Расчет водяного отопления: формулы, правила, примеры выполнения
Использование воды в качестве теплоносителя в системе отопления — один из самых популярных вариантов обеспечить свой дом теплом в холодное время года. Нужно лишь правильно спроектировать, а затем выполнить монтаж системы. Иначе отопление будет неэффективным при высоких затратах топлива, что, согласитесь, крайне неинтересно при сегодняшних ценах на энергоресурсы.
Осуществить самостоятельно расчет водяного отопления (далее — СВО) без использования профильных программ невозможно, поскольку в вычислениях используются сложные выражения, определить значения которых с помощью обычного калькулятора нельзя. В этой статье мы подробно разберем алгоритм выполнения вычислений, приведем применяемые формулы, рассмотрев ход выполнения расчетов на конкретном примере.
Изложенный материал дополним таблицами со значениями и справочными показателями, которые нужны при проведении вычислений, тематическими фото и видеороликом, в котором продемонстрирован наглядный пример расчета путем использования программы.
Расчет теплового баланса жилищной конструкции
Для внедрения обогревательной установки, где в качестве циркуляционного вещества выступает вода, требуется предварительно произвести точные гидравлические вычисления.
При разработке, внедрении любой системы обогревательного типа необходимо знать тепловой баланс (далее – ТБ). Зная тепловую мощность для поддержания температуры в помещении, можно правильно подобрать оборудование и грамотно распределить его нагрузку.
Зимой помещение несет определенные тепловые потери (далее – ТП). Основная масса энергии выходит через ограждающие элементы и вентиляционные проемы. Незначительные расходы приходятся на инфильтрацию, нагревание предметов и др.
Выполнение расчета водяного отопления
Потери через конструкции
Учет обогрева поступающего воздуха
Вентиляция с подмесом свежего воздуха
Учет потерь на подготовку горячей воды
Вычисление эффективности перерабатываемого в котле горючего
Один из вариантов устройства отопительного контура
Система с открытым расширительным бачком
ТП зависят от слоев, из которых состоят ограждающие конструкции (далее — ОК). Современные строительные материалы, в частности, утеплители, обладают низким коэффициентом теплопроводности (далее – КТ), благодаря чему через них уходит меньше тепла. Для домов одинаковой площади, но с разным строением ОК, тепловые затраты будут отличаться.
Помимо определения ТП, важно вычислить ТБ жилища. Показатель учитывает не только количество энергии, покидающей помещение, но и количество необходимой мощности для поддержания определенных градусных мер в доме.
Наиболее точные результаты дают профильные программы, разработанные для строителей. Благодаря им возможно учесть больше факторов, влияющих на ТП.
Наибольшее количество тепла покидает помещение через стены, пол, крышу, наименьшее — через двери, оконные проемы
С высокой точностью можно вычислить ТП жилища с помощью формул.
Общие тепловые расходы дома рассчитывают по уравнению:
Q = Qok + Qv,
Где Qok — количество тепла, покидающее помещение через ОК; Qv — тепловые расходы вентиляции.
Потери через вентиляцию учитываются в том случае, если воздух, попадающий в помещение, имеет более низкую температуру.
В расчетах обычно учитывают ОК, входящие одной стороной на улицу. Это наружные стены, пол, крыша, двери и окна.
Общие ТП Qok равны сумме ТП каждой ОК, то есть:
Qok = ∑Qst + ∑Qokn + ∑Qdv +∑Qptl + ∑Qpl,
Где:
Если пол или потолок имеет неодинаковое строение по всей площади, то ТП вычисляют для каждого участка отдельно.
Расчет теплопотерь через ОК
Для вычислений потребуются следующие сведения:
Для вычисления ТП нужно найти общее тепловое сопротивление Rок. Для этого нужно узнать тепловое сопротивление R1, R2, R3, …, Rn каждого слоя ОК.
Коэффициент Rn рассчитывается по формуле:
Rn = B/k,
В формуле: B — толщина слоя ОК в мм, k — КТ каждого слоя.
Общее R возможно определить по выражению:
R = ∑Rn
Производители дверей и окон обычно указывают коэффициент R в паспорте к изделию, поэтому рассчитывать его отдельно нет необходимости.
