Tepelný výpočet systému kúrenia: ako správne urobiť výpočet zaťaženia na systém

Projektovanie a tepelný výpočet systému vykurovania – povinná etapa pri zariaďovaní vykurovania domu. Hlavná úloha výpočtových opatrení – určenie optimálnych parametrov kotla a systému radiátorov.

Súhlaste, na prvý pohľad sa môže zdať, že vykonanie tepelnotechnického výpočtu je v silách iba inžiniera. Avšak nie je to také zložité. Keď poznáte algoritmus činností, podarí sa samostatne vykonať potrebné výpočty.

V článku je podrobne opísaný postup výpočtu a uvedené všetky potrebné vzorce. Pre lepšie pochopenie sme pripravili príklad tepelného výpočtu pre rodinný dom.

Tepelný výpočet vykurovania: všeobecný postup

Klasický tepelný výpočet vykurovacieho systému predstavuje súhrnný technický dokument, ktorý zahŕňa povinné postupné štandardné metódy výpočtov.

Ale pred štúdiom týchto výpočtov základných parametrov je potrebné rozhodnúť sa o pojme samotného systému vykurovania.

Systém vykurovania sa vyznačuje núteným prívodom a neúmyselným odvodom tepla v miestnosti.

Hlavné úlohy výpočtu a projektovania systému vykurovania:

• najspoľahlivejšie určiť tepelné straty;
• určiť množstvo a podmienky používania teplonosného média;
• čo najpresnejšie vybrať prvky generácie, pohybu a odovzdávania tepla.

Pri stavbe systému vykurovania je potrebné najprv vykonať zber rôznych údajov o miestnosti/budove, kde sa bude vykurovací systém používať. Potom vykonať výpočet tepelných parametrov systému, analyzovať výsledky aritmetických operácií.

Na základe získaných údajov sa vyberajú komponenty vykurovacieho systému s následným nákupom, inštaláciou a uvedením do prevádzky.

Vykurovanie – je viackomponentný systém zabezpečenia schváleného teplotného režimu v miestnosti/budove. Predstavuje samostatnú časť komplexu komunikácií moderného obytného priestoru.

Je pozoruhodné, že uvedená metodika tepelného výpočtu umožňuje pomerne presne vypočítať veľké množstvo veličín, ktoré konkrétne opisujú budúci vykurovací systém.

Výsledkom tepelného výpočtu budú nasledujúce informácie:

• počet tepelných strát, výkon kotla;
• množstvo a typ tepelných radiátorov pre každú miestnosť samostatne;
• hydraulické charakteristiky potrubia;
• objem, rýchlosť teplonosného média, výkon tepelného čerpadla.

Tepelný výpočet – nie sú to teoretické náčrty, ale celkom presné a odôvodnené výsledky, ktoré sa odporúča používať v praxi pri výbere komponentov vykurovacieho systému.

Normy teplotných režimov miestností

Pred vykonaním akýchkoľvek výpočtov parametrov systému je potrebné prinajmenšom poznať poradie očakávaných výsledkov, ako aj mať k dispozícii štandardizované charakteristiky niektorých tabuľkových hodnôt, ktoré je potrebné dosadiť do vzorcov alebo sa na nich orientovať.

Po vykonaní výpočtov parametrov s takýmito konštantami je možné byť si istý spoľahlivosťou hľadaného dynamického alebo konštantného parametra systému.

Pre miestnosti rôzneho účelu existujú etalónové normy teplotných režimov obytných a neobytných priestorov. Tieto normy sú zakotvené v takzvaných GOSToch.

Pre vykurovací systém je jedným z takýchto globálnych parametrov teplota miestnosti, ktorá by mala byť konštantná bez ohľadu na obdobie roka a podmienky prostredia.

Podľa predpisu sanitárnych noriem a pravidiel existujú rozdiely v teplote vzhľadom na letné a zimné obdobie roka. Za teplotný režim miestnosti v letnej sezóne je zodpovedný klimatizačný systém, princíp jeho výpočtu je podrobne opísaný v tomto článku.

