Ile energii elektrycznej zużywa kocioł elektryczny: jak przeprowadzić obliczenia przed zakupem

Wykorzystanie energii elektrycznej jako źródła energii do ogrzewania domu wiejskiego jest atrakcyjne z wielu powodów: łatwa dostępność, powszechność, ekologiczność. Jednocześnie największą przeszkodą w używaniu kotłów elektrycznych pozostają dość wysokie taryfy.

Czy zastanawiali się Państwo nad celowością instalacji kotła elektrycznego? Przeanalizujmy razem, ile energii elektrycznej zużywa kocioł elektryczny. W tym celu wykorzystamy zasady obliczeń i wzory omówione w naszym artykule.

Obliczenia pomogą szczegółowo zrozumieć, ile kWh energii elektrycznej trzeba będzie płacić miesięcznie w przypadku używania kotła elektrycznego do ogrzewania domu lub mieszkania. Uzyskane liczby pozwolą podjąć ostateczną decyzję co do zakupu lub rezygnacji z zakupu kotła.

Sposoby obliczania mocy kotła elektrycznego

Można wyróżnić dwie główne metody obliczania wymaganej mocy kotła elektrycznego. Pierwsza opiera się na ogrzewanej powierzchni, druga na obliczaniu strat ciepła przez przegrody budowlane.

Obliczenia według pierwszego wariantu są bardzo przybliżone, opierają się na jednym wskaźniku – mocy jednostkowej. Moc jednostkowa podana jest w podręcznikach i zależy od regionu.

Obliczenia według drugiego wariantu są bardziej złożone, ale uwzględniają wiele indywidualnych wskaźników konkretnego budynku. Pełne obliczenia cieplne budynku – zadanie dość skomplikowane i żmudne. Poniżej zostanie przedstawione uproszczone obliczenie, które mimo to posiada wymaganą dokładność.

Niezależnie od metody obliczeń, ilość i jakość zebranych danych wyjściowych bezpośrednio wpływają na prawidłową ocenę wymaganej mocy kotła elektrycznego.

Przy zbyt małej mocy urządzenie będzie stale pracować z maksymalnym obciążeniem, nie zapewniając wymaganego komfortu mieszkania. Przy zbyt dużej mocy – nieuzasadnione duże zużycie energii elektrycznej i wysoki koszt urządzeń grzewczych.

W przeciwieństwie do innych rodzajów paliwa, energia elektryczna – to ekologicznie bezpieczna, dość czysta i prosta opcja, ale uzależniona od niezawodnie działającej sieci elektrycznej w regionie.

Kolejność obliczania mocy kotła elektrycznego

Następnie szczegółowo omówimy, jak obliczyć wymaganą moc kotła, aby sprzęt w pełni realizował swoje zadanie ogrzewania domu.

Etap #1 – zbieranie danych wyjściowych do obliczeń

Do przeprowadzenia obliczeń potrzebne będą następujące informacje o budynku:

• S – powierzchnia ogrzewanego pomieszczenia.
• W_jed – moc jednostkowa.

Wskaźnik mocy jednostkowej pokazuje, ile energii cieplnej potrzeba na 1 m² w ciągu 1 godziny.

Zależy od lokalnych warunków naturalnych, można przyjąć następujące wartości:

• dla centralnej części Rosji: 120 – 150 W/m²;
• dla regionów południowych: 70-90 W/m²;
• dla regionów północnych: 150-200 W/m².

W_jed – wielkość teoretyczna, stosowana głównie do bardzo przybliżonych obliczeń, ponieważ nie odzwierciedla rzeczywistych strat ciepła budynku. Nie uwzględnia powierzchni przeszkleń, liczby drzwi, materiału ścian zewnętrznych, wysokości sufitów.

Dokładne obliczenia cieplne wykonuje się za pomocą specjalistycznych programów, uwzględniając wiele czynników. Do naszych celów takie obliczenia nie są potrzebne, można spokojnie ograniczyć się do obliczenia strat ciepła przez zewnętrzne przegrody budowlane.

Wielkości, które należy uwzględnić w obliczeniach:

R – opór cieplny lub współczynnik oporu cieplnego. Jest to stosunek różnicy temperatur na krawędziach przegrody do strumienia ciepła przechodzącego przez tę przegrodę. Ma wymiar m²×⁰C/W.