Тепловое сопротивление окон можно не рассчитывать, поскольку в техническом паспорте уже присутствуют необходимые сведения, что упрощает вычисление ТП
Общая формула расчета ТП через ОК выглядит следующим образом:
Qok = ∑S × (tvnt — tnar) × R × l,
В выражении:
Расчет ТБ позволяет подобрать оборудование необходимой мощности, что исключит вероятность образования дефицита тепла или его переизбытка. Дефицит тепловой энергии компенсируют путем увеличение потока воздуха через вентиляцию, переизбыток – установкой дополнительного отопительного оборудования.
Тепловые расходы вентиляции
Общая формула расчета ТП вентиляции имеет следующий вид:
Qv = 0.28 × Ln × pvnt × c × (tvnt — tnar),
В выражении переменные имеют следующий смысл:
Если в здании установлена вентиляция, то параметр Ln берется из технических характеристик к прибору. Если же вентиляция отсутствует, то берется стандартный показатель удельного воздухообмена, равный 3 м3 в час.
Исходя из этого, Ln вычисляется по формуле:
Ln = 3 × Spl,
В выражении Spl — площадь пола.
2% от всех тепловых потерь приходится на инфильтрацию, 18% — на вентиляцию. Если помещение оборудовано системой вентиляции, то в расчетах учитывают ТП через вентиляцию, а инфильтрацию во внимание не берут
Далее следует вычислить плотность воздуха pvnt при заданной в помещении температуре tvnt.
Сделать это можно по формуле:
pvnt = 353/(273+tvnt),
Удельная теплоемкость c = 1.0005.
Если вентиляция или инфильтрация неорганизованная, в стенах присутствуют щели или дыры, то вычисление ТП через отверстия следует доверить специальным программам.
В другой нашей статье мы привели подробный пример теплотехнического расчета здания с конкретными примерами и формулами.
Пример расчета теплового баланса
Рассмотрим дом высотой 2.5 м, шириной 6 м и длиной 8 м, располагающийся в городе Оха в Сахалинской области, где в предельно холодную 5-дневку градусник термометра опускается на -29 градусов.
В результате измерения было установлена температура грунта — +5. Рекомендуемая температура внутри конструкции составляет +21 градус.
Изобразить схему дома удобнее всего на бумаге, указав не только длину, ширину и высоту постройки, но и ориентированность относительно сторон света, а также расположение, габариты окон и дверей
Стены рассматриваемого дома состоят из:
При определении k лучше воспользоваться таблицами, представленными на сайте производителя, или найти информацию в техническом паспорте изделия.
Зная теплопроводность, можно подобрать максимально эффективные с точки зрения тепловой изоляции материалы. Исходя из вышеприведенной таблицы, наиболее целесообразно использовать в строительстве минераловатные плиты и пенополистирол
Напольное покрытие состоит из следующих слоев:
В доме подвальное помещение отсутствует, а пол имеет одинаковое строение по всей площади.
Потолок состоит из слоев:
Выходы на чердак отсутствуют.
В доме всего 6 двухкамерных окон с И-стеклом и аргоном. Из технического паспорта на изделия известно, что R=0.7. Окна имеют габариты 1.1х1.4 м.
Двери имеют габариты 1х2.2 м, показатель R=0.36.
Шаг #1 — расчет теплопотерь стены
Стены по всей площади состоят из трех слоев. Вначале рассчитаем их суммарное тепловое сопротивление.
Для чего используем формулу:
R = ∑Rn,
и выражение:
Rn = B/k
Учитывая исходные сведения, получим:
Rst = 0.51/0.64 + 0.05/0.05 + 0.09/0.26 = 0.79 +1 + 0.35 = 2.14
Узнав R, можно приступить к расчетам ТП северной, южной, восточной и западной стены.
Добавочные коэффициенты учитывают особенности расположения стен относительно сторон света. Обычно в северной части во время холодов образуется «роза ветров»,в результате чего ТП с этой стороны будут выше, чем с других
Вычислим площадь северной стены:
Ssev.sten = 8 × 2.5 = 20
Тогда, подставляя в формулу Qok = ∑S × (tvnt — tnar) × R × l и учитывая, что l=1.1, получим:
Qsev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354
Площадь южной стены Syuch.st = Ssev.st = 20.
