Изчисление на отоплителна система на частен дом: правила и примери за изчисление

Отоплението на частен дом е необходим елемент на комфортното жилище. Съгласете се, че към обустройването на отоплителния комплекс трябва да се подхожда внимателно, тъй като грешките ще струват скъпо. Но вие никога не сте се занимавали с подобни изчисления и не знаете как да ги извършите правилно?

Ние ще ви помогнем – в нашата статия подробно ще разгледаме как се прави изчисление на отоплителната система на частен дом за ефективно възстановяване на топлинните загуби през зимните месеци.

Ще дадем конкретни примери, допълвайки материала на статията с илюстративни снимки и полезни видео съвети, както и с актуални таблици с показатели и коефициенти, необходими за изчисленията.

Топлинни загуби на частна къща

Сградата губи топлина поради разликата в температурите на въздуха вътре и извън дома. Топлинните загуби са толкова по-високи, колкото по-голяма е площта на ограждащите конструкции на сградата (прозорци, покрив, стени, основи).

Също така загубите на топлинна енергия са свързани с материалите на ограждащите конструкции и техните размери. Например, топлинните загуби на тънки стени са по-големи от тези на дебели.

Ефективно изчисление на отоплението за частен дом задължително отчита материалите, използвани при строежа на ограждащите конструкции.

Например, при еднаква дебелина на стена от дърво и тухла, те пренасят топлина с различна интензивност – топлинните загуби през дървените конструкции стават по-бавно. Едни материали пропускат топлината по-добре (метал, тухла, бетон), други по-лошо (дърво, минерална вата, пенополистирол).

Атмосферата вътре в жилищната сграда е косвено свързана с външната въздушна среда. Стените, отворите на прозорци и врати, покривът и основата през зимата предават топлина от дома навън, доставяйки взамен студ. На тях се падат 70-90% от общите топлинни загуби на къщата.

Стени, покрив, прозорци и врати – всичко пропуска топлината през зимата навън. Термографът нагледно ще покаже загубите на топлина.

Постоянно изтичане на топлинна енергия през отоплителния сезон става също чрез вентилация и канализация.

При изчисляване на топлинните загуби на сграда за индивидуално жилищно строителство тези данни обикновено не се вземат предвид. Но включването в общия топлинен анализ на къщата на загубите на топлина през канализационната и вентилационната системи – решение все пак правилно.

Съществено да намали изтичанията на топлина, които преминават през строителните конструкции, отворите на врати/прозорци, може грамотно изградена система от топлоизолация.

Да се извърши изчисление на автономния отоплителен кръг на извънградска къща без оценка на топлинните загуби на нейните ограждащи конструкции е невъзможно. По-точно, няма да се получи да се определи мощността на отоплителния котел, достатъчна за отопление на къщата в най-лютите мразове.

Анализът на реалния разход на топлинна енергия през стените ще позволи да се сравнят разходите за котеловото оборудване и гориво с разходите за топлоизолация на ограждащите конструкции.

Всъщност колкото по-енергийноефективна е къщата, т.е. колкото по-малко топлинна енергия губи през зимните месеци, толкова по-малки са разходите за закупуване на гориво.

За грамотно изчисление на отоплителната система ще е необходим коефициент на топлопроводимост на разпространени строителни материали.

Таблица на стойностите на коефициента на топлопроводимост на различни строителни материали, най-често използвани при изграждане

Изчисляване на топлинните загуби през стените

На примера на условна двуетажна къща ще изчислим топлинните загуби през нейните стенни конструкции.

Изходни данни:

• квадратна «кутия» с фасадни стени с ширина 12 м и височина 7 м;
• в стените 16 отвора, площта на всеки 2,5 м²;
• материал на фасадните стени – плътна тухла керамична;
• дебелина на стената – 2 тухли.

След това ще изчислим група показатели, от които се съставя общата стойност на топлинните загуби през стените.