W rzeczywistości to proste – R wyraża zdolność materiału do zatrzymywania ciepła.

Q – wielkość pokazująca ilość strumienia ciepła przechodzącego przez 1 m² powierzchni przy różnicy temperatury 1⁰C w ciągu 1 godziny. Oznacza to, ile energii cieplnej traci 1 m² przegrody budowlanej na godzinę przy różnicy temperatury 1 stopnia. Ma wymiar W/m²×h.

Dla podanych tutaj obliczeń nie ma różnicy między kelwinami a stopniami Celsjusza, ponieważ ważna jest nie temperatura bezwzględna, a jedynie różnica.

Q_całk – ilość strumienia ciepła przechodzącego przez powierzchnię S przegrody budowlanej w ciągu godziny. Ma wymiar W/h.

P – moc kotła grzewczego. Oblicza się ją jako wymaganą maksymalną wartość mocy urządzenia grzewczego przy maksymalnej różnicy temperatur powietrza zewnętrznego i wewnętrznego. Innymi słowy, jest to wystarczająca moc kotła do ogrzewania budynku w najzimniejszym sezonie. Ma wymiar W/h.

SP – sprawność kotła grzewczego, wielkość bezwymiarowa pokazująca stosunek uzyskanej energii do energii zużytej. W dokumentacji urządzenia zwykle podawana jest w procentach, np. 99%. W obliczeniach stosuje się wartość od 1, tj. 0,99.

∆T – pokazuje różnicę temperatur po obu stronach przegrody budowlanej. Aby wyjaśnić, jak prawidłowo obliczyć różnicę, spójrz na przykład. Jeśli na zewnątrz: -30 °C, a wewnątrz +22 °C, to ∆T = 22 – (-30) = 52 °C

Lub to samo, ale w kelwinach: ∆T = 293 – 243 = 52 K

Oznacza to, że różnica zawsze będzie taka sama dla stopni i kelwinów, dlatego do obliczeń dane referencyjne w kelwinach można stosować bez poprawek.

d – grubość przegrody budowlanej w metrach.

k – współczynnik przewodzenia ciepła materiału przegrody budowlanej, który pobiera się z podręczników lub SNiP II-3-79 «Budowlana technika cieplna» (SNiP – budowlane normy i przepisy). Ma wymiar W/(m·K) lub W/(m·°C).

Poniższa lista wzorów pokazuje zależności między wielkościami:

• R = d / k
• R= ∆T / Q
• Q = ∆T / R
• Q_całk = Q × S
• P = Q_całk / SP

Dla konstrukcji wielowarstwowych opór cieplny R oblicza się dla każdej warstwy osobno, a następnie sumuje.

Czasami obliczenia konstrukcji wielowarstwowych mogą być zbyt uciążliwe, na przykład przy obliczaniu strat ciepła pakietu szybowego okna.

Co należy uwzględnić przy obliczaniu oporu cieplnego dla okien:

• grubość szyby;
• liczba szyb i odstępów powietrznych między nimi;
• rodzaj gazu między szybami: gaz obojętny lub powietrze;
• obecność powłoki termoizolacyjnej na szybie okiennej.

Można jednak znaleźć gotowe wartości dla całej konstrukcji u producenta lub w podręczniku; na końcu tego artykułu znajduje się tabela dla pakietów szybowych o powszechnej konstrukcji.

Etap #2 – obliczanie strat ciepła podłogi piwnicy

Osobno należy zająć się obliczaniem strat ciepła przez podłogę budynku, ponieważ grunt stawia znaczny opór cieplny.

Przy obliczaniu strat ciepła piwnicy należy uwzględnić zagłębienie w gruncie. Jeśli dom stoi na poziomie gruntu, przyjmuje się zagłębienie równe 0.

Według powszechnie przyjętej metodyki powierzchnia podłogi dzieli się na 4 strefy.

