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?.

Самостоятельный расчёт индивидуальной системы отопления

Из всех известных на данный момент вариантов для обогрева собственного дома наиболее распространённым видом является индивидуальная система водяного отопления. Масляные радиаторы, камины, печи, тепловентиляторы и обогреватели инфракрасного излучения зачастую используют как вспомогательные приборы.

Система отопления частного дома состоит из отопительных приборов, трубопровода и запорно-регулирующих механизмов, всё это служит для транспортировки тепла от теплогенератора к конечным точкам отопления помещений. Важно понимать, что надёжность, долговечность и эффективность индивидуальной системы отопления зависит от её правильного расчёта и монтажа, а также от качества используемых материалов в данной системе и её грамотной эксплуатации.

Расчёт системы отопления

Рассмотрим подробно упрощённый вариант расчёта системы водяного отопления, в котором мы будем использовать стандартные и общедоступные комплектующие. На рисунке схематически представлена индивидуальная система отопления частного дома на основе одноконтурного котла. Прежде всего, нам необходимо определиться с его мощностью, так как он является основой всех вычислений в дальнейшем. Выполним данную процедуру по описанной ниже схеме.

У нас имеется одноэтажный дом с тремя комнатами, прихожей, коридором, кухней, ванной и туалетом. Зная площадь каждого отдельного помещения и высоту комнат, необходимо произвести элементарные расчёты для того, чтобы вычислить объём всего дома:

• комната 1: 10 м2 · 2,8 м = 28 м3
• комната 2: 10 м2 · 2,8 м = 28 м3
• комната 3: 20 м2 · 2,8 м = 56 м3
• прихожая: 8 м2 · 2,8 м = 22,4 м3
• коридор : 8 м2 · 2,8 м = 22,4 м3
• кухня: 15,5 м2 · 2,8 м = 43,4 м3
• ванная: 4 м2 · 2,8 м = 11,2 м3
• туалет: 3 м2 · 2,8 м = 8,4 м3

Таким образом, мы посчитали объём всех отдельных помещений, благодаря чему теперь можно вычислить общий объём дома, он равен 220 кубическим метрам. Заметьте, мы также посчитали объём коридора, но на самом деле там не указано ни одного отопительного прибора, для чего это нужно? Дело в том, что коридор также будет отапливаться, но пассивным образом, за счёт циркуляции тепла, поэтому нам необходимо внести его в общий список отопления, для того, чтобы расчёт был правильным и дал нужный результат.

Следующий этап расчёта мощности котла мы будем проводить, исходя из необходимого количества энергии на один кубический метр. Для каждого региона существует свой показатель — в наших вычислениях используем 40 Вт на кубический метр, исходя из рекомендаций для регионов европейской части СНГ:

• 40 Вт · 220 м3 = 8800 Вт

Полученную цифру необходимо возвести в коэффициент 1,2, что даст нам 20% запаса мощности для того, чтобы котёл постоянно не работал на полную мощность. Таким образом, мы понимаем, что нам необходим котёл, который способен вырабатывать 10,6 кВт (стандартные одноконтурные котлы выпускаются мощностью 12–14 кВт).

Расчёт радиаторов

В нашем случае мы будем использовать стандартные алюминиевые радиаторы высотой 0,6 м. Мощность каждого ребра такого радиатора при температуре 70 °С составляет 150 Вт. Далее мы посчитаем мощность каждого радиатора и количество условных рёбер:

• комната 1: 28 м3 · 40 Вт · 1,2 = 1344 Вт. Округляем до 1500 и получаем 10 условных рёбер, но поскольку у нас два радиатора, оба под окнами, мы возьмём один с 6-ю рёбрами, второй с 4-мя.
• комната 2: 28 м3 · 40 Вт · 1,2 = 1344 Вт. Округляем до 1500 и получаем один радиатор с 10-ю рёбрами.
• комната 3: 56 м3 · 40 Вт · 1,2 = 2688 Вт Округляем до 2700 и получаем три радиатора: 1-й и 2-й по 5 рёбер, 3-й (боковой) — 8 рёбер.
• прихожая: 22,4 м3 · 40 Вт · 1,2 = 1075,2 Вт. Округляем до 1200 и получаем два радиатора по 4 ребра.
• ванная: 11,2 м3 · 45 Вт · 1,2 = 600 Вт. Тут температура должна быть немного выше, получается 1 радиатор с 4-мя рёбрами.
• туалет: 8,4 м3 · 40 Вт · 1,2 = 403,2 Вт. Округляем до 450 и получаем три ребра.
• кухня: 43,4 м3 · 40 Вт · 1,2 = 2083,2 Вт. Округляем до 2100 и получаем два радиатора по 7 рёбер.