Ale izbová teplota vzduchu v zimnom období je zabezpečená vykurovacím systémom. Preto nás zaujímajú rozsahy teplôt a ich tolerancie odchýlok pre zimné obdobie.

Vo väčšine normatívnych dokumentov sa uvádzajú nasledujúce rozsahy teplôt, ktoré umožňujú človeku cítiť sa v miestnosti komfortne.

Pre nebytové priestory kancelárskeho typu s rozlohou do 100 m²:

• 22-24°С – optimálna teplota vzduchu;
• 1°С – prípustné kolísanie.

Pre priestory kancelárskeho typu s rozlohou nad 100 m² teplota predstavuje 21-23°С. Pre nebytové priestory priemyselného typu sa rozsahy teplôt výrazne líšia v závislosti od účelu priestoru a stanovených noriem ochrany práce.

Komfortná teplota miestnosti je pre každého človeka “svojím spôsobom”. Niekto má rád, keď je v miestnosti veľmi teplo, inému vyhovuje, keď je v miestnosti chladnejšie – to je všetko dosť individuálne.

Pokiaľ ide o obytné priestory: byty, rodinné domy, usadlosti atď., existujú určité rozsahy teplôt, ktoré je možné upravovať podľa želaní obyvateľov.

A predsa pre konkrétne priestory bytu a domu máme:

• 20-22°С – obývacia, vrátane detskej, izba, tolerancia ±2°С –
• 19-21°С – kuchyňa, toaleta, tolerancia ±2°С;
• 24-26°С – kúpeľňa, sprchovací kút, bazén, tolerancia ±1°С;
• 16-18°С – chodby, predsiene, schodiskové priestory, komory, tolerancia +3°С

Je dôležité poznamenať, že existuje ešte niekoľko základných parametrov, ktoré ovplyvňujú teplotu v miestnosti a ktoré je potrebné zohľadniť pri výpočte vykurovacieho systému: vlhkosť (40-60%), koncentrácia kyslíka a oxidu uhličitého vo vzduchu (250:1), rýchlosť pohybu vzdušných más (0.13-0.25 m/s) a pod.

Výpočet tepelných strát v dome

Podľa druhého termodynamického zákona (školská fyzika) neexistuje samovoľný prenos energie z menej zahriatych na viac zahriate mini- alebo makroobjekty. Osobitným prípadom tohto zákona je “snaha” o vytvorenie teplotnej rovnováhy medzi dvoma termodynamickými systémami.

Napríklad prvý systém – okolité prostredie s teplotou -20°С, druhý systém – budova s vnútornou teplotou +20°С. Podľa uvedeného zákona sa tieto dva systémy budú snažiť vyrovnať prostredníctvom výmeny energie. K tomu bude dochádzať pomocou tepelných strát z druhého systému a ochladzovania prvého.

Jednoznačne možno povedať, že teplota okolitého prostredia závisí od zemepisnej šírky, na ktorej sa nachádza rodinný dom. A rozdiel teplôt ovplyvňuje množstvo únikov tepla z budovy (+)

Strata tepla znamená neúmyselný únik tepla (energie) z určitého objektu (dom, byt). Pre bežný byt tento proces nie je tak “viditeľný” v porovnaní s rodinným domom, pretože byt sa nachádza vo vnútri budovy a “susedí” s inými bytmi.

V rodinnom dome cez vonkajšie steny, podlahu, strechu, okná a dvere v tej či onej miere “uniká” teplo.

Pri znalosti veľkosti tepelných strát pre najnepriaznivejšie poveternostné podmienky a charakteristiku týchto podmienok je možné s vysokou presnosťou vypočítať výkon vykurovacieho systému.

Takže objem únikov tepla z budovy sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

Q=Q_podlaha+Q_stena+Q_okno+Q_strecha+Q_dvere+…+Q_i, kde

Qi – objem tepelných strát od homogénneho typu obálky budovy.

