Комфортность пребывания людей в помещениях, особенно в зимнее время года, во многом зависит от температуры окружающего их воздуха. Поэтому среди инженерных коммуникаций, обустраиваемых в жилых помещениях, система отопления занимает первое место. В городских условиях вопросы обогрева квартир чаще всего решаются в централизованном порядке, однако в домах частной застройки их владельцам приходится обустраивать автономные системы отопления, основным элементом которых является водогрейный котел. Именно от технико-экономических характеристик последнего зависит эффективность работы всей системы.
Как рассчитать мощность котла
Мощность отопительного котла – это основной показатель, характеризующий его возможности, связанные с оптимальным обогревом помещений во время пиковых нагрузок. Здесь главное – грамотно рассчитать, сколько тепла понадобится для их обогрева. Только в этом случае удастся правильно подобрать котел для отопления частного дома по мощности.
Для расчета мощности котла для дома применяют различные методики, в которых за основу берутся площадь или объем отапливаемых помещений. Совсем недавно необходимую мощность отопительного котла определяли при помощи так называемых домовых коэффициентов, установленных для разного вида домов в пределах (Вт/м. кв.):
- 130…200 – дома, не имеющие теплоизоляции;
- 90…110 – дома с частично утепленным фасадом;
- 50…70 – дома, построенные по технологиям ХХI века.
Умножив площадь дома на соответствующий домовой коэффициент, получали искомую мощность отопительного котла.
Расчет мощности котла по геометрическим размерам помещения
Ориентировочно рассчитать мощность котла для отопления дома можно по его площади. Используют при этом формулу:
Wкот = S*Wуд/10, где:
- Wкот – расчетная мощность котла, кВт;
- S – общая площадь отапливаемого помещения, м. кв.;
- Wуд – удельная мощность котла, которая приходится на каждые 10 м. кв. отапливаемой площади.
В общем случае принимают, что в зависимости от региона, в котором находится помещение, величина удельной мощности котла составляет (кВт\м. кв.):
- для южных районов – 0,7…0,9;
- для районов средней полосы – 1,0…1,2;
- для Москвы и Московской области – 1,2…1,5;
- для северных районов – 1,5…2,0.
Приведенную выше формулу расчета котла для отопления дома по площади применяют в тех случаях, когда водогрейный агрегат будет использоваться только для обогрева помещений, высотой не более 2,5 м.
Если предполагается, что в помещении будет установлен двухконтурный котел, который кроме обогрева должен обеспечивать пользователей горячей водой, полученную расчетную мощность необходимо увеличить на 25%.
Если высота отапливаемых помещений превышает 2,5 м., то полученный результат корректируют, умножая его на коэффициент Кв. Кв = Н/2,5, где Н – фактическая высота помещения, м.
В этом случае конечная формула выглядит следующим образом: P = (S*Wуд/10)*Кв
Эта методика расчета необходимой мощности, которой должен обладать отопительный котел, подходит для небольших зданий с утепленным чердаком, наличием теплоизоляции стен и окон (двойные стеклопакеты) и т. д. В остальных случаях результат, полученный в результате приблизительного расчета, может привести к тому, что приобретенный котел не сможет работать в штатном режиме. При этом избыточная или недостаточная мощность способствует появлению ряда нежелательных для пользователя проблем:
- снижение технико-экономических показателей работы котла;
- сбой в работе систем автоматики;
- быстрый износ деталей и комплектующих;
- образование конденсата в дымоходе;
- засорение дымохода продуктами неполного сгорания топлива и пр.;
Для получения более точных результатов нужно принимать во внимание величину фактических теплопотерь через отдельные элементы зданий (окон, дверей, стен и пр.).
Уточненный расчет мощности котла
Расчет системы отопления, включающей в свой состав отопительный котел, должен осуществляться индивидуально для каждого объекта. Кроме его геометрических размеров, важно учесть ряд таких параметров:
- наличие принудительной вентиляции;
- климатический пояс;
- наличие горячего водоснабжения;
- степень утепления отдельных элементов объекта;
- наличие чердака и подвала и пр.
В общем виде формула для уточненного расчета мощности котла имеет следующий вид:
Wкот = Qt*Kзап, где:
- Qt – теплопотери объекта, кВт.