• Strefa 1 – oddalona o 2 m od ściany zewnętrznej w kierunku środka podłogi wzdłuż obwodu. W przypadku zagłębienia budynku, oddala się od poziomu gruntu do poziomu podłogi wzdłuż ściany pionowej. Jeśli ściana jest zagłębiona w gruncie na 2 m, to strefa 1 będzie w całości na ścianie.
• Strefa 2 – oddalona o 2 m wzdłuż obwodu w kierunku środka od granicy strefy 1.
• Strefa 3 – odstępuje się 2 m po obwodzie w kierunku środka od granicy strefy 2.
• Strefa 4 – pozostała podłoga.

Dla każdej strefy z przyjętej praktyki ustalono własne R:

• R1 = 2,1 m²×°C/W;
• R2 = 4,3 m²×°C/W;
• R3 = 8,6 m²×°C/W;
• R4 = 14,2 m²×°C/W.

Podane wartości R są prawidłowe dla podłóg bez pokrycia. W przypadku ocieplenia, każde R zwiększa się o R izolacji.

Dodatkowo dla podłóg ułożonych na legarach R mnoży się przez współczynnik 1,18.

Strefa 1 ma szerokość 2 metrów. Jeśli dom jest zagłębiony, to należy wziąć wysokość ścian w gruncie, odjąć od 2 metrów, a pozostałość przenieść na podłogę.

Etap #3 – obliczanie strat ciepła sufitu

Teraz można przystąpić do obliczeń.

Wzór, który może służyć do przybliżonego oszacowania mocy kotła elektrycznego:

W=W_jedn. × S

Zadanie: obliczyć wymaganą moc kotła w m. Moskwa, ogrzewana powierzchnia 150 m².

Przy wykonywaniu obliczeń uwzględniamy, że Moskwa należy do centralnego regionu, tj. W_jedn. można przyjąć równe 130 W/m².

W_jedn. = 130 × 150 = 19500 W/h lub 19,5 kW/h

Ta liczba jest tak niedokładna, że nie wymaga uwzględnienia sprawności urządzenia grzewczego.

Teraz określimy straty ciepła przez 15 m² powierzchni sufitu ocieplonego wełną mineralną. Grubość warstwy izolacji cieplnej 150 mm, temperatura powietrza zewnętrznego -30 °C, wewnątrz budynku +22 °C przez 3 godziny.

Rozwiązanie: z tabeli znajdujemy współczynnik przewodzenia ciepła wełny mineralnej, k=0,036 W/m×°C. Grubość d należy przyjmować w metrach.

Kolejność obliczeń:

• R = 0,15 / 0,036 = 4,167 m²×°C/W
• ∆T = 22 – (-30) = 52°C
• Q = 52 / 4,167 = 12,48 W/m²×h
• Q_ogółem = 12,48 × 15 = 187 W/h.

Obliczyliśmy, że straty ciepła przez sufit w naszym przykładzie wyniosą 187 * 3 = 561 W.

Dla naszych celów można uprościć obliczenia, uwzględniając straty ciepła tylko przez konstrukcje zewnętrzne: ściany i sufity, pomijając wewnętrzne przegrody i drzwi.

Ponadto można pominąć obliczanie strat ciepła na wentylację i kanalizację. Nie uwzględniamy infiltracji i obciążenia wiatrem. Nie uwzględnia się zależności położenia budynku względem stron świata oraz ilości otrzymywanej energii słonecznej.

Z ogólnych rozważań można wyciągnąć jeden wniosek. Im większa objętość budynku, tym mniejsze straty ciepła przypadają na 1 m². Łatwo to wytłumaczyć, ponieważ powierzchnia ścian rośnie kwadratowo, a objętość w sześcianie. Kula ma najmniejsze straty ciepła.

W konstrukcjach osłonowych uwzględnia się tylko zamknięte warstwy powietrzne. Jeśli w Państwa domu jest wentylowana elewacja, taka warstwa powietrzna jest uznawana za niezamkniętą i nie jest uwzględniana w obliczeniach. Nie są brane pod uwagę wszystkie warstwy znajdujące się przed niezamkniętą warstwą powietrzną: płytki elewacyjne lub kasety.

Zamknięte warstwy powietrzne, na przykład w pakietach szybowych, są uwzględniane.

Wszystkie ściany domu są zewnętrzne. Poddasze nie jest ogrzewane, opór cieplny materiałów dachowych nie jest uwzględniany.

