Obliczanie systemu ogrzewania domu jednorodzinnego: zasady i przykłady obliczeń

Ogrzewanie domu jednorodzinnego – niezbędny element komfortowego mieszkania. Zgodzi się Pan, że do aranżacji systemu grzewczego należy podchodzić uważnie, ponieważ błędy będą kosztowne. Ale nigdy nie zajmował się Pan takimi obliczeniami i nie wie, jak je prawidłowo wykonać?

Pomożemy Panu – w naszym artykule szczegółowo omówimy, jak wykonuje się obliczenia systemu ogrzewania domu jednorodzinnego w celu efektywnego uzupełnienia strat ciepła w miesiącach zimowych.

Podamy konkretne przykłady, uzupełniając materiał artykułu obrazowymi zdjęciami i przydatnymi poradami wideo, a także aktualnymi tabelami z wskaźnikami i współczynnikami niezbędnymi do obliczeń.

Straty ciepła domu prywatnego

Budynek traci ciepło z powodu różnicy temperatur powietrza wewnątrz i na zewnątrz domu. Straty ciepła są tym wyższe, im większa jest powierzchnia przegród budowlanych (okien, dachu, ścian, fundamentów).

Również straty energii cieplnej są związane z materiałami przegród budowlanych i ich wymiarami. Na przykład straty ciepła przez cienkie ściany są większe niż przez grube.

Efektywne obliczenia ogrzewania dla domu jednorodzinnego muszą uwzględniać materiały użyte przy budowie przegród zewnętrznych.

Na przykład przy równej grubości ściany z drewna i cegły przewodzą ciepło z różną intensywnością – straty ciepła przez drewniane konstrukcje są wolniejsze. Niektóre materiały przepuszczają ciepło lepiej (metal, cegła, beton), inne gorzej (drewno, wełna mineralna, styropian).

Atmosfera wewnątrz budynku mieszkalnego jest pośrednio związana z zewnętrznym środowiskiem powietrznym. Ściany, otwory okienne i drzwiowe, dach i fundamenty zimą przekazują ciepło z domu na zewnątrz, dostarczając w zamian zimno. Stanowią one 70-90% całkowitych strat ciepła w domu.

Ściany, dach, okna i drzwi – wszystko przepuszcza ciepło zimą na zewnątrz. Kamera termowizyjna obrazowo pokaże wycieki ciepła.

Stały wyciek energii cieplnej w sezonie grzewczym występuje również przez wentylację i kanalizację.

Przy obliczaniu strat ciepła budynku IŻS dane te zwykle nie są uwzględniane. Jednak włączenie do ogólnych obliczeń cieplnych domu strat ciepła przez systemy kanalizacyjny i wentylacyjny – jest jednak właściwym rozwiązaniem.

Znacząco zmniejszyć wycieki ciepła, przechodzące przez konstrukcje budowlane, otwory drzwiowe/okienne, może odpowiednio zaprojektowany system izolacji cieplnej.

Wykonanie obliczeń autonomicznego obiegu grzewczego domu wiejskiego bez oceny strat ciepła jego przegród zewnętrznych jest niemożliwe. Dokładniej, nie uda się określić mocy kotła grzewczego, wystarczającej do ogrzania domu podczas najsroższych mrozów.

Analiza rzeczywistego zużycia energii cieplnej przez ściany pozwoli porównać koszty urządzeń kotłowych i paliwa z wydatkami na izolację cieplną przegród zewnętrznych.

Przecież im bardziej energooszczędny jest dom, tj. im mniej energii cieplnej traci w miesiącach zimowych, tym mniejsze są wydatki na zakup paliwa.

Do prawidłowego obliczenia systemu ogrzewania potrzebny będzie współczynnik przewodności cieplnej powszechnie stosowanych materiałów budowlanych.

Tabela wartości współczynnika przewodności cieplnej różnych materiałów budowlanych, najczęściej używanych przy budowie.

Obliczanie strat ciepła przez ściany

Na przykładzie umownego dwupiętrowego domu obliczymy straty ciepła przez jego konstrukcje ścienne.

Dane wyjściowe:

• kwadratowa obudowa ze ścianami elewacyjnymi o szerokości 12 m i wysokości 7 m;
• w ścianach znajduje się 16 otworów, powierzchnia każdego 2,5 m²;
• materiał ścian elewacyjnych – cegła pełna ceramiczna;
• grubość ściany – 2 cegły.

Następnie przeprowadzimy obliczenie grupy wskaźników, które składają się na całkowitą wartość strat ciepła przez ściany.

