Какой параметр определяет мощность системы отопления здания

Правильный расчет тепловой мощности системы отопления по площади помещения

Прежде, чем приступить к монтажу автономной системы отопления в собственном доме или квартире, владельцу недвижимости необходимо иметь проект. Создание его специалистами подразумевает, в том числе, что будет выполнен расчет тепловой мощности для помещения, имеющего определенную площадь и объем. На фото можно увидеть, как может выглядеть отопительная система частного домовладения.

Необходимость расчета тепловой мощности системы отопления

назначение здания и его тип;
конфигурацию каждого помещения;
количество жильцов;
географическое положение и регион, в котором находится населенный пункт;
прочие параметры.

Подбор котла в зависимости от его мощности. Эффективность функционирования отопительной конструкции определяется правильностью выбора нагревательного агрегата. Котел должен иметь такую производительность, чтобы обеспечить обогрев всех помещений в соответствии с потребностями людей, проживающих в доме или квартире, даже в наиболее холодные зимние дни. Одновременно при наличии у прибора избыточной мощности часть вырабатываемой энергии не будет востребована, а значит, некоторая сумма денег потратится напрасно.
Необходимость согласовывать подключение к магистральному газопроводу. Для присоединения к газовой сети потребуется ТУ. Для этого подают заявку в соответствующую службу с указанием предполагаемого расхода газа на год и оценкой тепловой мощности в сумме для всех потребителей.
Выполнение расчетов периферийного оборудования. Расчет тепловых нагрузок на отопление необходим для определения длины трубопровода и сечения труб, производительности циркуляционного насоса, типа батарей и т.д.

Варианты приблизительных расчетов

Выполнить точный расчет тепловой мощности системы отопления довольно сложно, его могут сделать только профессионалы, имеющие соответствующую квалификацию и специальные знания. По этой причине данные вычисления обычно поручают специалистам.

Нередко применяют расчет мощности отопления по площади. Считается, что жилые дома возводятся по проектам, разработанным с учетом климата в определенном регионе, и что в проектных решениях заложено использование материалов, которые обеспечивают требуемый тепловой баланс. Поэтому при расчете принято умножать величину удельной мощности на площадь помещений. Например, для Московского региона данный параметр находится в пределе от 100 до 150 ватт на один «квадрат».
Более точный результат будет получен, если учитывать объем помещения и температуру. Алгоритм вычисления включает высоту потолка, уровень комфорта в отапливаемом помещении и особенности дома.
Используемая формула выглядит следующим образом: Q = VхΔTхK/860, где:

V – объем помещения;
ΔT – разница между температурой внутри дома и снаружи на улице;
К – коэффициент теплопотерь.

Поправочный коэффициент позволяет учесть конструктивные особенности объекта недвижимости. Например, когда определяется тепловая мощность системы отопления здания, для строений с обычной кровлей из двойной кирпичной кладки К находится в диапазоне 1,0–1,9.
Метод укрупненных показателей. Во многом похож на предыдущий вариант, но его применяют для вычисления тепловой нагрузки для систем отопления многоквартирных зданий или других больших объектов.

Все три вышеперечисленные способы, позволяющие сделать расчет необходимой теплоотдачи, дают приблизительный результат, который может отличаться от реальных данных или в меньшую, или в большую сторону. Понятно, что монтаж маломощной отопительной системы не обеспечит требуемую степень обогрева.

В свою очередь, избыток мощности у отопительного оборудования приведет к быстрому износу приборов, перерасходу топлива, электроэнергии, а соответственно и денежных средств. Подобные расчеты обычно применяют в несложных случаях, например, при выборе котла.

Точное вычисление тепловой мощности

Степень теплоизоляции и ее эффективность зависят от того, насколько качественно она сделана и от конструктивных особенностей зданий. Основная часть теплопотерь приходится на наружные стены (примерно 40%), затем следуют оконные конструкции (около 20%), а крыша и пол – это 10%. Остальное тепло покидает дом через вентиляцию и двери.

Поэтому расчет тепловой мощности системы отопления должен учитывать данные нюансы.

К1 зависит от типа окон. Двухкамерным стеклопакетам соответствует 1, обычному остеклению – 1,27, трехкамерному окну – 0,85;
К2 показывает степень теплоизоляции стен. Находится в пределе от 1 (пенобетон) до 1,5 для бетонных блоков и кладки в 1,5 кирпича;
К3 отражает соотношение между площадью окон и пола. Чем больше оконных рам, тем сильнее потери тепла. При 20% остекления коэффициент равен 1, а при 50% он увеличивается до 1,5;
К4 зависит от минимальной температуры снаружи здания на протяжении отопительного сезона. За единицу принимают температуру -20 °C, а затем на каждые 5 градусов прибавляют или вычитают 0,1;
К5 учитывает количество наружных стен. Коэффициент для одной стены равен 1, если их две или три, тогда он составляет 1,2, когда четыре – 1,33;
К6 отражает тип помещения, которое находится над определенной комнатой. При наличии сверху жилого этажа величина поправки – 0,82, теплого чердака – 0,91, холодного чердака — 1,0;
К7 – зависит от высоты потолков. Для высоты 2,5 метра это 1,0, а для 3-х метров — 1,05.

Qi=qхSiхK1хK2хK3хK4хK5хK6хK7, где q =100 Вт/м², а Si – площадь комнаты.

