Как рассчитывается тепловая нагрузка на систему отопления здания

Допустим, вы хотите самостоятельно выбрать котел, радиаторы и трубы для системы отопления в частном доме. Задача 1 — это расчет тепловой нагрузки на отопление, другими словами, общего количества тепла, необходимого для обогрева здания до комфортной температуры в помещении. Предлагаем изучить 3 метода расчета — различающиеся сложностью и точностью результатов.

Способы определения нагрузки

Во-первых, необходимо уточнить значение этого термина. Тепловая нагрузка — это общее количество тепла, которое система отопления использует для обогрева здания до стандартной температуры в самый холодный период. Эта величина исчисляется в единицах энергии — киловаттах, килокалориях (реже килоджоулей) и обозначается в формулах латинской буквой Q.

Если вы знаете тепловую нагрузку дома в целом и потребности каждой комнаты в частности, легко выбрать бойлер, радиаторы и краны для водоснабжения в зависимости от мощности. Как можно рассчитать этот параметр:

1. Если высота потолка менее 3 м, сводные расчеты производятся по площади обогреваемых помещений.
2. При высоте потолка 3 метра расход тепла рассчитывается исходя из объема помещения.
3. Теплопотери через внешние перегородки и затраты на отопление вентиляционного воздуха по СНиП.

Внимание. В последние годы большую популярность приобрели онлайн-калькуляторы, размещенные на сайтах различных Интернет-ресурсов. С их помощью определение количества тепловой энергии происходит быстро и не требует дополнительных инструкций. Недостатком является необходимость проверки результатов, потому что программы пишут люди, не являющиеся теплотехниками.

Фотография здания сделана тепловизионной камерой.

Первые два метода расчета основаны на использовании удельных тепловых характеристик по отношению к обогреваемой поверхности или объему здания. Алгоритм прост и используется везде, но дает очень приблизительные результаты и не учитывает теплоизоляцию дома.

Расчет расхода тепла по СНиП, как делают инженеры-конструкторы, намного сложнее. Необходимо собрать много справочных данных и потрудиться над расчетами, но окончательные цифры отражают реальную картину с точностью до 95%. Постараемся упростить методику и сделать расчет тепловой нагрузки максимально понятным.

Для примера – проект одноэтажного дома 100 м²

Чтобы объяснить все способы определения расхода тепловой энергии, возьмем в качестве примера одноэтажный дом общей площадью 100 м2 (внешний размер), показанный на рисунке. Перечислим технические особенности здания:

• регион строительства — зона умеренного климата (Минск, Москва);
• Толщина наружных обшивок — 38 см, материал — силикатный кирпич;
• внешняя изоляция стен — пенопласт толщиной 100 мм, плотность — 25 кг / м³;
• Полы — бетонные, подвала нет;
• Перекрытия перекрытия — железобетонные, утепленные со стороны холодного чердака 10 см пенопластом;
• Окна — стандартные стеклопакеты размером 1500 х 1570 мм (в);
• Входная дверь — металлическая 100 х 200 см, утепленная изнутри экструдированным пенополистиролом 20 мм.

Установлены полукирпичные (12 см) перегородки, котельная находится в отдельно стоящем доме. Площади комнат указаны на плане, высота потолков будет принята 2,8 или 3 м в зависимости от объясненного метода проектирования.

Считаем расход теплоты по квадратуре

Для грубой оценки тепловой нагрузки обычно используется простой расчет тепла: площадь здания берется из внешних измерений и умножается на 100 Вт. Соответственно, потребление тепла 100 м² загородного дома составляет 10 000 Вт или 10 кВт. Результат позволяет выбрать котел с запасом прочности 1,2–1,3, в данном случае с удельной мощностью 12,5 кВт.

Предлагаем произвести более точные расчеты с учетом планировки комнат, количества окон и площади здания. Соответственно, для высоты потолка до 3 метров рекомендуется использовать следующую формулу:

Расчеты производятся для каждой комнаты отдельно, затем результаты суммируются и умножаются на региональный коэффициент. Объяснение символов формулы:

• Q — требуемая величина нагрузки, Вт;
• Sp — площадь помещения, м²;
• q — удельные тепловые характеристики, относящиеся к площади помещения, Вт / м²;
• k — коэффициент, учитывающий климат по месту жительства.

Для справки. Если односемейный дом расположен в зоне умеренного климата, используется коэффициент k, равный единице. В южных регионах k = 0,7, в северных регионах используются значения 1,5-2.