Každá zložka vzorca sa vypočíta podľa vzorca:

Q=S*ΔT/R, kde

• Q – tepelné úniky, W;
• S – plocha konkrétneho typu konštrukcie, m²;
• ΔT – rozdiel teplôt vzduchu okolitého prostredia a vnútri miestnosti, °C;
• R – tepelný odpor určitého typu konštrukcie, m²*°C/W.

Samotnú hodnotu tepelného odporu pre reálne existujúce materiály sa odporúča čerpať z pomocných tabuliek.

Okrem toho je možné tepelný odpor získať pomocou nasledujúceho vzťahu:

R=d/k, kde

• R – tepelný odpor, (m²*K)/W;
• k – súčiniteľ tepelnej vodivosti materiálu, W/(m²*K);
• d – hrúbka tohto materiálu, m.

V starých domoch s navlhnutou strešnou konštrukciou dochádza k únikom tepla cez hornú časť stavby, a to konkrétne cez strechu a podkrovie. Realizácia opatrení na zateplenie stropu alebo tepelnú izoláciu manzardovej strechy rieši tento problém.

Ak sa zateplí podkrovný priestor a strecha, celkové straty tepla z domu sa dajú výrazne znížiť

V dome existuje ešte niekoľko druhov tepelných strát cez škáry v konštrukciách, ventilačný systém, kuchynský digestor, otváranie okien a dverí. Ale zohľadňovať ich objem nemá zmysel, pretože tvoria najviac 5% z celkového počtu hlavných únikov tepla.

Určenie výkonu kotla

Na udržanie rozdielu teplôt medzi okolitým prostredím a teplotou vo vnútri domu je potrebný autonómny vykurovací systém, ktorý udržiava požadovanú teplotu v každej miestnosti rodinného domu.

Základom vykurovacieho systému sú rôzne druhy kotlov: na kvapalné alebo tuhé palivo, elektrické alebo plynové.

Kotol – je centrálny uzol vykurovacieho systému, ktorý generuje teplo. Hlavnou charakteristikou kotla je jeho výkon, a to rýchlosť premeny množstva tepla za jednotku času.

Po výpočte tepelného zaťaženia na vykurovanie získame požadovaný menovitý výkon kotla.

Pre bežný viacizbový byt sa výkon kotla vypočíta cez plochu a merný výkon:

P_kotla = (S_miestnosti * P_merná) / 10, kde

• S_miestnosti – celková plocha vykurovanej miestnosti;
• P_merná – merný výkon vzhľadom na klimatické podmienky.

Ale tento vzorec nezohľadňuje tepelné straty, ktorých je v súkromnom dome dosť.

Existuje iný pomer, ktorý zohľadňuje tento parameter:

P_kotla = (Q_strát * S) / 100, kde

• P_kotla – výkon kotla;
• Q_strát – tepelné straty;
• S – vykurovaná plocha.

Vypočítaný výkon kotla je potrebné zvýšiť. Rezerva je potrebná, ak sa plánuje použitie kotla na ohrev vody pre kúpeľňu a kuchyňu.

Vo väčšine vykurovacích systémov súkromných domov sa odporúča bezpodmienečne používať expanznú nádrž, v ktorej sa bude uchovávať zásoba teplonosného média. Každý súkromný dom potrebuje zásobovanie teplou vodou

Aby sa zabezpečila rezerva výkonu kotla, do posledného vzorca treba pridať koeficient rezervy K:

P_kotla = (Q_strát * S * K) / 100, kde

K – bude rovné 1,25, to znamená, že vypočítaný výkon kotla bude zvýšený o 25%.

Teda výkon kotla poskytuje možnosť udržiavať normatívnu teplotu vzduchu v miestnostiach budovy, ako aj mať počiatočný a dodatočný objem teplej vody v dome.

Zvláštnosti výberu radiátorov

Štandardnými komponentmi zabezpečenia tepla v miestnosti sú radiátory, panely, systémy “teplá” podlaha, konvektory atď. Najrozšírenejšími časťami vykurovacieho systému sú radiátory.

