Як розрахувати теплове навантаження і потужність системи опалення

Припустимо, ви бажаєте самостійно підібрати котел, радіатори і труби опалювальної системи приватного будинку. Завдання №1 – зробити розрахунок теплового навантаження на опалення, простіше кажучи, визначити загальну витрату теплоти, необхідної для прогріву оселі до комфортної температури всередині приміщень. Пропонуємо розглянути 3 розрахункових методики – різні за складністю і точністю результатів.

Способи розрахунку тепла на опалення

Спочатку пояснімо значення терміна. Теплове навантаження – це загальна кількість теплоти, що витрачається системою опалення на підігрів приміщень до нормативної температури у найхолодніший період. Величина вимірюється одиницями енергії – кіловатами, кілокалоріями (рідше – кілоджоулями) та позначається в формулах латинською буквою Q.

Знаючи навантаження на опалення приватного будинку в цілому і потребу кожного приміщення зокрема, неважко підібрати котел, обігрівачі та батареї водяної системи за потужністю. Щоб розрахувати цей параметр, можна використати 3 методики:

1. Якщо висота стелі не досягає 3 м, робиться укрупнений розрахунок за площею опалювальних кімнат.
2. При висоті перекриття 3 м чи більше витрата тепла рахується за об’ємом приміщень.
3. Визначення тепловтрат крізь зовнішні будівельні огородження і витрат на підігрів вентиляційного повітря за нормативною методикою (згідно ДБН).

Примітка. В останні роки широку популярність набули онлайн-калькулятори, котрі публікуються на сторінках різних інтернет-ресурсів. За їх допомогою кількість теплової енергії визначається швидко та не вимагає додаткових інструкцій. Мінус – достовірність результатів треба перевіряти, адже програми пишуть люди, які не є теплотехніками.

Дві перші розрахункові методики засновані на застосуванні питомої теплової характеристики по відношенню до опалюваної площі чи об’єму будівлі. Цей досить простий алгоритм використовується повсюди, але дає досить наближені результати і не враховує ступінь утеплення котеджу або багатоквартирного будинку.

Рахувати витрату теплової енергії за ДБН, як роблять інженери-проектувальники, набагато складніше. Доведеться зібрати безліч довідкових даних і попрацювати над обчисленнями, зате кінцеві цифри покажуть реальну картину з точністю 95%. Ми постараємося спростити методику і зробити розрахунок кількості теплоти на опалення максимально доступним для розуміння.

Приклад – проект одноповерхового будинку 100 м²

Щоб добре пояснити всі способи підрахунку кількості теплової енергії, пропонуємо взяти за приклад одноповерховий будинок загальною площею 100 квадратів (за зовнішнім обміром), зображений на кресленні. Наведемо технічні характеристики будівлі:

• регіон проживання – Київська область;
• товщина зовнішніх огороджень – 38 см, матеріал – силікатна цегла;
• зовнішнє утеплення стін – пінопласт 100 мм завтовшки, щільність – 25 кг/м³;
• підлога – бетонна на грунті, підвалу під будівлею немає;
• перекриття – з/б плити, утеплені з боку холодного горища пінопластом 10 см;
• вікна – стандартні металопластикові на 2 скла, розмір – 1500 х 1570 мм (h);
• вхідні двері – металеві 100 х 200 см, зсередини утеплені екструзійним пінополістиролом 20 мм.

У котеджі влаштовані міжкімнатні перегородки завтовшки в пів-цеглини (12 см), котельня розташована окремо від будівлі. Площі кімнат позначені на кресленні, висоту стелі прийматимемо залежно від розглянутої розрахункової методики – 2.8 або 3 м.

Рахуємо витрату теплоти за квадратурою

Для приблизної прикидки опалювального навантаження зазвичай використовується найпростіший тепловий розрахунок: береться площа будівлі за зовнішнім обміром і множиться на 100 Вт. Відповідно, споживання тепла дачним будиночком 100 м² складе 10000 Вт або 10 кВт. Результат дозволяє підібрати котел з коефіцієнтом запасу 1.2–1.3, в даному випадку потужність агрегату приймається 12.5 кВт.