Показател за съпротивление на топлопреминаване

За да разберете показателя за съпротивление на топлопреминаване за фасадна стена, трябва да разделите дебелината на стенния материал на неговия коефициент на топлопроводимост.

За редица конструкционни материали данните за коефициента на топлопроводимост са представени на изображенията по-горе и по-долу.

За точни изчисления ще е необходим коефициентът на топлопроводимост на посочените в таблицата топлоизолационни материали, използвани в строителството

Нашата условна стена е изградена от керамична плътна тухла, чийто коефициент на топлопроводимост е 0,56 W/m·^°C. Дебелината ѝ, като се вземе предвид зидарията с ЦПР, е 0,51 m. Разделяйки дебелината на стената на коефициента на топлопроводимост на тухлата, получаваме съпротивлението на топлопреминаване на стената:

0,51 : 0,56 = 0,91 W/m^2×°C

Резултатът от делението закръгляме до два знака след десетичната запетая, не е необходима по-точна информация за съпротивлението на топлопреминаване.

Площ на външните стени

Тъй като за пример е избрана квадратна сграда, площта на стените ѝ се определя чрез умножаване на ширината по височината на една стена, след това по броя на външните стени:

12 · 7 · 4 = 336 m²

И така, знаем площта на фасадните стени. Но какво да кажем за отворите на прозорци и врати, които заедно заемат 40 m² (2,5·16=40 m²) от фасадната стена, трябва ли да се вземат предвид?

Наистина, как да се изчисли правилно автономното отопление в дървена къща, без да се вземе предвид съпротивлението на топлопреминаване на прозорците и вратите?

Коефициент на топлопроводимост на топлоизолационните материали, използвани за изолация на носещи стени

Ако е необходимо да се изчислят топлинните загуби на сграда с голяма площ или топла къща (енергийно ефективна) – да, отчитането на коефициентите на топлопреминаване на прозоречните рамки и входните врати при изчислението ще бъде правилно.

Въпреки това за нискоетажни сгради (ИЖС), изградени от традиционни материали, е допустимо да се пренебрегнат отворите за врати и прозорци. Т.е. да не се изважда тяхната площ от общата площ на фасадните стени.

Общи топлинни загуби на стените

Откриваме загубата на топлина на стената от един квадратен метър при разлика в температурата на въздуха вътре и извън къщата от един градус.

За целта разделяме единицата на съпротивлението на топлопреминаване на стената, изчислено по-рано:

1 : 0,91 = 1,09 W/m²·^оC

Знаейки топлинните загуби на квадратен метър от периметъра на външните стени, може да се определят загубите на топлина при определени външни температури.

Например, ако в помещенията на котеджа температурата е +20 ^оС, а навън е -17 ^оС, разликата в температурите ще бъде 20+17=37 ^оС. В тази ситуация общите топлинни загуби на стените на нашия условен дом ще бъдат:

0,91 · 336 · 37 = 11313 W,

Където: 0,91 – съпротивление на топлопреминаване на квадратен метър стена; 336 – площ на фасадните стени; 37 – разлика в температурите на стайната и външната атмосфера.

Коефициент на топлопроводимост на топлоизолационни материали, използвани за изолация на под/стени, за направа на суха замазка на пода и изравняване на стени

Преизчисляваме получената стойност на топлинните загуби в киловат-часове, те са по-удобни за възприемане и последващи изчисления на мощността на отоплителната система.

Топлинни загуби на стени в киловат-часове

Първо ще установим колко топлинна енергия ще се загуби през стените за един час при температурна разлика от 37 ^оС.

Напомняме, че изчислението се прави за къща с конструктивни характеристики, условно избрани за демонстрационни и показателни изчисления:

11313 · 1 : 1000 = 11,313 kWh,

Където: 11313 – стойност на топлинните загуби, получена преди; 1 – час; 1000 – брой ватове в киловат.