Wskaźnik oporu przenikania ciepła

Aby określić wskaźnik oporu przenikania ciepła dla ściany zewnętrznej, należy podzielić grubość materiału ściennego przez jego współczynnik przewodzenia ciepła.

Dla wielu materiałów konstrukcyjnych dane dotyczące współczynnika przewodzenia ciepła przedstawiono na obrazach powyżej i poniżej.

Do dokładnych obliczeń potrzebny będzie współczynnik przewodzenia ciepła wymienionych w tabeli materiałów termoizolacyjnych stosowanych w budownictwie

Nasza umowna ściana zbudowana jest z ceramicznej cegły pełnej, której współczynnik przewodzenia ciepła wynosi 0,56 W/m·^oC. Jej grubość z uwzględnieniem murowania na CPR – 0,51 m. Dzieląc grubość ściany przez współczynnik przewodzenia ciepła cegły, otrzymujemy opór przenikania ciepła ściany:

0,51 : 0,56 = 0,91 W/m^2×oC

Wynik dzielenia zaokrągla się do dwóch miejsc po przecinku, nie ma potrzeby stosowania dokładniejszych danych dotyczących oporu przenikania ciepła.

Powierzchnia ścian zewnętrznych

Ponieważ jako przykład wybrano budynek kwadratowy, jego powierzchnię ścian określa się mnożąc szerokość przez wysokość jednej ściany, a następnie przez liczbę ścian zewnętrznych:

12 · 7 · 4 = 336 m²

Znamy więc powierzchnię ścian zewnętrznych. Ale co z otworami okiennymi i drzwiowymi, które zajmują łącznie 40 m² (2,5·16=40 m²) ściany zewnętrznej – czy należy je uwzględniać?

Rzeczywiście, jak poprawnie obliczyć autonomiczne ogrzewanie w drewnianym domu bez uwzględnienia oporu przenikania ciepła konstrukcji okiennych i drzwiowych.

Współczynnik przewodzenia ciepła materiałów termoizolacyjnych stosowanych do izolacji ścian nośnych

Jeśli konieczne jest obliczenie strat ciepła budynku o dużej powierzchni lub domu ciepłego (energooszczędnego) – tak, uwzględnienie współczynników przenikania ciepła ram okiennych i drzwi wejściowych w obliczeniach będzie prawidłowe.

Jednak w przypadku niskich budynków IŻS wznoszonych z tradycyjnych materiałów, można pominąć otwory drzwiowe i okienne. To znaczy nie odejmować ich powierzchni od całkowitej powierzchni ścian zewnętrznych.

Całkowite straty ciepła ścian

Określamy straty ciepła ściany z jej jednego metra kwadratowego przy różnicy temperatury powietrza wewnątrz i na zewnątrz domu o jeden stopień.

W tym celu dzielimy jeden przez opór przenikania ciepła ściany obliczony wcześniej:

1 : 0,91 = 1,09 W/m²·^oC

Znając straty ciepła z metra kwadratowego obwodu ścian zewnętrznych, można określić straty ciepła przy określonych temperaturach zewnętrznych.

Na przykład, jeśli w pomieszczeniach domku temperatura wynosi +20 ^oC, a na zewnątrz -17 ^oC, różnica temperatur wyniesie 20+17=37 ^oC. W takiej sytuacji całkowite straty ciepła przez ściany naszego umownego domu będą:

0,91 · 336 · 37 = 11313 W,

Gdzie: 0,91 – opór cieplny metra kwadratowego ściany; 336 – powierzchnia ścian zewnętrznych; 37 – różnica temperatur między atmosferą wewnątrz i na zewnątrz.

Współczynnik przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych stosowanych do izolacji podłogi/ścian, do wykonania suchego jastrychu podłogowego i wyrównania ścian

Przeliczmy otrzymaną wartość strat ciepła na kilowatogodziny, są one wygodniejsze do odbioru i późniejszych obliczeń mocy systemu grzewczego.

Straty ciepła przez ściany w kilowatogodzinach

Na początku dowiedzmy się, ile energii cieplnej przejdzie przez ściany w ciągu jednej godziny przy różnicy temperatur wynoszącej 37 ^oC.

Przypominamy, że obliczenia są prowadzone dla domu o parametrach konstrukcyjnych, umownie wybranych do obliczeń demonstracyjno-pokazowych:

11313 · 1 : 1000 = 11,313 kW·h,

Gdzie: 11313 – wartość strat ciepła uzyskana wcześniej; 1 – godzina; 1000 – liczba watów w kilowacie.