Приблизительно общая площадь помещения q = 100 Вт / м². Такой подход не учитывает планировку комнат и разное количество проемов. Коридор внутри коттеджа будет терять гораздо меньше тепла, чем угловая спальня с окнами такого же размера. Предлагаем принять значение удельной теплоемкости q следующим образом:

• для помещений с одной внешней стеной и окном (или дверью) q = 100 Вт / м²;
• Угловые комнаты с одним мансардным окном — 120 Вт / м²;
• то же, с двумя окнами — 130 Вт / м².

Схема на плане здания показывает, как определить правильное значение q. Для нашего примера расчеты выглядят следующим образом:

Q = (15,75 x 130 + 21 x 120 + 5 x 100 + 7 x 100 + 6 x 100 + 15,75 x 130 + 21 x 120) x 1 = 10935 Вт ≈ 11 кВт.

Как видите, исправленные расчеты дали другой результат — фактически на обогрев данного дома площадью 100 м² уходит на 1 кВт больше тепловой энергии. Этот показатель учитывает затраты тепла на обогрев наружного воздуха, поступающего в квартиру через отверстия и стены (инфильтрация).

Вычисление тепловой нагрузки по объему комнат

Если расстояние между полом и потолком составляет 3 метра и более, предыдущий метод расчета использовать нельзя — результат не будет правильным. В таких случаях тепловая нагрузка рассчитывается как удельный расход тепла на 1 м³ объема помещения.

Формула и алгоритм расчета остаются прежними, только параметр поверхности S переводится в объем V:

Следовательно, предполагается различный удельный расход q в зависимости от кубатуры каждой комнаты:

• помещение внутри здания или с одной внешней стеной и окном — 35 Вт / м³;
• угловая комната с одним окном — 40 Вт / м³;
• то же, с двумя световыми проемами — 45 Вт / м³.

Внимание. Увеличивающие и уменьшающие k региональные коэффициенты используются в формуле без изменений.

Например, давайте теперь определим тепловую нагрузку нашего дома, принимая высоту потолка 3 метра:

Q = (47,25 x 45 + 63 x 40 + 15 x 35 + 21 x 35 + 18 x 35 + 47,25 x 45 + 63 x 40) x 1 = 11182 Вт ≈ 11,2 кВт.

Видно, что требуемая мощность нагрева системы отопления увеличилась на 200 Вт по сравнению с предыдущими расчетами. Если взять высоту помещения 2,7-2,8 м и рассчитать потребление энергии исходя из объема, то цифры примерно такие же. В результате этот метод можно использовать для коллективных расчетов теплопотерь в помещениях любой высоты.

Расчетный алгоритм согласно СНиП

Этот метод является наиболее точным из доступных. Если вы будете следовать нашим советам и правильно произведете расчеты, то сможете быть на 100% уверены в результате и комфортно себя чувствовать со своим отопительным оборудованием. Порядок действий следующий:

1. Измерьте площадь наружных стен, полов и полов для каждой комнаты отдельно. Определите площадь окон и входных дверей.
2. Рассчитайте теплопотери через всю ограждающую конструкцию здания.
3. Определите количество тепловой энергии, используемой для нагрева вентиляционного (инфильтрационного) воздуха.
4. Сложите результаты и получите реальное значение тепловой нагрузки.

Обмер жилого помещения изнутри

Важная заметка. В двухэтажном коттедже внутренние потолки не учитываются, так как они не граничат с окружающей средой.

Суть расчета потерь тепла относительно проста: выяснить, сколько энергии теряет каждый тип строительной конструкции, поскольку окна, стены и полы сделаны из разных материалов. При определении площади наружных стен следует вычесть площадь застекленных проемов — последние пропускают больше тепла и поэтому учитываются отдельно.

При измерении ширины комнат прибавьте половину толщины внутренней перегородки и возьмите внешний угол, как показано на рисунке. Цель состоит в том, чтобы учесть полный размер внешней оболочки, которая теряет тепло по всей поверхности.

При измерении следует учитывать угол здания и половину внутренней перегородки.

Определяем теплопотери стен и крыши

Формула для расчета теплового потока через один тип конструкции (например, стену) выглядит следующим образом.

• обозначили величину теплопотерь через одну перегородку Qi, Вт;
• А — площадь стен в одной комнате, м²;
• tv — комфортная температура в помещении, обычно принимаемая за +22 ° C;
• tn — минимальная наружная температура в течение 5 самых холодных зимних дней (следует принимать фактическое значение для данной местности);
• R — сопротивление теплопередаче толщины внешнего покрытия, м² ° C / Вт.

Коэффициенты теплопроводности для некоторых распространенных строительных материалов

В этот список входит один неопределенный параметр — R. Его значение зависит от материала конструкции стены и толщины перегородки. Чтобы рассчитать сопротивление теплопередаче, действуйте следующим образом.