Tepelný radiátor – je to špeciálna dutá konštrukcia modulového typu z materiálu s vysokou tepelnou vodivosťou. Vyrába sa z ocele, hliníka, liatiny, keramiky a iných zliatin. Princíp činnosti vykurovacieho radiátora spočíva v vyžarovaní energie z nosiča tepla do priestoru miestnosti cez “lamely”.

Hliníkový a bimetalový vykurovací radiátor nahradil mohutné liatinové batérie. Jednoduchosť výroby, vysoký tepelný výkon, vydarená konštrukcia a dizajn urobili tento výrobok populárnym a rozšíreným nástrojom na vyžarovanie tepla v miestnosti.

Existuje niekoľko metodík výpočtu vykurovacích radiátorov v miestnosti. Nižšie uvedený zoznam spôsobov je zoradený v poradí zvyšujúcej sa presnosti výpočtov.

Varianty výpočtov:

1. Podľa plochy. N=(S*100)/C, kde N – počet sekcií, S – plocha miestnosti (m²), C – tepelný výkon jednej sekcie radiátora (W, preberá sa z technického pasu alebo certifikátu výrobku), 100 W – množstvo tepelného toku potrebného na ohrev 1 m² (empirická hodnota). Vynára sa otázka: akým spôsobom zohľadniť výšku stropu miestnosti?
2. Podľa objemu. N=(S*H*41)/C, kde N, S, C – analogicky. H – výška miestnosti, 41 W – množstvo tepelného toku potrebného na ohrev 1 m³ (empirická hodnota).
3. Podľa koeficientov. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, kde N, S, C a 100 – analogicky. k1 – zohľadnenie počtu komôr v izolačnom skle okna miestnosti, k2 – tepelná izolácia stien, k3 – pomer plochy okien k ploche miestnosti, k4 – priemerná mínusová teplota v najchladnejšom týždni zimy, k5 – počet vonkajších stien miestnosti (ktoré „vedú“ von), k6 – typ miestnosti nad, k7 – výška stropu.

Toto je maximálne presný variant výpočtu počtu sekcií. Prirodzene, zaokrúhľovanie desatinných výsledkov výpočtov sa vždy vykonáva na nasledujúce celé číslo.

Hydraulický výpočet zásobovania vodou

Samozrejme, „obraz“ výpočtu tepla na vykurovanie nemôže byť úplný bez výpočtu takých charakteristík, ako je objem a rýchlosť teplonosného média. Vo väčšine prípadov je teplonosným médiom obyčajná voda v kvapalnom alebo plynnom skupenstve.

Reálny objem teplonosného média sa odporúča vypočítať sčítaním všetkých dutín v systéme vykurovania. Pri použití jednokruhového kotla je to optimálny variant. Pri použití dvojkruhových kotlov v systéme vykurovania je potrebné zohľadniť spotrebu teplej vody na hygienické a iné domáce účely.

Výpočet objemu vody ohrievanej dvojkruhovým kotlom na zabezpečenie obyvateľov teplou vodou a ohrev teplonosného média sa vykonáva sčítaním vnútorného objemu vykurovacieho okruhu a skutočných potrieb používateľov v ohriatej vode.

Objem teplej vody vo vykurovacom systéme sa vypočíta podľa vzorca:

W=k*P, kde

• W – objem nosiča tepla;
• P – výkon vykurovacieho kotla;
• k – koeficient výkonu (počet litrov na jednotku výkonu, rovná sa 13,5, rozsah – 10-15 l).

V konečnom dôsledku výsledný vzorec vyzerá takto:

W = 13,5*P

Rýchlosť teplonosného média – záverečné dynamické hodnotenie vykurovacieho systému, ktoré charakterizuje rýchlosť cirkulácie kvapaliny v systéme.

Táto veličina pomáha posúdiť typ a priemer potrubia:

V=(0,86*P*μ)/∆T, kde

• P – výkon kotla;
• μ – účinnosť kotla;
• ∆T – rozdiel teplôt medzi privádzanou vodou a vodou v spätnom okruhu.