Коефициент на топлопроводимост на строителни материали, използвани за изолация на стени и тавани

За изчисляване на топлинните загуби за денонощие умножаваме получената стойност на загубите за час по 24 часа:

11,313 · 24 = 271,512 kWh

За по-голяма яснота ще определим загубите на топлинна енергия за целия отоплителен сезон:

7 · 30 · 271,512 = 57017,52 kWh,

Където: 7 – брой месеци в отоплителния сезон; 30 – брой дни в месеца; 271,512 – дневни топлинни загуби на стени.

И така, изчислените топлинни загуби на къщата с горепосочените характеристики на ограждащите конструкции ще възлязат на 57017,52 kWh за седем месеца от отоплителния сезон.

Отчитане на влиянието на вентилацията на частния дом

Изчисляването на вентилационните топлинни загуби през отоплителния сезон като пример ще извършим за условен котедж с квадратна форма, със стена с ширина 12 метра и височина 7 метра.

Без да се вземат предвид мебелите и вътрешните стени, вътрешният обем на атмосферата в тази сграда ще бъде:

12 · 12 · 7 = 1008 m³

При температура на въздуха +20 ^оС (норма през отоплителния сезон) неговата плътност е равна на 1,2047 kg/m³, а специфичният топлинен капацитет е 1,005 kJ/(kg·^оС).

Изчисляваме масата на атмосферата в къщата:

1008 · 1,2047 = 1214,34 kg,

Където: 1008 – обем на домашната атмосфера; 1,2047 – плътност на въздуха при t +20 ^оС.

Таблица със стойността на коефициента на топлопроводимост на материали, които могат да са необходими при извършване на точни изчисления

Да предположим петкратна смяна на въздушния обем в помещенията на къщата. Отбелязваме, че точната потребност от приточен обем свеж въздух зависи от броя на обитателите на вилата.

При средна температурна разлика между къщата и улицата през отоплителния сезон, равна на 27 ^оС (20 ^оС вътрешна, -7 ^оС външна атмосфера) за денонощие за отопление на приточния студен въздух ще е необходима топлинна енергия:

5 · 27 · 1214,34 · 1,005 = 164755,58 кДж,

Където: 5 – брой смени на въздуха в помещенията; 27 – разлика в температурите на стайната и уличната атмосфера; 1214,34 – плътност на въздуха при t +20 ^оС; 1,005 – специфичен топлинен капацитет на въздуха.

Ще превърнем килоджаулите в киловат-часове, като разделим стойността на броя килоджаули в един киловат-час (3600):

164755,58 : 3600 = 45,76 кВт·ч

След като установим разходите на топлинна енергия за отопление на въздуха в къщата при петкратната му смяна чрез приточна вентилация, можем да изчислим «въздушните» топлинни загуби за седеммесечен отоплителен сезон:

7 · 30 · 45,76 = 9609,6 кВт·ч,

Където: 7 – брой «отоплени» месеци; 30 – среден брой дни в месеца; 45,76 – денонощни разходи на топлинна енергия за нагряване на приточния въздух.

Вентилационните (инфилтрационните) енергийни разходи са неизбежни, тъй като обновлението на въздуха в помещенията на вилата е жизненоважно.

Нуждите от нагряване на сменяемата въздушна атмосфера в къщата трябва да се изчисляват, сумират с топлинните загуби през ограждащите конструкции и да се вземат предвид при избора на отоплителен котел. Има още един вид топлинни енергийни разходи, последният – канализационните топлинни загуби.

Разходи за енергия за подготовка на гореща вода

Ако през топлите месеци от крана във вилата постъпва студена вода, то през отоплителния сезон тя е ледена, с температура не по-висока от +5 ^оС. Къпането, миенето на съдове и прането са невъзможни без нагряване на вода.

Водата, набирана в резервоара на тоалетната, контактува чрез стените с домашната атмосфера, отнемайки малко топлина. Какво се случва с водата, нагрята чрез изгаряне на не безплатно гориво и изразходвана за битови нужди? Тя се излива в канализацията.

