Отопление: расчет показателя нагрузки

Если в вашем доме отопительный котел работает на жидком топливе, то целесообразно хотя бы примерно знать, сколько топлива вам потребуется на эксплуатацию отопительных приборов.

Схема двухрубной системы отопления дома.

Для газового котла или котла, использующего электрическую энергию, годовой расход тепла на отопление также будет ориентиром для определения предстоящих затрат.

Точный расчет потребления невозможен, если неизвестен часовой расход тепла на отопление.

О тепловых потерях тепла через элементы здания

Для определения количества тепла для обогрева дома и для того, чтобы вычислить величину нагрузок на котел, необходимо знать тепловых потерь через конструктивные элементы здания.

Схема отопления “ленинградка”.

Величина тепловых потерь зависят от материала, из которого построен дом, и от выполнения современных требований по сохранению тепловых ресурсов. Цель этой статьи состоит и в том, чтобы убедить читателя в необходимости строить жилище с учетом современных требований по его термоизоляции, и в необходимости сделать расчет затрат на утепление строений, которые были построены во времена, когда на экономное отопление с помощью отопительных приборов особого внимания не обращали.

Нет таких элементов дома, через которые не терялась бы накопленная в результате отопления с помощью отопительных тепловых приборов энергия. Тепло теряется и в результате таких нагрузок, как проветривание помещения, интенсивность которого определяется медицинскими требованиями, а уменьшить эти нагрузки нельзя, так как это нарушит требования.

Способы уменьшения затрат на отопление

Вот некоторые способы уменьшения затрат на отопление

1. Утепление стен с наружной стороны пенопластом толщиной 5-10 см.
2. Замена обычных окон на металлопластиковые.
3. Установка термостатических клапанов на радиаторы воды. Это позволит исключить обогрев помещения сверх необходимости.
4. Рациональное распределение радиаторов. Комната, температура в которой больше, будет источником обогрева соседних помещений.
5. Программирование интенсивности работы системы обогрева по времени суток или в зависимости от времени проживания.
6. Установка фольгированного экрана под окном, где обычно находятся радиаторы. Для этого никакой расчет не требуется. Следует также иметь в виду, что радиатор, накрытый оконной занавеской или закрытый любой решеткой, менее эффективен. Ограждения также вносят погрешность в измерение температуры в помещении датчиками термостатических клапанов (см. п.3).
7. Снизить уровень комфорта. Например, кратковременное интенсивное проветривание создает сквозняки, но расчет показывает, что оно выгоднее, чем проветривание с помощью постоянно открытой форточки. Экономить можно и за счет рационального использования горячей воды при двухконтурной системе ее подогрева.
8. Весьма эффективным является применение конденсационных отопительных газовых котлов. Котлы этого типа дороже обычных котлов, но они экономичнее: в процессе эксплуатации дополнительные расходы быстро окупаются. Для того чтобы убедиться, есть ли смысл устанавливать более дорогой котел, требуется отдельный расчет.

Исходные данные для расчета

Схема работы газового нагревателя.

Дадим формулы, по которым определяют потери через конструктивные элементы здания. Общей для стен, окон, полов и потолков является формула тепловых потерь:

Q = k*F*(t_вн – t_нар), (1)

• где Q – тепловые потери, Вт;
• k – коэффициент теплопередачи элемента здания, Вт/(м²°C);
• F – площадь элемента здания;
• t_вн – температура воздуха внутри помещения, °C;
• t_нар – температура наружного воздуха, °C.

Температуру внутри помещения следует принимать такой, которую в семье считают комфортной. Обычно для расчетов принимают t_вн= 20°С.

Среднюю температуру наружного воздуха для района проживания следует брать из справочников.

Расчет коэффициента теплопередачи окна в формуле (2) выполняем по формуле:

k_окн =k_стF_ст+K_р*F_p+P*φ/F_общ(2)

• где k_ст– коэффициент теплопередачи стеклопакета, Вт/(м°С);
• F_ст– площадь стеклопакета, м²;
• K_р– коэффициент теплопередачи рамы, Вт/(м°С);
• F_p– площадь рамы, м²;
• Р- периметр остекления;
• φ – коэффициент, учитывающий передачу тепла алюминиевой полосой;
• F_общ– общая площадь окна.

