Как определить тепловую нагрузку на отопление? О тепловой энергии простым языком! Расчет тепловой энергии в помещении

Уют и комфорт жилья начинаются не с выбора мебели, отделки и внешнего вида в целом. Они начинаются с тепла, которое обеспечивает отопление. И просто приобрести для этого дорогой нагревательный котел () и качественные радиаторы недостаточно – сначала необходимо спроектировать систему, которая будет поддерживать в доме оптимальную температуру. Но чтобы получить хороший результат, нужно понимать, что и как следует делать, какие существуют нюансы и как они влияют на процесс. В этой статье вы ознакомитесь с базовыми знаниями о данном деле – что такое системы отопления, как он проводится и какие факторы на него влияют.

Для чего необходим тепловой расчет

Некоторые владельцы частных домов или те, кто только собираются их возводить, интересуются тем, есть ли какой-то смысл в тепловом расчете системы отопления? Ведь речь идет о простом загородном коттедже, а не о многоквартирном доме или промышленном предприятии. Достаточно, казалось бы, только купить котел, поставить радиаторы и провести к ним трубы. С одной стороны, они частично правы – для частных домовладений расчет отопительной системы не является настолько критичным вопросом, как для производственных помещений или многоквартирных жилых комплексов. С другой стороны, существует три причины, из-за которых подобное мероприятие стоит провести. , вы можете прочитать в нашей статье.

1. Тепловой расчет существенно упрощает бюрократические процессы, связанные с газификацией частного дома.
2. Определение мощности, требуемой для отопления жилья, позволяет выбрать нагревательный котел с оптимальными характеристиками. Вы не переплатите за избыточные характеристики изделия и не будет испытывать неудобств из-за того, что котел недостаточно мощен для вашего дома.
3. Тепловой расчет позволяет более точно подобрать , трубы, запорную арматуру и прочее оборудование для отопительной системы частного дома. И в итоге все эти довольно дорогостоящие изделия проработают столько времени, сколько заложено в их конструкции и характеристиках.

Исходные данные для теплового расчета системы отопления

Прежде чем приступать к подсчетам и работе с данными, их необходимо получить. Здесь для тех владельцев загородных домов, которые прежде не занимались проектной деятельностью, возникает первая проблема – на какие характеристики стоит обратить свое внимание. Для вашего удобства они сведены в небольшой список, представленный ниже.

1. Площадь постройки, высота до потолков и внутренний объем.
2. Тип здания, наличие примыкающих к нему строений.
3. Материалы, использованные при возведении постройки – из чего и как сделаны пол, стены и крыша.
4. Количество окон и дверей, как они обустроены, насколько качественно утеплены.
5. Для каких целей будут использоваться те или иные части здания – где будут располагаться кухня, санузел, гостиная, спальни, а где – нежилые и технические помещения.
6. Продолжительность отопительного сезона, средний минимум температуры в этот период.
7. «Роза ветров», наличие неподалеку других строений.
8. Местность, где уже построен или только еще будет возводиться дом.
9. Предпочтительная для жильцов температура тех или иных помещений.
10. Расположение точек для подключения к водопроводу, газу и электросети.

Расчет мощности системы отопления по площади жилья

Одним из наиболее быстрых и простых для понимания способов определения мощности отопительной системы является расчет по площади помещения. Подобный метод широко применяется продавцами нагревательных котлов и радиаторов. Расчет мощности системы отопления по площади происходит в несколько простых шагов.

Шаг 1. По плану или уже возведенному зданию определяется внутренняя площадь постройки в квадратных метрах.

Шаг 2. Полученная цифра умножается на 100-150 – именно столько ватт от общей мощности отопительной системы нужно на каждый м 2 жилья.

Шаг 3. Затем результат умножается на 1,2 или 1,25 – это необходимо для создания запаса мощности, чтобы отопительная система была способна поддерживать комфортную температуру в доме даже в случае самых сильных морозов.

Шаг 4. Вычисляется и записывается конечная цифра – мощность системы отопления в ваттах, необходимая для обогрева того или иного жилья. В качестве примера – для поддержания комфортной температуры в частном доме площадью 120 м 2 потребуется примерно 15 000 Вт.

Совет! В некоторых случаях владельцы коттеджей разделяют внутреннюю площадь жилья на ту часть, которой требуется серьезный обогрев, и ту, для которой подобное излишне. Соответственно, для них применяются разные коэффициенты – к примеру, для жилых комнат это 100, а для технических помещений – 50-75.

Шаг 5. По уже определенным расчетным данным подбирается конкретная модель нагревательного котла и радиаторов.

Следует понимать, что единственным преимуществом подобного способа теплового расчета отопительной системы является скорость и простота. При этом метод обладает множеством недостатков.

1. Отсутствие учета климата в той местности, где возводиться жилье – для Краснодара система отопления с мощностью 100 Вт на каждый квадратный метр будет явно избыточной. А для Крайнего Севера она может оказаться недостаточной.
2. Отсутствие учета высоты помещений, типа стен и полов, из которых они возведены – все эти характеристики серьезно влияют на уровень возможных тепловых потерь и, следовательно, на необходимую мощность отопительной системы для дома.
3. Сам способ расчета системы отопления по мощности изначально был разработан для больших производственных помещений и многоквартирных домов. Следовательно, для отдельного коттеджа он не является корректным.
4. Отсутствие учета количества окон и дверей, выходящих на улицу, а ведь каждый из подобных объектов является своеобразным «мостиком холода».