Двуконтурен котел с бойлер за индиректно нагряване, използван както за нагряване на топлоносителя, така и за доставка на гореща вода в изградения за нея контур

Да разгледаме с пример. Семейство от трима души, да предположим, изразходва 17 м³ вода ежемесечно. 1000 кг/м³ – плътност на водата, а 4,183 кДж/кг·^оС – нейният специфичен топлинен капацитет.

Средната температура на загряната вода, предназначена за битови нужди, нека да бъде +40 ^оС. Съответно, разликата в средната температура между постъпващата в къщата студена вода (+5 ^оС) и загряната в бойлера (+30 ^оС) се получава 25 ^оС.

За изчисляване на канализационните топлинни загуби считаме:

17 · 1000 · 25 · 4,183 = 1777775 кДж,

Където: 17 – месечен обем на разхода на вода; 1000 – плътност на водата; 25 – разлика в температурите на студената и загряната вода; 4,183 – специфичен топлинен капацитет на водата;

За преизчисляване на килоджаулите в по-разбираеми киловат-часа:

1777775 : 3600 = 493,82 кВт·ч

По този начин, за седеммесечния период на отоплителния сезон в канализацията отива топлинна енергия в обем:

493,82 · 7 = 3456,74 кВт·ч

Разходът на топлинна енергия за загряване на вода за хигиенни нужди е малък, в сравнение с топлинните загуби през стените и вентилацията. Но това все пак са енергийни разходи, които натоварват отоплителния котел или бойлера и предизвикват разход на гориво.

Изчисляване на мощността на отоплителния котел

Котелът в състава на отоплителната система е предназначен за компенсиране на топлинните загуби на сградата. А също така, в случай на двуконтурна система или при оборудване на котела с бойлер за косвен загряване, за загряване на вода за хигиенни нужди.

След като се изчислят дневните загуби на топлина и разходът на топла вода «за канализацията», може точно да се определи необходимата мощност на котела за къща с определена площ и характеристики на ограждащите конструкции.

Едноконтурният котел произвежда само загряване на топлоносителя за отоплителната система

За определяне на мощността на отоплителния котел е необходимо да се изчислят разходите на топлинна енергия на къщата през фасадните стени и за загряване на сменяемата въздушна атмосфера на вътрешните помещения.

Изискват се данни за топлинните загуби в киловат-часа на ден – в случай на условна къща, изчислена като пример, това са:

271,512 + 45,76 = 317,272 кВт·ч,

Където: 271,512 – дневни загуби на топлина през външните стени; 45,76 – дневни топлинни загуби за загряване на приточния въздух.

Съответно, необходимата отоплителна мощност на котела ще бъде:

317,272 : 24 (часа) = 13,22 кВт

Обаче такъв котел ще се окаже под постоянно високо натоварване, което намалява неговия експлоатационен живот. И в особено мразовити дни изчислената мощност на котела ще бъде недостатъчна, тъй като при голяма температурна разлика между стайната и външната атмосфера рязко ще нараснат топлинните загуби на сградата.

Затова да се избира котел по осреднено изчисление на разходите на топлинна енергия не си струва – той може и да не се справи със силните мразове.

Рационално ще бъде да се увеличи необходимата мощност на котелното оборудване с 20%:

13,22 · 0,2 + 13,22 = 15,86 кВт

За изчисляване на необходимата мощност на втория контур на котела, който загрява вода за миене на съдове, къпане и т.н., трябва да разделим месечната консумация на топлина на „канализационните“ топлинни загуби на броя дни в месеца и на 24 часа:

493,82 : 30 : 24 = 0,68 кВт

Според резултатите от изчисленията оптималната мощност на котела за примерната вила е 15,86 кВт за отоплителния контур и 0,68 кВт за нагревателния контур.

Избор на отоплителни радиатори

Традиционно се препоръчва да се избере мощността на отоплителния радиатор според площта на отопляваната стая, като се добавя 15-20% надбавка за мощностните нужди за всеки случай.

На примера ще разгледаме доколко е коректна методиката за избор на радиатор „10 м2 площ – 1,2 кВт“.

