Топлинно изчисление на отоплителна система: как да направите правилно изчисление на натоварването на системата

Проектирането и топлинното изчисление на отоплителната система – задължителен етап при изграждането на отоплението на дома. Основната задача на изчислителните дейности – определяне на оптималните параметри на котела и системата от радиатори.

Съгласете се, на пръв поглед може да изглежда, че извършването на топлотехническо изчисление е по силите само на инженер. Обаче не всичко е толкова сложно. Познавайки алгоритъма на действията, ще успеете самостоятелно да извършите необходимите изчисления.

В статията подробно е изложен редът на изчисление и са приведени всички необходими формули. За по-добро разбиране ние сме подготвили пример за топлинно изчисление за частен дом.

Топлинно изчисление на отоплението: общ ред

Класическото топлинно изчисление на отоплителната система представлява обобщен технически документ, който включва задължителни поетапни стандартни методи за изчисления.

Но преди изучаването на тези изчисления на основните параметри трябва да се запознаете с понятието за самата отоплителна система.

Системата за отопление се характеризира с принудително подаване и неволно отвеждане на топлината в помещението.

Основните задачи на изчислението и проектирането на отоплителната система:

• най-надеждно да се определят топлинните загуби;
• да се определи количеството и условията на използване на топлоносителя;
• максимално точно да се подберат елементите за генериране, пренос и отдаване на топлина.

При изграждане на отоплителна система е необходимо първоначално да се съберат разнообразни данни за помещението/сградата, където ще се използва отоплителната система. След това да се изчислят топлинните параметри на системата и да се анализират резултатите от аритметичните операции.

На базата на получените данни се подбират компонентите на отоплителната система с последващо закупуване, инсталиране и въвеждане в експлоатация.

Отоплението – това е многокомпонентна система за осигуряване на утвърдения температурен режим в помещението/сградата. То представлява обособена част от комплекса от комуникации на съвременното жилищно помещение.

Забележително е, че посочената методика за топлинно изчисление позволява достатъчно точно да се изчисли голям брой величини, които конкретно описват бъдещата отоплителна система.

В резултат на топлинното изчисление ще разполагате със следната информация:

• брой на топлинните загуби, мощност на котела;
• количество и тип на топлинните радиатори за всяка стая поотделно;
• хидравлични характеристики на тръбопровода;
• обем, скорост на топлоносителя, мощност на термопомпата.

Топлинното изчисление – това не са теоретични скици, а съвсем точни и обосновани резултати, които се препоръчва да се използват на практика при подбора на компоненти на отоплителната система.

Норми на температурните режими на помещенията

Преди извършването на каквито и да било изчисления на параметрите на системата е необходимо поне да се знае редът на очакваните резултати, както и да са налице стандартизирани характеристики на някои таблични величини, които трябва да се заместват във формулите или да се ориентирате по тях.

След извършване на изчисленията на параметрите с такива константи, може да сте уверени в достоверността на търсения динамичен или постоянен параметър на системата.

За помещения с различно предназначение съществуват еталонни стандарти за температурни режими на жилищни и нежилищни помещения. Тези норми са закрепени в така наречените ГОСТ стандарти.

За отоплителната система един от тези глобални параметри е температурата в помещението, която трябва да бъде постоянна независимо от периода на годината и условията на околната среда.

Съгласно регламента на санитарните норми и правила има разлики в температурата спрямо летния и зимния период на годината. За температурния режим на помещението през летния сезон отговаря системата за климатизация, принципът на нейното изчисление е подробно описан в тази статия.

А стайната температура на въздуха през зимния период се осигурява от отоплителната система. Затова ни интересуват температурните диапазони и техните допуски на отклонение за зимния сезон.

В повечето нормативни документи се посочват следните температурни диапазони, които позволяват на човека да се чувства комфортно в помещението.

За нежилищни помещения от офисен тип с площ до 100 м²:

• 22-24°С – оптимална температура на въздуха;
• 1°С – допустимо отклонение.

За помещения от офисен тип с площ над 100 м² температурата е 21-23°С. За нежилищни помещения от промишлен тип температурните диапазони се различават значително в зависимост от предназначението на помещението и установените норми за безопасност на труда.

Комфортната температура на помещението за всеки човек е “своя”. Някой обича да е много топло в стаята, на друг му е комфортно, когато в стаята е хладно – всичко това е доста индивидуално.

Що се отнася до жилищните помещения: апартаменти, частни къщи, вили и т.н. съществуват определени температурни диапазони, които могат да се коригират в зависимост от желанията на обитателите.