Etap #4 – obliczanie całkowitych strat ciepła domu jednorodzinnego

Po części teoretycznej można przejść do praktycznej.

Dla przykładu obliczymy dom:

• wymiary ścian zewnętrznych: 9×10 m;
• wysokość: 3 m;
• okno z pakietem szybowym 1,5×1,5 m: 4 szt.;
• drzwi dębowe 2,1×0,9 m, grubość 50 mm;
• podłogi sosnowe 28 mm, na ekstrudowanym styropianie o grubości 30 mm, ułożone na legarach;
• sufit z płyt gipsowo-kartonowych 9 mm, na wełnie mineralnej o grubości 150 mm;
• materiał ścian: mur z 2 cegieł wapienno-piaskowych, ocieplenie wełną mineralną 50 mm;
• najzimniejszy okres – -30 °C, obliczeniowa temperatura wewnątrz budynku 20 °C.

Wykonujemy wstępne obliczenia wymaganych powierzchni. Przy obliczaniu stref na podłodze przyjmujemy zerowe zagłębienie ścian. Deska podłogowa ułożona na legarach.

• okna – 9 m²;
• drzwi – 1,9 m²;
• ściany, pomniejszone o okna i drzwi – 103,1 m²;
• sufit – 90 m²;
• powierzchnie stref podłogi: S1 = 60 m², S2 = 18 m², S3 = 10 m², S4 = 2 m²;
• ΔT = 50 °C.

Następnie z podręczników lub tabel zamieszczonych na końcu tego rozdziału wybieramy wymagane wartości współczynnika przewodności cieplnej dla każdego materiału. Zalecamy zapoznanie się bardziej szczegółowo z współczynnikiem przewodności cieplnej i jego wartościami dla najpopularniejszych materiałów budowlanych.

Dla desek sosnowych współczynnik przewodności cieplnej należy przyjmować wzdłuż włókien.

Całe obliczenie jest dość proste:

Krok nr 1: Obliczenie strat ciepła przez nośne konstrukcje ścienne obejmuje trzy czynności.

Obliczamy współczynnik strat ciepła ścian z cegły: R_ceg = d / k = 0,51 / 0,7 = 0,73 m²×°C/W.

To samo dla izolacji ścian: R_iz = d / k = 0,05 / 0,043 = 1,16 m²×°C/W.

Straty ciepła 1 m² ścian zewnętrznych: Q = ΔT/(R_ceg + R_iz) = 50 / (0,73 + 1,16) = 26,46 m²×°C/W.

W rezultacie całkowite straty ciepła ścian wyniosą: Q_ścian = Q×S = 26,46 × 103,1 = 2728 W/h.

Krok nr 2: Obliczenia strat energii cieplnej przez okna: Q_okien = 9 × 50 / 0,32 = 1406 W/h.

Krok nr 3: Obliczenie wycieków energii cieplnej przez dębowe drzwi: Q_drzwi = 1,9 × 50 / 0,23 = 413 W/h.

Krok nr 4: Straty ciepła przez górną przegrodę – sufit: Q_sufitu = 90 × 50 / (0,06 + 4,17) = 1064 W/h.

Krok nr 5: Obliczamy R_iz dla podłogi również w kilku krokach.

Najpierw znajdujemy współczynnik strat ciepła izolacji: R_iz= 0,16 + 0,83 = 0,99 m²×°C/W.

Następnie dodajemy R_iz do każdej strefy:

• R1 = 3,09 m²×°C/W; R2 = 5,29 m²×°C/W;
• R3 = 9,59 m²×°C/W; R4 = 15,19 m²×°C/W.

Krok nr 6: Ponieważ podłoga jest ułożona na legarach, mnożymy przez współczynnik 1,18:

R1 = 3,64 m²×°C/W; R2 = 6,24 m²×°C/W;

R3 = 11,32 m²×°C/W; R4 = 17,92 m²×°C/W.

Krok nr 7: Obliczymy Q dla każdej strefy:

Q1 = 60 × 50 / 3,64 = 824 W/h;

Q2 = 18 × 50 / 6,24 = 144 W/h;

Q3 = 10 × 50 / 11,32 = 44 W/h;

Q4 = 2 × 50 / 17,92 = 6 W/h.