Так имеет ли смысл применять расчет системы отопления по площади? Да, но только в качестве предварительных прикидок, позволяющих получить хоть какое-то представление о вопросе. Для достижения лучших и более точных результатов следует обратиться к более сложным методикам.

Представим следующий способ расчета мощности системы отопления – он также является довольно простым и понятным, но при этом отличается более высокой точностью конечного результата. В данном случае основой для вычислений становится не площадь помещения, а его объем. Кроме того, в расчете учитывается количество окон и дверей в здании, средний уровень морозов снаружи. Представим небольшой пример применения подобного метода – имеется дом общей площадью 80 м 2 , комнаты в котором имеют высоту 3 м. Постройка располагается в Московской области. Всего есть 6 окон и 2 двери, выходящие наружу. Расчет мощности тепловой системы будет выглядеть так. «Как сделать , Вы можете прочитать в нашей статье».

Шаг 1. Определяется объем здания. Это может быть сумма каждой отдельной комнаты либо общая цифра. В данном случае объем вычисляется так – 80*3=240 м 3 .

Шаг 2. Подсчитывается количество окон и количество дверей, выходящих на улицу. Возьмем данные из примера – 6 и 2 соответственно.

Шаг 3. Определяется коэффициент, зависящий от местности, в которой стоит дом и того, насколько там сильные морозы.

Таблица. Значения региональных коэффициентов для расчета мощности отопления по объему.

Так как в примере речь идет о доме, построенном в Московской области, то региональный коэффициент будет иметь значение 1,2.

Шаг 4. Для отдельно стоящих частных коттеджей определенное в первой операции значение объема здания умножается на 60. Делаем подсчет – 240*60=14 400.

Шаг 5. Затем результат вычисления предыдущего шага множится на региональный коэффициент: 14 400 * 1,2 = 17 280.

Шаг 6. Число окон в доме умножается на 100, число дверей, выходящих наружу – на 200. Результаты суммируются. Вычисления в примере выглядят следующим образом – 6*100 + 2*200 = 1000.

Шаг 7. Цифры, полученные по итогам пятого и шестого шагов, суммируются: 17 280 + 1000 = 18 280 Вт. Это и есть мощность отопительной системы, необходимая для поддержания оптимальной температуры в здании при условиях, указанных выше.

Стоит понимать, что расчет системы отопления по объему также не является абсолютно точным – в вычислениях не уделяется внимание материалу стен и пола здания и их теплоизоляционным свойствам. Также не делается поправка на естественную вентиляцию, свойственную любому дому.

Тепловая нагрузка подразумевает под собой количество тепловой энергии, необходимое для поддержания комфортной температуры в доме, квартире или отдельной комнате. Под максимальной часовой нагрузкой на отопление подразумевается количество тепла, необходимое для поддержания нормированных показателей в течение часа в самых неблагоприятных условиях.

Факторы, влияющие на тепловую нагрузку

• Материал и толщина стен. К примеру, стена из кирпича в 25 сантиметров и стена из газобетона в 15 сантиметров способны пропустить разное количество тепла.
• Материал и структура крыши. Например, теплопотери плоской крыши из железобетонных плит значительно отличаются от теплопотерь утепленного чердака.
• Вентиляция. Потеря тепловой энергии с отработанным воздухом зависит от производительности вентиляционной системы, наличия или отсутствия системы рекуперации тепла.
• Площадь остекления. Окна теряют больше тепловой энергии по сравнению со сплошными стенами.
• Уровень инсоляции в разных регионах. Определяется степенью поглощения солнечного тепла наружными покрытиями и ориентацией плоскостей зданий по отношению к сторонам света.
• Разность температур между улицей и помещением. Определяется тепловым потоком через ограждающие конструкции при условии постоянного сопротивления теплопередаче.

Распределение тепловой нагрузки

При водяном отоплении максимальная тепловая мощность котла должна равняться сумме тепловой мощности всех устройств отопления в доме. На распределение устройств отопления влияют следующие факторы:

• Жилые комнаты в середине дома – 20 градусов;
• Угловые и торцевые жилые комнаты – 22 градуса. При этом за счет более высокой температуры не промерзают стены;
• Кухня – 18 градусов, поскольку в ней имеются собственные источники тепла – газовые или электрические плиты и пр.
• Ванная комната – 25 градусов.

При воздушном отоплении тепловой поток, который поступает в отдельное помещение, зависит от пропускной способности воздушного рукава. Зачастую простейшим способом его регулировки является подстройка положения решеток вентиляции с контролем температуры вручную.

При системе отопления, где применяется распределительный источник тепла (конвектора, теплые полы, электрообогреватели и т.д.), необходимый режим температуры устанавливается на термостате.