Ми пропонуємо виконати точніші обчислення, які враховують розташування кімнат, кількість вікон і регіон забудови. Отже, при висоті стелі до 3 м рекомендується використовувати наступну формулу:

Розрахунок ведеться для кожного приміщення окремо, потім результати сумуються і множаться на регіональний коефіцієнт. Розшифровка позначень формули:

• Q – кількість теплової енергії, Вт;
• Sпом – квадратура кімнати, м²;
• q – питома теплова характеристика, віднесена до площі приміщення, Вт/м²;
• k – коефіцієнт, що враховує клімат в районі проживання.

Довідка. Якщо приватний будинок розташований в смузі помірного клімату (регіон Київ – Чернігів), коефіцієнт k приймається рівним одиниці. В південних районах k дорівнюватиме 0.7…0.9.

За наближеним підрахунком показник q = 100 Вт/м². Такий підхід не враховує розташування кімнат і різну кількість світлових прорізів. Коридор, що знаходиться всередині котеджу, втрачатиме набагато менше тепла, аніж кутова спальня з вікнами тієї самої площі. Ми пропонуємо брати величину питомої теплової характеристики q наступним чином:

• для приміщень з однією зовнішньою стіною і вікном (або дверима) q = 90 Вт/м²;
• кутові кімнати з одним світловим прорізом – 100 Вт/м²;
• те саме, з двома вікнами – 110 Вт/м².

Як правильно підбирати значення q, наочно показано на плані будівлі. Для нашого прикладу розрахунок виглядає так:

Q = (15.75 х 110 + 21 х 100 + 5 х 90 + 7 х 90 + 6 х 90 + 15.75 х 110 + 21 х 100) х 1 = 9285 Вт = 9.3 кВт.

Тут уточнені обчислення дали інший результат – за фактом на опалення конкретного будинку 100 м² піде на 0.7 кВт теплової енергії менше. Цифра враховує витрати теплоти на підігрів зовнішнього повітря, яке проникає в оселю крізь стулки та стіни (інфільтрацію).

Обчислення теплового навантаження за об’ємом кімнат

Коли висота стелі сягає 3 м чи більше, попередній варіант розрахунку не годиться, результат вийде некоректним. В таких випадках потужність опалення треба рахувати за укрупненими показниками витрат теплоти на 1 м³ об’єму приміщення.

Формула і алгоритм обчислень лишаються незмінними, тільки параметр площі S змінюється на об’єм – V (м³):

Відповідно, приймається інший показник питомої витрати q, віднесений до кубатури кожного приміщення:

• кімната знаходиться всередині будівлі або має 1 зовнішню стіну і вікно – 30 Вт/м³;
• приміщення кутове з одним вікном – 35 Вт/м³;
• те саме, з двома світловими прорізами – 40 Вт/м³.

Примітка. Знижувальний регіональний коефіцієнт k застосовується у формулі без змін.

Тепер для прикладу визначимо навантаження на опалення нашого котеджу, взявши висоту стелі 3 м:

Q = (47.25 х 40 + 63 х 35 + 15 х 30 + 21 х 30 + 18 х 30 + 47.25 х 40 + 63 х 35) х 1 = 9810 Вт = 9.8 кВт.

Помітно, що теплова потужність системи опалення зросла на 500 Вт порівняно з попереднім розрахунком. Якщо ж прийняти висоту кімнат 2.7–2.8 м і порахувати витрати енергії через кубатуру, то цифри вийдуть приблизно однакові (при висоті 2.8 м отримаємо навантаження 9156 Вт = 9.2 кВт). Тобто, спосіб цілком можна застосувати для укрупненого підрахунку тепловтрат у приміщеннях будь-якої висоти.