Как правило, для обеспечения запаса тепловой энергии на всевозможные непредвиденные случаи результат увеличивают на 15–20%. Это могут быть сильнейшие морозы, разбитое окно, поврежденная теплоизоляция и т.д.

Пример выполнения расчета

Допустим, необходимо знать, какая должна быть тепловая мощность системы отопления для дома из бруса площадью 150 м² с теплым чердаком, тремя внешними стенами и двойными стеклопакетами на окнах. При этом высота стен 2,5 метра, а площадь остекления составляет 25%. Минимальная температура на улице в самую морозную пятидневку находится на отметке -28 °C.

К1 (двухкамерный стеклопакет) = 1,0;
К2 (стены из бруса) = 1,25;
К3 (площадь остекления) = 1,1;
К4 (при -25 °C -1,1, а при 30°C) = 1,16;
К5 (три наружные стены) = 1,22;
К6 (сверху теплый чердак) = 0,91;
К7 (высота помещения) = 1,0.

Q=100 Вт/ м²х135 м²х1,0х1,25х1,1х1,16х1,22х0,91х1,0 = 23,9 кВт.

В итоге мощность отопительной системы составит: W=Qх1,2 = 28,7 кВт.

В том случае, когда бы использовался упрощенный метод вычислений, основанный на расчете мощности отопления согласно площади, то результат был бы совсем иной:

100–150 Вт х150м² = 15–22,5 кВт

Отопительная система функционировала бы без запаса по мощности — на пределе. Приведенный пример является подтверждением важности применения точных способов, позволяющих определять тепловые нагрузки на отопление.

Расчет потребляемой мощности системы отопления

Эффективность работы отопительного оборудования напрямую связана с показателем тепловой мощности. От нее зависит комфортность и уют в помещении, обогреваемом посредством газа, дров или электричества. Поэтому пользователю важно знать, что собой представляет эта физическая величина и как она рассчитывается в каждом конкретном случае.

Определение понятия тепловой мощности

Под мощностью тепловыделения понимается количество теплоты, образующееся при преобразовании исходного носителя в энергию обогрева. Этот показатель отличен по величине для разных видов энергоносителей и рассчитывается для каждого из них индивидуально. Для газовых котлов он зависит от объема природного или сжиженного газа, подводимого к горелке в единицу времени.

При рассмотрении электрических аналогов этот параметр напрямую связан с мощностью электроэнергии, потребляемой агрегатом от сети 220 или 380 Вольт и его тепловым КПД. Соотношение тепловых и электрических мощностей задается специальными формулами, переводящими одно значение в другое.

Необходимые характеристики

Расчет тепловой мощности очень важен, так как его результаты необходимы для определения параметров выбираемого образца отопительного оборудования. К последним традиционно относятся:

электрическая мощность агрегата для энергозависимых моделей;
эффективность преобразования (или КПД котла);
производительность, определяемая как количество тепла, формируемое устройством в единицу времени.

Модели котлов, подключаемых к электросети, относятся к оборудованию с потребляемой мощностью системы отопления, приводимой к количеству сжигаемого твердого или газообразного топлива. Для независимых от электричества образов этот параметр определяется напрямую – без перерасчета на затраченную электроэнергию.

Эффективность работы любого отопительного агрегата в значительной мере зависит от правильности выбора узла, обеспечивающего преобразование тепловой энергии (теплообменника). Грамотное решение этого вопроса позволяет получить требуемую теплопроизводительность и комфортно чувствовать себя в доме даже в самые морозные дни.

Избытки по тепловой мощности нежелательны, поскольку в этом случае часть расходуемых средств тратится впустую.

Факторы, влияющие на потребность в тепле

К основным факторам, определяющим потребность в тепловой энергии для помещения, относят:

полный объем нагреваемых пространств;
тип и качество утеплительного материала;
климатическая зона, в которой располагается здание.

От объема помещения зависит количество воздушного пространства, нуждающегося в обогреве. Чем объемнее отапливаемое помещение, тем больше тепла потребуется для поддержания нужного микроклимата. При одинаковой высоте потолков (порядка 2,5 метров) обычно применяется упрощенный расчет, при котором за основу берется площадь комнаты.

О качестве утепления судят по способам теплоизоляции стен, а также по площади и комплекту окон и дверей. Учитывается также вид остекления – простой и тройной стеклопакет различны по тепловым потерям. Влияние климатического фактора сказывается при прочих равных условиях и учитывается как разность температур на улице и в комнате, где установлен котел.

Для прибора (батареи отопления)

При рассмотрении факторов, влияющих на мощность нагрева радиаторов отопления, выделяются три основных:

показатель, соответствующий разнице нагрева теплоносителя и окружающей воздушной среды – с его повышением увеличивается тепловая мощность;
площадь поверхности, отдающей тепло;
теплопроводность используемого материала.

В этом случае наблюдается та же линейная зависимость: с увеличением поверхности батареи возрастает и величина тепловой отдачи. По этой причине многие современные отопительные радиаторы дополняются специальными алюминиевыми ребрами, повышающими общую теплоотдачу.

Зачем нужен расчет мощностного показателя

Потребность в определении мощности объясняется тем, что основные характеристики котла зависят от следующих факторов:

особенности конструкции и назначение отапливаемого объекта;
размеры и форма каждого помещения;
общее число жильцов;
месторасположение на карте страны.

