Тема этой статьи – определение тепловой нагрузки на отопление и прочих параметров, нуждающихся в расчете, для автономной отопительной системы. Материал ориентирован прежде всего на владельцев частных домов, далеких от теплотехники и нуждающихся в максимально простых формулах и алгоритмах.
Итак, в путь.
Наша задача – научиться рассчитывать основные параметры отопления.
Избыточность и точный расчет
Стоит с самого начала оговорить одну тонкость расчетов: абсолютно точные значения потерь тепла через пол, потолок и стены, которые приходится компенсировать системе отопления, вычислить практически невозможно. Можно говорить лишь о той или иной степени достоверности оценок.
Причина – в том, что на теплопотери влияет слишком много факторов:
- Тепловое сопротивление капитальных стен и всех слоев отделочных материалов.
- Наличие или отсутствие мостиков холода.
- Роза ветров и расположение дома на рельефе местности.
- Работа вентиляции (которая, в свою очередь, опять-таки зависит от силы и направления ветра).
- Степень инсоляции окон и стен.
Есть и хорошие новости. Практически все современные отопительные котлы и системы распределенного отопления (теплые полы, электрические и газовые конвектора и т.д.) снабжаются термостатами, дозирующими расход тепла в зависимости от температуры в помещении.
Выносной термостат газового котла.
С практической стороны это означает, что избыточная тепловая мощность повлияет лишь на режим работы отопления: скажем, 5 КВт*ч тепла будут отданы не за один час непрерывной работы с мощностью 5 КВт, а за 50 минут работы с мощностью 6 КВт. Следующие 10 минут котел или другой нагревательный прибор проведет в режиме ожидания, не потребляя электроэнергию или энергоноситель.
Следовательно: в случае вычисления тепловой нагрузки наша задача – определить ее минимально допустимое значение.
Единственное исключение из общего правила связано с работой классических твердотопливных котлов и обусловлено тем, что снижение их тепловой мощности связано с серьезным падением КПД из-за неполного сгорания топлива. Проблема решается установкой в контур теплоаккумулятора и дросселированием отопительных приборов термоголовками.
Простейшая схема отопления с теплоаккумулятором.
Котел после растопки работает на полной мощности и с максимальным КПД до полного прогорания угля или дров; затем накопленное теплоаккумулятором тепло дозировано расходуется на поддержание оптимальной температуры в помещении.
Большая часть прочих нуждающихся в расчете параметров тоже допускает некоторую избыточность. Впрочем, об этом – в соответствующих разделах статьи.
Перечень параметров
Итак, что нам, собственно, предстоит считать?
- Общую тепловую нагрузку на отопление дома. Она соответствует минимально необходимой мощности котла или суммарной мощности приборов в распределенной системе отопления.
- Потребность в тепле отдельной комнаты.
- Количество секций секционного радиатора и размер регистра, соответствующий определенному значению тепловой мощности.
Обратите внимание: для готовых отопительных приборов (конвекторов, пластинчатых радиаторов и т.д.) производители обычно указывают полную тепловую мощность в сопроводительной документации.
На сайтах производителей можно даже найти удобные калькуляторы и таблицы для расчета количества секций.
- Диаметр трубопровода, способного в случае водяного отопления обеспечить необходимый тепловой поток.
- Параметры циркуляционного насоса, приводящего в движение теплоноситель в контуре с заданными параметрами.
- Размер расширительного бака, компенсирующего тепловое расширение теплоносителя.
Перейдем к формулам.
Тепловая нагрузка
Один из основных факторов, влияющих на ее значение – степень утепления дома. СНиП 23-02-2003, регламентирующий тепловую защиту зданий, нормирует этот фактор, выводя рекомендованные значения теплового сопротивления ограждающих конструкций для каждого региона страны.
Мы приведем два способа выполнения подсчетов: для зданий, соответствующих СНиП 23-02-2003, и для домов с ненормированным тепловым сопротивлением.
Нормированное тепловое сопротивление
Инструкция по расчету тепловой мощности в этом случае выглядит так:
- За базовое значение берутся 60 ватт на 1 м3 полного (включая стены) объема дома.
- Для каждого из окон к этому значению дополнительно добавляется 100 ватт тепла. Для каждой ведущей на улицу двери – 200 ватт.
На тепловизоре хорошо видны потери тепла через окна.
- Для компенсации увеличивающихся в холодных регионах потерь используется дополнительный коэффициент.
Регион страны
Коэффициент
Краснодар, Ялта, Сочи
0,7 – 0,9
Москва и область, Санкт-Петербург
1,2 – 1,3
Иркутск, Хабаровск
1,5 – 1,6
Чукотка, Якутия
1,8 – 2,0
Давайте в качестве примера выполним расчет для дома размерами 12*12*6 метров с двенадцатью окнами и двумя дверьми на улицу, расположенного в Севастополе (средняя температура января – +3С).