1. Определите толщину несущей части наружной стены и изоляционного слоя отдельно. Буквенное обозначение в формулах — δ и исчисляется в метрах.
2. По справочным таблицам найдите коэффициенты теплопроводности строительных материалов λ, единица измерения — Вт / (мºC).
3. Замените одно за другим значения, найденные в формуле:
4. Определите R для каждого слоя стены отдельно, сложите результаты и используйте в первой формуле.

Повторите расчет отдельно для окон, стен и перекрытия в одной комнате, а затем переходите к следующей комнате. Потери тепла через перекрытия рассчитываются отдельно, как описано ниже.

Кончик. Правильные коэффициенты теплопроводности для различных материалов приведены в нормативных документах. Для России это Свод правил СП 50.13330.2012, для Украины — ДБН В.2.6-31.

2006. Будьте осторожны! В расчетах следует использовать значение λ, указанное в столбце B для данных условий эксплуатации.

Таблица является приложением к СП 50.13330.2012 Теплоизоляция зданий, опубликована в специализированном источнике.

Примерный расчет для гостиной в нашем одноэтажном доме (высота потолков 3 м):

1. Площадь внешних стен с окнами: (5,04 + 4,04) x 3 = 27,24 м². Площадь окна: 1,5 x 1,57 x 2 = 4,71 м². Чистая площадь конверта: 27,24 — 4,71 = 22,53 м².
2. Коэффициент теплопроводности λ для кирпичного силикатного кирпича составляет 0,87 Вт / (мºC), для полистирола 25 кг / м³ — 0,044 Вт / (мºC). Толщина — 0,38 и 0,1 м соответственно, учитываем термическое сопротивление: R = 0,38 / 0,87 + 0,1 / 0,044 = 2,71 м² ° С / Вт.
3. Наружная температура составляет минус 25 ° C, а температура внутри жилого помещения плюс 22 ° C. Разница составит 25 + 22 = 47 ° C.
4. Найдите потери тепла через стены гостиной: Q = 1 / 2,71 x 47 x 22,53 = 391 Вт.

Сечение стены коттеджа

Аналогичным образом рассчитываются потери тепла через окна и перекрытия. Тепловое сопротивление светопрозрачных конструкций обычно дает производитель, параметры железобетонной плиты толщиной 22 см можно узнать в рецептах или справочниках:

1. Утепленный пол R = 0,22 / 2,04 + 0,1 / 0,044 = 2,38 м² ° C / Вт, теплопотери через крышу — 1 / 2,38 x 47 x 5,04 x 4,04 = 402 Вт.
2. Оконные потери: Q = 0,32 x 47 x 71 = 70,8 Вт.

Таблица коэффициентов теплопередачи для окон ПВХ. Мы приняли самое скромное одинарное окно (k = 0,32 Вт / (м- ° C)

Суммарные теплопотери в жилом помещении (без полов) составляют 391 + 402 + 70,8 = 863,8 Вт. Аналогичные расчеты производятся для остальных помещений и подводятся итоги.

Примечание: коридор внутри здания не контактирует с внешней перегородкой и теряет тепло только через крышу и полы. Посмотрите на видео, какие конверты нужно включить в методику расчета.

Деление пола на зоны

Чтобы определить количество тепла, теряемого полом на земле, здание разделено на зоны шириной 2 м, как показано на рисунке. Первая зона начинается снаружи конструкции здания.

Во время разметки отсчет времени начинается снаружи здания.

Алгоритм расчета следующий:

1. Нарисуйте планировку дачи, разделите ее на полосы шириной 2 метра. Максимальное количество зон — 4.
2. Рассчитайте площадь пола для каждой зоны отдельно, не обращая внимания на межкомнатные перегородки. Примечание. Перпендикулярность углов учитывается дважды (на рисунке она заштрихована).
3. По расчетной формуле (повторенной для удобства) определите теплопотери во всех областях и сложите результаты.
4. Сопротивление теплопередаче R для зоны I было принято равным 2,1 м2См / Вт, для зоны II — 4,3, для зоны III — 8,6, для остального этажа — 14,2 м2См / Вт.

Внимание. В случае отапливаемого подвала первую обрешетку кладут на подземную часть стены, считая от уровня земли.

Схема стен подвала с уровня земли

Полы с теплоизоляцией из минеральной ваты или полистирола рассчитываются аналогично, только к определенному значению R добавляется термическое сопротивление слоя теплоизоляции по формуле δ / λ.