Расчетная мощность теплопередачи используется для определения параметров котельного оборудования, планируемого к установке именно в этом помещении. Будущий котел должен обладать производительностью, достаточной для его обогрева даже в самые холодные зимние дни. Также важно предусмотреть возможность согласованного подключения агрегата к магистральному трубопроводу. Проведенные расчеты помогут определиться с его длиной и типоразмером труб, а также с типом радиаторов и параметрами циркуляционного насоса.

Расчет тепловой мощности

Для оценки тепловой энергии существует формула определения мощности через количество теплоты: N = Q/Δ t, где Q – это количество теплоты, выраженное в джоулях, а Δ t – время выделения энергии в секундах.

При оценочных расчетах также используется специальный коэффициент (КПД), указывающий на объем израсходованного тепла. Он находится как отношение полезной энергии к мощности тепловых потерь и выражается в процентах.

Объем затраченной энергии для помещений зависит от их строительных особенностей. Тот же показатель для батарей определяется используемыми при их изготовлении материалами и особенностями конструкции.

Более точный тепловой расчет

Грамотный выбор нагревательного оборудования возможен лишь после ознакомления с порядком расчета тепловой мощности, требуемой в каждом конкретном случае. Формула, используемая для его точного определения, выглядит так: P=V∆TK= ккал/час:

V – объем обогреваемого помещения, измеряемый в метрах кубических.
∆Т – разница между температурой воздуха вне и внутри помещения.
К – коэффициент потерь тепла.

Последняя величина зависит от материала стен. На основании проведенных специалистами измерений для неутепленной деревянной конструкции она составляет 3,0-4,0. Точные значения К для различных вариантов утепления приведены ниже:

Для зданий из одинарной кирпичной кладки и с упрощенными конструкциями окон и крыши (так называемая «простая» теплоизоляция) К=2,0-2,9.
Утепление среднего качества (К=1,0-1,9). Это типовая конструкция, под которой понимается двойная кладка, крыша с обычной кровлей, ограниченное количество окон.
Высококачественное утепление (К=0,6-0,9), предполагающее кирпичные стены с усиленной теплоизоляцией, малое число окон со сдвоенными рамами, прочное основание пола и крышу с надежными теплоизоляторами.

В качестве примера будет рассмотрен точный расчет мощности для нагреваемого помещения объемом 5 х 16 х 2,5 = 200 метров кубических. ∆Т определяется как разница показателя снаружи -20 °С и внутри помещения +25 °С. Принимается вариант со средней удельной теплоизоляцией (К=1-1,9). По усредненным условиям эксплуатации берем 1,7. Рассчитываем: 200 х 45 х 1,7 = 15 300 ккал\час. Исходя из того, что 1 кВт = 860 ккал\час, в итоге имеем: 15 300\860 = 17,8 кВт.

Расчётная мощность систем отопления

Необходимость анализа современных тенденций формирования комфортного теплового режима помещений вызвана повышением требований по энергосбережению. Этот фактор особенно актуален с учётом появившейся тенденции принятия инженерных решений, основанных на зарубежных стереотипах, навязанных рекламой или лоббированных частными компаниями, но никак не проверенных отечественным практикой.

Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.

Представленный анализ методов создания и поддержания теплового режима помещений в холодный период года не является альтернативой общепринятым и апробированным практикой методикам расчёта, конструирования и эксплуатации систем отопления. Рассмотрены пути повышения энергоэффективности на стадиях проектирования и эксплуатации систем теплообеспечения зданий.

Физический смысл теплового баланса помещений в холодный период года заключается в поддержании расчётной температуры внутреннего воздуха системами отопления.

Тепловой баланс составляется для расчётных условий, при которых возникает наибольший дефицит теплоты ΔQ, показывающий количественную характеристику мощности системы отопления:

где Q_огр — потери теплоты через наружные ограждения; Q_ин — расход теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха; Q_т-б — технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты. Технологические или бытовые поступления (расходы) теплоты Q^ для промышленных зданий в формуле (1) логично определять для периодов технологических циклов с наименьшими тепловыделениями.

При отсутствии в квартирах жильцов (а в общественных зданиях — обслуживающего персонала) какие-либо дополнительные тепловыделения Q_т-б отсутствуют, а расчётные температурные параметры воздуха должны поддерживаться именно в этих условиях. Поэтому зависимость (1) для жилых и общественных зданий должна иметь вид:

В сельскохозяйственных зданиях животные, птицы и хранящееся сочное растительное сырье в процессе своей жизнедеятельности выделяют явную теплоту. Рациональный подбор теплофизических характеристик наружных ограждений таких помещений за счёт утилизации явной теплоты позволяет отказаться от искусственно генерируемой теплоты. Поэтому для них Q_от = 0.

Потери теплоты через наружные ограждения Q_огр при расчёте тепловой мощности систем отопления определяются как сумма потерь через все ограждения следующим образом:

причём расшифровка обозначений в (2) приведена в статье далее.

Не претендуя на полноту освещения всех вопросов по эффективному использованию теплоты, рассмотрим соответствие закономерностей её переноса некоторым современным рекомендациям.

Физический смысл теплового баланса помещений в холодный период года заключается в поддержании расчётной температуры внутреннего воздуха системами отопления. Тепловой баланс составляется для расчётных условий, при которых возникает наибольший дефицит теплоты

Расчётная площадь ограждающих конструкций А [м 2 ] вычисляется с соблюдением определённых условно принятых правил обмера, которые стабильны с первой половины ХХ века.