Теплотехнічний розрахунок будівлі

Цей спосіб – найточніший з усіх існуючих. Якщо ви скористаєтеся нашою інструкцією і правильно виконаєте розрахунок, можете бути впевнені в результаті на 100% і на його основі спокійно підбирати опалювальне обладнання. Порядок дій виглядає так:

1. Виміряйте квадратуру зовнішніх стін, підлоги і перекриття окремо в кожній кімнаті. Визначте площу вікон і вхідних дверей.
2. Розрахуйте теплові втрати через усі зовнішні огородження.
3. Дізнайтеся витрату теплової енергії, що йде на підігрів вентиляційного (інфільтраційного) повітря.
4. Підсумуйте результати і отримайте реальний показник теплового навантаження.

Важливий момент. У двоповерховому будинку внутрішні перекриття не враховуються, оскільки не межують з навколишнім середовищем.

Суть розрахунку теплових втрат відносно проста: потрібно з’ясувати, скільки енергії втрачає кожний тип будівельної конструкції, адже вікна, підлога й стіни зроблені з різних матеріалів. Визначаючи квадратуру зовнішніх стін, віднімайте площу віконних прорізів, оскільки вони пропускають більше тепла і рахуються окремо.

Виміряючи ширину кімнат, додавайте до неї половину товщини внутрішньої перегородки і захоплюйте увесь зовнішній кут, як показано на схемі. Мета – врахувати повну квадратуру зовнішньої огорожі, яка втрачає тепло крізь всю поверхню.

Визначаємо тепловтрати стін і даху

Формула розрахунку теплового потоку, що проходить крізь конструкцію одного типу (наприклад, стіну), виглядає так:

Розшифруємо позначення:

• величину тепловтрат через одну огорожу ми позначили Qi, Вт;
• А – квадратура стінки в межах одного приміщення, м²;
• tв – комфортна температура всередині кімнати, зазвичай приймається +22 °C;
• tн – мінімальна температура вуличного повітря, що тримається протягом 5 найхолодніших зимових днів (приймайте реальний показник для вашої місцевості);
• R – опір зовнішнього огородження передачі тепла, м² °С/Вт.

У наведеному списку залишається один невизначений параметр – R. Його значення залежить від матеріалу стінової конструкції та її товщини. Щоб розрахувати опір теплопередачі, дійте наступним чином:

1. Визначте товщину несучої частини зовнішньої стіни і окремо – шару утеплювача. Літерне позначення в формулах – δ, одиниця виміру – метр.
2. Дізнайтеся з довідкових таблиць коефіцієнти теплопровідності конструктивних матеріалів λ, одиниці виміру – Вт/(м•°С).
3. По черзі підставте знайдені величини до формули:
4. Визначте R для кожного шару стіни окремо, результати складіть, потім використовуйте їх в першій формулі.

Обчислення повторіть окремо для вікон, стін і перекриття в межах однієї кімнати, потім переходьте до наступного приміщення. Втрати теплоти через підлогу підраховуються окремо, про це йтиметься нижче.

Порада. Правильні коефіцієнти теплопровідності різних матеріалів вказані у нормативній документації. В Україні це ДБН В.2.6-31-2006. Увага! В розрахунках використовуйте значення λ, прописані в стовпці «Б» для умов експлуатації.

Приклад розрахунку для вітальні нашого одноповерхового будинку (висота стелі 3 м):

1. Площа зовнішніх стін разом з вікнами:   (5.04 + 4.04) х 3 = 27.24 м². Квадратура вікон — 1.5 х 1.57 х 2 = 4.71 м². Чиста площа огорожі: 27.24 – 4.71 = 22.53 м².
2. Теплопровідність λ для мурування з силікатної цегли дорівнює 0.87 Вт/(м•°С), пінопласту 25 кг/м³ – 0.044 Вт/(м•°С). Товщина шарів – відповідно 0.38 і 0.1 м, рахуємо опір теплопередачі: R = 0.38 / 0.87 + 0.1 / 0.044 = 2.71 м² °С/Вт.
3. Температура зовнішня – мінус 20 °C, всередині вітальні – плюс 22 °C. Різниця складе 20 + 22 = 42 °C.
4. Визначаємо тепловтрати крізь стіни вітальні: Q = 1 / 2.71 х 42 х 22.53 = 349 Вт.