Методики расчета

Для определения тепловой нагрузки существует несколько способов, обладающие различной сложностью расчета и достоверностью полученных результатов. Далее представлены три наиболее простые методики расчета тепловой нагрузки.

Метод №1

Согласно действующему СНиП, существует простой метод расчета тепловой нагрузки. На 10 квадратных метров берут 1 киловатт тепловой мощности. Затем полученные данные умножаются на региональный коэффициент:

• Южные регионы имеют коэффициент 0,7-0,9;
• Для умеренно-холодного климата (Московская и Ленинградская области) коэффициент равен 1,2-1,3;
• Дальний Восток и районы Крайнего Севера: для Новосибирска от 1,5; для Оймякона до 2,0.

Расчет на примере:

1. Площадь здания (10*10) равна 100 квадратных метров.
2. Базовый показатель тепловой нагрузки 100/10=10 киловатт.
3. Это значение умножается на региональный коэффициент, равный 1,3, в итоге получается 13 кВт тепловой мощности, которые требуются для поддержания комфортной температуры в доме.

Обратите внимание! Если использовать эту методику для определения тепловой нагрузки, то необходимо еще учесть запас мощности в 20 процентов, чтобы компенсировать погрешности и экстремальные холода.

Метод №2

Первый способ определения тепловой нагрузки имеет много погрешностей:

• Разные строения имеют разную высоту потолков. Учитывая то, что обогревается не площадь, а объем, этот параметр очень важен.
• Через двери и окна проходит больше тепла, чем через стены.
• Нельзя сравнивать городскую квартиру с частным домом, где снизу, сверху и за стенами не квартиры, а улица.

Корректировка метода:

• Базовый показатель тепловой нагрузки равняется 40 ватт на 1 кубический метр объема помещения.
• Каждая дверь, ведущая на улицу, добавляет к базовому показателю тепловой нагрузки 200 ватт, каждое окно – 100 ватт.
• Угловые и торцевые квартиры многоквартирного дома имеют коэффициент 1,2-1,3, на который влияет толщина и материал стен. Частный дом обладает коэффициентом 1,5.
• Региональные коэффициенты равны: для Центральных областей и Европейской части России – 0,1-0,15; для Северных регионов – 0,15-0,2; для Южных регионов – 0,07-0,09 кВт/кв.м.

Расчет на примере:

Метод №3

Не стоит обольщаться – второй способ расчета тепловой нагрузки также весьма несовершенен. В нем весьма условно учтено тепловое сопротивление потолка и стен; разность температур между наружным воздухом и воздухом внутри.

Стоит отметить, чтобы поддерживать внутри дома постоянную температуру необходимо такое количество тепловой энергии, которое будет равняться всем потерям через вентиляционную систему и ограждающие устройства. Однако, и в этом методе расчеты упрощены, так как невозможно систематизировать и измерить все факторы.

На теплопотери влияет материал стен – 20-30 процентов потери тепла. Через вентиляцию уходит 30-40 процентов, через крышу – 10-25 процентов, через окна – 15-25 процентов, через пол на грунте – 3-6 процентов.

Чтобы упростить расчеты тепловой нагрузки, подсчитываются тепловые потери через ограждающие устройства, а затем это значение просто умножается на 1,4. Дельта температур измеряется легко, но взять данные про термическое сопротивление можно только в справочниках. Ниже приведены некоторые популярные значения термического сопротивления:

• Термическое сопротивление стены в три кирпича равно 0,592 м2*С/Вт.
• Стены в 2,5 кирпича составляет 0, 502.
• Стены в 2 кирпича равно 0,405.
• Стены в один кирпич (толщина 25 см) равно 0,187.
• Бревенчатого сруба, где диаметр бревна 25 см – 0,550.
• Бревенчатого сруба, где диаметр бревна 20 сантиметров – 0,440.
• Сруба, где толщина сруба 20 см – 0,806.
• Сруба, где толщина 10 см – 0,353.
• Каркасной стены, толщина которой 20 см, утепленной минеральной ватой – 0,703.
• Стены из газобетона, толщина которой 20 см – 0,476.
• Стены из газобетона, толщина которой 30 см – 0,709.
• Штукатурки, толщина которой 3 см – 0,035.
• Потолочного или чердачного перекрытия – 1,43.
• Деревянного пола – 1,85.
• Двойной деревянной двери – 0,21.

Расчет по примеру:

Вывод

Как видно из расчетов, способы определения тепловой нагрузки обладают существенными погрешностями . К счастью, избыточный показатель мощности котла не навредит:

• Работа газового котла на уменьшенной мощности осуществляется без падения коэффициента полезного действия, а работа конденсационных устройств при неполной нагрузке осуществляется в экономичном режиме.
• То же относится и к соляровым котлам.
• Показатель коэффициента полезного действия электрического нагревательного оборудования равен 100 процентам.

Обратите внимание! Работа твердотопливных котлов на мощности меньше номинального значения мощности противопоказана.

Расчет тепловой нагрузки на отопление является важным фактором, вычисления которого обязательно необходимо выполнять перед началом создания системы отопления. В случае подхода к процессу с умом и грамотного выполнения всех работ гарантируется безотказная работа отопления, а также существенно экономятся деньги на лишних затратах.