Значения коэффициента n, понижающего расчётную разность температуры, приведены в нормах. Термодинамическая основа коэффициента n показывает полноту использования энергетического потенциала теплоносителя системами отопления.

Следует внести в нормативы значения коэффициента n для многоквартирных домов, например: лифтовые холлы домов с наружными пожарными лестницами; для застеклённых лоджий и т.п.

Разность температуры внутреннего t_в и наружного t_н5 (холодной пятидневки) воздуха определяет максимальную величину переноса теплоты из помещения в атмосферу. Менее изученным является расчёт потерь или поступлений теплоты через внутренние ограждения смежных помещений. В литературе отсутствуют теплофизические или экономические объяснения снижению существующей ранее разности температуры (от 5 до 3 °C). Следствием этого является возникновение расчётных тупиковых ситуаций, например, нестационарный по функциональному назначению температурный режим ванных (t_в = 25 °C) и окружающих помещений (t_в = 20 °C).

Определение добавок к основным потерям теплоты помещений (ΣΒ, доли) относится до настоящего времени к наименее изученному вопросу:

Принятие существующих добавок на ориентацию по сторонам горизонта β_ст.г на все стороны, кроме юга и юго-запада, объясняется уменьшением количества получаемой лучистой энергии и более низкой температурой поверхностей вертикальных наружных ограждений. Реально наиболее холодный период суток приходится на ночные часы при отсутствии лучистого теплопритока.

Данные добавки считаются традиционными, однако они противоречат физическим закономерностям определения максимального дефицита теплоты в помещениях. Они не должны учитываться при расчётах мощности систем отопления, то есть Β_ст.г = 0.

При определении добавок на «врывание» наружного воздуха Β_н.д в момент открывания наружных дверей, не оборудованных воздушно-тепловыми завесами, следует учитывать два обстоятельства. Во-первых, в современных многоквартирных жилых и в общественных зданиях традиционные внутренние лестничные клетки или отсутствуют, или их ограждения непосредственно не контактируют с атмосферой. Для таких зданий Β_н.д = 0. Во-вторых, общепринятый термин «кратковременное открывание дверей» (частота открывания дверей) зависит в жилых зданиях от количества проживающих в подъезде, а в общественных — от количества посетителей. Этот факт следует конкретизировать непосредственно для количественного обоснования величины Β_н.д. Имеются предложения для общественных зданий принимать значение Β_н.д = 5-6 [2].

Отсутствие в нормативной и справочной литературе конкретных значений добавок на высоту помещений гражданских зданий Β_t вызывает необходимость проведения расчётов температуры воздуха по высоте помещений различного назначения, что снижает точность расчётов дефицита теплоты.

Сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций R_o[м 2 -°С/Вт] является основной теплотехнической характеристикой при расчёте элементов конструкций теплового контура зданий. Величина R_o глади непрозрачных конструкций должна быть не менее минимально допустимого по санитарным нормам требуемого сопротивления теплопередаче R_o тр , то есть R_o ≥ R_o тр . Данное условие — необходимое, но недостаточное из-за отсутствия экономических показателей теплозащитных характеристик ограждений, которые определяются значениями оптимального сопротивления теплопередаче R_o опт . Если R_o опт ≥ R_o тр , то выполняются и санитарные, и экономические требования.

Требуемое сопротивление теплопередаче R_o тр равно:

Значения R_o тр окон и балконных дверей, витрин и витражей, фонарей, а также наружных дверей и ворот подробно рассмотрены и обоснованы в нормативной и справочной литературе. Основной регламентирующей величиной в формуле (4) является разность температуры воздуха t_в и внутренней поверхности τ_в ограждения Δt н = (t_в — τ_в), которая для различных помещений с учётом санитарных требований и недопустимости конденсации влаги на поверхностях приведена в [3].

Экономически целесообразный предел снижения потерь теплоты за счёт дополнительного утепления наружных ограждений сводится к нахождению значений минимальных приведённых затрат, то есть к определению оптимального сопротивления теплопередаче R_o тр .

Профессором Л. Д. Богуславским решены задачи нахождения значений R_o тр наружных ограждений зданий любой сложности [4, 5]. Они чётко прослеживают динамику затрат во времени на системы отопления, отчисления на амортизацию и текущий ремонт, изменения стоимости тепловой энергии и другие факторы.

С некоторыми упрощениями в конечном виде оптимальное сопротивление теплопередаче равно:

где t_о.п и n_о.п — средняя температура [°C] и продолжительность [ч/год] отопительного периода; С_т — стоимость теплоты, руб/Вт-ч; T — нормативный срок окупаемости капитальных вложений, 1/год; λ_из — коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/(м-°С); С_из — стоимость тепловой изоляции, руб/м 3 . Таким образом, имеется разработанная, физически и экономически обоснованная, апробированная практикой и понятная для инвесторов методология оптимизации теплотехнических характеристик наружных ограждений зданий.

Поэтому странно и совершенно необоснованно звучит положение, высказанное в редакционной статье журнала АВОК об отсутствии каких-либо отечественных научных и практических разработок по созданию энергоэффективного теплового контура зданий [6]: «. было решение “сверху» о необходимости повышения теплозащиты зданий и экономии топливно-энергетических ресурсов, и обосновать требуемое директивное повышение экономическими расчётами не представляется возможным. необходимые показатели для экономических расчётов отсутствуют. И пора создать научно обоснованную методологию определения уровня теплозащиты здания на основе экономической целесообразности. «.