Współczynnik przewodności cieplnej materiałów budowlanych stosowanych do izolacji ścian i stropów

Aby obliczyć straty ciepła na dobę, otrzymaną wartość strat ciepła na godzinę mnożymy przez 24 godziny:

11,313 · 24 = 271,512 kW·h

Dla przejrzystości dowiedzmy się, ile wynoszą straty energii cieplnej w całym sezonie grzewczym:

7 · 30 · 271,512 = 57017,52 kW·h,

Gdzie: 7 – liczba miesięcy w sezonie grzewczym; 30 – liczba dni w miesiącu; 271,512 – dobowe straty ciepła przez ściany.

Zatem obliczone straty ciepła domu o wybranych powyżej parametrach przegród budowlanych wyniosą 57017,52 kW·h przez siedem miesięcy sezonu grzewczego.

Uwzględnienie wpływu wentylacji domu jednorodzinnego

Obliczenie strat ciepła związanych z wentylacją w sezonie grzewczym przeprowadzimy jako przykład dla umownego domku o kwadratowym kształcie, ze ścianą o szerokości 12 metrów i wysokości 7 metrów.

Bez uwzględnienia mebli i wewnętrznych ścian, wewnętrzna objętość atmosfery w tym budynku wyniesie:

12 · 12 · 7 = 1008 m³

Przy temperaturze powietrza +20 ^oC (norma w sezonie grzewczym) jego gęstość wynosi 1,2047 kg/m³, a ciepło właściwe 1,005 kJ/(kg·^oC).

Obliczymy masę atmosfery w domu:

1008 · 1,2047 = 1214,34 kg,

Gdzie: 1008 – objętość atmosfery domowej; 1,2047 – gęstość powietrza przy t +20 ^oC.

Tabela z wartością współczynnika przewodzenia ciepła materiałów, które mogą być potrzebne przy dokonywaniu dokładnych obliczeń

Załóżmy pięciokrotną wymianę objętości powietrza w pomieszczeniach domu. Należy zaznaczyć, że dokładne zapotrzebowanie na objętość nawiewanego świeżego powietrza zależy od liczby mieszkańców domku.

Przy średniej różnicy temperatur między domem a ulicą w sezonie grzewczym wynoszącej 27 ^oC (20 ^oC w domu, -7 ^oC na zewnątrz) na dobę do ogrzania nawiewanego zimnego powietrza będzie potrzebna energia cieplna:

5 · 27 · 1214,34 · 1,005 = 164755,58 kJ,

Gdzie: 5 – liczba wymian powietrza w pomieszczeniach; 27 – różnica temperatur atmosfery wewnętrznej i zewnętrznej; 1214,34 – gęstość powietrza przy t +20 ^oC; 1,005 – ciepło właściwe powietrza.

Przeliczmy kilodżule na kilowatogodziny, dzieląc wartość przez liczbę kilodżuli w jednej kilowatogodzinie (3600):

164755,58 : 3600 = 45,76 kWh

Po ustaleniu kosztów energii cieplnej na ogrzewanie powietrza w domu przy pięciokrotnej jego wymianie przez wentylację nawiewną, można obliczyć „powietrzne” straty ciepła w siedmiomiesięcznym sezonie grzewczym:

7 · 30 · 45,76 = 9609,6 kWh,

Gdzie: 7 – liczba „ogrzewanych” miesięcy; 30 – średnia liczba dni w miesiącu; 45,76 – dobowe koszty energii cieplnej na ogrzewanie powietrza nawiewanego.

Wentylacyjne (infiltracyjne) koszty energii są nieuniknione, ponieważ odnawianie powietrza w pomieszczeniach domku jest niezbędne do życia.

Zapotrzebowanie na ogrzewanie wymienianej atmosfery powietrznej w domu należy obliczyć, zsumować ze stratami ciepła przez przegrody i uwzględnić przy wyborze kotła grzewczego. Istnieje jeszcze jeden rodzaj strat energii cieplnej, ostatni – straty ciepła w kanalizacji.

Nakłady energii na przygotowanie CWU

Jeśli w ciepłych miesiącach z kranu do domku płynie zimna woda, to w sezonie grzewczym jest lodowata, o temperaturze nie wyższej niż +5 ^oC. Kąpiel, mycie naczyń i pranie nie są możliwe bez podgrzewania wody.

Woda nabierana do spłuczki toaletowej kontaktuje się przez ścianki z atmosferą domową, zabierając nieco ciepła. Co dzieje się z wodą podgrzaną przez spalanie nie darmowego paliwa i zużytą na potrzeby domowe? Jest spuszczana do kanalizacji.