Топлинната мощност на радиаторите зависи от начина на тяхното свързване, което трябва да се вземе предвид при извършване на изчисленията на отоплителната система.

Изходни данни: ъглова стая на първото ниво на двуетажна къща ИЖС; външна стена от двуредова зидария от керамични тухли; ширина на стаята 3 м, дължина 4 м, височина на тавана 3 м.

По опростената схема за избор се предлага да се изчисли площта на помещението, изчисляваме:

3 (ширина) · 4 (дължина) = 12 м²

Т.е. необходимата мощност на отоплителния радиатор с 20% надбавка се получава 14,4 кВт. А сега да изчислим мощностните параметри на отоплителния радиатор на базата на топлинните загуби на стаята.

Всъщност площта на стаята влияе върху загубите на топлинна енергия по-малко отколкото площта на нейните стени, които излизат с една страна навън от сградата (фасадните).

Затова ще изчислим точно площта на „уличните“ стени, които са в стаята:

3 (ширина) · 3 (височина) + 4 (дължина) · 3 (височина) = 21 м²

Като знаем площта на стените, които предават топлина „навън“, ще изчислим топлинните загуби при разлика между стайната и външната температура от 30^о (в къщата +18 ^оС, отвън -12 ^оС), и то веднага в киловатчаса:

0,91 · 21 · 30 : 1000 = 0,57 кВт,

Където: 0,91 – съпротивление на топлопреминаване на м2 стайни стени, които гледат «навън»; 21 – площ на «външните» стени; 30 – разлика в температурите вътре и извън къщата; 1000 – брой ватове в киловат.

Според строителните стандарти отоплителните уреди се разполагат на места с максимални топлинни загуби. Например, радиаторите се монтират под прозоречните отвори, топлинните оръдия – над входа на къщата. В ъгловите стаи батериите се монтират на слепи стени, подложени на максимално въздействие на ветровете.

Оказва се, че за компенсиране на топлинните загуби през фасадните стени на тази конструкция, при 30^о разлика в температурите в къщата и навън е достатъчно отопление с мощност 0,57 кВт·ч. Ще увеличим необходимата мощност с 20, дори с 30% – получаваме 0,74 кВт·ч.

По този начин реалните нужди от отоплителна мощност могат да бъдат значително по-ниски, отколкото търговската схема „1,2 kW на квадратен метър площ на помещението“.

Освен това правилното изчисляване на необходимите мощности на отоплителните радиатори ще позволи да се намали обемът на топлоносителя в отоплителната система, което ще намали натоварването на котела и разходите за гориво.

Изводи и полезно видео по темата

Къде отива топлината от дома – отговорите предоставя нагледно видео:

Във видеото е разгледан редът за изчисляване на топлинните загуби на дома през ограждащите конструкции. Познавайки загубите на топлина, ще можете точно да изчислите мощностите на отоплителната система:

Подробно видео за принципите на избор на мощностните характеристики на отоплителния котел вижте по-долу:

Производството на топлина всяка година поскъпва – цените на горивата се покачват. А топлината постоянно не достига. Не може да се отнасяме безразлично към енергийните разходи на вилата – това е напълно неизгодно.

От една страна всеки нов отоплителен сезон струва на собственика на дома все по-скъпо. От друга страна изолацията на стените, основата и покрива на къщата струва добри пари. Но колкото по-малко топлина излезе от сградата, толкова по-евтино ще бъде да се отоплява.

Запазването на топлината в помещенията на дома е основна задача на отоплителната система през зимните месеци. Изборът на мощност на отоплителния котел зависи от състоянието на къщата и от качеството на изолацията на нейните ограждащи конструкции. Принципът „киловат на 10 квадрата площ“ работи във вила със средно състояние на фасадите, покрива и основата.

Вие сами ли изчислихте отоплителната система за вашия дом? Или забелязахте несъответствия в изчисленията, представени в статията? Споделете своя практически опит или обем от теоретични знания, като оставите коментар в блока под тази статия.