Пример расчетов в гостиной загородного дома:

1. Площадь зоны I составляет (5,04 + 4,04) x 2 = 18,16 м², площадь зоны II составляет 3,04 x 2 = 6,08 м². Остальные зоны в салон не входят.
2. Энергопотребление для первой зоны составит 1 / 2,1 x 47 x 18,16 = 406,4 Вт, для второй зоны 1 / 4,3 x 47 x 6,08 = 66,5 Вт.
3. Тепловой поток, протекающий через пол в гостиной, составляет 406,4 + 66,5 = 473 Вт.

Теперь вы можете легко рассчитать общие потери тепла в данном помещении: 863,8 + 473 = 1336,8 Вт, округленное до 1,34 кВт.

Нагрев вентиляционного воздуха

Подавляющее большинство частных домов и квартир имеют естественную вентиляцию. Наружный воздух поступает через оконные и дверные ворота, а также через воздухозаборники. Система обогрева нагревает поступающий холодный воздух и использует дополнительную энергию. Как узнать размер этих потерь:

1. Поскольку подсчет инфильтрации слишком сложен, нормативы учитывают 3 м³ воздуха в час на квадратный метр жилой площади. Общий расход приточного воздуха L рассчитывается просто: площадь помещения умножается на 3.
2. L — это объем, и вам нужна масса m проходящего через него воздуха. Найдите его, умножив на плотность газа из таблицы.
3. Подставляем массу воздуха m в формулу из школьного курса физики, которая позволяет определить количество затраченной энергии.

Рассчитаем необходимое количество тепла на примере многострадальной гостиной площадью 15,75 м2. Входной объем L = 15,75 x 3 = 47,25 м³ / ч, вес 47,25 x 1,422 = 67,2 кг / ч. Предполагая, что теплоемкость воздуха (обозначенная как C) составляет 0,28 Вт / (кг ºC), мы получаем потребление энергии: Qvent = 0,28 x 67,2 x 47 = 884 Вт. Как видите, это число весьма впечатляет. поэтому следует учитывать нагрев воздушных масс.

Окончательный расчет теплопотерь здания плюс затраты тепла на вентиляцию определяется суммированием всех ранее полученных результатов. В частности, тепловая нагрузка на обогрев жилого помещения была рассчитана как 0,88 + 1,34 = 2,22 кВт. Точно так же все комнаты в коттедже рассчитываются одинаково, и в итоге затраты на электроэнергию складываются в одну цифру.

Окончательный расчет

Если ваш мозг еще не закипел от лишних формул, должно быть интересно увидеть результат для всего одноэтажного дома. Основную работу мы проделали в предыдущих примерах, осталось только пройти по оставшимся комнатам и узнать теплопотери всей ограждающей конструкции. Мы нашли входные данные:

• тепловое сопротивление стен — 2,71, окон — 0,32, полов — 2,38 м² ° С / Вт;
• высота потолка 3 м;
• R для входных дверей, утепленных экструдированным пенополистиролом, составляет 0,65 м² ° C / Вт;
• внутренняя температура — 22, внешняя — минус 25 ° С.

Чтобы упростить вычисления, мы предлагаем вам создать таблицу Exel, а затем сохранить промежуточные и окончательные результаты.

Пример таблицы расчета теплопотерь в Exel

После выполнения расчетов и заполнения таблицы получаются следующие значения расхода тепла в помещениях

• жилая — 2,22 кВт;
• кухня — 2536 кВт; — кухня — 2536 кВт;
• зал — 745 Вт
• коридор — 586 Вт
• ванная — 676 ​​Вт;
• спальня — 2,22 кВт;
• детская — 2,536 кВт.

Суммарная нагрузка системы отопления для частного дома площадью 100 м² составляет 11,518 Вт, округляя до 11,6 кВт. Стоит отметить, что результат отличается от приблизительных расчетных методик буквально на 5%.

Однако, согласно правилам, окончательное значение должно быть умножено на коэффициент 1,1 для неучтенных тепловых потерь из-за ориентации здания, ветровой нагрузки и т. д. Таким образом, окончательный результат составляет 12,76 кВт. Видео подробно и доступно объясняет методологию проектирования:

Как воспользоваться результатами вычислений

Зная потребность здания в тепле, домовладелец может:

• Подбирайте именно мощность отопительных приборов для обогрева дачи;
• подобрать нужное количество секций радиатора;
• определить необходимую толщину утеплителя и утеплить здание;
• определить расход теплоносителя на любом участке установки и при необходимости произвести гидравлический расчет трубопроводов;
• Узнаем среднесуточное и ежемесячное потребление тепла.

Последний пункт особенно интересен. Мы нашли значение тепловой нагрузки за 1 час, но его можно пересчитать за более длительный период и рассчитать прогнозируемый расход топлива — газ, дрова или пеллеты.