Градусо-сутки отопительного периода. В СНиП «Тепловая защита зданий» [3] представлена трактовка оптимизации коэффициента теплопередачи (сопротивления теплопередаче) теплового контура зданий. Там же во введении говорится о мерах «. по сокращению расхода тепловой и электрической энергии путём автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом.». Прежде чем перейти к анализу предлагаемого нового варианта оптимизации сопротивления теплопередаче ограждений, укажем на ошибочность или небрежность в употреблении понятий в приведённом утверждении. Расход тепловой энергии Q_от — первичная величина, которая задана в соответствии с расчётом для поддержания требуемого температурного режима в помещении. Любое управление или регулирование оборудования и инженерных систем в течение отопительного периода является только методом борьбы с перерасходом тепловой энергии в процессе неэффективной эксплуатации систем теплообеспечения зданий.

Рекомендовано [3] нахождение величины R_o тр практически для всех видов зданий и сооружений принимать по табличным данным в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) района строительства:

По своей физической сущности величина ГСОП является одной из интегральных характеристик тепловой производительности системы отопления здания за отопительный период. На рис. 1 видно соотношение фигур, когда количественно величина ГСОП (площадь прямоугольника g-h-i-k) равна площади фигуры a-b-c-d-e-f-a, показывающей динамику расхода теплоты за отопительный период.

Пытаясь показать значимость разработанного СНиП [3], его авторы во введении приводят странную по научному, техническому и инженерному содержанию фразу, ни в коей мере не соответствующую нормативному документу: «Нормы по тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран». Как понимать основное слово предложения «гармонизировать» в научной или инженерной деятельности? А какие станы считать «развитыми»: тёплую Италию, относительно холодные Скандинавию и США или Китай с Индией?

Температура холодной пятидневки t_н5, а не средняя температура отопительного периода t_о.п определяет суровость или мягкость холодного периода года. Поэтому полученные на основе t_о.п величины ГСОП не могут влиять на нормирование или конструктивное исполнение теплового контура зданий.

Значения требуемого сопротивления теплопередаче R_o тр приведённые в [3], линейно увеличиваются пропорционально ГСОП. Однако в тепловой баланс при определении мощности систем отопления входят затраты теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха. Поэтому пропорциональность теплозащитных характеристик ограждений и значений ГСОП не является обоснованной, как физически, так и математически. Потери теплоты через ограждения связаны с их сопротивлением теплопередаче гиперболической зависимостью и повышение величины R_о целесообразно лишь до определённого предела.

Например, увеличение R_о наружных стен в животноводческих зданиях (т.п. №801-99) в два раза (с 1,03 до 2,06 м 2 -°С/ Вт) приводит к сокращению общих потерь теплоты здания на 2,6 %. Дальнейшее увеличение с 2,06 до 3,09 — к сокращение потерь лишь на 0,9 %. Повышение теплозащиты покрытия с 1,36 до 2,72 м 2 -°С/Вт для того же коровника снижает общие потери теплоты здания на 6,7 %, а при дальнейшем увеличении с 2,72 до 4,08 — на 2,4 % [7].

Величина ГСОП не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура зданий. Отсутствует физическая и логическая взаимосвязь процессов переноса теплоты через ограждения с климатическими условиями местности при формировании расчётного дефицита теплоты в помещениях в холодный период года. Этот тезис подтверждает проведённый технико-экономический анализ.

Используя статистические данные [8], получен для 17-этажного четырёхподъездного многоквартирного дома сводный график стоимости тепловой энергии по максимальному тарифу С_т [тыс. руб/ Гкал] и требуемых значений R_o тр в порядке возрастания ГСОП для 72 регионов страны от Махачкалы до Якутска (рис. 2). Результаты показывают неприемлемость методики определения R_o тр по ГСОП, так как близкие по значениям ГСОП в различных климатических и географических регионах имеют принципиальное отличие в стоимости тепловой энергии.

Например, в Сыктывкаре величина С_т примерно в три раза ниже, чем в Красноярске (разница ГСОП ≈ 10 °С-сут/год), в Петропавловске-Камчатском в два раза выше, чем в Нижнем Новгороде (разница ГСОП ≈ 28 °С-сут/год).

Издержки за нерациональный выбор теплозащитных характеристик наружных ограждений в первую очередь ложатся на бюджеты собственников жилых помещений, доля платежей которых на коммунальные выплаты от средней зарплаты возросли в настоящее время по сравнению с 1985 годом с 2,7 % [9] до 10,9 % [10].

Определение расхода теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха является чрезвычайно сложной и до настоящего времени не имеющей чёткого методического и инженерного решения задачей. Наиболее полно неопределённость состояния вопроса расчёта тепловой инфильтрационной нагрузки систем отопления сформулирована профессорами В. Н. Богословским и А.Н. Сканави [11]: «При многообразии решений в условиях множества вариантов исходных данных можно всё же наметить определённые закономерности, которые позволяют обобщить полученные решения».

Они указывают на значительные допущения при расчётах и считают приемлемыми ошибки до 15 %.