Аналогічним чином визначаємо тепловий потік через вікна і перекриття. Термічний опір світлопрозорих конструкцій зазвичай вказує виробник, характеристики ж/б перекриття завтовшки 22 см знаходимо у нормативній або довідковій літературі:

1. R утепленого перекриття = 0.22 / 2.04 + 0.1 / 0.044 = 2.38 м² ° С/Вт, тепловтрати крізь покрівлю – 1 / 2.38 х 42 х 5.04 х 4.04 = 359 Вт.
2. Втрати крізь віконні прорізи: Q = 0.32 x 42 x71 = 64 Вт.

Разом тепловтрати у вітальні (без врахування підлоги) складатимуть 349 + 359 + 64 = 772 Вт. Аналогічні підрахунки ведуться по іншим кімнатам, результати сумуються.

Зверніть увагу: коридор всередині будівлі не контактує із зовнішньою оболонкою, тому втрачає тепло тільки через дах і підлогу. Які огорожі треба враховувати в обчисленнях, дивіться на відео.

Ділення підлоги на зони

Щоб з’ясувати кількість теплоти, що втрачається підлогою на грунті, будинок на плані ділиться на зони завширшки 2 м, як зроблено на схемі. Перша смуга починається від зовнішньої поверхні будівельної конструкції.

Розрахунковий алгоритм наступний:

1. Накресліть план будинку, поділіть на смуги шириною 2 м. Максимальне число зон – 4.
2. Обчисліть площу підлоги, яка потрапляє окремо в кожну зону, нехтуючи міжкімнатними перегородками. Зверніть увагу: квадратура по кутах рахується двічі (заштрихована на кресленні).
3. Користуючись розрахунковою формулою (для зручності наводимо її повторно), визначте тепловтрати на всіх ділянках, отримані цифри складіть разом.
4. Опір теплопередачі R для зони I приймається рівним 2.1 м² ° С/Вт, II – 4.3, III – 8.6, решта підлоги – 14.2 м² ° С/Вт.

Примітка. Якщо мова йде про опалюваний підвал, перша смуга розташовується на підземній частині стіни, починаючи від рівня грунту.

Підлога, утеплена мінеральною ватою або пінопластом, розраховуються так само, тільки до фіксованих значень R додається термічний опір шару утеплювача, що визначається за формулою δ/λ.

Приклад обчислень у вітальні заміського будинку:

1. Квадратура зони I дорівнює (5.04 + 4.04) х 2 = 18.16 м², ділянки II – 3.04 х 2 = 6.08 м². Зони III та IV до вітальні не потрапляють.
2. Витрата енергії на 1-ю зону складе 1 / 2.1 х 42 х 18.16 = 355 Вт, на другу – 1 / 4.3 х 42 х 6.08 = 59 Вт.
3. Величина теплових втрат крізь підлогу вітальні – 355 + 59 = 414 Вт.

Тепер неважко підбити загальні тепловтрати в розглянутій кімнаті: 772 + 414 = 1186 Вт, округлено – 1.19 кВт.