В конечном результате мы видим, что нам необходимо 12 радиаторов общей мощностью:

• 900 + 600 + 1500 + 750 + 750 + 1200 + 600 + 600 + 600 + 450 + 1050 + 1050 = 10,05 кВт

Исходя из последних расчётов, видно, что наша индивидуальная система отопления без проблем справится с возложенной на неё нагрузкой.

Выбор труб

Трубопровод для системы индивидуального отопления является средой для транспортировки тепловой энергии (в частности, нагретой воды). На отечественном рынке трубы для монтажа систем представлены в трёх основных видах:

Металлические трубы имеют ряд значительных недостатков. Кроме того, что они обладают большим весом и требуют специального оборудования для монтажа, а также наличие опыта, они ещё подвержены коррозии и могут накапливать статическое электричество. Хороший вариант — медные трубы, они способны выдерживать температуру до 200 градусов и давление около 200 атмосфер. Но медные трубы отличаются спецификой в монтаже (требуется специальное оборудование, серебряный припой и большой опыт работы), кроме того их стоимость очень велика. Самым популярным вариантом считаются пластиковые трубы. И вот почему:

• они имеют алюминиевую основу, которая с двух сторон покрыта пластмассой, благодаря чему они обладают огромной прочностью;
• они абсолютно не пропускают кислород, что позволяет свести к нулю процесс образования коррозии на внутренних стенках;
• благодаря алюминиевому армированию у них очень низкий коэффициент линейного расширения;
• пластиковые трубы антистатичны;
• обладают малым гидравлическим сопротивлением;
• не требуется специальных навыков для монтажа.

Монтаж системы

Первым делом нам требуется установить секционные радиаторы. Их надо размещать строго под окнами, тёплый воздух от радиатора будет препятствовать проникновению холодного воздуха из окна. Для монтажа секционных радиаторов не понадобится никакого специального оборудования, лишь перфоратор и строительный уровень. Необходимо строго придерживаться одного правила: все радиаторы в доме должны быть смонтированы строго на одном горизонтальном уровне, от этого параметра зависит общая циркуляция воды в системе. Также соблюдайте вертикальное расположение рёбер радиатора.

После монтажа радиаторов можно приступать к прокладке труб. Необходимо заранее промерить общую длину труб, а также посчитать количество всевозможных фитингов (колен, тройников, заглушек и пр.). Для монтажа пластиковых труб понадобится всего три инструмента — рулетка, ножницы для труб и паяльник. На большинстве таких труб и фитингов есть лазерная перфорация в виде насечек и направляющих линий, что даёт возможность по месту выполнять монтаж правильно и ровно. Работая с паяльником, следует придерживаться только одного правила — после того как вы расплавили и состыковали концы изделий, ни в коем случае не прокручивайте их, если с первого раза не получилось припаять ровно, иначе возможна течь в этом месте. Лучше заранее потренируйтесь на кусочках, которые пойдут в отходы.

Дополнительные приборы

По статистике система с пассивной циркуляцией воды будет исправно функционировать, если площадь помещения не превышает 100–120 м2. В противном случае необходимо использовать специальные насосы. Конечно, существует ряд котлов, в которые уже встроены насосные системы и они сами обеспечивают циркуляцию воды по трубам, если у вас не такой, то следует приобрести его отдельно.

На отечественном рынке их выбор очень велик, к тому же они отвечают всем необходимым требованиям — потребляют мало электроэнергии, бесшумны и малогабаритны. Монтируют циркуляционные насосы на концах веток отопления. Таким образом, насос прослужит дольше, так как он не будет находиться под прямым воздействием горячей воды.

Из всего вышеперечисленного становится ясно, что с монтажом подобной системы без труда справятся два или три человека, для этого не требуется обладать специальными профессиональными навыками, главное, уметь пользоваться элементарными строительными инструментами. В нашей статье мы рассмотрели систему индивидуального отопления, собранную с помощью стандартных комплектующих, их цена и общедоступность позволят почти каждому у себя дома смонтировать аналогичную систему отопления.