- Кзап – коэффициент запаса, на величину которого рекомендуется увеличить расчетную мощность объекта. Как правило, его величина находится в пределах 1,15…1,20 (15-20%).
Прогнозируемые потери тепла определяются по формулам:
Qt = V*ΔT*Kp/860, V = S*H; где:
- V – объем помещения, м. куб.;
- ΔT – разница между наружной и внутренней температурой воздуха, °С;
- Кр – коэффициент рассеивания, зависящий от степени теплоизоляции объекта.
Коэффициент рассеивания выбирается исходя из типа здания и степени его теплоизоляции.
- Объекты без теплоизоляции: ангары, деревянные бараки, сооружения из гофрированного железа и пр. – Кр = 3,0…4,0.
- Здания с низким уровнем теплоизоляции: стены в один кирпич, деревянные окна, шиферная или железная крыша – Кр принимают равным в пределах 2,0…2,9.
- Дома со средней степенью теплоизоляции: стены в два кирпича, небольшое количество окон, стандартная крыша и т. д. – Кр составляет 1,0…1,9.
- Современные, хорошо утепленные здания: теплый пол, окна с двойными стеклопакетами и т. д. – Кр находится в диапазоне 0,6…0,9.
Чтобы облегчить потребителю поиск отопительного котла, многие производители размещают на своих сайтах и сайтах дилеров специальные калькуляторы. С их помощью, введя в соответствующие поля необходимую информацию, можно с большой долей вероятности определить, на какую площадь рассчитан, например, котел мощностью 24 кВт.
Как правило, такой калькулятор осуществляет расчет по следующим данным:
- усредненное значение температуры наружного воздуха в самую холодную неделю в зимнее время года;
- температура воздуха внутри объекта;
- наличие или отсутствие горячего водоснабжения;
- данные о толщине наружных стен и перекрытий;
- материалы, из которых выполнены перекрытия и наружные стены;
- высота потолков;
- геометрические размеры всех наружных стен;
- количество окон, их размеры и подробное описание;
- информация о наличии или отсутствии принудительной вентиляции.
Обработав полученные данные, калькулятор выдаст заказчику искомую мощность отопительного котла, а также укажет тип и марку агрегата, удовлетворяющего запросу. Пример расчета линейки газовых котлов, предназначенных для обогрева домов разной площади, приведен в таблице:
Примечание к столбцу 11: Нс – навесной атмосферный котел, А – котел напольного типа, Нд – турбированный котел настенного типа.
По приведенным выше методикам осуществляют расчет мощности газового котла. Однако их вполне можно применять и для расчета мощностных характеристик водогрейных агрегатов, работающих на других видах топлива.
Учет теплопотерь
Приступая к разработке системы автономного отопления, необходимо в первую очередь выяснить, сколько тепла уходит на улицу при самых сильных морозах через так называемые ограждающие конструкции. К ним относятся стены, окна, пол и крыша. Только определив величину теплопотерь, можно будет озаботиться подбором источника тепла соответствующей мощности. При этом нужно учесть, что потеря теплоты зданием в зимнее время года происходит не только через ограждающие конструкции. Значительная часть генерируемого тепла (до 30%) расходуется на нагрев холодного воздуха, поступающего с улицы за счет естественной вентиляции.
Общее количество тепла, необходимое для обогрева помещения определяют по формуле:
Q = Qконстр + Qвозд, где:
- Qконстр – количество тепла, теряемого через однотипную конструкцию, Вт;
- Qвозд – количество тепла, расходуемого на подогрев воздуха, поступающего с улицы, Вт.
Суммируя полученные в результате расчетов величины определяют общую тепловую нагрузку на систему отопления всего здания.
Все обмеры осуществляют по внешней стороне здания, в обязательном порядке захватывая его углы. В противном случае расчет теплопотерь будет неточным.
В помещениях существуют и другие пути утечки тепла, например через кухонную вытяжку, открытые двери и окна, щели в конструкциях и пр. Однако количество тепла, потерянного по этим причинам, практически не превышает 5% от величины общих тепловых потерь и поэтому при расчетах не учитывается.
Расчет потерь тепла через ограждающие конструкции
Сложность расчета заключается в том, что его нужно провести для каждого помещения отдельно, внимательно осматривая, измеряя и оценивая состояние каждого его элемента, соседствующего с окружающей средой. Только в этом случае можно учесть все тепло, уходящее из дома.
