Obliczenia cieplne systemu ogrzewania: jak prawidłowo wykonać obliczenia obciążenia systemu

Projektowanie i obliczenia cieplne systemu ogrzewania – obowiązkowy etap przy urządzaniu ogrzewania domu. Głównym zadaniem działań obliczeniowych – określenie optymalnych parametrów kotła i systemu grzejników.

Może się Panu/Pani wydawać, że na pierwszy rzut oka przeprowadzenie obliczeń cieplnych jest zadaniem tylko dla inżyniera. Jednak nie jest to takie trudne. Znając algorytm działań, można samodzielnie wykonać niezbędne obliczenia.

W artykule szczegółowo przedstawiono kolejność obliczeń oraz podano wszystkie potrzebne wzory. Dla lepszego zrozumienia przygotowaliśmy przykład obliczeń cieplnych dla domu jednorodzinnego.

Obliczenia cieplne ogrzewania: ogólna procedura

Klasyczne obliczenia cieplne systemu grzewczego stanowią zbiorczy dokument techniczny, który obejmuje obowiązkowe etapowe standardowe metody obliczeń.

Jednak przed zapoznaniem się z tymi obliczeniami podstawowych parametrów należy określić pojęcie samego systemu ogrzewania.

System ogrzewania charakteryzuje się wymuszonym dostarczaniem i naturalnym odprowadzaniem ciepła w pomieszczeniu.

Główne zadania obliczeń i projektowania systemu ogrzewania:

• najbardziej wiarygodnie określić straty ciepła;
• określić ilość i warunki użytkowania czynnika grzewczego;
• jak najdokładniej dobrać elementy wytwarzania, przemieszczania i oddawania ciepła.

Przy budowie systemu ogrzewania należy w pierwszej kolejności zebrać różnorodne dane o pomieszczeniu/budynku, w którym system ogrzewania będzie używany. Następnie wykonać obliczenia parametrów cieplnych systemu, przeanalizować wyniki operacji arytmetycznych.

Na podstawie uzyskanych danych dobiera się komponenty systemu ogrzewania, a następnie dokonuje zakupu, instalacji i uruchomienia.

Ogrzewanie – to wieloskładnikowy system zapewnienia ustalonego reżimu temperaturowego w pomieszczeniu/budynku. Stanowi odrębną część kompleksu komunikacji nowoczesnego pomieszczenia mieszkalnego.

Warto zauważyć, że wspomniana metoda obliczeń cieplnych pozwala dość dokładnie obliczyć dużą liczbę wielkości, które konkretnie opisują przyszły system ogrzewania.

W wyniku obliczeń cieplnych dostępne będą następujące informacje:

• liczba strat ciepła, moc kotła;
• ilość i typ grzejników dla każdego pomieszczenia oddzielnie;
• charakterystyki hydrauliczne rurociągu;
• objętość, prędkość czynnika grzewczego, moc pompy ciepła.

Obliczenia cieplne – to nie teoretyczne szkice, ale całkowicie dokładne i uzasadnione wyniki, które zaleca się stosować w praktyce przy doborze komponentów systemu ogrzewania.

Normy temperatur pomieszczeń

Przed przeprowadzeniem jakichkolwiek obliczeń parametrów systemu należy co najmniej znać rząd oczekiwanych wyników, a także mieć dostępne standaryzowane charakterystyki niektórych wartości tabelarycznych, które należy podstawiać do wzorów lub na nich się opierać.

Po wykonaniu obliczeń parametrów z takimi stałymi można być pewnym wiarygodności poszukiwanego dynamicznego lub stałego parametru systemu.

Dla pomieszczeń różnego przeznaczenia istnieją wzorcowe standardy reżimów temperaturowych pomieszczeń mieszkalnych i niemieszkalnych. Normy te są określone w tak zwanych GOST-ach.

Dla systemu ogrzewania jednym z takich globalnych parametrów jest temperatura pomieszczenia, która powinna być stała niezależnie od pory roku i warunków otoczenia.

Zgodnie z przepisami norm i zasad sanitarnych istnieją różnice w temperaturze w zależności od okresu letniego i zimowego. Za reżim temperaturowy pomieszczenia w sezonie letnim odpowiada system klimatyzacji, zasada jego obliczania jest szczegółowo opisana w tym artykule.