В стене отсутствуют встроенные окна или двери, поэтому, учитывая коэффициент l=1, получим следующие ТП:
Qyuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140
Для западной и восточной стены коэффициент l=1.05. Поэтому можно найти общую площадь этих стен, то есть:
Szap.st + Svost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30
В стены встроено 6 окон и одна дверь. Рассчитаем общую площадь окон и S дверей:
Sokn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24
Sdv = 1 × 2.2 = 2.2
Определим S стен без учета S окон и дверей:
Svost+zap = 30 — 9.24 — 2.2 = 18.56
Подсчитаем общие ТП восточной и западной стены:
Qvost+zap =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085
Получив результаты, подсчитаем количество тепла, уходящего через стены:
Qst = Qsev.st + Qyuch.st + Qvost+zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579
Итого общие ТП стен составляют 6 кВт.
Шаг #2 — вычисление ТП окон и дверей
Окна располагаются на восточной и западной стенах, поэтому при расчетах коєффициент l=1.05. Известно, что строение всех конструкций одинаково и R=0.7.
Используя значения площади, приведенные выше, получим:
Qokn = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340
Зная, что для дверей R=0.36, а S=2.2, определим их ТП:
Qdv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42
В итоге через окна выходит 340 Вт тепла, а через двери — 42 Вт.
Шаг #3 — определение ТП пола и потолка
Очевидно, что площадь потолка и пола будет одинакова, и вычисляется следующим образом:
Spol = Sptl = 6 × 8 = 48
Рассчитаем общее тепловое сопротивление пола с учетом его строения.
Rpol = 0.1/0.13 + 0.05/0.047 + 0.05/0.58 + 0.06/0.043 = 0.77 + 1.06 + 0.17 + 1.40 = 3.4
Зная, что температура грунта tnar=+5 и учитывая коэффициент l=1, вычислим Q пола:
Qpol = 48 × (21 — 5) × 1 × 3.4 = 2611
Округлив, получим, что теплопотери пола составляют около 3 кВт.
В расчетах ТП нужно учитывать слои, влияющие на тепловую изоляцию, например, бетон, доски, кирпичная кладка, утеплители и др
Определим тепловое сопротивление потолка Rptl и его Q:
Отсюда следует, что через потолок и пол уходит почти 6 кВт.
Шаг #4 — вычисление ТП вентиляции
В помещении вентиляция организована, вычисляется по формуле:
Qv = 0.28 × Ln × pvnt × c × (tvnt — tnar)
Исходя из технических характеристик, удельный теплообмен составляет 3 кубических метра в час, то есть:
Ln = 3 × 48 = 144.
Для вычисления плотности используем формулу:
pvnt = 353/(273+tvnt).
Расчетная температура в помещении составляет +21 градус.
ТП вентиляции не рассчитывают, если система снабжена устройством подогрева воздуха
Подставляя известные значения, получим:
pvnt = 353/(273+21) = 1.2
Подставим в вышеприведенную формулу полученные цифры:
Qv = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21 — 29) = 2431
Учитывая ТП на вентиляцию, общее Q здания составит:
Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.
Переведя в кВт, получим общие тепловые потери 16 кВт.
Проведение учета теплотворной способности топлива
Определение количества тепла при сгорании угля
Способность при сжигании дров
Оптимальный вариант — использование голубого топлива
Особенности расчета СВО
После нахождения показателя ТП переходят к гидравлическому расчету (далее — ГР).
На его основе получают информацию о следующих показателях:
Перед началом расчетов для упрощения вычислений изображают пространственную схему системы, на которой все ее элементы располагают параллельно друг другу.
На схеме изображена система отопления с верхней разводкой, движение теплоносителя — тупиковое
Рассмотрим основные этапы расчетов водяного отопления.
ГР главного циркуляционного кольца
Методика расчета ГР основывается на предположении, что во всех стояках и ветвях перепады температуры одинаковые.
Алгоритм расчета следующий:
- На изображенной схеме, учитывая теплопотери, наносят тепловые нагрузки, действующие на отопительные приборы, стояки.
- Исходя из схемы, выбирают главное циркуляционное кольцо (далее — ГЦК). Особенность этого кольца в том, что в нем циркуляционное давление на единицу длины кольца принимает наименьшее значение.
