчёта.

Выполняю расчёт в соответствии со СНиПом II-3-79* “Нормы проектирования. Строительная теплотехника”

А) Определяю требуемое термическое сопротивление R_{о(тр) по формуле:}

R_{о(тр)=n(tв-tн)/(Δtн*αв ) , где n ­­– коэффициент, который выбирают, учитывая расположение наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху.}

tн – расчётная зимняя tвоздуха снаружи принимаемая в соответствии с пунктом п.2.3 СНиПа“Строительная теплотехника”.

Принимаю условно 4

Определяю что tн для данного условия принимается как расчётная температура наиболее холодных первых суток: tн=t_{х(3) ; tх(1)=-20°С; tх(5)=-15°С.}

Δtн – нормативный перепад между tв воздуха и tв поверхности ограждающей конструкции, Δtн=6°С по табл. 2

αв – к-нт теплоотдачи внутренней поверхности конструкции ограждения

αв=8,7 Вт/м2°С (по табл. 4)

Б) Определяю R_о=1/αв+R₁+R₂+R₃+1/αн , где αн – к-нт теплоотдачи, для зимних условий наружной ограждающей поверхности. αн=23 Вт/м2°С по табл. 6№слоя

Для заполнения таблицы определяю условия эксплуатации ограждающей конструкции в зависимости от зон влажности и влажного режима в помещениях.

1 Влажностный режим помещений – нормальный по табл. 1

2 Зона влажности – сухая

Определяю условия эксплуатации → А

Принимаю конструктивно σ_{1(ф)=0,050 м}

3 Определяю инерционность ограждающей конструкции (массивность).

Вывод: ограждающая конструкция стены выполняется из известняка ρ=2000кг/м3, толщиной 0,390 м, утепляется пенопластом толщиной 0,050м, что обеспечивает нормальный температурно-влажностный режим помещений и отвечает санитарно- гигиеническим требованиям, предъявляемым к ним.

Классификация оборудования для систем обогрева

Стальные радиаторы наиболее распространение и у них доступная цена.

Для того чтобы правильно выбрать качественные приборы отопления необходимо получить представление в этом вопросе. Строительная индустрия предлагает большой выбор теплотехнического оборудования. Теплопередача от приборов в окружающую среду происходит за счет излучения и конвекции.

Существует несколько видов оборудования, применяемых в разных системах отопления. Как выбрать качественные радиаторы? Классификация оборудования производится по разным признакам и в том числе, по использованным в производстве материалам, по конструктивному исполнению, по способу монтажа и иным признакам.

Ответить на вопрос, какие приборы отопления лучше, помогут профессиональные продавцы консультанты из строительных супермаркетов. Наибольшее распространение получили стальные теплотехнические устройства, которые отличаются относительно невысокой стоимостью и приемлемыми прочностными характеристиками.

Они изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 19904-90 .

Хорошо зарекомендовали себя батареи из прессованного алюминиевого профиля или литые. Технология их производства определяется ГОСТ 8617-81. минимальная толщина стенки должна быть не менее полутора миллиметров. Это необходимо учитывать при подборе оборудования для обогрева помещений.

На досуге

Теплотехнический расчет систем отопления

Необходимость теплотехнического расчета систем отопления (а также других элементов и конструкций) возникает в случае проведения капитального ремонта и модернизации зданий.

Актуальность проведения таких работ на объектах повысилась последние годы в связи с большим износом зданий, построенных ещё в советские годы. Системы отопления, которыми здания оснащались еще десять лет назад, и оснащаются до сих пор, устроены таким образом, что не позволяют эффективно распределять объем тепла между этажами и отдельными элементами систем внутри здания.

Простыми словами, на некоторых участках системы отопления может отдаваться чрезмерно много тепла, а на других недостаточно. В итоге часть квартир получает переизбыток, который позволяет жильцам жить с открытыми форточками даже зимой. И наоборот — некоторые квартиры замерзают, потому что им приходит недостаточно тепла.

Устранить эти недостатки позволит теплотехническая и тепловизионная съемка конструкций зданий и сооружений http://www.disso.spb.ru/?item=9 .

На первом этапе производятся замеры — выполняется съемка и специалисты-инженеры получают примерно вот такую карту. Она показывает участки с разным тепловым режимом зданий по позволяет зафиксировать имеющиеся дефекты.

Следующий шаг проведение теплотехнического расчета, позволяющего решить вопрос с равномерными распределением тепла в доме. На каждом объекте эта задача решается по-разному. В ряде случаев необходимо утеплять дом — проводить обшивку с изоляцией. В других случаях необходима балансировка систем отопления, модернизация действующих инженерных систем от ИТП.

Теплотехническая съемка позволит выявить дефекты отопления и указать инженерам и проектировщикам, какие именно конструктивные элементы требуют перерасчета. В дальнейшем производится модернизация с использованием современных технологий и современного отопительного оборудования.

Дата: Февраль 25th, 2014

При выборе радиаторов стоит учесть все факторы воздействия на них.

Поддержание комфортного температурно-влажностного режима в помещениях жилого или иного назначения в климатических условиях нашей страны невозможно без систем обогрева. Наибольшее распространение получили схемы с промежуточным теплоносителем, которые могут быть как централизованными, так и автономными.

Конечными устройствами в таких системах являются отопительные приборы, осуществляющие теплообменные процессы в помещениях.

Вопрос: как подобрать радиаторы отопления с учетом всех факторов – достаточно сложен и требует подробного рассмотрения.

2 Пример 1

Рассчитать
толщину наружной стены жилого здания,
расположенного в городе Топки Кемеровской
области.

Расчетная
температура наиболее холодных пяти
суток

t_н=
-39 оС
(табл.1 или прил. 1 настоящего пособия);

Средняя
температура отопительного периода
t_от.пер.=
-8,2 оС
(см. там же);

Продолжительность
отопительного периода z_от.пер.=
235 сут (там же);

Расчетная
температура внутреннего воздуха t_в=
+20 оС,

относительная
влажность внутреннего воздуха φ=
55%

(см.
прил.2 настоящего пособия);

Влажностный
режим помещения — нормальный (табл. 1
);

Зона
влажности — сухая (прил. 1*);

Условия
эксплуатации — А (прил. 2 ).

Рис.
2. Эскиз конструкции стены

Таблица
7. Теплотехнические
характеристики материалов (по
прил. 3* , при условии эксплуатации А)