Natomiast temperatura powietrza w pomieszczeniu w okresie zimowym jest zapewniana przez system ogrzewania. Dlatego interesują nas zakresy temperatur i ich tolerancje odchyleń dla sezonu zimowego.

W większości dokumentów normatywnych określa się następujące zakresy temperatur, które pozwalają osobie komfortowo przebywać w pomieszczeniu.

Dla pomieszczeń niemieszkalnych typu biurowego o powierzchni do 100 m²:

• 22-24°C – optymalna temperatura powietrza;
• 1°C – dopuszczalne wahanie.

Dla pomieszczeń biurowych o powierzchni powyżej 100 m² temperatura wynosi 21-23°C. Dla pomieszczeń niemieszkalnych typu przemysłowego zakresy temperatur znacznie się różnią w zależności od przeznaczenia pomieszczenia i ustalonych norm bezpieczeństwa pracy.

Komfortowa temperatura pomieszczenia dla każdego jest “własna”. Ktoś lubi, gdy w pokoju jest bardzo ciepło, innemu jest wygodniej, gdy jest chłodno – to wszystko jest dość indywidualne.

Natomiast w przypadku pomieszczeń mieszkalnych: mieszkań, domów jednorodzinnych, posiadłości itp. istnieją określone zakresy temperatur, które mogą być korygowane w zależności od życzeń mieszkańców.

A jednak dla konkretnych pomieszczeń mieszkania i domu mamy:

• 20-22°C – pokój mieszkalny, w tym dziecięcy, tolerancja ±2°C –
• 19-21°C – kuchnia, toaleta, tolerancja ±2°C;
• 24-26°C – łazienka, prysznic, basen, tolerancja ±1°C;
• 16-18°C – korytarze, przedpokoje, klatki schodowe, spiżarnie, tolerancja +3°C

Ważne jest, aby zauważyć, że istnieje jeszcze kilka podstawowych parametrów, które wpływają na temperaturę w pomieszczeniu i na które należy się orientować przy obliczaniu systemu ogrzewania: wilgotność (40-60%), stężenie tlenu i dwutlenku węgla w powietrzu (250:1), prędkość ruchu mas powietrza (0.13-0.25 m/s) itp.

Obliczanie strat ciepła w domu

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki (fizyka szkolna) nie istnieje samorzutne przekazywanie energii od obiektów mniej ogrzanych do bardziej ogrzanych, zarówno w mini- jak i makroskali. Szczególnym przypadkiem tego prawa jest “dążenie” do osiągnięcia równowagi temperaturowej między dwoma systemami termodynamicznymi.

Na przykład, pierwszy system – środowisko zewnętrzne o temperaturze -20°C, drugi system – budynek z wewnętrzną temperaturą +20°C. Zgodnie z przytoczonym prawem te dwa systemy będą dążyć do równowagi poprzez wymianę energii. Będzie to następować za pomocą strat ciepła z drugiego systemu i ochładzania pierwszego.

Z całą pewnością można stwierdzić, że temperatura otoczenia zależy od szerokości geograficznej, na której znajduje się dom jednorodzinny. A różnica temperatur wpływa na ilość strat ciepła z budynku (+)

Przez straty ciepła rozumie się mimowolne uwalnianie ciepła (energii) z obiektu (domu, mieszkania). W przypadku zwykłego mieszkania proces ten nie jest tak “zauważalny” w porównaniu z domem jednorodzinnym, ponieważ mieszkanie znajduje się wewnątrz budynku i “sąsiaduje” z innymi mieszkaniami.

W domu jednorodzinnym przez ściany zewnętrzne, podłogę, dach, okna i drzwi w mniejszym lub większym stopniu “ucieka” ciepło.

Znając wielkość strat ciepła dla najbardziej niesprzyjających warunków pogodowych oraz charakterystykę tych warunków, można z dużą dokładnością obliczyć moc systemu grzewczego.

Zatem objętość wycieków ciepła z budynku oblicza się według następującego wzoru:

Q=Q_podłoga+Q_ściana+Q_okno+Q_dach+Q_drzwi+…+Q_i, gdzie

Qi – objętość strat ciepła z jednorodnego rodzaju przegrody budynku.

Każdy składnik wzoru oblicza się według wzoru:

Q=S*∆T/R, gdzie

• Q – straty ciepła, W;
• S – powierzchnia danego typu konstrukcji, m²;
• ∆T – różnica temperatury powietrza otoczenia i wewnątrz pomieszczenia, °C;
• R – opór cieplny danego typu konstrukcji, m²*°C/W.