Použitím vyššie uvedených spôsobov hydraulického výpočtu získame reálne parametre, ktoré sú “základom” budúceho vykurovacieho systému.

Príklad tepelného výpočtu

Ako príklad tepelného výpočtu máme k dispozícii bežný 1-poschodový dom so štyrmi obytnými miestnosťami, kuchyňou, sociálnym zariadením, “zimnou záhradou” a pomocnými priestormi.

Základ z monolitickej železobetónovej dosky (20 cm), vonkajšie steny – betón (25 cm) s omietkou, strecha – stropy z drevených trámov, krytina – plechová škridla a minerálna vlna (10 cm)

Označíme východiskové parametre domu potrebné na vykonanie výpočtov.

Rozmery budovy:

• výška podlažia – 3 m;
• malé okno na fasádnej a zadnej časti budovy 1470*1420 mm;
• veľké okno fasády 2080*1420 mm;
• vchodové dvere 2000*900 mm;
• dvere zadnej časti (východ na terasu) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Celková šírka stavby je 9.5 m², dĺžka 16 m². Vykurované budú len obytné miestnosti (4 ks), sociálne zariadenie a kuchyňa.

Pre presný výpočet tepelných strát na stenách je potrebné z plochy vonkajších stien odpočítať plochu všetkých okien a dverí – ide o úplne iný typ materiálu s vlastným tepelným odporom.

Začíname s výpočtom plôch homogénnych materiálov:

• plocha podlahy – 152 m²;
• plocha strechy – 180 m², berúc do úvahy výšku podkrovia 1.3 m a šírku väznice – 4 m;
• plocha okien – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• plocha dverí – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

Plocha vonkajších stien bude rovná 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Prechádzame k výpočtu tepelných strát na každom materiáli:

• Q_podlaha=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_strecha=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_okno=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_dvere=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

A tiež Q_stena je ekvivalentné 136.38*40*0.25/0.3=4546. Súčet všetkých tepelných strát bude predstavovať 19628.4 W.

Nakoniec vypočítame výkon kotla: P_kotla=Q_strát*S_{vykurovaných_miestností}*K/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.

Výpočet počtu sekcií radiátorov vykonáme pre jednu z miestností. Pre všetky ostatné sú výpočty analogické. Napríklad, rohová miestnosť (vľavo, dolný roh schémy) má plochu 10.4 m2.

Takže 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.

Pre túto miestnosť je potrebných 9 sekcií vykurovacieho radiátora s tepelným výkonom 180 W.

Prechádzame k výpočtu množstva teplonosnej látky v systéme – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Takže rýchlosť teplonosnej látky bude: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

V dôsledku toho bude úplný obrat celého objemu teplonosnej látky v systéme ekvivalentný 2.87-násobku za jednu hodinu.

Výber článkov o tepelnom výpočte pomôže určiť presné parametre prvkov vykurovacieho systému:

1. Výpočet vykurovacieho systému súkromného domu: pravidlá a príklady výpočtu
2. Tepelnotechnický výpočet budovy: špecifiká a vzorce vykonávania výpočtov + praktické príklady

Závery a užitočné video k téme

Jednoduchý výpočet vykurovacieho systému pre rodinný dom je uvedený v nasledujúcom prehľade:

Všetky jemnosti a všeobecne uznávané metódy výpočtu tepelných strát budovy sú uvedené nižšie:

Ešte jeden variant výpočtu únikov tepla v typickom rodinnom dome:

V tomto videu sa hovorí o zvláštnostiach cirkulácie nosiča energie na vykurovanie obydlia:

Tepelný výpočet vykurovacieho systému má individuálny charakter, je potrebné ho vykonať správne a presne. Čím presnejšie budú výpočty, tým menej budú musieť majitelia vidieckeho domu preplácať počas prevádzky.

Máte skúsenosti s vykonaním tepelného výpočtu vykurovacieho systému? Alebo máte otázky k téme? Prosím, podeľte sa o svoj názor a zanechajte komentáre. Blok spätnej väzby sa nachádza nižšie.