Прежде чем приступать к закупке материалов и монтажу систем теплоснабжения дома или квартиры, необходимо провести расчет отопления, исходя из площади каждого помещения. Базовые параметры для проектирования обогрева и расчета тепловой нагрузки:

• Площадь;
• Количество оконных блоков;
• Высота потолков;
• Расположение комнаты;
• Теплопотери;
• Теплоотдача радиаторов;
• Климатический пояс (температура наружного воздуха).

Методика, описанная ниже, применяется для расчета количества батарей для площади помещения без дополнительных источников отопления (теплые полы, кондиционеры и т.д.). Рассчитать отопление можно двумя способами: по простой и усложненной формуле.

До начала проектирования теплоснабжения стоит решить, какие именно радиаторы будут устанавливаться. Материал, из которого изготавливаются батареи обогрева:

• Чугун;
• Сталь;
• Алюминий;
• Биметалл.

Оптимальным вариантом считаются алюминиевые и биметаллические радиаторы. Самая высокая тепловая отдача у биметаллических устройств. Чугунные батареи долго нагреваются, но после отключения отопления температура в помещении держится довольно долго.

Простая формула для проектирования количества секции в радиаторе обогрева:

K = Sх(100/R), где:

S – площадь помещения;

R – мощность секции.

Если рассматривать на примере с данными: комната 4 х 5 м, биметаллический радиатор, мощность 180 Вт. Расчет будет выглядеть так:

K = 20*(100/180) = 11,11. Итак, для комнаты площадью 20 м 2 необходимой для установки является батарея с минимум 11-ю секциями. Или, например, 2 радиатора по 5 и 6 ребер. Формула используется для помещений с высотой потолка до 2,5 м в стандартном здании советской постройки.

Однако такой расчет системы отопления не учитывает теплопотери здания, также не берется в расчет температура наружного воздуха дома и количество оконных блоков. Поэтому следует также брать во внимание эти коэффициенты, для окончательного уточнения количества ребер.

Вычисления для панельных радиаторов

В случае когда предполагается установка батареи с панелью вместо ребер, используется следующая формула по объему:

W = 41хV, где W – мощность батареи, V – объем комнаты. Число 41 – норма средней годовой мощности обогрева 1 м 2 жилого помещения.

В качестве примера можно взять помещение площадью 20 м 2 и высотой 2,5 м. Значение мощности радиатора по объему помещения в 50 м 3 будет равно 2050 Вт, или 2 кВт.

Расчет теплопотерь

Основные потери тепла происходят через стены помещения. Для расчета нужно знать коэффициент теплопроводности наружного и внутреннего материала, из которого построен дом, толщину стены здания, также важна средняя температура наружного воздуха. Основная формула:

Q = S х ΔT /R, где

ΔT – разница температуры снаружи и внутреннего оптимального значения;

S – площадь стен;

R – тепловое сопротивление стен, которое, в свою очередь, рассчитывается по формуле:

R = B/K, где B – толщина кирпича, K – коэффициент теплопроводности.

Пример расчета: дом построен из ракушняка, в камень, находится в Самарской области. Теплопроводность ракушняка в среднем составляет 0,5 Вт/м*К, толщина стены – 0,4 м. Учитывая средний диапазон, минимальная температура зимой -30 °C. В доме, согласно СНИП, нормальная температура составляет +25 °C, разница 55°C.

Если комната угловая, то обе ее стены непосредственно контактируют с окружающей средой. Площадь наружных двух стен комнаты 4х5 м и высотой 2,5 м: 4х2,5 + 5х2,5 = 22,5 м 2 .

R = 0,4/0,5 = 0,8

Q = 22,5*55/0,8 = 1546 Вт.

Кроме того, необходимо учитывать утепление стен помещения. При отделке пенопластом наружной площади теплопотери уменьшаются примерно на 30%. Итак, окончательная цифра составит около 1000 Вт.

Расчет тепловой нагрузки (усложненная формула)

Схема теплопотерь помещений

Чтобы вычислить окончательный расход тепла на отопление, необходимо учесть все коэффициенты по следующей формуле:

КТ = 100хSхК1хК2хК3хК4хК5хК6хК7, где:

S – площадь комнаты;

К – различные коэффициенты:

K1 – нагрузки для окон (в зависимости от количества стеклопакетов);

K2 – тепловой изоляции наружных стен здания;

K3 –нагрузки для соотношения площади окон к площади пола;

K4 – температурного режима наружного воздуха;

K5 – учитывающий количество наружных стен комнаты;

K6 – нагрузки, исходя из верхнего помещения над рассчитываемой комнатой;

K7 – учитывающий высоту помещения.

Как пример, можно рассмотреть ту же комнату здания в Самарской области, утепленную снаружи пенопластом, имеющую 1 окно с двойным стеклопакетом, над которой расположено отапливаемое помещение. Формула тепловой нагрузки будет выглядеть следующим образом:

KT = 100*20*1,27*1*0,8*1,5*1,2*0,8*1= 2926 Вт.

Расчет отопления ориентирован именно на эту цифру.