Samą wartość oporu cieplnego dla rzeczywiście istniejących materiałów zaleca się pobierać z tabel pomocniczych.

Ponadto opór cieplny można uzyskać za pomocą następującej zależności:

R=d/k, gdzie

• R – opór cieplny, (m²*K)/W;
• k – współczynnik przewodzenia ciepła materiału, W/(m²*K);
• d – grubość tego materiału, m.

W starych domach z zawilgoconą konstrukcją dachu straty ciepła występują przez górną część budynku, a mianowicie przez dach i strych. Przeprowadzenie działań związanych z ociepleniem sufitu lub termoizolacją dachu mansardowego rozwiązuje ten problem.

Jeśli ocieplimy poddasze i dach, to całkowite straty ciepła z domu można znacznie zmniejszyć.

W domu istnieje jeszcze kilka rodzajów strat ciepła przez szczeliny w konstrukcjach, system wentylacji, okap kuchenny, otwieranie okien i drzwi. Jednak uwzględnianie ich objętości nie ma sensu, ponieważ stanowią one nie więcej niż 5% całkowitej liczby podstawowych strat ciepła.

Określenie mocy kotła

Aby utrzymać różnicę temperatur między otoczeniem a temperaturą wewnątrz domu, niezbędny jest autonomiczny system ogrzewania, który utrzymuje wymaganą temperaturę w każdym pomieszczeniu domu jednorodzinnego.

Podstawą systemu ogrzewania są różne rodzaje kotłów: na paliwo ciekłe lub stałe, elektryczne lub gazowe.

Kocioł – to centralny element systemu ogrzewania, który wytwarza ciepło. Główną cechą kotła jest jego moc, a mianowicie szybkość przekształcania ilości ciepła na jednostkę czasu.

Dokonując obliczeń obciążenia cieplnego ogrzewania, otrzymujemy wymaganą moc nominalną kotła.

Dla zwykłego mieszkania wielopokojowego moc kotła oblicza się przez powierzchnię i moc jednostkową:

P_kotła=(S_{pomieszczenia}*P_jednostkowa)/10, gdzie

• S_{pomieszczenia} – całkowita powierzchnia ogrzewanego pomieszczenia;
• P_jednostkowa – moc jednostkowa względem warunków klimatycznych.

Ale ten wzór nie uwzględnia strat ciepła, których jest wystarczająco dużo w domu jednorodzinnym.

Istnieje inna zależność, która uwzględnia ten parametr:

P_kotła=(Q_strat*S)/100, gdzie

• P_kotła – moc kotła;
• Q_strat – straty ciepła;
• S – ogrzewana powierzchnia.

Moc obliczeniową kotła należy zwiększyć. Zapas jest konieczny, jeśli planuje się użycie kotła do podgrzewania wody dla łazienki i kuchni.

W większości systemów grzewczych domów jednorodzinnych zaleca się obowiązkowe stosowanie zbiornika wyrównawczego, w którym będzie przechowywany zapas czynnika grzewczego. Każdy dom jednorodzinny potrzebuje ciepłej wody użytkowej.

Aby uwzględnić zapas mocy kotła, do ostatniego wzoru należy dodać współczynnik zapasu K:

P_kotła=(Q_strat*S*K)/100, gdzie

K – będzie równy 1.25, czyli obliczeniowa moc kotła zostanie zwiększona o 25%.

Zatem moc kotła zapewnia możliwość utrzymania normatywnej temperatury powietrza w pomieszczeniach budynku, a także posiadania początkowego i dodatkowego zapasu ciepłej wody w domu.

Cechy doboru grzejników

Standardowymi komponentami zapewniającymi ciepło w pomieszczeniu są grzejniki, panele, systemy ogrzewania podłogowego, konwektory itd. Najbardziej powszechnymi elementami systemu grzewczego są grzejniki.

Grzejnik cieplny – to specjalna pusta konstrukcja modułowa ze stopu o wysokiej oddawalności ciepła. Wykonuje się go ze stali, aluminium, żeliwa, ceramiki i innych stopów. Zasada działania grzejnika grzewczego sprowadza się do promieniowania energii z czynnika grzewczego do przestrzeni pomieszczenia przez “żebra”.