Особенности расчета для пола, расположенного на грунте

Схема утепления пола по грунту.

Расчет коэффициента теплопередачи в формуле (3) для пола, K_пол, расположенного на грунте, выполняем по формуле:

K_пол=1/(R_c+d/σ)(3)

• где d – толщина утепляющего слоя, м;
• σ – коэффициент теплопроводности утепляющего слоя, Вт/(м²∙град.C);
• R_c – коэффициент, зависящий от расстояния до периметра здания, на котором находится участок (зона) пола. Значения R_с приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расчет тепловой энергии на нагрев наружного воздуха, Q, проникающего по не учтенным каналам (инфильтрация) определяем по формуле:

Q = 0,28*L_n*ρ*C (t_p-t_i)*k, (4)

• где L_n – расход удаляемого воздуха, м³/час;
• ρ – плотность воздуха в помещении, кг/м³;
• C – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг°С);
• t_p – температура воздуха в помещении, °C;
• t_i – температура наружного воздуха, °C;
• k – коэффициент учета встречных тепловых потоков в конструкциях.

Расчет тепловой энергии, поступающей в помещение за 1 час

Рассчитать количество тепловой энергии Q, поступившей от отопительных приборов в отопительную систему за 1 час, можно рассчитать по формуле:

Q = С*(G (t_под-t_обр)) (5)

• где с = 4,1868 кДж/(кг°С) = 1 ккал/(кг°С) – удельная теплоемкость воды;
• G – количество жидкости, прошедшей по трубопроводам, кг;
• t_под и t_обр – температура теплоносителя на выходе из котла и на обратке.

Схема обвязки котла отопления.

Для системы обогрева с принудительной циркуляцией теплоносителя достаточно иметь на выходе и входе в качестве измерительных приборов термометры и знать производительность циркуляционного насоса.

Трудности определения количества энергии приборов по формуле (6) связаны с определением напора в трубопроводе при естественной циркуляции воды. Напор, Н, определяем по формуле:

Н=h(p_хол– р_гор), (6)

• где h – расстояние от нагревательных отопительных приборов (радиаторов) до ввода обратки в котел отопления, м;
• p_хол, р_гор– удельный вес холодной и горячей воды, соответственно, кр/м³.

С ростом температуры приборов удельный вес воды уменьшается.

Коэффициент объемного расширения имеет нелинейную зависимость от температуры. В таблице 2 даны числовые значения зависимости β=f(t).

Таблица 2

Путем построения графика по этим данным, пролонгируя, определяем этот параметр. Например, для температуры 75 и 40°С на выходе и входе приборов отопления получили: β₇₅=61*10^-5 β₄₀= 39*10^-5. Соответствующий им удельный вес воды, рассчитанный по формуле (8) составил: р₇₅=640 кр/м³, р₄₀=990 кр/м³.

По формуле (7) определяем напор, который будет в системе, если разность высот h=5 м.

Н=5*(990- 640) = 1750 кр/м².

Такой напор соответствует высоте водяного столба Н_вод =1,75 м.

Схема коллекторной системы отопления.

Чтобы определить объем воды V, проходящей по трубе D=25,4 мм (дюймовая труба на выходе котла) за 1 час (3600 с), воспользуемся формулой:

V=Т*πD^2*v (8)

Получаем: V=3600*3,14*0,0254²≈7 м³, то есть за 1 час в котле необходимо нагреть 7 м³ воды до температуры 75°С. Ранее было определено, что вес 1 м³ при такой температуре составляет 640 кр или примерно 64 кг. Теперь по формуле (6) получаем расход тепла за 1 час.

Q_ч=4,1868*64*(75-40)≈9400 кДж =9,4 МДж

Часовой расход тепловой энергии

Переведем МДж в более понятную всем единицу измерения – кВт*ч. 1 кВт*ч равен 3,6 МДж. Следовательно, на 1 час обогрева дома с помощью отопительных приборов потребуется W=9,4/3,6=2,6 кВт*ч энергии. Рассчитаем расход энергии различных приборов.

