Как рассчитывается тепловая нагрузка на систему отопления здания

Предположим, вам захотелось самостоятельно подобрать котел, радиаторы и трубы отопительной системы частного дома. Задача №1 – сделать расчет тепловой нагрузки на отопление, проще говоря, определить общий расход теплоты, необходимой для прогрева здания до комфортной температуры внутри помещений. Предлагаем изучить 3 расчетных методики – разные по сложности и точности результатов.

Способы определения нагрузки

Сначала поясним значение термина. Тепловая нагрузка – это общее количество теплоты, расходуемое системой отопления на обогрев помещений до нормативной температуры в наиболее холодный период. Величина исчисляется единицами энергии – киловаттами, килокалориями (реже – килоджоулями) и обозначается в формулах латинской буквой Q.

Зная нагрузку на отопление частного дома в целом и потребность каждого помещения в частности, нетрудно подобрать котел, обогреватели и батареи водяной системы по мощности. Как можно рассчитать данный параметр:

1. Если высота потолков не достигает 3 м, производится укрупненный расчет по площади отапливаемых комнат.
2. При высоте перекрытий 3 м и более расход тепла считается по объему помещений.
3. Определение теплопотерь через внешние ограждения и затрат на подогрев вентиляционного воздуха согласно СНиП.

Примечание. В последние годы широкую популярность обрели онлайн-калькуляторы, размещаемые на страницах различных интернет-ресурсов. С их помощью определение количества тепловой энергии выполняется быстро и не требует дополнительных инструкций. Минус – достоверность результатов нужно проверять, ведь программы пишут люди, не являющиеся теплотехниками.

Две первые расчетные методики основаны на применении удельной тепловой характеристики по отношению к обогреваемой площади либо объему здания. Алгоритм простой, используется повсеместно, но дает весьма приближенные результаты и не учитывает степень утепления коттеджа.

Считать расход тепловой энергии по СНиП, как делают инженеры–проектировщики, гораздо сложнее. Придется собрать множество справочных данных и потрудиться над вычислениями, зато конечные цифры отразят реальную картину с точностью 95%. Мы постараемся упростить методику и сделать расчет нагрузки на отопление максимально доступным для понимания.

Для примера – проект одноэтажного дома 100 м²

Чтобы доходчиво пояснить все способы определения количества тепловой энергии, предлагаем взять в качестве примера одноэтажный дом общей площадью 100 квадратов (по наружному обмеру), показанный на чертеже. Перечислим технические характеристики здания:

• регион постройки – полоса умеренного климата (Минск, Москва);
• толщина внешних ограждений – 38 см, материал – силикатный кирпич;
• наружное утепление стен – пенопласт толщиной 100 мм, плотность – 25 кг/м³;
• полы – бетонные на грунте, подвал отсутствует;
• перекрытие – ж/б плиты, утепленные со стороны холодного чердака пенопластом 10 см;
• окна – стандартные металлопластиковые на 2 стекла, размер – 1500 х 1570 мм (h);
• входная дверь – металлическая 100 х 200 см, изнутри утеплена экструдированным пенополистиролом 20 мм.

В коттедже устроены межкомнатные перегородки в полкирпича (12 см), котельная располагается в отдельно стоящей постройке. Площади комнат обозначены на чертеже, высоту потолков будем принимать в зависимости от поясняемой расчетной методики – 2.8 либо 3 м.

Считаем расход теплоты по квадратуре

Для приблизительной прикидки отопительной нагрузки обычно используется простейший тепловой расчет: берется площадь здания по наружному обмеру и умножается на 100 Вт. Соответственно, потребление тепла дачным домиком 100 м² составит 10000 Вт или 10 кВт. Результат позволяет подобрать котел с коэффициентом запаса 1.2—1.3, в данном случае мощность агрегата принимается равной 12.5 кВт.

Мы предлагаем выполнить более точные вычисления, учитывающие расположение комнат, количество окон и регион застройки. Итак, при высоте потолков до 3 м рекомендуется использовать следующую формулу:

Расчет ведется для каждого помещения отдельно, затем результаты суммируются и умножаются на региональный коэффициент. Расшифровка обозначений формулы:

• Q – искомая величина нагрузки, Вт;
• Sпом – квадратура комнаты, м²;
• q – показатель удельной тепловой характеристики, отнесенный к площади помещения, Вт/м²;
• k – коэффициент, учитывающий климат в районе проживания.

Для справки. Если частный дом расположен в полосе умеренного климата, коэффициент k принимается равным единице. В южных регионах k = 0.7, в северных применяются значения 1.5—2.