Aluminiowy i bimetaliczny grzejnik grzewczy zastąpił masywne żeliwne baterie. Prostota produkcji, wysoka oddawalność ciepła, udana konstrukcja i design uczyniły ten produkt popularnym i powszechnym narzędziem do emitowania ciepła w pomieszczeniu.

Istnieje kilka metod obliczania grzejników grzewczych w pomieszczeniu. Poniższa lista sposobów jest posortowana według rosnącej dokładności obliczeń.

Warianty obliczeń:

1. Po powierzchni. N=(S*100)/C, gdzie N – liczba sekcji, S – powierzchnia pomieszczenia (m²), C – moc cieplna jednej sekcji grzejnika (W, z dokumentacji technicznej lub certyfikatu), 100 W – ilość strumienia ciepła potrzebna do ogrzania 1 m² (wielkość empiryczna). Powstaje pytanie: jak uwzględnić wysokość sufitu pomieszczenia?
2. Po objętości. N=(S*H*41)/C, gdzie N, S, C – analogicznie. H – wysokość pomieszczenia, 41 W – ilość strumienia ciepła potrzebna do ogrzania 1 m³ (wielkość empiryczna).
3. Po współczynnikach. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, gdzie N, S, C i 100 – analogicznie. k1 – uwzględnienie liczby komór w szybie okna pomieszczenia, k2 – izolacja cieplna ścian, k3 – stosunek powierzchni okien do powierzchni pomieszczenia, k4 – średnia temperatura ujemna w najzimniejszym tygodniu zimy, k5 – liczba ścian zewnętrznych pomieszczenia (które “wychodzą” na zewnątrz), k6 – typ pomieszczenia powyżej, k7 – wysokość sufitu.

To najbardziej dokładna metoda obliczania liczby sekcji. Oczywiście, zaokrąglanie wyników ułamkowych odbywa się zawsze do następnej liczby całkowitej.

Obliczenia hydrauliczne systemu wodnego

Oczywiście, “obraz” obliczeń ciepła na potrzeby ogrzewania nie może być pełny bez obliczenia takich cech, jak objętość i prędkość nośnika ciepła. W większości przypadków nośnikiem ciepła jest zwykła woda w stanie ciekłym lub gazowym.

Rzeczywistą objętość nośnika ciepła zaleca się obliczać poprzez zsumowanie wszystkich wnęk w systemie grzewczym. Przy użyciu kotła jednofunkcyjnego jest to optymalne rozwiązanie. W przypadku stosowania kotłów dwufunkcyjnych w systemie grzewczym należy uwzględnić zużycie ciepłej wody do celów higienicznych i innych domowych.

Obliczenie objętości wody podgrzewanej przez kocioł dwufunkcyjny w celu zapewnienia mieszkańcom ciepłej wody i ogrzania nośnika ciepła wykonuje się przez zsumowanie wewnętrznej objętości obiegu grzewczego i rzeczywistych potrzeb użytkowników w zakresie podgrzanej wody.

Objętość ciepłej wody w systemie grzewczym oblicza się według wzoru:

W=k*P, gdzie

• W – objętość nośnika ciepła;
• P – moc kotła grzewczego;
• k – współczynnik mocy (liczba litrów na jednostkę mocy, wynosi 13,5, zakres – 10-15 l).

Ostatecznie końcowy wzór wygląda następująco:

W = 13,5*P

Prędkość nośnika ciepła – końcowa ocena dynamiczna systemu grzewczego, która charakteryzuje prędkość cyrkulacji płynu w systemie.

Ta wartość pomaga ocenić typ i średnicę rurociągu:

V=(0,86*P*μ)/∆T, gdzie

• P – moc kotła;
• μ – sprawność kotła;
• ∆T – różnica temperatur pomiędzy wodą zasilającą a wodą w obiegu powrotnym.

Korzystając z powyższych metod obliczeń hydraulicznych, uda się uzyskać rzeczywiste parametry, które są “fundamentem” przyszłego systemu ogrzewania.

Przykład obliczeń cieplnych

Jako przykład obliczeń cieplnych mamy typowy parterowy dom z czterema pokojami mieszkalnymi, kuchnią, łazienką, “ogrodem zimowym” i pomieszczeniami gospodarczymi.

Fundament z monolitycznej płyty żelbetowej (20 cm), ściany zewnętrzne – beton (25 cm) z tynkiem, dach – strop z drewnianych belek, pokrycie dachu – dachówka metalowa i wełna mineralna (10 cm)

Oznaczmy początkowe parametry domu, niezbędne do przeprowadzenia obliczeń.