Расход тепла на отопление: формула и корректировки

Исходя из выше сделанных расчетов, для отопления комнаты необходимо 2926 Вт. Учитывая тепловые потери, потребности составляют: 2926 + 1000 = 3926 Вт (KT2). Для расчета количества секций используют следующую формулу:

K = KT2/R, где KT2 – окончательное значение тепловой нагрузки, R – теплоотдача (мощность) одной секции. Итоговая цифра:

K = 3926/180 = 21,8 (округленная 22)

Итак, чтобы обеспечить оптимальный расход тепла на отопление, необходимо поставить радиаторы, имеющие в сумме 22 секции. Нужно учитывать, что самая низкая температура – 30 градусов мороза по времени составляет максимум 2-3 недели, поэтому можно смело уменьшить число до 17 секций (- 25%).

Если хозяев жилья не устраивает такой показатель количества радиаторов, то следует изначально брать во внимание батареи, имеющие большую мощность теплоснабжения. Либо утеплять стены здания и внутри, и снаружи современными материалами. Кроме того, нужно правильно оценить потребности жилья в тепле, исходя из второстепенных параметров.

Существует еще несколько параметров, влияющих на дополнительный расход энергии впустую, что влечет за собой увеличение тепловой потери:

1. Особенности наружных стен. Энергии обогрева должно хватить не только для отопления помещения, но и для компенсации потерь тепла. Стена, контактирующая с окружающей средой, со временем от перепадов температуры наружного воздуха начинает пропускать внутрь влагу. Особенно следует хорошо утеплить и провести качественную гидроизоляцию для северных направлений. Также рекомендуется изолировать поверхность домов, находящихся во влажных регионах. Высокий годовой уровень осадков неизбежно приведет к повышению теплопотерь.
2. Место установки радиаторов. Если батарея монтирована под окном, то происходит утечка энергии обогрева через его конструкцию. Уменьшить потери тепла поможет установка качественных блоков. Также нужно рассчитывать мощность прибора, установленного в подоконной нише – она должна быть выше.
3. Условность годовой потребности тепла для зданий в разных часовых поясах. Как правило, по СНИПам рассчитывается усредненная температура (усредненный годовой показатель) для зданий. Однако потребности в тепле бывают существенно ниже, если, например, на холодную погоду и низким показателям наружного воздуха приходится в общей сложности 1 месяц в году.

Совет! Чтобы максимально снизить потребности в тепле зимой, рекомендуется установить дополнительные источники обогрева воздуха внутри помещения: кондиционеры, передвижные обогреватели и пр.

Метод теплового расчета являет собой определение площади поверхности каждого отдельного отопительного прибора, который отдает в помещение тепло. Расчет тепловой энергии на отопление в данном случае учитывает максимальный уровень температуры теплоносителя, который предназначен для тех отопительных элементов, для которых и проводится теплотехнический расчет системы отопления. То есть, в случае если теплоноситель – вода, то берется средняя ее температура в отопительной системе. При этом учитывается расход теплоносителя. Точно также, в случае если теплоносителем является пар, то расчет тепла на отопление использует значение высшей температуры пара при определенном уровне давления в отопительном приборе.

Методика расчета

Чтобы осуществить расчет теплоэнергии на отопление, необходимо взять показатели теплопотребности отдельного помещения. При этом из данных следует вычесть теплоотдачу теплопровода, который расположен в данном помещении.

Площадь поверхности, отдающей тепло, будет зависеть от нескольких факторов – прежде всего, от типа используемого прибора, от принципа соединения его с трубами и от того, как именно он располагается в помещении. При этом следует отметить, что все эти параметры влияют также на плотность потока тепла, исходящего от прибора.

Расчет отопительных приборов системы отопления – теплоотдачу отопительного прибора Q можно определить по следующей формуле:

Q пр = q пр* A p .

Однако воспользоваться ею можно только в том случае, если известен показатель поверхностной плотности теплового прибора q пр (Вт/м 2).

Отсюда же можно вычислить и расчетную площадь А р. При этом важно понимать, что расчетная площадь любого отопительного прибора не зависит от типа теплоносителя.

А р = Q np /q np ,

в которой Q np – уровень требуемой для определенного помещения теплоотдачи прибора.

Тепловой расчет отопления учитывает, что для определения теплоотдачи прибора для определенного помещения используется формула:

Q пp = Q п - µ тр *Q тр

при этом показатель Q п – это теплопотребность комнаты, Q тр – суммарная теплоотдача всех элементов отопительной системы, расположенной в комнате. Расчет тепловой нагрузки на отопление подразумевает, что сюда относится не только радиатор, но и трубы, которые к нему подведены, и транзитный теплопровод (если есть). В данной формуле µ тр – коэффициент поправки, который предусматривает частичную теплоотдачу системы, рассчитанную на поддержание постоянной температуры в помещении. При этом размер поправки может колебаться в зависимости от того, как именно прокладывались трубы отопительной системы в помещении. В частности – при открытом методе – 0,9; в борозде стены – 0,5; вмурованные в бетонную стену – 1,8.