Близость моря делает мягкими крымские зимы.
Ненормированное тепловое сопротивление
Что делать, если качество утепления дома заметно лучше или хуже рекомендованного? В этом случае для оценки тепловой нагрузки можно использовать формулу вида Q=V*Dt*K/860.
В ней:
- Q – заветная тепловая мощность в киловаттах.
- V – отапливаемый объем в кубометрах.
- Dt – разница температур между улицей и домом. Обычно берется дельта между рекомендованным СНиП значением для внутренних помещений (+18 – +22С) и средним минимумом уличной температуры в наиболее холодный месяц за последние несколько лет.
Уточним: рассчитывать на абсолютный минимум в принципе правильнее; однако это будет означать избыточные расходы на котел и отопительные приборы, полная мощность которых будет востребована лишь раз в несколько лет. Цена незначительного занижения расчетных параметров – некоторое падение температуры в помещении в пик холодов, которое несложно компенсировать включением дополнительных обогревателей.
- К – коэффициент утепления, который можно взять из приведенной ниже таблицы. Промежуточные значения коэффициента выводятся аппроксимацией.
Описание здания
Коэффициент утепления
3 – 4
Кладка в полкирпича, или дощатая стена, или профлист на каркасе; остекление в одну нитку
2 – 2,9
Кладка в кирпич, остекление в две нитки в деревянных рамах
1 – 1,9
Кладка в полтора кирпича; окна с однокамерными стеклопакетами
0,6 – 0,9
Наружное утепление пенопластом или минватой; двухкамерные энергосберегающие стеклопакеты
Давайте повторим вычисления для нашего дома в Севастополе, уточнив, что его стены представляют собой кладку толщиной 40 см из ракушечника (пористой осадочной породы) без внешней отделки, а остекление выполнено однокамерными стеклопакетами.
Дом из ракушечника без наружной отделки.
Как легко заметить, подсчет дал результат, отличающийся от полученного по первому алгоритму в полтора раза. Причина, прежде всего в том, что средний минимум, использованный нами, заметно отличается от абсолютного минимума (около -25С). Увеличение дельты температур в полтора раза ровно во столько же раз увеличит оценочную потребность здания в тепле.
Морозные дни бывают даже в Крыму.
Гигакалории
В расчетах количества тепловой энергии, получаемой зданием или помещением, наряду с киловатт-часами используется еще одна величина – гигакалория. Она соответствует количеству тепла, необходимому для нагрева 1000 тонн воды на 1 градус при давлении в 1 атмосферу.
Как пересчитать киловатты тепловой мощности в гигакалории потребляемого тепла? Все просто: одна гигакалория равна 1162,2 КВт*ч. Таким образом, при пиковой мощности источника тепла в 54 КВт максимальная часовая нагрузка на отопление составит 54/1162,2=0,046 Гкал*час.
Полезно: для каждого региона страны местными властями нормируется потребление тепла в гигакалориях на квадратный метр площади в течение месяца. Среднее по РФ значение – 0,0342 Гкал/м2 в месяц.
Именно в гигакалориях измеряют затраты тепла современные теплосчетчики.
Комната
Как подсчитать потребность в тепле для отдельной комнаты? Здесь используются те же схемы расчетов, что для дома в целом, с единственной поправкой. Если к комнате примыкает отапливаемое помещение без собственных отопительных приборов, оно включается в расчет.
Так, если к комнате размером 4*5*3 метра примыкает коридор размером 1,2*4*3 метра, тепловая мощность отопительного прибора рассчитывается для объема в 4*5*3+1,2*4*3=60+14,4=74,4 м3.
Отопительные приборы
Секционные радиаторы
В общем случае информацию о тепловом потоке на одну секцию всегда можно найти на сайте производителя.
Если он неизвестен, можно ориентироваться на следующие приблизительные значения:
- Чугунная секция – 160 Вт.
- Биметаллическая секция – 180 Вт.
- Алюминиевая секция – 200 Вт.
Алюминиевый радиатор лидирует благодаря высокой теплопроводности и развитому оребрению.
Как всегда, есть ряд тонкостей. При боковом подключении радиатора с 10 и более секциями разброс температур между ближними к подводке и концевыми секциями будет весьма значительным.
Впрочем: эффект сведется на нет, если подводки подключить диагонально или снизу вниз.
Кроме того, обычно производители отопительных приборов указывают мощность для вполне конкретной дельты температур между радиатором и воздухом, равной 70 градусам. Зависимость теплового потока от Dt линейна: если батарея на 35 градусов горячее воздуха, тепловая мощность батареи будет ровно вдвое меньше заявленной.