Kocioł dwufunkcyjny z bojlerem ogrzewania pośredniego, używany zarówno do podgrzewania czynnika grzewczego, jak i do dostarczania ciepłej wody w utworzonym dla niej obiegu

Rozważmy na przykładzie. Rodzina z trzech osób, przypuśćmy, zużywa 17 m³ wody miesięcznie. 1000 kg/m³ – gęstość wody, a 4,183 kJ/kg·^oC – jej ciepło właściwe.

Średnia temperatura podgrzewania wody przeznaczonej do celów domowych niech wynosi +40 ^°C. Odpowiednio, różnica średniej temperatury między wodą zimną dopływającą do domu (+5 ^°C) a wodą podgrzaną w bojlerze (+30 ^°C) wynosi 25 ^°C.

Do obliczenia strat ciepła z kanalizacji przyjmujemy:

17 · 1000 · 25 · 4,183 = 1777775 kJ,

Gdzie: 17 – miesięczny wolumen zużycia wody; 1000 – gęstość wody; 25 – różnica temperatur wody zimnej i podgrzanej; 4,183 – ciepło właściwe wody;

Do przeliczenia kilodżuli na bardziej zrozumiałe kilowatogodziny:

1777775 : 3600 = 493,82 kWh

Zatem w ciągu siedmiomiesięcznego okresu sezonu grzewczego do kanalizacji odprowadzana jest energia cieplna w ilości:

493,82 · 7 = 3456,74 kWh

Zużycie energii cieplnej na podgrzewanie wody do celów higienicznych jest niewielkie w porównaniu ze stratami ciepła przez ściany i wentylację. Ale to również nakłady energetyczne obciążające kocioł grzewczy lub bojler i powodujące zużycie paliwa.

Obliczanie mocy kotła grzewczego

Kocioł w systemie grzewczym służy do kompensacji strat ciepła budynku. A także, w przypadku systemu dwufunkcyjnego lub przy wyposażeniu kotła w bojler pośredniego ogrzewania, do podgrzewania wody na potrzeby higieniczne.

Obliczywszy dobowe straty ciepła i zużycie ciepłej wody „do kanalizacji”, można dokładnie określić wymaganą moc kotła dla domku o określonej powierzchni i charakterystyce konstrukcji otaczających.

Kocioł jednofunkcyjny wytwarza tylko podgrzewanie czynnika grzewczego dla systemu grzewczego

Do określenia mocy kotła grzewczego należy obliczyć wydatki energii cieplnej domu przez ściany elewacyjne oraz na ogrzewanie wymienianej atmosfery powietrza wewnętrznych pomieszczeń.

Wymagane są dane dotyczące strat ciepła w kilowatogodzinach na dobę – w przypadku przykładowego domu obliczonego jako przykład, to:

271,512 + 45,76 = 317,272 kWh,

Gdzie: 271,512 – dobowe straty ciepła przez ściany zewnętrzne; 45,76 – dobowe straty ciepła na ogrzewanie powietrza nawiewanego.

Odpowiednio, wymagana moc grzewcza kotła wyniesie:

317,272 : 24 (godziny) = 13,22 kW

Jednak taki kocioł będzie pod stałym wysokim obciążeniem, skracającym jego żywotność. I w szczególnie mroźne dni obliczeniowa moc kotła będzie niewystarczająca, ponieważ przy dużym różnicy temperatur między atmosferą pokojową a zewnętrzną gwałtownie wzrosną straty ciepła budynku.

Dlatego wybór kotła według średniego obliczenia nakładów energii cieplnej nie jest wskazany – może nie poradzić sobie z silnymi mrozami.

Racjonalne będzie zwiększenie wymaganej mocy urządzenia kotłowego o 20%:

13,22 · 0,2 + 13,22 = 15,86 kW

Aby obliczyć wymaganą moc drugiego obiegu kotła, który podgrzewa wodę do mycia naczyń, kąpieli itp., należy podzielić miesięczne zużycie ciepła strat «kanalizacyjnych» przez liczbę dni w miesiącu i przez 24 godziny:

493,82 : 30 : 24 = 0,68 kW

Według obliczeń optymalna moc kotła dla przykładowego domku wynosi 15,86 kW dla obiegu grzewczego i 0,68 kW dla obiegu podgrzewania wody.

Wybór grzejników do ogrzewania

Tradycyjnie moc grzejnika zaleca się dobierać według powierzchni ogrzewanego pomieszczenia, z 15-20% nadwyżką mocy na wszelki wypadek.

Na przykładzie rozważmy, na ile poprawna jest metoda doboru grzejnika «10 m² powierzchni – 1,2 kW».