Расчет необходимой мощности отопления, то есть – суммарная теплоотдача (Q тр - Вт) всех элементов отопительной системы определяется при помощи следующей формулы:

Q тр = µk тр *µ*d н *l*(t г - t в)

В ней k тр – показатель коэффициента теплоотдачи определенного отрезка трубопровода, расположенного в помещении, d н - наружный диаметр трубы, l – длинна отрезка. Показатели t г и t в показывают температуру теплоносителя и воздуха в помещении.

Формула Q тр = q в *l в + q г *l г используется для определения уровня теплоотдачи теплопровода, присутствующего в помещении. Для определения показателей следует обратиться к специальной справочной литературе. В ней можно найти определение тепловой мощности системы отопления – определение теплоотдачи вертикально (q в) и горизонтально (q г) проложенного в помещении теплопровода. Найденные данным показывают теплоотдачу 1м трубы.

Перед тем, как рассчитать гкал на отопление, на протяжении многих лет вычисления, производимые по формуле A p = Q np /q np и измерения теплоотдающих поверхностей отопительной системы, проводились с использованием условной единицы – эквивалентных квадратных метрах. При этом экм был условно равен поверхности прибора отопления с теплоотдачей 435 ккал/ч (506 Вт). Расчет гкал на отопление предполагает, что при этом разность температур теплоносителя и воздуха (t г - t в) в помещении составляла 64,5°С, а относительный расход воды в системе равнялся показателю G отн = l,0.

Расчет тепловых нагрузок на отопление подразумевает, что при этом гладкотрубные и панельные отопительные приборы, которые имели большую теплоотдачу, чем эталонные радиаторы времен СССР, имели площадь экм, которая значительно отличалась от показателя их физической площади. Соответственно, площадь экм менее эффективных отопительных приборов была значительно ниже, чем их площадь физическая.

Впрочем, такой двойственный замер площади приборов отопления в 1984 году было упрощено, и экм отменили. Таким образом, с того момента площадь отопительного прибора измерялась только в м 2 .

После того, как будет просчитана необходимая для помещения площадь отопительного прибора и расчет тепловой мощности системы отопления, можно приступать к подбору необходимого радиатора по каталогу отопительных элементов.

При этом получается, что чаще всего площадь приобретаемого элемента получается несколько больше той, которая была получена путем вычислений. Это довольно легко объяснить – ведь подобная поправка учитывается заранее посредством введения в формулы повышающего коэффициента µ 1 .

Сегодня весьма распространены секционные радиаторы. Их длина напрямую зависит от количества используемых секций. Для того чтобы произвести расчет количества тепла на отопление – то есть, высчитать оптимальное количество секций для определенного помещения, используется формула:

N = (A p /a 1)(µ 4 / µ 3)

В ней а 1 – это площадь одной секции радиатора, выбранного для установки в помещении. Измеряется в м 2 . µ 4 –коэффициент поправки который вносится на способ установки отопительного радиатора. µ 3 – коэффициент поправки, который указывает реальное количество секций в радиаторе (µ 3 - 1,0 при условии, что А р = 2,0 м 2). Для стандартных радиаторов типа М-140 данный параметр определяется по формуле:

µ 3 =0,97+0,06/А р

При тепловых испытаниях используются стандартные радиаторы, состоящие в среднем, из 7-8 секций. То есть, определенный нами расчет расхода тепла на отопление – то есть, коэффициент теплопередачи, является реальным только для радиаторов именно такого размера.

Следует отметить, что при применении радиаторов с меньшим количеством секций наблюдается незначительное увеличение уровня теплоотдачи.

Это связано с тем, что в крайних секциях тепловой поток несколько более активен. Кроме того, открытые торцы радиатора способствуют большей теплоотдаче в воздух помещения. В случае если количество секций больше – наблюдается ослабление тока в крайних секциях. Соответственно, для достижения необходимого уровня теплоотдачи наиболее рациональным является незначительное увеличение длины радиатора за счет добавления секций, что не повлияет на мощность системы отопления.

Для тех радиаторов, площадь одной секции в которых составляет 0,25 м 2 , существует формула для определения коэффициента µ 3:

µ 3 = 0,92 + 0,16 /А р

Но следует учитывать, что крайне редко при использовании данной формулы получается целое число секций. Чаще всего искомое количество оказывается дробным. Расчет нагревательных приборов системы отопления предполагает, что для получения более точного результата допустимо незначительное (не более чем на 5%) снижение коэффициента А р. Такое действие приводит к ограничению уровня отклонения температурного показателя в помещении. Когда произведен расчет тепла на отопление помещения, после получения результата устанавливается радиатор с максимально близким к полученному значению количеством секций.

Расчет мощности отопления по площади предполагает, что определенные условия на установку радиаторов накладывает и архитектура дома.

В частности, если имеется внешняя ниша под окном, то длина радиатора должна быть менее длины ниши – не менее чем на 0,4 м. Такое условие действительно лишь при прямой подводке трубы к радиатору. В случае если применена подводка с уткой, разница длины ниши и радиатора должна составлять минимум 0,6 м. При этом лишние секции следует выделить как отдельный радиатор.