Величина ГСОП не может являться основополагающей при нормировании теплотехнических показателей теплового контура зданий. Отсутствует физическая и логическая взаимосвязь процессов переноса теплоты через ограждения с климатическими условиями местности при формировании расчётного дефицита теплоты в помещениях в холодный период года

Расход теплоты системой отопления на нагревание инфильтрационного воздуха Qhh [Вт] составляет:

где ΣG_ин.i — сумма расходов инфильтрационного воздуха через отдельные ограждения помещения, кг/ч; с_в — массовая теплоёмкость воздуха ≈~ 1,0 кДж/ (кг-°С)]; 0,28 — переводной коэффициент [1005/3600 ≈ 0,28 Вт-ч/(кг-°С)].

Наиболее сложной при определении величиной в формуле (7) является расход поступающего в помещение наружного воздуха ΣG_ин.i.

Общий подход к определению поступающего в помещение (инфильтрация) и удаляемого из помещения (эксфильтрация) воздуха заключается в нахождении естественных аэродинамических перепадов давления Δр_ин.

Интенсивность инфильтрации рассчитывают [12] на действие только гравитационных сил, если Δр_v < 0,5Δρg, где Δр_v = (c_н — с_з)v_н 2 ρ_н/2 — полное ветровое давление [Па] при скорости ветра v_н, м/с; с_н и с_з — аэродинамические коэффициенты с наветренной и заветренной сторон здания; Н — вертикальное расстояние между центрами приточных и вытяжных отверстий, м; Δρ — разность плотностей воздуха снаружи и внутри помещения, кг/м 3 . Инфильтрация рассчитывается лишь только на действие ветра при условии Δр_v > 10HΔρg, на совместное действие гравитационно-ветрового давления — при 0,5HΔρg < Δp_v < 10HΔρg.

Рассмотрим наиболее простой случай определения интенсивности инфильтрации воздуха через наружные ограждения одноэтажного здания при совместном воздействии гравитационного и ветрового давлений. Движение воздуха через ограждения основано на физическом эффекте поровой инфильтрации. Тепловой эффект при поровой инфильтрации заключается в возврате трансмиссионных потерь теплоты (до 23,1 %) [7, 13], то есть ограждение превращается в регенеративный теплообменник. В то же время в наружных ограждениях возможен противоположный процесс — эксфильтрация внутреннего воздуха, сопровождающаяся потерями теплоты через ограждения. Это явление вызывает необходимость разработки условий включения всех наружных стен в режим устойчивой инфильтрации за счёт относительно предсказуемого гравитационного давления Δp_tI и случайного по величине давления Δp_v (рис. 3).

Наименьший перепад давлений для инфильтрации воздуха возникает в верхней плоскости I помещения, составляя Δp_tI = h(ρ_н — ρ_в)g при ветровом давлении с заветренной стороны Δp_v з = c_зv_н 2 ρ_н/2. Чтобы заветренная стена находилась в зоне устойчивой инфильтрации, необходимо суммарное избыточное давление в плоскости I выше нуля: Δp_tI + Δp_v 3 ) ≥ 0. На рис. 3 точка Б должна совпасть с точкой Д. Такое перемещение за счёт естественных источников возможно при увеличения гравитационного давления, то есть при установке шахты высотой h_ш: Δp_tII = (h + h_ш)(ρ_н — ρ_в)g. Давление, развиваемое шахтой, равно разрежению на заветренной стороне Δp_v 3 = h_ш(ρ_н — ρ_в)g. С наветренной стороны общее избыточное давление равно (плоскость II):

Воздушный баланс помещения в холодный период года при инфильтрации (приток через наружные стены с наветренной стороны G_прн площадью А_н и с заветренной стороны G_прз площадью А₃, вытяжка через шахту G_ш) имеет вид: (G_прн + G_прз + G_доп) = G_ш, где G_доп — инфильтрация воздуха через окна, двери и ворота, кг/ч.

Количество инфильтрующегося воздуха через наружную стену площадью А_ст [м 2 ] составляет:

где R_и — сопротивление воздухопроницанию конструкции, (м 2 -ч-Па)/кг.

После всех преобразований формулы (8) получаем в развёрнутом виде зависимости по определению количества наружного воздуха, поступающего в помещение при устойчивой инфильтрации через наветренную G_прн и заветренную G_пр3 стены:

Приведённые исследования показывают, что определение устойчивых характеристик расходов инфильтрующегося воздуха даже для простейшей случая является чрезвычайно сложной задачей.

Рассмотрим существующие методы расчёта количества инфильтрирующегося воздуха в помещения различного функционального назначения.

Жилые и общественные здания. Количество инфильтрационного воздуха в жилых зданиях рекомендуется принимать равным большей из двух величин.

При нормируемом удельном расходе воздуха g_уд = 3 м 3 /ч на 1 м 2 площади А_пом жилых помещений общий расход составляет величину:

По другой методике суммарный расход инфильтрационного воздуха зависит от вида и характера неплотностей в наружных ограждениях [11]:

где обозначения с индексом 1 относятся к окнам, балконным дверям и фонарям, с индексом 2 — к наружным дверям и воротам, с индексом 3 — к стыкам стеновых панелей; Δp — перепад давления на соответствующем ограждении.

Для наружных дверей и ворот животноводческих зданий рекомендуется принимать R_идв = 0,3 (м 2 -ч-Па)/кг [7].

Первая методика не связана с физическими явлениями тепломассопереноса и аэродинамики. Во второй методике введено столько допущений, что субъективизм при выборе исходных данных неизбежно приведёт к недопустимым для инженерных расчётов расхождениям в конечных результатах.