В приближенном подсчете по общей квадратуре показатель q = 100 Вт/м². Подобный подход не учитывает расположение комнат и разное количество световых проемов. Коридор, находящийся внутри коттеджа, потеряет гораздо меньше тепла, чем угловая спальня с окнами той же площади. Мы предлагаем принимать величину удельной тепловой характеристики q следующим образом:

• для помещений с одной наружной стеной и окном (или дверью) q = 100 Вт/м²;
• угловые комнаты с одним световым проемом – 120 Вт/м²;
• то же, с двумя окнами – 130 Вт/м².

Как правильно подбирать значение q, наглядно показано на плане здания. Для нашего примера расчет выглядит так:

Q = (15.75 х 130 + 21 х 120 + 5 х 100 + 7 х 100 + 6 х 100 + 15.75 х 130 + 21 х 120) х 1 = 10935 Вт ≈ 11 кВт.

Как видите, уточненные вычисления дали другой результат – по факту на отопление конкретного домика 100 м² израсходуется на 1 кВт тепловой энергии больше. Цифра учитывает расход теплоты на подогрев наружного воздуха, проникающего в жилище сквозь проемы и стены (инфильтрацию).

Вычисление тепловой нагрузки по объему комнат

Когда расстояние между полами и потолком достигает 3 м и более, предыдущий вариант расчета использовать нельзя – результат выйдет некорректным. В подобных случаях отопительную нагрузку принято считать по удельным укрупненным показателям расхода теплоты на 1 м³ объема помещения.

Формула и алгоритм вычислений остаются прежними, только параметр площади S меняется на объем – V:

Соответственно, принимается другой показатель удельного расхода q, отнесенный к кубатуре каждого помещения:

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

Примечание. Повышающие и понижающие региональные коэффициенты k применяются в формуле без изменений.

Теперь для примера определим нагрузку на отопление нашего коттеджа, взяв высоту потолков равной 3 м:

Q = (47.25 х 45 + 63 х 40 + 15 х 35 + 21 х 35 + 18 х 35 + 47.25 х 45 + 63 х 40) х 1 = 11182 Вт ≈ 11.2 кВт.

Заметно, что требуемая тепловая мощность системы отопления выросла на 200 Вт по сравнению с предыдущим расчетом. Если же принять высоту комнат 2.7—2.8 м и сосчитать затраты энергии через кубатуру, то цифры получатся примерно одинаковые. То есть, способ вполне применим для укрупненного подсчета теплопотерь в помещениях любой высоты.

Расчетный алгоритм согласно СНиП

Данный способ – наиболее точный из всех существующих. Если вы воспользуетесь нашей инструкцией и правильно выполните расчет, можете быть уверены в результате на 100% и спокойно подбирать отопительное оборудование. Порядок действий выглядит так:

1. Измерьте квадратуру внешних стен, полов и перекрытий отдельно в каждой комнате. Определите площадь окон и входных дверей.
2. Рассчитайте тепловые потери через все наружные ограждения.
3. Узнайте расход тепловой энергии, идущей на подогрев вентиляционного (инфильтрационного) воздуха.
4. Суммируйте результаты и получайте реальный показатель тепловой нагрузки.

Важный момент. В двухэтажном коттедже внутренние перекрытия не учитываются, поскольку не граничат с окружающей средой.

Суть расчета тепловых потерь относительно проста: нужно выяснить, сколько энергии теряет каждый тип строительной конструкции, ведь окна, стенки и полы сделаны из разных материалов. Определяя квадратуру наружных стен, вычитайте площадь остекленных проемов — последние пропускают больший тепловой поток и потому считаются отдельно.

При замере ширины комнат прибавляйте к ней половину толщины внутренней перегородки и захватывайте наружный угол, как показано на схеме. Цель – учесть полную квадратуру внешнего ограждения, теряющего тепло по всей поверхности.

Определяем теплопотери стен и крыши

Формула расчета теплового потока, проходящего через конструкцию одного типа (например, стену), выглядит следующим образом:

Расшифруем обозначения:

• величину теплопотерь через одно ограждение мы обозначили Qi, Вт;
• А – квадратура стенки в пределах одного помещения, м²;
• tв – комфортная температура внутри комнаты, обычно принимается +22 °С;
• tн – минимальная температура уличного воздуха, которая держится в течение 5 самых холодных зимних дней (принимайте реальное значение для вашей местности);
• R – сопротивление толщи наружного ограждения передаче тепла, м²°С/Вт.