Krok nr 8: Teraz możemy obliczyć Q dla całej podłogi: Q_podł = 824 + 144 + 44 + 6 = 1018 W/h.

Krok nr 9: W wyniku przeprowadzonych przez nas obliczeń można określić sumę całkowitych strat ciepła:

Q_całk = 2728 + 1406 + 413 + 1064 + 1018 = 6629 W/h.

Do obliczeń nie uwzględniono strat ciepła związanych z kanalizacją i wentylacją. Aby nie komplikować nadmiernie, po prostu dodamy 5% na wymienione wycieki.

Oczywiście potrzebny jest zapas, minimum 10%.

Zatem ostateczna liczba strat ciepła podanego jako przykład domu wyniesie:

Q_całk = 6629 × 1,15 = 7623 W/h.

Q_całk pokazuje maksymalne straty ciepła domu przy różnicy temperatury powietrza zewnętrznego i wewnętrznego 50 °C.

Jeśli policzyć według pierwszego uproszczonego wariantu przez W_jed to:

W_jedn. = 130 × 90 = 11700 W/h.

Jasne jest, że drugi wariant obliczeń, choć znacznie bardziej złożony, daje bardziej realną liczbę dla budynków z izolacją. Pierwszy wariant pozwala uzyskać uogólnioną wartość strat ciepła dla budynków o niskim stopniu izolacji termicznej lub całkowicie bez izolacji.

W pierwszym przypadku kocioł będzie musiał co godzinę w pełni odnawiać straty energii cieplnej występujące przez otwory, stropy, ściany bez izolacji.

W drugim przypadku ogrzewanie do osiągnięcia komfortowej wartości temperatury trzeba przeprowadzić tylko raz. Następnie kocioł będzie musiał tylko uzupełniać straty ciepła, których wielkość jest znacznie niższa niż w pierwszym wariancie.

Tabela 1. Przewodność cieplna różnych materiałów budowlanych.

W tabeli podano współczynniki przewodności cieplnej dla powszechnie stosowanych materiałów budowlanych.

Tabela 2. Grubość spoiny cementowej przy różnych typach muru.

Przy obliczaniu grubości muru uwzględnia się grubość spoiny 10 mm. Ze względu na spoiny cementowe przewodność cieplna muru jest nieco wyższa niż pojedynczej cegły.

Tabela 3. Przewodność cieplna różnych typów płyt z wełny mineralnej.

W tabeli podano wartości współczynnika przewodzenia ciepła dla różnych płyt z wełny mineralnej. Do izolacji elewacji stosuje się płytę sztywną.

Tabela 4. Straty cieplne okien o różnej konstrukcji.

Oznaczenia w tabeli: Ar – wypełnienie pakietów szybowych gazem obojętnym, K – szyba zewnętrzna z powłoką termoizolacyjną, grubość szyby 4 mm, pozostałe liczby oznaczają odstęp między szybami.

7,6 kW/h – to obliczona konieczna maksymalna moc, która jest zużywana na ogrzewanie dobrze izolowanego budynku. Jednak elektryczne kotły grzewcze potrzebują również pewnego zasilania do własnej pracy.

Jak zauważyli Państwo, słabo izolowany dom lub mieszkanie będzie wymagać większych nakładów energii elektrycznej na ogrzewanie. Co więcej, dotyczy to każdego rodzaju kotła. Prawidłowa izolacja podłogi, sufitu i ścian pozwala znacznie obniżyć koszty.

Na naszej stronie znajdują się artykuły dotyczące metod izolacji i zasad wyboru materiału termoizolacyjnego. Zachęcamy Państwa do zapoznania się z nimi:

• Ocieplenie domu jednorodzinnego z zewnątrz: popularne technologie + przegląd materiałów
• Ocieplenie podłogi na legarach: materiały do izolacji termicznej + schematy ocieplania
• Izolacja dachu mansardowego: szczegółowa instrukcja dotycząca wykonania izolacji termicznej na poddaszu domu niskiego
• Rodzaje izolacji ścian domu od wewnątrz: materiały do ocieplenia i ich charakterystyki
• Izolacja termiczna sufitu w domu prywatnym: rodzaje stosowanych materiałów + jak prawidłowo wybrać
• Ocieplanie balkonu własnymi rękami: popularne opcje i technologie ocieplania balkonu od wewnątrz

Etap #5 – obliczanie kosztów energii elektrycznej

Jeśli uprościć techniczną istotę kotła grzewczego, można go nazwać zwykłym przetwornikiem energii elektrycznej w jej cieplny odpowiednik. Wykonując pracę przemiany, również zużywa pewną ilość energii. Tzn. kocioł otrzymuje pełną jednostkę energii elektrycznej, a na ogrzewanie dostaje się tylko 0,98 jej części.