Wymiary budynku:

• wysokość kondygnacji – 3 m;
• małe okno z przodu i z tyłu budynku 1470*1420 mm;
• duże okno elewacji 2080*1420 mm;
• drzwi wejściowe 2000*900 mm;
• drzwi z tyłu (wyjście na taras) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Całkowita szerokość budynku 9,5 m², długość 16 m². Ogrzewane będą tylko pokoje mieszkalne (4 szt.), łazienka i kuchnia.

Aby dokładnie obliczyć straty ciepła przez ściany, z powierzchni ścian zewnętrznych należy odjąć powierzchnię wszystkich okien i drzwi – to zupełnie inny rodzaj materiału o własnym oporze cieplnym.

Zaczynamy od obliczenia powierzchni materiałów jednorodnych:

• powierzchnia podłogi – 152 m²;
• powierzchnia dachu – 180 m², biorąc pod uwagę wysokość strychu 1,3 m i szerokość biegu – 4 m;
• powierzchnia okien – 3*1,47*1,42+2,08*1,42=9,22 m²;
• powierzchnia drzwi – 2*0,9+2*2*1,4=7,4 m².

Powierzchnia ścian zewnętrznych będzie równa 51*3-9,22-7,4=136,38 m².

Przechodzimy do obliczania strat ciepła dla każdego materiału:

• Q_podł=S*∆T*k/d=152*20*0,2/1,7=357,65 W;
• Q_dach=180*40*0,1/0,05=14400 W;
• Q_okno=9,22*40*0,36/0,5=265,54 W;
• Q_drzwi=7,4*40*0,15/0,75=59,2 W;

A także Q_ściana równe 136,38*40*0,25/0,3=4546. Suma wszystkich strat ciepła wyniesie 19628,4 W.

Ostatecznie obliczymy moc kotła: P_kotła=Q_strat*S_{ogrzew_pokoi}*K/100=19628,4*(10,4+10,4+13,5+27,9+14,1+7,4)*1,25/100=19628,4*83,7*1,25/100=20536,2=21 kW.

Obliczymy liczbę sekcji grzejników dla jednego z pokoi. Dla wszystkich pozostałych obliczenia są analogiczne. Na przykład, pokój narożny (po lewej, dolny róg schematu) o powierzchni 10,4 m2.

Zatem N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10,4*1,0*1,0*0,9*1,3*1,2*1,0*1,05)/180=8,5176=9.

Dla tego pokoju potrzebne jest 9 sekcji grzejnika ogrzewania o mocy cieplnej 180 W.

Przechodzimy do obliczenia ilości czynnika grzewczego w systemie – W=13,5*P=13,5*21=283,5 l. Zatem prędkość czynnika grzewczego będzie wynosić: V=(0,86*P*μ)/∆T=(0,86*21000*0,9)/20=812,7 l.

W rezultacie całkowity obieg całej objętości nośnika ciepła w systemie będzie równoważny 2.87 razy na godzinę.

Wybór artykułów dotyczących obliczeń cieplnych pomoże określić dokładne parametry elementów systemu grzewczego:

1. Obliczanie systemu ogrzewania domu jednorodzinnego: zasady i przykłady obliczeń
2. Obliczenia cieplne budynku: specyfika i wzory wykonywania obliczeń + praktyczne przykłady

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Proste obliczenie systemu grzewczego dla domu jednorodzinnego przedstawione jest w poniższym przeglądzie:

Wszystkie niuanse i powszechnie przyjęte metody obliczania strat ciepła budynku pokazane są poniżej:

Jeszcze jedna wersja obliczania wycieków ciepła w typowym domu jednorodzinnym:

W tym filmie opowiedziano o cechach cyrkulacji nośnika energii do ogrzewania mieszkania:

Obliczenia cieplne systemu grzewczego mają charakter indywidualny, należy je wykonywać kompetentnie i starannie. Im dokładniejsze będą obliczenia, tym mniej będą musieli przepłacać właściciele domu wiejskiego w trakcie eksploatacji.

Czy ma Pan/Pani doświadczenie w wykonywaniu obliczeń cieplnych systemu grzewczego? Lub czy pozostały pytania na temat? Proszę podzielić się swoją opinią i pozostawić komentarze. Blok kontaktu znajduje się poniżej.