В приведенном списке остается один неопределенный параметр – R. Его значение зависит от материала стеновой конструкции и толщины ограждения. Чтобы рассчитать сопротивление теплопередаче, действуйте в таком порядке:

1. Определите толщину несущей части внешней стены и отдельно — слоя утеплителя. Буквенное обозначение в формулах – δ, считается в метрах.
2. Узнайте из справочных таблиц коэффициенты теплопроводности конструктивных материалов λ, единицы измерения — Вт/(мºС).
3. Поочередно подставьте найденные величины в формулу:
4. Определите R для каждого слоя стены по отдельности, результаты сложите, после чего используйте в первой формуле.

Вычисления повторите отдельно для окон, стен и перекрытия в пределах одной комнаты, затем переходите в следующее помещение. Потери теплоты через полы считаются отдельно, о чем рассказано ниже.

Совет. Правильные коэффициенты теплопроводности различных материалов указаны в нормативной документации. Для России это Свод Правил СП 50.13330.2012, для Украины — ДБН В.2.6–31~2006. Внимание! В расчетах используйте значение λ, прописанные в столбце «Б» для условий эксплуатации.

Пример расчета для гостиной нашего одноэтажного дома (высота потолков 3 м):

1. Площадь наружных стен вместе с окнами: (5.04 + 4.04) х 3 = 27.24 м². Квадратура окон – 1.5 х 1.57 х 2 = 4.71 м². Чистая площадь ограждения: 27.24 – 4.71 = 22.53 м².
2. Теплопроводность λ для кладки силикатного кирпича равна 0.87 Вт/(мºС), пенопласта 25 кг/м³ – 0.044 Вт/(мºС). Толщина – соответственно 0.38 и 0.1 м, считаем сопротивление теплопередаче: R = 0.38 / 0.87 + 0.1 / 0.044 = 2.71 м²°С/Вт.
3. Температура наружная – минус 25 °С, внутри гостиной – плюс 22 °С. Разность составит 25 + 22 = 47 °С.
4. Определяем теплопотери сквозь стенки гостиной: Q = 1 / 2.71 х 47 х 22.53 = 391 Вт.

Аналогичным образом считается тепловой поток через окна и перекрытие. Термическое сопротивление светопрозрачных конструкций обычно указывает производитель, характеристики ж/б перекрытия толщиной 22 см находим в нормативной либо справочной литературе:

1. R утепленного перекрытия = 0.22 / 2.04 + 0.1 / 0.044 = 2.38 м²°С/Вт, теплопотери сквозь кровлю – 1 / 2.38 х 47 х 5.04 х 4.04 = 402 Вт.
2. Потери сквозь оконные проемы: Q = 0.32 x 47 x71 = 70.8 Вт.

Итого теплопотери в гостиной (исключая полы) составят 391 + 402 + 70.8 = 863.8 Вт. Аналогичные подсчеты ведутся по остальным комнатам, результаты суммируются.

Обратите внимание: коридор внутри здания не соприкасается с наружной оболочкой и теряет тепло только через крышу и полы. Какие ограждения нужно учитывать в расчетной методике, смотрите на видео.

Деление пола на зоны

Чтобы выяснить количество теплоты, теряемое полами на грунте, здание в плане делится на зоны шириной 2 м, как изображено на схеме. Первая полоса начинается от внешней поверхности строительной конструкции.

Расчетный алгоритм следующий:

1. Расчертите план коттеджа, поделите на полосы шириной 2 м. Максимальное число зон – 4.
2. Вычислите площадь пола, попадающего отдельно в каждую зону, пренебрегая межкомнатными перегородками. Обратите внимание: квадратура по углам считается дважды (заштриховано на чертеже).
3. Пользуясь расчетной формулой (для удобства приводим ее повторно), определите теплопотери на всех участках, полученные цифры суммируйте.
4. Сопротивление теплопередаче R для зоны I принимается равным 2.1 м²°С/Вт, II – 4.3, III – 8.6, остального пола – 14.2 м²°С/Вт.

Примечание. Если речь идет об отапливаемом подвале, первая полоса располагается на подземной части стены, начиная от уровня грунта.

Полы, утепленные минеральной ватой либо пенополистиролом, рассчитываются идентичным образом, только к фиксированным значениям R прибавляется термическое сопротивление слоя утеплителя, определяемое по формуле δ / λ.