И все пак за конкретните помещения на апартамента и къщата имаме:

• 20-22°С – жилищна, включително детска, стая, допустимо отклонение ±2°С –
• 19-21°С – кухня, тоалетна, допустимо отклонение ±2°С;
• 24-26°С – баня, душ, басейн, допустимо отклонение ±1°С;
• 16-18°С – коридори, антрета, стълбищни клетки, складове, допустимо отклонение +3°С

Важно е да се отбележи, че има още няколко основни параметъра, които влияят на температурата в помещението и на които трябва да се ориентираме при изчисляване на отоплителната система: влажност (40-60%), концентрация на кислород и въглероден диоксид във въздуха (250:1), скорост на движение на въздушните маси (0.13-0.25 м/с) и т.н.

Изчисление на топлинните загуби в дома

Според втория закон на термодинамиката (училищна физика) не съществува спонтанен пренос на енергия от по-слабо нагрети към по-силно нагрети мини- или макрообекти. Частен случай на този закон е “стремежът” за създаване на температурно равновесие между две термодинамични системи.

Например, първата система – околната среда с температура -20°С, втората система – сграда с вътрешна температура +20°С. Според приведения закон тези две системи ще се стремят да се уравновесят чрез обмен на енергия. Това ще става с помощта на топлинни загуби от втората система и охлаждане в първата.

Определено може да се каже, че температурата на околната среда зависи от географската ширина, на която се намира частната къща. А температурната разлика влияе на количеството топлинни загуби от сградата (+)

Под топлинни загуби се разбира неволното изтичане на топлина (енергия) от даден обект (къща, апартамент). За обикновен апартамент този процес не е толкова “забележим” в сравнение с частна къща, тъй като апартаментът се намира вътре в сградата и “граничи” с други апартаменти.

В частна къща през външните стени, пода, покрива, прозорците и вратите в една или друга степен “изтича” топлина.

Познавайки големината на топлинните загуби за най-неблагоприятните метеорологични условия и характеристиката на тези условия, може с висока точност да се изчисли мощността на отоплителната система.

И така, обемът на изтичането на топлина от сградата се изчислява по следната формула:

Q=Q_под+Q_стена+Q_{прозорец}+Q_покрив+Q_врата+…+Q_i, където

Qi – обемът на топлинните загуби от еднороден вид обвивка на сградата.

Всяка съставна част от формулата се изчислява по формулата:

Q=S*∆T/R, където

• Q – топлинни изтичания, W;
• S – площ на конкретен тип конструкция, кв. м;
• ∆T – разлика в температурите на въздуха на околната среда и вътре в помещението, °C;
• R – топлинно съпротивление на определен тип конструкция, м²*°C/W.

Самата стойност на топлинното съпротивление за реално съществуващите материали се препоръчва да се вземе от спомагателни таблици.

Освен това топлинното съпротивление може да се получи с помощта на следното съотношение:

R=d/k, където

• R – топлинно съпротивление, (м²*К)/W;
• k – коефициент на топлопроводимост на материала, W/(м²*К);
• d – дебелина на този материал, м.

В стари къщи с навлажнена покривна конструкция изтичанията на топлина стават през горната част на постройката, а именно през покрива и тавана. Провеждането на мероприятия по топлоизолация на тавана или топлоизолация на мансарден покрив решават този проблем.

Ако се изолира таванското пространство и покривът, то общите топлинни загуби от къщата могат значително да се намалят

В къщата съществуват още няколко вида топлинни загуби през процепи в конструкциите, вентилационната система, кухненския аспиратор, отваряния на прозорци и врати. Но да се отчита техният обем няма смисъл, тъй като те съставляват не повече от 5% от общия брой на основните изтичания на топлина.

Определяне на мощността на котела

За поддържане на разликата в температурите между околната среда и температурата вътре в къщата е необходима автономна отоплителна система, която поддържа нужната температура във всяка стая на частната къща.

Основа на отоплителната система са различни видове котли: течно- или твърдогоривни, електрически или газови.

Котелът – това е централен възел на отоплителната система, който генерира топлина. Основна характеристика на котела е неговата мощност, а именно скоростта на преобразуване на количеството топлина за единица време.

След като се изчислят топлинните товари за отопление, ще получим необходимата номинална мощност на котела.

За обикновен многостаен апартамент мощността на котела се изчислява чрез площта и специфичната мощност:

Р_котла=(S_{помещение}*Р_{специфична})/10, където

• S_{помещение} – обща площ на отопляваното помещение;
• Р_{специфична} – специфична мощност спрямо климатичните условия.