Moc cieplna grzejników zależy od sposobu ich podłączenia, co należy uwzględnić przy przeprowadzaniu obliczeń systemu grzewczego.

Dane wyjściowe: pokój narożny na pierwszym poziomie dwupiętrowego domu jednorodzinnego; ściana zewnętrzna z dwurzędowego muru z cegły ceramicznej; szerokość pokoju 3 m, długość 4 m, wysokość sufitu 3 m.

Według uproszczonego schematu doboru proponuje się obliczyć powierzchnię pomieszczenia, obliczamy:

3 (szerokość) · 4 (długość) = 12 m²

Czyli wymagana moc grzejnika z 20% nadwyżką wynosi 14,4 kW. A teraz obliczymy parametry mocy grzejnika na podstawie strat ciepła w pomieszczeniu.

W rzeczywistości powierzchnia pomieszczenia wpływa na straty energii cieplnej mniej niż powierzchnia jego ścian, które jedną stroną wychodzą na zewnątrz budynku (elewacyjnych).

Dlatego liczyć będziemy właśnie powierzchnię ścian «zewnętrznych» znajdujących się w pomieszczeniu:

3 (szerokość) · 3 (wysokość) + 4 (długość) · 3 (wysokość) = 21 m²²

Znając powierzchnię ścian przekazujących ciepło «na zewnątrz», obliczymy straty ciepła przy różnicy temperatury w pomieszczeniu i na zewnątrz wynoszącej 30^° (w domu +18 ^°C, na zewnątrz -12 ^°C), od razu w kilowatogodzinach:

0,91 · 21 · 30 : 1000 = 0,57 kW,

Gdzie: 0,91 – opór cieplny m² ścian pomieszczenia wychodzących «na zewnątrz»; 21 – powierzchnia ścian «zewnętrznych»; 30 – różnica temperatur wewnątrz i na zewnątrz domu; 1000 – liczba watów w kilowacie.

Zgodnie z normami budowlanymi urządzenia grzewcze umieszcza się w miejscach największych strat ciepła. Na przykład grzejniki montuje się pod otworami okiennymi, termowentylatory – nad wejściem do domu. W pokojach narożnych grzejniki instaluje się na ścianach ślepych, narażonych na maksymalny wpływ wiatrów.

Okazuje się, że dla skompensowania strat ciepła przez ściany elewacyjne tej konstrukcji, przy 30^° różnicy temperatur w domu i na zewnątrz, wystarczy ogrzewanie o mocy 0,57 kWh. Zwiększmy wymaganą moc o 20, a nawet 30% – otrzymujemy 0,74 kWh.

Zatem rzeczywiste zapotrzebowanie na moc grzewczą może być znacznie niższe niż handlowy schemat «1,2 kW na metr kwadratowy powierzchni pomieszczenia».

Ponadto prawidłowe obliczenie wymaganej mocy grzejników pozwoli zmniejszyć objętość czynnika grzewczego w systemie grzewczym, co zmniejszy obciążenie kotła i koszty paliwa.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Gdzie ucieka ciepło z domu – odpowiedzi dostarcza poglądowy filmik:

W filmiku omówiono sposób obliczania strat ciepła domu przez przegrody budowlane. Znając straty ciepła, można dokładnie obliczyć moc systemu grzewczego:

Szczegółowy film o zasadach doboru charakterystyk mocy kotła grzewczego obejrzyj poniżej:

Produkcja ciepła z roku na rok drożeje – rosną ceny paliw. A ciepła ciągle brakuje. Nie można obojętnie podchodzić do kosztów energii w domku jednorodzinnym – jest to całkowicie nieopłacalne.

Z jednej strony każdy nowy sezon grzewczy kosztuje właściciela domu coraz więcej. Z drugiej strony ocieplenie ścian, fundamentów i dachu domu na wsi kosztuje sporo pieniędzy. Jednak im mniej ciepła ucieknie z budynku, tym taniej będzie go ogrzewać.

Zachowanie ciepła w pomieszczeniach domu to podstawowe zadanie systemu grzewczego w miesiącach zimowych. Wybór mocy kotła grzewczego zależy od stanu domu i jakości ocieplenia jego przegród. Zasada „kilowat na 10 metrów kwadratowych powierzchni” działa w domku o przeciętnym stanie elewacji, dachu i fundamentów.

Czy obliczał Pan / obliczała Pani samodzielnie system grzewczy swojego domu? Albo czy zauważył Pan / zauważyła Pani niezgodność obliczeń przedstawionych w artykule? Proszę podzielić się swoim praktycznym doświadczeniem lub wiedzą teoretyczną, zostawiając komentarz w bloku pod tym artykułem.