Способы расчета тепловой нагрузки на отопление

При проектировании систем обогрева всех типов строений нужно провести правильные вычисления, а затем разработать грамотную схему отопительного контура. На этом этапе особое внимание следует уделить расчету тепловой нагрузки на отопление. Для решения поставленной задачи важно использовать комплексный подход и учесть все факторы, влияющие на работу системы.

С помощью показателя тепловой нагрузки можно узнать количество теплоэнергии, необходимой для обогрева конкретного помещения, а также здания в целом. Основной переменной здесь является мощность всего отопительного оборудования, которое планируется использовать в системе. Кроме этого, требуется учитывать потери тепла домом.

Идеальной представляется ситуация, в которой мощность отопительного контура позволяет не только устранить все потери теплоэнергии здания, но и обеспечить комфортные условия проживания. Чтобы правильно рассчитать удельную тепловую нагрузку, требуется учесть все факторы, оказывающие влияние на этот параметр:

• Характеристики каждого элемента конструкции строения. Система вентиляции существенно влияет на потери теплоэнергии.
• Размеры здания. Необходимо учитывать как объем всех помещений, так и площадь окон конструкций и наружных стен.
• Климатическая зона. Показатель максимальной часовой нагрузки зависит от температурных колебаний окружающего воздуха.

Оптимальный режим работы системы обогрева может быть составлен только с учетом этих факторов. Единицей измерения показателя может быть Гкал/час или кВт/час.

Перед началом проведения расчета нагрузки на отопление по укрупненным показателям нужно определиться с рекомендуемыми температурными режимами для жилого строения. Для этого придется обратиться к нормам СанПиН 2.1.2.2645−10. Исходя из данных, указанных в этом нормативном документе, необходимо обеспечить оптимальные температурные режимы работы системы обогрева для каждого помещения.

Используемые сегодня способы выполнения расчетов часовой нагрузки на отопительную систему позволяют получать результаты различной степени точности. В некоторых ситуациях требуется провести сложные вычисления, чтобы минимизировать погрешность.

Если же при проектировании системы отопления оптимизация расходов на энергоноситель не является приоритетной задачей, допускается использование менее точных методик.

Любая методика расчета тепловой нагрузки позволяет подобрать оптимальные параметры системы обогрева. Также этот показатель помогает определиться с необходимостью проведения работ по улучшению теплоизоляции строения. Сегодня применяются две довольно простые методики расчета тепловой нагрузки.

Если в строении все помещения имеют стандартные размеры и обладают хорошей теплоизоляцией, можно воспользоваться методом расчета необходимой мощности отопительного оборудования в зависимости от площади. В этом случае на каждые 10 м 2 помещения должен производиться 1 кВт тепловой энергии. Затем полученный результат необходимо умножить на поправочный коэффициент климатической зоны.

Это самый простой способ расчета, но он имеет один серьезный недостаток — погрешность очень высока. Во время проведения вычислений учитывается лишь климатический регион. Однако на эффективность работы системы обогрева влияет много факторов. Таким образом, использовать эту методику на практике не рекомендуется.

Применяя методику расчета тепла по укрупненным показателям, погрешность вычислений окажется меньшей. Этот способ сначала часто применялся для определения теплонагрузки в ситуации, когда точные параметры строения были неизвестны. Для определения параметра применяется расчетная формула:

Qот = q0*a*Vн*(tвн — tнро),

где q0 — удельная тепловая характеристика строения;

a — поправочный коэффициент;

Vн — наружный объем строения;

tвн, tнро — значения температуры внутри дома и на улице.

В качестве примера расчета тепловых нагрузок по укрупненным показателям можно выполнить вычисления максимального показателя для отопительной системы здания по наружным стенам 490 м 2 . Строение двухэтажное с общей площадью в 170 м 2 расположено в Санкт-Петербурге.

Сначала необходимо с помощью нормативного документа установить все нужные для расчета вводные данные:

• Тепловая характеристика здания — 0,49 Вт/м³*С.
• Уточняющий коэффициент — 1.
• Оптимальный температурный показатель внутри здания — 22 градуса.

Предположив, что минимальная температура в зимний период составит -15 градусов, можно все известные величины подставить в формулу — Q =0.49*1*490 (22+15)= 8,883 кВт. Используя самую простую методику расчета базового показателя тепловой нагрузки, результат оказался бы более высоким — Q =17*1=17 кВт/час. При этом укрупненный метод расчета показателя нагрузки учитывает значительно больше факторов:

• Оптимальные температурные параметры в помещениях.
• Общую площадь строения.
• Температуру воздуха на улице.

Также эта методика позволяет с минимальной погрешностью рассчитать мощность каждого радиатора, установленного в отдельно взятом помещении. Единственным ее недостатком является отсутствие возможности рассчитать теплопотери здания.

Так как даже при укрупненном расчете погрешность оказывается довольно высокой, приходится использовать более сложный метод определения параметра нагрузки на отопительную систему. Чтобы результаты оказались максимально точными, необходимо учитывать характеристики дома. Среди них важнейшей является сопротивление теплопередачи ® материалов, использовавшихся для изготовления каждого элемента здания — пол, стены, а также потолок.

Эта величина находится в обратной зависимости с теплопроводностью (λ), показывающей способность материалов переносить теплоэнергию. Вполне очевидно, что чем выше теплопроводность, тем активнее дом будет терять теплоэнергию. Так как эта толщина материалов (d) в теплопроводности не учитывается, то предварительно нужно вычислить сопротивление теплопередачи, воспользовавшись простой формулой — R=d/λ.

Рассматриваемая методика состоит из двух этапов. Сначала рассчитываются теплопотери по оконным проемам и наружным стенам, а затем — по вентиляции. В качестве примера можно взять следующие характеристики строения:

• Площадь и толщина стен — 290 м² и 0,4 м.
• В строении находятся окна (двойной стеклопакет с аргоном) — 45 м² (R =0,76 м²*С/Вт).
• Стены изготовлены из полнотелого кирпича — λ=0,56.
• Здание было утеплено пенополистиролом — d =110 мм, λ=0,036.

Исходя из вводных данных, можно определить показатель сопротивления телепередачи стен — R=0.4/0.56= 0,71 м²*С/Вт. Затем определяется аналогичный показатель утеплителя — R=0,11/0,036= 3,05 м²*С/Вт. Эти данные позволяют определить следующий показатель — R общ =0,71+3,05= 3,76 м²*С/Вт.

Фактические теплопотери стен составят — (1/3,76)*245+(1/0.76)*45= 125,15 Вт. Параметры температур остались без изменений в сравнении с укрупненным расчетом. Очередные вычисления проводятся в соответствии с формулой — 125,15*(22+15)= 4,63 кВт/час.

На втором этапе рассчитываются теплопотери вентиляционной системы. Известно, что объем дома равен 490 м³, а плотность воздуха составляет 1,24 кг/м³. Это позволяет узнать его массу — 608 кг. На протяжении суток в помещении воздух обновляется в среднем 5 раз. После этого можно выполнить расчет теплопотерь вентиляционной системы — (490*45*5)/24= 4593 кДж, что соответствует 1,27 кВт/час. Остается определить общие тепловые потери строения, сложив имеющиеся результаты, — 4,63+1,27=5,9 кВт/час.

Результат будет максимально точным, если учитывать потери через пол и крышу. Сложные вычисления здесь проводить необязательно, допускается использование уточняющего коэффициента. Процесс расчетов теплонагрузки на систему обогрева отличается высокой сложностью. Однако его можно упростить с помощью программы VALTEC.

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