Но тази формула не отчита топлинните загуби, които са значителни в частния дом.

Съществува друго съотношение, което отчита този параметър:

Р_котла=(Q_загуби*S)/100, където

• Р_котла – мощност на котела;
• Q_загуби – топлинни загуби;
• S – отопляема площ.

Изчислената мощност на котела трябва да се увеличи. Резервът е необходим, ако се планира използване на котела за подгряване на вода за баня и кухня.

В повечето отоплителни системи на частни домове се препоръчва задължително да се използва разширителен резервоар, в който ще се съхранява запас от топлоносител. Всеки частен дом се нуждае от горещо водоснабдяване.

За да се предвиди резерв на мощност на котела, в последната формула трябва да се добави коефициент на резерв К:

Р_котла=(Q_загуби*S*К)/100, където

К – ще бъде равен на 1.25, тоест изчислената мощност на котела ще бъде увеличена с 25%.

По този начин мощността на котела предоставя възможност да се поддържа нормативна температура на въздуха в стаите на сградата, както и да има начален и допълнителен обем гореща вода в дома.

Особености при избора на радиатори

Стандартни компоненти за осигуряване на топлина в помещението са радиатори, панели, системи за “топъл” под, конвектори и т.н. Най-разпространените части на отоплителната система са радиаторите.

Топлинният радиатор – това е специална куха конструкция от модулен тип от сплав с високо топлопреминаване. Той се изработва от стомана, алуминий, чугун, керамика и други сплави. Принципът на действие на отоплителния радиатор се свежда до излъчване на енергия от топлоносителя в пространството на помещението чрез “ребра”.

Алуминиевият и биметалният отоплителен радиатор замениха масивните чугунени батерии. Простотата на производство, високата топлопреминаване, сполучливата конструкция и дизайн направиха този продукт популярен и разпространен инструмент за излъчване на топлина в помещението.

Съществуват няколко методики за изчисляване на отоплителни радиатори в стая. Изброеният по-долу списък на начини е сортиран в ред на увеличаване на точността на изчисленията.

Варианти на изчисления:

1. По площ. N=(S*100)/C, където N – брой секции, S – площ на помещението (м²), C – топлоотдаване на една секция на радиатора (W, взима се от техническия паспорт или сертификат на изделието), 100 W – количество топлинен поток, което е необходимо за загряване на 1 м² (емпирична величина). Възниква въпросът: как да се отчете височината на тавана на стаята?
2. По обем. N=(S*H*41)/C, където N, S, C – аналогично. H – височина на помещението, 41 W – количество топлинен поток, което е необходимо за загряване на 1 м³ (емпирична величина).
3. По коефициенти. N=(100*S*к1*к2*к3*к4*к5*к6*к7)/C, където N, S, C и 100 – аналогично. к1 – отчитане на броя камери в стъклопакета на прозореца на стаята, к2 – топлоизолация на стените, к3 – съотношение на площта на прозорците към площта на помещението, к4 – средна минусова температура в най-студената седмица на зимата, к5 – брой външни стени на стаята (които “излизат” на улицата), к6 – тип помещение отгоре, к7 – височина на тавана.

Това е максимално точният вариант за изчисляване на броя секции. Естествено, закръглянето на дробните резултати от изчисленията винаги се извършва до следващото цяло число.

Хидравлично изчисление на водоснабдяването

Безспорно, “картината” на изчислението на топлината за отопление не може да бъде пълноценна без изчисляване на такива характеристики, като обем и скорост на топлоносителя. В повечето случаи топлоносителят е обикновена вода в течно или газообразно агрегатно състояние.

Реалният обем на топлоносителя се препоръчва да се изчислява чрез сумиране на всички кухини в отоплителната система. При използване на едноконтурен котел – това е оптималният вариант. При прилагане на двуконтурни котли в отоплителната система е необходимо да се вземат предвид разходите за гореща вода за хигиенни и други битови цели

Изчисляването на обема на водата, подгрявана от двуконтурен котел за осигуряване на живущите с гореща вода и за загряване на топлоносителя, се извършва чрез сумиране на вътрешния обем на отоплителния кръг и реалните потребности на потребителите от загрята вода.

Обемът на горещата вода в отоплителната система се изчислява по формулата:

W=k*P, където

• W – обем на топлоносителя;
• P – мощност на отоплителния котел;
• k – коефициент на мощност (количество литри на единица мощност, равен на 13.5, диапазон – 10-15 л).