- ГЦК разбивают на участки, имеющие постоянные расход тепла. Для каждого участка указывают номер, тепловую нагрузку, диаметр и длину.
В вертикальной системе однотрубного типа в качестве ГЦК берется то кольцо, через которое проходит наиболее нагруженный стояк при тупиковом или попутном движении воды по магистралям. Детальнее об увязывании циркуляционных колец в однотрубной системе и выборе основного мы говорили в следующей статье. Отдельно уделили внимание порядку выполнения расчетов, используя для наглядности конкретный пример.
В вертикальных системах двухтрубного типа ГЦК проходит через нижнее отопительное устройство, имеющее максимальную нагрузку при тупиковом или попутном движении воды
В горизонтальной системе однотрубного типа ГЦК должно иметь наименьшее циркуляционное давление да единицу длины кольца. Для систем с естественной циркуляцией ситуация аналогична.
При ГР стояков вертикальной системы однотрубного типа проточные, проточно-регулируемые стояки, имеющие в своем составе унифицированные узлы, рассматривают в качестве единого контура. Для стояков с замыкающими участками производят разделение, учитывая распределение воды в трубопроводе каждого приборного узла.
Расход воды на заданном участке вычисляется по формуле:
Gkont = (3.6 × Qkont × β1 × β2)/((tr — t0) × c)
В выражении буквенные символы принимаю следующие значения:
Определив диаметр и количество воды, необходимо узнать скорость ее движения и значение удельного сопротивления R. Все расчеты удобнее всего осуществить с помощью специальных программ.
ГР второстепенного циркуляционного кольца
После ГР главного кольца определяют давление в малом циркуляционном кольце, образующееся через ближайшие его стояки, учитывая, что потери давления могут отличаться на не более чем 15 % при тупиковой схеме и не более, чем на 5%, при попутной.
Если невозможно увязать потери давления, устанавливают дроссельную шайбу, диаметр которой вычисляют с использованием программных методов.
Расчет радиаторных батарей
Вернемся к плану дома, размещенного выше. Путем вычислений было выявлено, что для поддержания теплового баланса потребуется 16 кВт энергии. В рассматриваемом доме 6 помещений разного назначения – гостиная, санузел, кухня, спальня, коридор, прихожая.
Исходя из габаритов конструкции, можно вычислить объем V:
V=6×8×2.5=120 м3
Далее нужно найти количество тепловой мощности на один м3. Для этого Q необходимо поделить на найденный объем, то есть:
P=16000/120=133 Вт на м3
Далее необходимо определить, сколько тепловой мощности потребуется для одной комнаты. На схеме площадь каждого помещения уже рассчитана.
Определим объем:
В расчетах также нужно учитывать помещения, в которых отопительных батарей нет, например, коридор.
Коридор отапливается пассивным способом, в него тепло будет поступать за счет циркуляции теплового воздуха при передвижении людей, через дверные проемы и др
Определим необходимое количество тепла для каждой комнаты, умножив объем комнаты на показатель Р.
Получим требуемую мощность:
Приступим к расчету радиаторных батарей. Будем использовать алюминиевые радиаторы, высота которых составляем 60 см, мощность при температуре 70 равна 150 Вт.
Подсчитаем необходимое количество радиаторных батарей:
Итого потребуется: 10+31+21+23+13=98 радиаторных батарей.
У нас на сайте также есть другие статьи, в которых мы подробно рассмотрели порядок выполнения теплового расчета системы отопления, пошаговый расчет мощности радиаторов и труб отопления. А если ваша система предполагает наличие теплых полов, то вам понадобится выполнить дополнительные вычисления.
Более подробно все эти вопросы освещены в следующих наших статьях:
Выводы и полезное видео по теме
В видео можно ознакомиться с примером расчета водяного отопления, который осуществляется средствами программы Valtec:
Гидравлические расчеты лучше всего осуществлять с помощью специальных программ, которые гарантируют высокую точность вычислений, учитывают все нюансы конструкции.
Вы специализируетесь на выполнении расчета систем отопления с использованием воды в качестве теплоносителя и хотите дополнить нашу статью полезными формулами, поделиться профессиональными секретами?
А может хотите акцентировать внимание на дополнительных расчетах или указать на неточность в наших вычислениях? Пишите, пожалуйста, свои замечания и рекомендации в блоке под статьей.