В настоящее время всё актуальнее становится вопрос уточнения методики расчёта расхода теплоты на подогрев инфильтрационного воздуха в помещениях с герметичными окнами и внутренними входными дверями. Такие жилые помещения возможно эксплуатировать только при наличии систем механической вентиляции с подогревом наружного приточного воздуха. Расход теплоты на подогрев наружного инфильтрационного воздуха при определении расчётной мощности систем отопления рассматриваемых жилых помещений должен отсутствовать. В противном случае этот расход теплоты учитывается дважды.

Данное важное обстоятельство по реальной экономии теплоты в помещениях с герметичными окнами и дверями не отражено и не регламентируется в существующей нормативной и технической литературе и требует дальнейшего конкретного изучения с получением практических рекомендаций.

Промышленные здания. Помещения промышленных зданий всегда оснащены системами создания и поддержания конкретных параметров микроклимата. Режимные карты эксплуатации отопительно-вентиляционного оборудования переменны в течение суток. Всё это создаёт дополнительные трудности в определении перепадов гравитационно-ветрового давления на наружных ограждениях и не позволяют использовать приведённые выше зависимости нахождения расходов инфильтрационного воздуха.

Отсутствуют методики аналитического расчёта расхода инфильтрационного воздуха для определения мощности систем отопления. При проектировании применяются полученные из практического опыта методы определения величины ΣG_ин [14]. Несмотря на относительную точность, они учитывают физические процессы явления в зависимости от объёмно-планировочных решений зданий.

Массовый расход воздуха, инфильтрующегося через щели притворов окон, фонарей дверей и ворот, равен:

где а_пр — коэффициент, зависящий от конструкции притворов; G_i — расход воздуха, поступающего через 1,0 м щели в зависимости от средней скорости ветра за три наиболее холодных месяца, кг/ч; l — длина щелей притворов, м.

Значения а_пр и G_i приведены в [14]. Инфильтрация через притворы открывающихся створок окон, дверей и ворот учитывается в зависимости от направления ветра для частей зданий, обведённых на рис. 4 жирными линиями.

Введение новых показателей по нормированию и расчёту теплофизических и конструктивных показателей теплового контура зданий возможно только после проведения многоплановых научных исследований и практического подтверждения следующих предлагаемых преимуществ: технических; теплофизических; а также экономических

Производственные сельскохозяйственные здания. В помещениях таких зданий температурный режим в холодный период года поддерживается за счёт физиологических или биологических явных тепловыделений животных, птиц и хранящегося сочного растительного сырья. Системы отопления в классическом виде с использованием искусственно генерируемой теплоты отсутствуют (Q_от = 0). По технологиям содержания птиц, хранения биологически активной продукции здания выполняются без окон, ворота снабжены тамбурами, то есть в них инфильтрация отсутствует. При наличии инфильтрации через окна в помещениях содержания крупного рогатого скота и свиней используется методика расчёта горизонтальной вентиляции за счёт ветрового давления через специальные щелевидные регулируемые по воздухопроницаемости проёмы в продольных стенах помещений. Методика расчёта инфильтрации сельскохозяйственных зданий приведена в [15].

Итак, повышение энергоэффективности систем теплообеспечения зданий

различного функционального назначения при решении вопросов поддержания допустимых параметров микроклимата помещений должно основываться на соблюдении основных физических явлений переноса теплоты и массы.

Введение новых показателей по нормированию и расчёту теплофизических и конструктивных показателей теплового контура зданий возможно только после проведения многоплановых научных исследований и практического подтверждения предлагаемых преимуществ: технических; теплофизических; а также экономических.

СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. — М.: Изд-во АСВ, 2002.
СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
Богуславский Л.Д. Технико-экономические расчёты при проектировании наружных ограждающих конструкций зданий. — М.: Стройиздат, 1977.
Богуславский Л.Д. Экономика теплогазоснабжения и вентиляции. — М.: Стройиздат, 1977.
Табунщиков Ю.А. В поисках истины // АВОК, №6/2014.
Валов В.М. Энергосберегающие животноводческие здания (физико-технические основы проектирования). — М.: Изд-во АСВ, 1997.
ФСТ РФ. Калькулятор коммунальных платежей для граждан РФ. Интернет-ресурс: fstrf.ru (22.02.2015).
Народное хозяйство СССР: Стат. ежегодник / Финансы и статистика. — М., 1986.
Россия 2014: Стат. справ. / Р76 Росстат. — М., 2014.
Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление. — М.: Стройиздат, 1991.
Каменев П.Н., Тертичник Е.И. Вентиляция. — М.: Изд-во АСВ, 2008.
Ушков Ф.В. Теплопередача ограждающих конструкций при фильтрации воздуха. — М.: Стройиздат, 1973.
Рысин С.А. Вентиляционные установки машиностроительных заводов: Справ. — М.: Машиностроение, 1964.
Бодров В.И., Махов Л.М., Троицкая Е.В. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха производственных зданий сельхозназначения. — М.: Изд-во АСВ, 2014.