В крайна сметка крайната формула изглежда така:

W = 13.5*P

Скоростта на топлоносителя – заключителна динамична оценка на отоплителната система, която характеризира скоростта на циркулация на течността в системата.

Тази величина помага да се оцени типът и диаметърът на тръбопровода:

V=(0.86*P*μ)/∆T, където

• P – мощност на котела;
• μ – КПД на котела;
• ∆T – разлика в температурите между подаваната вода и водата в обратния кръг.

Използвайки горепосочените методи на хидравличното изчисление, ще се получат реални параметри, които са “основата” на бъдещата отоплителна система.

Пример за топлинно изчисление

Като пример за топлинно изчисление разполагаме с обикновена едноетажна къща с четири жилищни стаи, кухня, тоалетна, “зимна градина” и помощни помещения.

Основа от монолитна стоманобетонна плоча (20 см), външни стени – бетон (25 см) с мазилка, покрив – подови конструкции от дървени греди, покривно покритие – метални керемиди и минерална вата (10 см)

Да означим началните параметри на къщата, необходими за извършване на изчисленията.

Габарити на сградата:

• височина на етажа – 3 м;
• малък прозорец на фасадната и задната част на сградата 1470*1420 мм;
• голям прозорец на фасадата 2080*1420 мм;
• входни врати 2000*900 мм;
• врати на задната част (изход към тераса) 2000*1400 (700 + 700) мм.

Общата ширина на сградата е 9.5 м², дължина 16 м². Ще се отопляват само жилищните стаи (4 бр.), тоалетната и кухнята.

За точното изчисляване на топлинните загуби на стените, от площта на външните стени трябва да се извади площта на всички прозорци и врати – това е съвсем различен тип материал със свое топлинно съпротивление

Започваме с изчисляване на площите на еднородните материали:

• площ на пода – 152 м²;
• площ на покрива – 180 м², като се вземат предвид височина на тавана 1.3 м и ширина на прогона – 4 м;
• площ на прозорците – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 м²;
• площ на вратите – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 м².

Площта на външните стени ще бъде равна на 51*3-9.22-7.4=136.38 м².

Преминаваме към изчисляване на топлинните загуби за всеки материал:

• Q_пол=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_покрив=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_{прозорец}=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_врати=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

А също така Q_стена е еквивалентно на 136.38*40*0.25/0.3=4546. Сумата на всички топлинни загуби ще бъде 19628.4 W.

В крайна сметка изчисляваме мощността на котела: Р_котела=Q_загуби*S_{отоплявани_стаи}*К/100=19628.4*(10.4+10.4+13.5+27.9+14.1+7.4)*1.25/100=19628.4*83.7*1.25/100=20536.2=21 kW.

Ще извършим изчисляване на броя на секциите на радиаторите за една от стаите. За всички останали изчисленията са аналогични. Например, ъглова стая (вляво, долният ъгъл на схемата) с площ 10.4 м².

Следователно, N=(100*к1*к2*к3*к4*к5*к6*к7)/C=(100*10.4*1.0*1.0*0.9*1.3*1.2*1.0*1.05)/180=8.5176=9.

За тази стая са необходими 9 секции на отоплителен радиатор с топлоотдаване 180 W.

Преминаваме към изчисляване на количеството топлоносител в системата – W=13.5*P=13.5*21=283.5 л. Следователно скоростта на топлоносителя ще бъде: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 л.

В резултат на това пълният оборот на целия обем на топлоносителя в системата ще бъде еквивалентен на 2.87 пъти за един час.

Подборка от статии за топлинно изчисление ще ви помогне да определите точните параметри на елементите на отоплителната система:

1. Изчисление на отоплителна система на частен дом: правила и примери за изчисление
2. Топлотехнически изчисление на сграда: специфика и формули за извършване на изчисления + практически примери

Изводи и полезно видео по темата

Просто изчисление на отоплителната система за частна къща е представено в следния преглед:

Всички тънкости и общоприети методики за изчисляване на топлинните загуби на сградата са показани по-долу:

Още един вариант за изчисление на изтичането на топлина в типична частна къща:

В това видео се разказва за особеностите на циркулацията на енергийния носител за отопление на жилището:

Топлинното изчисление на отоплителната система има индивидуален характер, то трябва да се извърши грамотно и внимателно. Колкото по-точни са изчисленията, толкова по-малко ще трябва да надплащат собствениците на къщата извън града по време на експлоатация.

Имате ли опит в извършването на топлинно изчисление на отоплителна система? Или имате въпроси по темата? Моля, споделете вашето мнение и оставете коментари. Блокът за обратна връзка се намира по-долу.