Тепловая нагрузка на отопление: определения и расчеты

Тема этой статьи — тепловая нагрузка. Мы выясним, что представляет собой этот параметр, от чего он зависит и как может рассчитываться. Кроме того, в статье будет приведен ряд справочных значений теплового сопротивления разных материалов, которые могут понадобиться для расчета.

Монтаж отопительного оборудования в доме или на предприятии всегда начинается с расчетов.

Что это такое

Термин, в сущности, интуитивно-понятный. Под тепловой нагрузкой подразумевается то количество тепловой энергии, которое необходимо для поддержания в здании, квартире или отдельном помещении комфортной температуры.

Максимальная часовая нагрузка на отопление, таким образом – это, то количество тепла, которое может потребоваться для поддержания нормированных параметров в течение часа в наиболее неблагоприятных условиях.

Какие условия считать неблагоприятными? Вопрос неразрывно связан с тем, от чего, собственно, зависит тепловая нагрузка.

Факторы

Итак, что влияет на потребность здания в тепле?

• Материал и толщина стен. Понятно, что стена в 1 кирпич (25 сантиметров) и стена из газобетона под 15-сантиметровой пенопластовой шубой пропустят ОЧЕНЬ разное количество тепловой энергии.
• Материал и структура кровли. Плоская крыша из железобетонных плит и утепленный чердак тоже будут весьма заметно различаться по теплопотерям.
• Вентиляция — еще один важный фактор. Ее производительность, наличие или отсутствие системы рекуперации тепла влияют на то, сколько тепла теряется с отработанным воздухом.
• Площадь остекления. Через окна и стеклянные фасады теряется заметно больше тепла, чем через сплошные стены.

Однако: тройные стеклопакеты и стекла с энергосберегающим напылением уменьшают разницу в несколько раз.

• Уровень инсоляции в вашем регионе, степень поглощения солнечного тепла внешним покрытием и ориентация плоскостей здания относительно сторон света. Крайние случаи — дом, находящийся в течение всего дня в тени других строений и дом, ориентированный черной стеной и наклонной кровлей черного цвета с максимальной площадью на юг.

Стены дома на фото зачернены именно для того, чтобы поглощать как можно больше солнечного тепла.

• Дельта температур между помещением и улицей определяет тепловой поток через ограждающие конструкции при постоянном сопротивлении теплопередаче. При +5 и -30 на улице дом будет терять разное количество тепла. Уменьшит, разумеется, потребность в тепловой энергии и снижение температуры внутри здания.
• Наконец, в проект часто приходится закладывать перспективы дальнейшего строительства. Скажем, если текущая тепловая нагрузка равна 15 киловаттам, но в ближайшем будущем планируется пристроить к дому утепленную веранду — логично приобрести бытовой отопительный котел с запасом по тепловой мощности.

Распределение

В случае водяного отопления пиковая тепловая мощность источника тепла должна быть равна сумме тепловой мощности всех отопительных приборов в доме. Разумеется, разводка тоже не должна становиться узким местом.

Распределение отопительных приборов по помещениям определяется несколькими факторами:

1. Площадью комнаты и высотой ее потолка;
2. Расположением внутри здания. Угловые и торцевые помещения теряют больше тепла, чем те, которые расположены в середине дома.
3. Удаленностью от источника тепла. В индивидуальном строительстве этот параметр означает удаленность от котла, в системе центрального отопления многоквартирного дома — тем, подключена батарея к стояку подачи или обратки и тем, на каком этаже вы живете.

Уточнение: в домах с нижним розливом стояки соединяются попарно. На подающем — температура убывает при подъеме с первого этажа к последнему, на обратном, соответственно, наоборот.

Как распределятся температуры в случае верхнего розлива — догадаться тоже нетрудно.

1. Желаемой температурой в помещении. Помимо фильтрации тепла через внешние стены, внутри здания при неравномерном распределении температур тоже будет заметна миграция тепловой энергии через перегородки.

Рекомендованные СНиП значения таковы:

1. Для жилых комнат в середине здания — 20 градусов;
2. Для жилых комнат в углу или торце дома — 22 градуса. Более высокая температура, среди прочего, препятствует промерзанию стен.
3. Для кухни — 18 градусов. В ней, как правило, есть большое количество собственных источников тепла — от холодильника до электроплиты.
4. Для ванной комнаты и совмещенного санузла нормой являются 25С.

В случае воздушного отопления тепловой поток, поступающий в отдельную комнату, определяется пропускной способностью воздушного рукава. Как правило, простейший метод регулировки — ручная подстройка положений регулируемых вентиляционных решеток с контролем температур по термометру.

Наконец, в случае, если речь идет о системе обогрева с распределенными источниками тепла (электрические или газовые конвектора, электрические теплые полы, масляные радиаторы отопления, инфракрасные обогреватели и кондиционеры) необходимый температурный режим просто задается на термостате. Все, что требуется от вас — обеспечить пиковую тепловую мощность приборов на уровне пика теплопотерь помещения.

Электрические радиаторы и конвектора снабжаются термостатами. Средняя тепловая мощность автоматически подгоняется по потребность помещения в тепле.