Электроэнергия. Можно считать, что КПД электрического котла составляет 100 %, так как вся тепловая энергия от ТЭН остается в помещении. То есть:

W_Э=2,6 кВт*ч

Газ. Сгорание 1 м³ природного газа дает 9,45 кВт*ч энергии. То есть за 1 час газовый котел, имеющий КПД 90%, расходует объем газа, равный:

V_Г=2,6/9,45/0,9≈0,3 м³.

Примечание. Для конденсационных котлов полученный результат необходимо уменьшить на 10‑12 %. Расчет КПД газового котла выполняют относительно другого уровня удельной теплоты сгорания, поэтому не должен вызывать сомнение тот факт, что в сравнении с обычным котлом, его КПД может оказаться больше 100 %.

Схема отопления здания печью.

Дизельное топливо. Сгорание 1 кг дизельного топлива дает 42 МДж энергии. 1 л – 33, 6 МДж. КПД хорошего дизельного котла составляет 85%. Часовой расход топлива составит:

• V_Д(кг)=9,4/42/0,85=0,26 кг;
• V_Д(л)=9,4/33,6/0,85=0,33 л.

Дрова. 1 кг сухих дров за час расходует 2,78 кВт. КПД котла на дровах составляет примерно 70 %.Часовой расход дров составит:

V_Др=2,6/2,78/0,7≈1,34 кг.

По полученным данным не трудно рассчитать затраты энергии за любой период времени. Под годовым расходом следует понимать расход энергоносителей в период отопительного сезона с учетом энергии, затрачиваемой на подогрев воды для бытовых нужд.

Замечания по выполненному расчету

Имейте в виду, что в расчете не учтены некоторые весьма важные обстоятельства, касающиеся тепловых нагрузок.

1. Совершенно не учтены выше перечисленные возможности по экономному расходованию энергоносителей в системе.
2. При определении напора (7) не учтено значение нагрузок от внутреннего сопротивления трубопровода. Поэтому фактическая скорость движения теплоносителя в режиме динамического равновесия в отопительной системе будет меньше рассчитанной.
3. Расчет выполнен для двухтрубной системы отопления со встречным движением теплоносителя в системе (тупиковый вариант).

Расчет потерь утепленного и неутепленного чердака

Для того чтобы убедить сомневающихся в необходимости утеплять дом, прежде чем строить отопление, рассчитаем потери тепла через потолок верхнего этажа в 2-х вариантах: с неутепленным и утепленным чердаком.

Коэффициент теплопроводности для кровли из оцинкованного железа k=52 Вт/(м°С). Рассчитаем коэффициент теплопроводности одного слоя утеплителя из минеральной ваты толщиной 10 см. Без учета паронепроницаемых и гидроизоляционных пленок коэффициент теплопроводности крыши, определяемый по формуле (2), составит 0,045 Вт/(м°С).

Здесь d₁=0,003м и σ₁=52 Вт/(м°С); d₂=0,1м и σ₂=0,045 Вт/(м°С) – толщина и коэффициент теплопроводности оцинкованного железа и минеральной ваты соответственно. То есть теплопроводность крыши и тепловые нагрузки уменьшились более чем 1000 раз. За счет утепления крыши, разность (t_вн – t_нар) несколько возросла, но это увеличение несравнимо меньше.

Теперь, рассчитывая потери тепла и нагрузки через потолок по формуле (1), мы понимаем, что до утепления кровли температура на чердаке, независимо от отопления и отопительных приборов, практически была равна температуре наружного воздуха. Теперь же наружная, относительно потолочного перекрытия, температура и температурные нагрузки возросли. За счет этого отопление стало эффективнее, так как потери тепла через перекрытие уменьшились.

Если снаружи утеплить и перекрытие, то эффект будет значительным. Например, перекрытие из железобетона толщиной 250 мм имеет коэффициент теплопроводности, равный 1,7 Вт/(м°С), а пенополистирол толщиной 5 см имеет коэффициент теплопроводности равный 0,04 Вт/(м°С). По формуле (2) получаем 0,72 Вт/(м°С)

То есть коэффициент теплопроводности уменьшился в 1,7/0,72=2,36 раза. Соответственно, уменьшилась величина тепловых потерь и нагрузок в результате отопления.