Расчет расхода теплоносителя

При расчете расхода теплоносителя по тепловой нагрузке, необходимо учитывают теплопотери. Этот показатель необходим для точного подбора ёмкости бака, предназначенного для регулирования давления. Этот параметр имеет непосредственное отношение к проектной нагрузке системы обогрева частного строения. Грамотно выбранное оборудование, используемое при отоплении жилого дома, нормально будет справляться с основной задачей – созданием комфортного температурного режима в жилых и вспомогательных помещениях. Определение тепловых потерь тепловыми сетями является важной составляющей расчета расхода теплоносителя по тепловой нагрузке.

Упрощенно расчет расхода теплоносителя по тепловой нагрузке можно определить по формуле:

где, G – расход воды, м 3 /ч;

Q – тепловая нагрузка, Гкал/ч;

Т_под – температура на подающем трубопроводе, °С;

Т_обр – температура на обратном трубопроводе, °С.

Чтобы определить расход теплоносителя, используются разные формулы. Рассмотрим наиболее распространенные. Вы можете применить одну из них или несколько для самопроверки. Только вам надо будет перевести полученные значения в литры в минуту.

m = Q / (Cp × Δt)

m – расход теплоносителя, кг/с
Q – суммарная мощность системы отопления, кВт
Cp – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж (при подсчете для воды берем средний показатель 4,19 кДж), для теплоносителей с другим основным веществом будет свой показатель в зависимости от присадок в теплоносителе.
Δt – разница температур на входе и выходе котла (чаще всего это 5 °C)

Если вы хотите правильно подсчитать расход теплоносителя, формула поможет избежать ошибок. Просто подставьте в нее параметр тепловой мощности.

Например, мощность составляет 200 кВт. А остальные значения возьмем усредненные.

Расчет по формуле будет следующим

m = 200 / (4,19 × 5) = 9,54 кг/с

Есть также упрощенный расчет расхода теплоносителя по тепловой нагрузке. Им пользуются не столько инженеры, сколько хозяева домов, которые хотят выполнить работу самостоятельно.

Для этого нужно тепловую мощность разделить на 20 (усредненное значение для расчета при использовании воды в системе).

Вернемся к нашему примеру. Если мощность составляет 200 кВт, то мы разделим ее на 20.

Расчет будет следующим

200 / 20 = 10 кг/с

Если сравнить полученные значения по обеим формулам, можно увидеть небольшую погрешность в упрощенной формуле. Поэтому лучше округлить полученное значение в большую сторону.

Формула для определения расхода в кубометрах в час

Также часто встречается формула определения расхода в кубометрах в час. Она выглядит следующим образом.

G = 0,86 (Q / Δt).

Значения Q и Δt берем такие же, как в первой инженерной формуле.

Расчет будет следующим

G = 0,86 (200 / 5) = 34,4 куб.м/ч

Мощность системы отопления

Расчет тепловой мощности системы отопления — это первоочередные данные. Они необходимы для решения задач по теплоснабжению жилища.

Благодаря им можно определить минимальную потребность в тепловой энергии для конкретного объекта, а также выявить приблизительные затраты тепла для каждого отдельного помещения, находящегося в нем, рассчитать суточное и годовое потребление топлива.

Этот параметр нужен для определения расхода теплоносителя и подбора котла, который справится с обогревом помещения.

На 10 кв. м приходится 1 кВт.

Такой подсчет действует для капитальных построек с хорошей теплоизоляцией и высотой потолков не более 3 м.

Допустим, площадь объекта составляет 2000 кв. м.

Расчет будет следующим

2000 / 10 = 200 кВт

Согласно данным о мощности системы отопления можно вычислить объем теплоносителя потребляемого для корректной работы всего комплекса и коммуникаций по обогреву помещения. Перед заполнением системы отопления требуется определить точное количество теплоносителя, для того чтобы заранее купить или подготовить необходимый объем. Также нужно собрать информацию про паспортный объем всех отопительных приборов и трубопроводов.

Каждая система отопления требует технического обслуживания и ремонта систем теплоснабжения, данные мероприятия входят в перечень сервисных услуг предоставляемых компанией SVA.

Требования к идеальному теплоносителю

Идеальный жидкий теплоноситель систем отопления автономного типа должен отвечать следующим параметрам качества теплоносителей:

Обладать достаточной теплоемкостью, чтобы эффективно накапливать и передавать тепловую энергию на отопление.
Быть нейтральным по химическому составу, чтобы не провоцировать возникновение коррозионных очагов в элементах отопительного оборудования и не разъедать уплотняющие прокладки в местах соединений контура.
Поддерживать эксплуатационные процессы в широком диапазоне температур.
Не содержать соединений и веществ, оседающих в трубах и батареях, вызывающих зарастание их твердыми отложениями.
Быть стабильным по составу — не разлагаться и не расщепляться на различные химические составляющие под действием высокой температуры или от времени. Его плотность, вязкость, теплоемкость и химическая инертность должны оставаться постоянными.
Быть безопасным для обитателей отапливаемого с его помощью дома, то есть быть нетоксичным и негорючим.
Иметь доступную цену.

Естественно, что после продолжительной эксплуатации любой трубопровод может засоряться продуктами коррозии, накипи и требуется промывка инженерных систем.

Факторы, о которых многие забывают

Фактор о которых многие забывают при выборе теплоносителя, это срок эксплуатации. Который прописан в нормативной документации к конкретной партии продукта. И использование теплоносителя сверх нормы по гарантийному сроку, установленной в документе, это заведомо подвергать систему выходу из строя. Хороший теплоноситель при любой температуре должен оставаться собой, не распадаясь и не изменяя свойств.