Скажем, при температуре воздуха в комнате, равной +20С, и температуре теплоносителя в +55С мощность алюминиевой секции стандартного размера будет равна 200/(70/35)=100 ваттам. Для того, чтобы обеспечить мощность в 2 КВт, понадобится 2000/100=20 секций.
Регистры
Особняком в списке отопительных приборов стоят самодельные регистры.
На фото – отопительный регистр.
Производители по понятным причинам не могут указать их тепловую мощность; однако ее несложно вычислить своими руками.
- Для первой секции регистра (горизонтальной трубы известных размеров) мощность равна произведению ее наружного диаметра и длины в метрах, дельты температур между теплоносителем и воздухом в градусах и постоянного коэффициента 36,5356.
- Для последующих секций, находящихся в восходящем потоке теплого воздуха, используется дополнительный коэффициент 0,9.
Давайте разберем очередной пример – вычислим значение теплового потока для четырехрядного регистра с диаметром секции 159 мм, длиной 4 метра и температурой в 60 градусов в комнате с внутренней температурой +20С.
Диаметр трубопровода
Как определить минимальное значение внутреннего диаметра трубы розлива или подводки к отопительному прибору? Не станем лезть в дебри и воспользуемся таблицей, содержащей готовые результаты для разницы между подачей и обраткой в 20 градусов. Именно это значение характерно для автономных систем.
Максимальная скорость потока теплоносителя не должна превышать 1,5 м/с во избежание появления шумов; чаще ориентируются на скорость в 1 м/с.
При большой скорости потока вода шумит на фитингах и переходах диаметра. Едва ли этот шум порадует вас ночью.
Внутренний диаметр, мм
Тепловая мощность контура, Вт при скорости потока, м/с
0,6
0,8
1
8
2450
3270
4090
10
3830
5110
6390
12
5520
7360
9200
15
8620
11500
14370
20
15330
20440
25550
25
23950
31935
39920
32
39240
52320
65400
40
61315
81750
102190
50
95800
127735
168670
Скажем, для котла мощностью 20 КВт минимальный внутренний диаметр розлива при скорости потока в 0,8 м/с будет равен 20 мм.
Обратите внимание: внутренний диаметр близок к ДУ (условному проходу) стальной трубы. Пластиковые и металлопластиковые трубы обычно маркируются наружным диаметром, который на 6-10 мм больше внутреннего. Так, полипропиленовая труба размером 26 мм имеет внутренний диаметр 20 мм.
Внутренний диаметр пластиковой трубы равен разнице наружного диаметра и удвоенной толщины стенки.
Циркуляционный насос
Нам важны два параметра насоса: его напор и производительность. В частном доме при любой разумной протяженности контура вполне достаточно минимального для наиболее дешевых насосов напора в 2 метра (0,2 кгс/см2): именно это значение перепада обеспечивает циркуляцию системы отопления многоквартирных домов.
Необходимая производительность вычисляется по формуле G=Q/(1,163*Dt).
В ней:
- G – производительность (м3/час).
- Q – мощность контура, в который устанавливается насос (КВт).
- Dt – перепад температур между прямым и обратным трубопроводами в градусах (в автономной системе типично значение Dt=20С).
Для контура, тепловая нагрузка на который составляет 20 киловатт, при стандартной дельте температур расчетная производительность составит 20/(1,163*20)=0,86 м3/час.
У многих насосов предусмотрена ступенчатая или плавная регулировка производительности.
Расширительный бак
Один из параметров, нуждающихся в расчете для автономной системы – объем расширительного бачка.
Точный расчет основывается на довольно длинном ряде параметров:
- Температуре и типе теплоносителя. Коэффициент расширения зависит не только от степени нагрева батарей, но и от того, чем они заполнены: водно-гликолевые смеси расширяются сильнее.
- Максимально рабочем давлении в системе.
- Давлении зарядки бачка, зависящем, в свою очередь, от гидростатического давления контура (высоты верхней точки контура над расширительным баком).
Есть, однако, один нюанс, позволяющий сильно упростить расчет. Если занижение объема бачка приведет в лучшем случае к постоянному срабатыванию предохранительного клапана, а в худшем – к разрушению контура, то его избыточный объем ничем не повредит.
Именно поэтому обычно берется бак с литражом, равным 1/10 суммарного количества теплоносителя в системе.
Подсказка: чтобы узнать объем контура, достаточно заполнить его водой и слить ее в мерную посуду.
Расширительный бак может быть установлен в любой точке автономного закрытого контура.
Заключение
Надеемся, что приведенные схемы вычислений упростят жизнь читателю и избавят его от многих проблем. Как обычно, прикрепленное к статье видео предложит его вниманию дополнительную информацию.
Успехов!