По результатам произведенных замеров определяется площадь S каждого элемента ограждающих конструкций, которая затем вставляется в базовую формулу для расчета количества теряемой тепловой энергии:
Qконстр = 1/R*(Tв-Tн)*S*(1+Σβ), R = δ/λ; где:
- R – термическое сопротивление материала конструкции, м. кв.°С/Вт;
- δ – теплопроводность материала конструкции, Вт/м°С);
- λ – толщина материала конструкции, м;
- S – площадь наружного ограждения, м. кв.;
- Tв – температура воздуха внутри помещения, °С;
- Tн – самая низкая температура воздуха в зимнее время года, °С;
- β – теплопотери, которые зависят от ориентации здания.
Если конструкция состоит из нескольких материалов, например, стена из кирпича с утеплителем, величина термического сопротивления R рассчитывается отдельно для каждого из этих материалов, а затем суммируется.
Теплопотери, зависящие от ориентации здания, выбираются исходя из того, куда ориентирован ограждающий элемент:
- на северную сторону – β = 0,1;
- на запад или юго-восток – β = 0,05;
- на юг и ли юго-запад – β = 0.
Расчет тепловых потерь через элементы ограждающих конструкций осуществляют для каждого помещения в здании, а затем суммируя их, получают прогнозируемую величину общих потерь тепла в нем. После этого переходят к расчету в следующем помещении. В результате проведенной работы владелец дома сможет выявить пути максимальной утечки тепла и устранить причины их появления.
Расчет тепла, расходуемого на подогрев вентиляционного воздуха
Количество тепла, которое расходуется на подогрев вентиляционного воздуха, достигает в отдельных случаях 30% от общих потерь тепловой энергии. Это достаточно большая величина, игнорировать которую нецелесообразно. Для расчета количества тепла, которое вынужденно будет расходоваться на подогрев приточного воздуха, используется формула:
Qвозд = c*m* (Tв-Tн), где:
- c – теплоемкость воздушной смеси, величина которой составляет 0,28 Вт/кг°С;
- m – массовый расход воздуха, поступающего в помещение с улицы, кг.
Массовый расход воздуха, поступающий в помещение извне, определяют, принимая, что воздух обновляется во всем доме 1 раз в течении часа. В этом случае, сложив объемы всех помещений, получают объемную величину расхода воздуха. Затем, используя значение плотности воздуха, его объем переводят в массу. Здесь нужно учесть тот факт, что плотность воздуха зависит от его температуры.
| Температура приточного воздуха ºС | – 25 | – 20 | – 15 | – 10 | -5 | 0 | + 5 | + 10 |
| Плотность, кг/м3 | 1,422 | 1,394 | 1,367 | 1,341 | 1,316 | 1,290 | 1,269 | 1,247 |
Подставляя все известные величины в вышеприведенную формулу, определяют количество теплоты, необходимое для подогрева приточного воздуха.
Часто встречаемые ошибки
Расчет автономной системы отопления – это сложный процесс, состоящий из нескольких взаимосвязанных, поэтапно проводимых процедур:
- Расчет тепловых потерь объекта.
- Определение температурного режима отдельных помещений и здания в целом.
- Расчет мощности отопительных радиаторных батарей.
- Гидравлический расчет отопительной системы.
- Расчет мощности отопительного котла.
- Определение общего объема системы автономного отопления.
Тепловой расчет системы отопления – это не теоретические изыскания, а точный и обоснованный результат, практическая реализация которого позволит правильно подобрать все необходимые компоненты и обустроить эффективную систему отопления, без проблем функционирующую в течение многих лет.
Основная ошибка, которую совершают многие владельцы частных домов – игнорирование некоторых этапов расчета. Они считают, что для решения вопроса достаточно выбрать котел помощнее, ориентируясь лишь на данные ориентировочного расчета его мощности по площади помещения. Такой подход грозит излишними эксплуатационными затратами и часто приводит к тому, что котел будет работать постоянно, радиаторные батареи будут горячими, а в помещении будет холодно. В этом случае необходимо вернуться к первоначальному состоянию и произвести полный расчет системы отопления. Только после этого можно приступить к устранению недостатков, вызванных критическими ошибками в расчетах.