Для отдельных моделей радиаторов формула расчета тепла на отопление – то есть, определения длины, не применяется, поскольку данный параметр заранее определен производителем. Это в полной мере относится к радиаторам типа РСВ или РСГ. Однако нередки случаи, когда для увеличения площади прибора отопления данного типа используется просто параллельная установка двух панелей рядом.

Если панельный радиатор определен как единственный допустимый для данного помещения, то для определения количества необходимых радиаторов используется:

N = A p / a 1 .

При этом площадь радиатора – известный параметр. В случае если будет установлено два параллельных блока радиаторов, показатель А р увеличивают, определяя сниженный коэффициент теплопередачи.

В случае использования конвекторов с кожухом расчет мощности отопления учитывает, что их длина также определяется исключительно существующим модельным рядом. В частности, напольный конвектор «Ритм» представлен в двух моделях с длиной кожуха 1 м и 1,5 м. Настенные конвекторы также могут незначительно отличатся друг от друга.

В случае применения конвектора без кожуха существует формула, помогающая определить количество элементов прибора, после чего можно реализовать расчет мощности системы отопления:

N = A p / (n*a 1)

Здесь n – количество рядов и ярусов элементов, которые и составляют площадь конвектора. При этом a 1 – площадь одной трубы или элемента. При этом при определении расчетной площади конвектора необходимо учитывать не только количество его элементов, но и метод их соединения.

В случае применения в отопительной системе гладкотрубного прибора продолжительность его греющей трубы вычисляется следующим образом:

l = А р *µ 4 / (n*a 1)

µ 4 - это коэффициент поправки, который вносится при наличии декоративного укрытия трубы; n – количество рядов или ярусов греющих труб; а 1 – параметр, характеризующий площадь одного метра горизонтальной трубы при определенном заранее диаметре.

Для получения более точного (а не дробного числа), допускается незначительное (не более чем на 0,1 м 2 или же 5%) снижение показателя А.

Пример №1

Необходимо определить правильное количество секций для радиатора М140-А, который будет установлен в помещении, расположенном на верхнем этаже. При этом стена наружная, под подоконником ниша отсутствует. А расстояние от него до радиатора составляет всего 4 см. Высота помещения 2,7 м. Q n =1410 Вт, а t в =18 °С. Условия подключения радиатора: подсоединения к однотрубному стояку проточно-регулируемого типа (D y 20, кран КРТ с подводкой 0,4 м); разводка отопительной системы верхняя, t г = 105°С, а расход теплоносителя по стояку составляет G ст = 300 кг/ч. Разница температуры теплоносителя подающего стояка и рассматриваемого составляет 2°С.

Определяем средний показатель температуры в радиаторе:

t ср = (105 - 2) - 0,5х1410х1,06х1,02х3,6 / (4,187х300) = 100,8 °С.

Опираясь на полученные данные, вычисляем плотность теплового потока:

t ср = 100,8 - 18 = 82,8 °С

При этом следует отметить, что произошло незначительное изменение уровня расхода воды (360 до 300 кг/ч). Данный параметр практически никак не влияет на q np .

Q пр =650(82,8/70)1+0,3=809Вт/м2.

Далее определяем уровень теплоотдачи горизонтально (1г = 0,8 м) и вертикально (1в = 2,7 - 0,5 = 2,2 м) расположенных труб. Для этого следует воспользоваться формулой Q тр =q в хl в + q г хl г.

Получаем:

Q тр = 93х2,2 + 115х0,8 = 296 Вт.

Рассчитываем площадь требуемого радиатора по формуле A p = Q np /q np и Q пp = Q п - µ тр хQ тр:

А р =(1410-0,9х296)/809=1,41м 2 .

Рассчитываем необходимое количество секций радиатора М140-А, учитывая, что площадь одной секции составляет 0,254 м 2:

м 2 (µ4=1,05, µ 3 = 0,97 + 0,06 / 1,41= 1,01, воспользуемся формулой µ 3 = 0,97 + 0,06 / А р и определяем:

N=(1,41/0,254)х(1,05/1,01)=5,8.
То есть, расчет потребления тепла на отопление показал, что в помещении для достижения максимально комфортной температуры следует установить радиатор, состоящий из 6 секций.

Пример №2

Необходимо определить марку открытого настенного конвектора с кожухом КН-20к «Универсал-20», который устанавливается на однотрубный стояк проточного типа. Кран возле устанавливаемого прибора отсутствует.

Определяет среднюю температуру воды в конвекторе:

tcp = (105 - 2) - 0,5х1410х1,04х1,02х3,6 / (4,187х300) = 100,9 °С.

В конвекторах «Универсал-20» плотность теплового потока равна 357 Вт/м 2 .имеющиеся данные: µt cp =100,9-18=82,9°С, Gnp=300кг/ч. По формуле q пр =q ном (µ t ср /70) 1+n (G пр /360) p пересчитываем данные:

q np = 357(82,9 / 70)1+0,3(300 / 360)0,07 = 439 Вт/м 2 .

Определяем уровень теплоотдачи горизонтальных (1 г -=0,8 м) и вертикальных (l в =2,7 м) труб (с учетом D y 20) используя формулу Q тр = q в хl в +q г хl г. Получаем:

Q тр = 93х2,7 + 115х0,8 = 343 Вт.