Методики расчета

Уважаемый читатель, у вас хорошее воображение? Давайте представим себе дом. Пусть это будет сруб из 20-сантиметрового бруса с чердаком и деревянным полом.

Мысленно дорисуем и конкретизируем возникшую в голове картинку: размеры жилой части здания будут равны 10*10*3 метра; в стенах мы прорубим 8 окон и 2 двери — на передний и внутренний дворы. А теперь поместим наш дом… скажем, в город Кондопога в Карелии, где температура в пик морозов может опуститься до -30 градусов.

Определение тепловой нагрузки на отопление может быть выполнено несколькими способами с разной сложностью и достоверностью результатов. Давайте воспользуемся тремя наиболее простыми.

Способ 1

Действующие СНиП предлагают нам простейший способ расчета. На 10 м2 берется один киловатт тепловой мощности. Полученное значение умножается на региональный коэффициент:

• Для южных регионов (Черноморское побережье, Краснодарский край) результат умножается на 0,7 — 0,9.
• Умеренно-холодный климат Московской и Ленинградской областей заставит использовать коэффициент 1,2-1,3. Думается, наша Кондопога попадет именно в эту климатическую группу.
• Наконец, для Дальнего Востока районов Крайнего Севера коэффициент колеблется от 1,5 для Новосибирска до 2,0 для Оймякона.

Инструкция по расчету с использованием этого метода неимоверно проста:

1. Площадь дома равна 10*10=100 м2.
2. Базовое значение тепловой нагрузки равно 100/10=10 КВт.
3. Умножаем на региональный коэффициент 1,3 и получаем 13 киловатт тепловой мощности, необходимых для поддержания комфорта в доме.

Эта таблица предлагает пойти по пути упрощения еще дальше. В общем-то, как мы выясним позже, избыточная мощность котла проблем не создаст.

Однако: если уж пользоваться столь простой методикой, лучше сделать запас как минимум в 20% для компенсации погрешностей и экстремальных холодов. Собственно, будет показательным сравнить 13 КВт со значениями, полученными другими способами.

Способ 2

Понятно, что при первом методе расчета погрешности будут огромными:

• Высота потолков в разных строениях сильно различается. С учетом того, что греть нам приходится не площадь, а некий объем, причем при конвекционном отоплении теплый воздух собирается под потолком — фактор важный.
• Окна и двери пропускают больше тепла, чем стены.
• Наконец, будет явной ошибкой стричь под одну гребенку городскую квартиру (причем независимо от ее расположения внутри здания) и частный дом, у которого внизу, вверху и за стенами не теплые квартиры соседей, а улица.

Что же, скорректируем метод.

• За базовое значение возьмем 40 ватт на кубометр объема помещения.
• На каждую дверь, ведущую на улицу, добавим к базовому значению 200 ватт. На каждое окно — 100.
• Для угловых и торцевых квартир в многоквартирном доме введем коэффициент 1,2 — 1,3 в зависимости от толщины и материала стен. Его же используем для крайних этажей в случае, если подвал и чердак плохо утеплены. Для частного дома значение умножим и вовсе на 1,5.
• Наконец, применим те же региональные коэффициенты, что и в предыдущем случае.

Климатическая зона в любом случае влияет на расчеты.

Как там поживает наш домик в Карелии?

1. Объем равен 10*10*3=300 м2.
2. Базовое значение тепловой мощности равно 300*40=12000 ватт.
3. Восемь окон и две двери. 12000+(8*100)+(2*200)=13200 ватт.
4. Частный дом. 13200*1,5=19800. Мы начинаем смутно подозревать, что при подборе мощности котла по первой методике пришлось бы померзнуть.
5. А ведь еще остался региональный коэффициент! 19800*1,3=25740. Итого — нам нужен 28-киловаттный котел. Разница с первым значением, полученным простым способом — двукратная.

Однако: на практике такая мощность потребуется лишь в несколько дней пика морозов. Зачастую разумным решением будет ограничить мощность основного источника тепла меньшим значением и купить резервный нагреватель (к примеру, электрокотел или несколько газовых конвекторов).

Способ 3

Не обольщайтесь: описанный способ тоже весьма несовершенен. Мы весьма условно учли тепловое сопротивление стен и потолка; дельта температур между внутренним и внешним воздухом тоже учтена лишь в региональном коэффициенте, то есть весьма приблизительно. Цена упрощения расчетов — большая погрешность.

Вспомним: для поддержания внутри здания постоянной температуры нам нужно обеспечить количество тепловой энергии, равное всем потерям через ограждающие конструкции и вентиляцию. Увы, и здесь нам придется несколько упростить себе расчеты, пожертвовав достоверностью данных. Иначе полученные формулы должны будут учитывать слишком много факторов, которые трудно измерить и систематизировать.

Потери тепла сильно зависят от материала стен. Кроме того, не меньше трети тепловой энергии уходит через вентиляцию.