Пример вычислений в гостиной загородного дома:

1. Квадратура зоны I равняется (5.04 + 4.04) х 2 = 18.16 м², участка II – 3.04 х 2 = 6.08 м². Остальные зоны в гостиную не попадают.
2. Расход энергии на 1-ю зону составит 1 / 2.1 х 47 х 18.16 = 406.4 Вт, на вторую – 1 / 4.3 х 47 х 6.08 = 66.5 Вт.
3. Величина теплового потока сквозь полы гостиной – 406.4 + 66.5 = 473 Вт.

Теперь нетрудно подбить общие теплопотери в рассматриваемой комнате: 863.8 + 473 = 1336.8 Вт, округленно — 1.34 кВт.

Нагрев вентиляционного воздуха

В подавляющем большинстве частных домов и квартир устроена естественная вентиляция. Уличный воздух проникает внутрь сквозь притворы окон и дверей, а также приточные отверстия. Нагревом поступающей холодной массы занимается система отопления, расходуя дополнительную энергию. Как узнать количество этих потерь:

1. Поскольку расчет инфильтрации слишком сложен, нормативные документы допускают выделение 3 м³ воздуха в час на каждый метр квадратный площади жилища. Общий расход приточного воздуха L считается просто: квадратура помещения умножается на 3.
2. L – это объем, а нужна масса m воздушного потока. Узнайте ее путем умножения на плотность газа, взятую из таблицы.
3. Масса воздуха m подставляется в формулу школьного курса физики, позволяющую определить количество затраченной энергии.

Высчитаем потребное количество теплоты на примере многострадальной гостиной площадью 15.75 м². Объем притока L = 15.75 х 3 = 47.25 м³/ч, масса – 47.25 х 1.422 = 67.2 кг/ч. Принимая теплоемкость воздуха (обозначена буквой C) равной 0.28 Вт / (кг ºС), находим расход энергии: Qвент = 0.28 х 67.2 х 47 = 884 Вт. Как видите, цифра довольно внушительная, вот почему подогрев воздушных масс нужно учитывать обязательно.

Окончательный расчет теплопотерь здания плюс расход теплоты на вентиляцию определяется суммированием всех полученных ранее результатов. В частности, нагрузка на отопление гостиной выльется в цифру 0.88 + 1.34 = 2.22 кВт. Аналогичным образом рассчитываются все помещения коттеджа, в конце энергетические затраты складываются в одну цифру.

Окончательный расчет

Если ваш мозг еще не закипел от обилия формул ?, то наверняка интересно увидеть результат по всему одноэтажному дому. В предыдущих примерах мы проделали основную работу, осталось лишь пройти по другим помещениям и узнать теплопотери всей наружной оболочки здания. Найденные исходные данные:

• термическое сопротивление стен — 2.71, окон – 0.32, перекрытия – 2.38 м²°С/Вт;
• высота потолков – 3 м;
• R для входной двери, утепленной экструдированным пенополистиролом, равен 0.65 м²°С/Вт;
• температура внутренняя – 22, внешняя – минус 25 °С.

Чтобы упростить вычисления, предлагаем составить таблицу в Exel, потом занесем туда промежуточные и окончательные результаты.

По окончании расчетов и заполнении таблицы получены следующие значения расходов тепловой энергии по помещениям:

• гостиная – 2.22 кВт;
• кухня – 2.536 кВт;
• прихожая – 745 Вт;
• коридор – 586 Вт;
• санузел – 676 Вт;
• спальня – 2.22 кВт;
• детская – 2.536 кВт.

Итоговое значение нагрузки на отопительную систему частного дома площадью 100 м² составило 11.518 Вт, округленно – 11.6 кВт. Примечательно, что результат отличается от приближенных методов расчета буквально на 5%.

Но согласно нормативным документам, окончательную цифру нужно умножить на коэффициент 1.1 неучтенных теплопотерь, возникающих из-за ориентации здания по сторонам света, ветровых нагрузок и так далее. Соответственно, окончательный результат – 12.76 кВт. Подробно и доступно об инженерной методике рассказывается на видео:

Как воспользоваться результатами вычислений

Зная потребность здания в тепловой энергии, домовладелец может:

• четко подобрать мощность теплосилового оборудования для обогрева коттеджа;
• набрать нужное количество секций радиаторов;
• определить необходимую толщину утеплителя и выполнить теплоизоляцию здания;
• выяснить расход теплоносителя на любом участке системы и при необходимости выполнить гидравлический расчет трубопроводов;
• узнать среднесуточное и месячное потребление тепла.

Последний пункт представляет особый интерес. Мы нашли величину тепловой нагрузки за 1 час, но ее можно пересчитать на более продолжительный период и вычислить предполагаемый расход топлива — газа, дров или пеллет.