Воспользовавшись формулой A p = Q np /q np и Q пp = Q п - µ тр хQ тр, определяем расчетную площадь конвектора:

А р =(1410 - 0,9х343) / 439 = 2,51 м 2 .

То есть, к установке принят конвектор «Универсал-20» длина кожуха которого составляет 0,845 м (модель КН 230-0,918, площадь которой 2,57м 2).

Пример №3

Для системы парового отопления необходимо определить количество и длину чугунных ребристых труб при условии, что установка открытого типа и производится в два яруса. При этом избыточное давление пара составляет 0,02 Мпа.

Дополнительные характеристики: t нac = 104,25 °С, t в =15 °С, Q п = 6500 Вт, Q тр = 350 Вт.

Воспользовавшись формулой µ t н = t нас - t в, определим разность температур:

µ t н = 104,25- 15 = 89,25 °С.

Определяем плотность теплового потока, воспользовавшись известным коэффициентом передачи данного типа труб в случае, когда они устанавливаются параллельно одна над другой - к=5,8 Вт/(м2-°С). Получаем:

q np = k np х µ t н = 5,8-89,25 = 518 Вт/м 2 .

Формула A p = Q np /q np помогает определить необходимую площадь прибора:

А р = (6500 - 0,9х350) / 518 = 11,9м 2 .

Чтоб определить количество необходимых труб, N = A p / (nхa 1). При этом следует воспользоваться такими данными: длина одной тубы – 1,5 м, площадь нагревательной поверхности – 3м 2 .

Вычисляем: N= 11,9/(2х3,0) = 2 шт.

То есть, в каждом ярусе необходимо установить по две трубы длиной 1,5 м. каждая. При этом вычислим общую площадь данного отопительного прибора: А = 3,0х*2х2 = 12,0 м 2 .

Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,...

Энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности .

Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.

Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия , которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.

Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!

Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!

Количество теплоты при различных физических процессах.

Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.

Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q , подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.

1. Твердое тело, имеющее температуру T1 , нагреваем до температуры Tпл , затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1 .

2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1 .

3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп , затрачивая на это количество теплоты равное Q3 -Q2 .

4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4 -Q3 .

5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2 . При этом затраты количества теплоты составят Q5 -Q4 . (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)

Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5 , переводя вещество через три агрегатных состояния.

Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5 , пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1 . Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.

Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.

Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.

Главные формулы теплопередачи.

Формулы очень просты.

Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:

1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:

1.1. При нагревании (охлаждении):

Q = m * c *(Т2 -Т1 )

m – масса вещества в кг

с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)

1.2. При плавлении (замерзании):

Q = m * λ

λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг

1.3. При кипении, испарении (конденсации):

Q = m * r

r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг

2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:

2.1. При сгорании топлива:

Q = m * q

q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг

2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):

Q =t *I *U =t *R *I ^2=(t/ R) *U ^2

t – время в с

I – действующее значение тока в А

U – действующее значение напряжения в В

R – сопротивление нагрузки в Ом

Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c , λ , r , q ) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).

Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:

N =Q /t

Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.

Расчет в Excel прикладной задачи.

В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…

Условия задачи:

В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)

Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc .

С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице « ».

Исходные данные:

1. Названия веществ пишем:

в ячейку D3: Сталь

в ячейку E3: Лед

в ячейку F3: Лед/вода

в ячейку G3: Вода

в ячейку G3: Воздух

2. Названия процессов заносим:

в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев

в ячейку F4: таяние

3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем для стали, льда, воды и воздуха соответственно

в ячейку D5: 460

в ячейку E5: 2110

в ячейку G5: 4190

в ячейку H5: 1005

4. Удельную теплоту плавления льда λ в Дж/кг вписываем

в ячейку F6: 330000

5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда

в ячейку D7: 3000

в ячейку E7: 20

Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то

в ячейках F7 и G7: =E7 =20

Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес

в ячейке H7: =24*15*7*1,23 =3100

6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали

в ячейку D8: 60

Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно

в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7

в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0

в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4

Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем

в ячейке H8: =D8 =60,0

7. Начальную температуру всех веществ T 1 в ˚C заносим

в ячейку D9: -37

в ячейку E9: -37

в ячейку F9: 0

в ячейку G9: 0

в ячейку H9: -37

8. Конечную температуру всех веществ T 2 в ˚C заносим

в ячейку D10: 18

в ячейку E10: 0

в ячейку F10: 0

в ячейку G10: 18

в ячейку H10: 18

Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.

Результаты расчетов:

9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем

для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900

для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561

для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000 = 6600

для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508

для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330

Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем

в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900

В ячейках D14, E14, F14, G14, H14, и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).

10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается

для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60) =21,083

для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60) = 2,686

для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60) = 2,686

для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60) = 2,686

для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60) = 47,592

Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается

в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361

В ячейках D18, E18, F18, G18, H18, и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.

На этом расчет в Excel завершен.

Выводы:

Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.

При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).

Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.

Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.

После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда - в папку « Спам» )!

Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.

Жду вопросы и комментарии на статью!

Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.