Упрощенная формула выглядит так: Q=DT/R, где Q — количество тепла, которое теряет 1 м2 ограждающей конструкции; DT — дельта температур между внутренней и внешней температурами, а R — сопротивление теплопередаче.

Заметьте: мы говорим о потерях тепла через стены, пол и потолок. В среднем еще около 40% тепла теряется через вентиляцию. Ради упрощения расчетов мы подсчитаем теплопотери через ограждающие конструкции, а потом просто умножим их на 1,4.

Дельту температур измерить легко, но где брать данные о термическом сопротивлении?

Увы — только из справочников. Приведем таблицу для некоторых популярных решений.

• Стена в три кирпича (79 сантиметров) обладает сопротивлением теплопередаче в 0,592 м2*С/Вт.
• Стена в 2,5 кирпича — 0,502.
• Стена в два кирпича — 0,405.
• Стена в кирпич (25 сантиметров) — 0,187.
• Бревенчатый сруб с диаметром бревна 25 сантиметров — 0,550.
• То же, но из бревен диаметром 20 см — 0,440.
• Сруб из 20-сантиметрового бруса — 0,806.
• Сруб из брус толщиной 10 см — 0,353.
• Каркасная стена толщиной 20 сантиметров с утеплением минеральной ватой — 0,703.
• Стена из пено- или газобетона при толщине 20 сантиметров — 0,476.
• То же, но с толщиной, увеличенной до 30 см — 0,709.
• Штукатурка толщиной 3 сантиметра — 0,035.
• Потолочное или чердачное перекрытие — 1,43.
• Деревянный пол — 1,85.
• Двойная дверь из дерева — 0,21.

Таблица содержит ряд значений для популярных утеплителей разной толщины.

А теперь вернемся к нашему дому. Какими параметрами мы располагаем?

• Дельта температур в пик морозов будет равной 50 градусам (+20 внутри и -30 снаружи).
• Теплопотери через квадратный метр пола составят 50/1,85 (сопротивление теплопередачи деревянного пола) =27,03 ватта. Через весь пол — 27,03*100=2703 ватта.
• Посчитаем потери тепла через потолок: (50/1,43)*100=3497 ватт.
• Площадь стен равна (10*3)*4=120 м2. Поскольку у нас стены выполнены из 20-санттиметрового бруса, параметр R равен 0,806. Потери тепла через стены равны (50/0,806)*120=7444 ватта.
• Теперь сложим полученные значения: 2703+3497+7444=13644. Именно столько наш дом будет терять через потолок, пол и стены.

Заметьте: чтобы не высчитывать доли квадратных метров, мы пренебрегли разницей в теплопроводности стен и окон с дверьми.

• Затем добавим 40% потерь на вентиляцию. 13644*1,4=19101. Согласно этому расчету нам должно хватить 20-киловаттного котла.

Выводы и решение проблем

Как видите, имеющиеся способы расчета тепловой нагрузки своими руками дают весьма существенные погрешности. К счастью, избыточная мощность котла не повредит:

• Газовые котлы на уменьшенной мощности работают практически без падения КПД, а конденсационные так и вовсе выходят на наиболее экономичный режим при неполной нагрузке.
• То же самое касается соляровых котлов.
• Электрическое нагревательное оборудование любого типа всегда имеет КПД, равный 100 процентам (разумеется, это не относится к тепловым насосам). Вспомните физику: вся мощность, не потраченная на совершения механической работы (то есть перемещения массы против вектора гравитации) в конечном счете, расходуется на нагрев.

Единственный тип котлов, для которых работа на мощности меньше номинальной противопоказана — твердотопливные. Регулировка мощности в них осуществляется довольно примитивным способом — ограничением притока воздуха в топку.

Что в результате?

1. При недостатке кислорода топливо сгорает не полностью. Образуется больше золы и сажи, которые загрязняют котел, дымоход и атмосферу.
2. Следствие неполного сгорания — падение КПД котла. Логично: ведь часто топлива покидает котел до того, как сгорела.

Ограничение мощности твердотопливного котла сказывается на его КПД.

Однако и здесь есть простой и изящный выход — включение в схему отопления теплоаккумулятора. Теплоизолированный бак емкостью до 3000 литров подключается между подающим и обратным трубопроводом, размыкая их; при этом формируется малый контур (между котлом и буферной емкостью) и большой (между емкостью и отопительными приборами).

Как работает такая схема?

• После растопки котел работает на номинальной мощности. При этом за счет естественной или принудительной циркуляции его теплообменник отдает тепло буферной емкости. После того, как топливо прогорело, циркуляция в малом контуре останавливается.
• Следующие несколько часов теплоноситель движется по большому контуру. Буферная емкость постепенно отдает накопленное тепло радиаторам или водяным теплым полам.

Как видите, в этом случае запас по мощности котла будет иметь исключительно положительное последствие — больший промежуток времени между растопками (читайте также статью «Расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления и зависимость от нее температуры теплоносителя»).

Простое решение сложной проблемы.

Заключение

Как обычно, некоторое количество дополнительной информации о том, как еще может быть рассчитана тепловая нагрузка, вы найдете в видео в конце статьи. Теплых зим!