Нагрівання вентиляційного повітря

В переважній більшості приватних будинків і квартир влаштована природна вентиляція. Вуличне повітря проникає всередину крізь стулки вікон і дверей, а також припливні отвори. Нагріванням холодної повітряної маси займається система опалення, витрачаючи додаткову енергію. Як дізнатися величину цих втрат:

1. Оскільки розрахунок інфільтрації занадто складний, норми допускають виділення 3 м³ повітря на годину на кожен метр квадратний площі житла. Загальну витрату припливного повітря L (м³ за годину) підрахувати просто: квадратуру приміщення множимо на 3.
2. L – це об’єм, а нам потрібна маса m повітряного потоку. Дізнайтеся її шляхом множення на щільність газу, взяту з таблиці.
3. Маса повітря m підставляється в формулу шкільного курсу фізики, що дозволяє визначити кількість витраченої енергії.

Вирахуємо кількість теплоти для вентиляції на прикладі нашої вітальні площею 15.75 м². Об’єм припливу L = 15.75 х 3 = 47.25 м³/год, маса – 47.25 х 1.422 = 67.2 кг/год. Теплоємність повітря (позначається буквою C) дорівнює 0.28 Вт/(кг °С), знаходимо витрату енергії: Qвент = 0.28 х 67.2 х 42 = 790 Вт. Цифра досить значна, ось чому підігрів повітря треба обов’язково враховувати.

Остаточний розрахунок тепловтрат будівлі плюс витрата енергії на вентиляцію визначається підсумовуванням отриманих раніше результатів. Зокрема, навантаження на опалення вітальні становитиме 1186 + 790 = 1976 Вт. Аналогічним чином розраховуються всі приміщення котеджу, в кінці енергетичні витрати складаються в одну цифру.

Остаточний розрахунок витрат тепла

Якщо ваш мозок ще не закипів від великої кількості формул ?, то напевно цікаво побачити результат по всьому одноповерхому будинку. У попередніх прикладах ми виконали основну роботу, лишилося порахувати інші приміщення та дізнатися тепловтрати всієї зовнішньої оболонки будівлі. Підраховані вихідні дані:

• термічний опір стін – 2.71, вікон – 0.32, перекриття – 2.38 м² °С/Вт;
• висота стелі – 3 м;
• R для вхідних дверей, утеплених екструзійним пінополістиролом, дорівнює 0.65 м² °С/Вт;
• температура внутрішня – 22, зовнішня – мінус 20 °C.

Щоб спростити обчислення, пропонуємо скласти таблицю в Exel, потім занесемо туди проміжні та кінцеві результати.

Після закінчення розрахунків і заповнення таблиці отримуємо такі значення витрат теплової енергії по приміщеннях:

• вітальня – 1.98 кВт;
• кухня – 2.27 кВт;
• передпокій – 666 Вт;
• коридор – 524 Вт;
• санвузол – 604 Вт;
• спальня – 1.98 кВт;
• дитяча кімната – 2.27 кВт.

Підсумкове значення навантаження на опалювальну систему приватного будинку площею 100 м² складатиме 10277 Вт, округлено – 10.3 кВт. Як бачимо, результат відрізняється від наближених методів розрахунку приблизно на 9—10%.

Але за нормативними документами остаточну цифру треба помножити на коефіцієнт 1.1 неврахованих тепловтрат. Вони виникають через орієнтацію будівлі по сторонах світу, вітрове навантаження та інші чинники. Відповідно, остаточний результат – 10.3 х 1.1 = 11.33 кВт. Детально і доступно про інженерну методику розповідається на відео:

Як скористатися результатами обчислень

Знаючи потреби будинку в тепловій енергії, домовласник може:

• чітко підібрати потужність теплосилового обладнання (котлів) для обігріву котеджу;
• набрати потрібну кількість секцій радіаторів;
• визначити необхідну товщину утеплювача і зробити теплоізоляцію будівлі;
• з’ясувати витрату теплоносія на будь-якій ділянці системи і за необхідності виконати гідравлічний розрахунок трубопроводів;
• дізнатися середньодобове і місячне споживання тепла.

Останній пункт представляє особливий інтерес. Ми знайшли величину теплового навантаження за 1 годину, але її можна перерахувати на більш тривалий період і обчислити передбачувані витрати палива – газу, дров або пеллет.