Aby uzyskać dokładną liczbę zużycia energii elektrycznej przez badany elektryczny kocioł grzewczy, należy jego moc (nominalną w pierwszym przypadku i obliczeniową w drugim) podzielić przez deklarowaną przez producenta wartość sprawności.

Średnio sprawność takiego urządzenia wynosi 98%. W rezultacie wielkość zużycia energii wyniesie, na przykład dla wariantu obliczeniowego:

7,6 / 0,98 = 7,8 kW/h.

Pozostaje pomnożyć wartość przez lokalną taryfę. Następnie obliczyć całkowitą kwotę kosztów ogrzewania elektrycznego i zająć się poszukiwaniem sposobów ich zmniejszenia.

Na przykład zakup licznika dwutaryfowego, pozwalającego częściowo dokonywać płatności według niższych taryf “nocnych”. W tym celu konieczna będzie wymiana starego licznika elektrycznego na nowy model. Procedura i zasady wykonania wymiany zostały szczegółowo omówione tutaj.

Innym sposobem na zmniejszenie kosztów po wymianie licznika – włączenie do obiegu grzewczego akumulatora ciepła, aby gromadzić tanią energię w nocy, a zużywać ją w ciągu dnia.

Etap #6 – szacowanie sezonowych kosztów ogrzewania

Teraz, gdy opanowali Państwo metodę obliczania przyszłych strat ciepła, z łatwością będą Państwo mogli oszacować koszty ogrzewania w ciągu całego okresu grzewczego.

Według SNiP 23-01-99 «Klimatologia budowlana» w kolumnach 13 i 14 znajdujemy dla Moskwy czas trwania okresu ze średnią temperaturą poniżej 10 °C.

Dla Moskwy taki okres trwa 231 dni i ma średnią temperaturę -2,2 °C. Aby obliczyć Q_ogół dla ΔT=22,2 °C, nie trzeba przeprowadzać całego obliczenia od nowa.

Wystarczy wyprowadzić Q_ogół na 1 °C:

Q_całk = 7623 / 50 = 152,46 W/h

Odpowiednio dla ΔT= 22,2 °C:

Q_całk = 152,46 × 22,2 = 3385 W/h

Aby znaleźć zużytą energię elektryczną, pomnożymy przez okres grzewczy:

Q = 3385 × 231 × 24 × 1,05 = 18766440 W = 18766 kW

Przedstawione obliczenia są interesujące również dlatego, że pozwalają przeanalizować całą konstrukcję domu pod kątem efektywności zastosowanej izolacji.

Omówiliśmy uproszczoną wersję obliczeń. Zalecamy również zapoznanie się z pełnym obliczeniem cieplnym budynku.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Jak uniknąć strat ciepła przez fundament:

Jak obliczyć straty ciepła online:

Zastosowanie kotłów elektrycznych jako podstawowego urządzenia grzewczego jest bardzo ograniczone przez możliwości sieci elektrycznych oraz koszt energii elektrycznej.

Jednak jako dodatkowe, na przykład do kotła na paliwo stałe, mogą być bardzo skuteczne i użyteczne. Są w stanie znacznie skrócić czas nagrzewania systemu grzewczego lub być używane jako kocioł główny przy niezbyt niskich temperaturach.

Czy używa Pan/Pani elektrycznego kotła do ogrzewania? Proszę opowiedzieć, jaką metodą obliczał Pan/Pani wymaganą moc dla swojego domu. A może Pan/Pani dopiero zamierza kupić kocioł elektryczny i ma pytania? Proszę je zadawać w komentarzach do artykułu – postaramy się pomóc.