Використання води в якості теплоносія в системі опалення - один з найпопулярніших варіантів забезпечити свій будинок теплом в холодну пору року. Потрібно лише правильно спроектувати, а потім виконати монтаж системи. Інакше опалення буде неефективним при високих витратах палива, що, погодьтеся, вкрай нецікаво при сьогоднішніх цінах на енергоресурси.
Здійснити самостійно розрахунок водяного опалення (далі - СВО) без використання профільних програм неможливо, оскільки в обчисленнях використовуються складні вирази, визначити значення яких за допомогою звичайного калькулятора можна. У цій статті ми детально розберемо алгоритм виконання обчислень, наведемо застосовуються формули, розглянувши хід виконання розрахунків на конкретному прикладі.
Викладений матеріал доповнимо таблицями зі значеннями і довідковими показниками, які потрібні при проведенні обчислень, тематичними фото і відеороликом, в якому продемонстровано наочний приклад розрахунку шляхом використання програми.
Розрахунок теплового балансу житлової конструкції
Для впровадження обігрівальної установки, де в якості циркуляційного речовини виступає вода, потрібно попередньо провести точні гідравлічні обчислення.
При розробці, впровадженні будь-якої системи обігрівального типу необхідно знати тепловий баланс (далі - ТБ). Знаючи теплову потужність для підтримки температури в приміщенні, можна правильно підібрати обладнання і грамотно розподілити його навантаження.
Взимку приміщення несе певні теплові втрати (далі - ТП). Основна маса енергії виходить через огороджувальні елементи та вентиляційні отвори. Незначні витрати припадають на інфільтрацію, нагрівання предметів і ін.
Грамотний розрахунок водяного опалення за аналогією з іншими видами систем необхідний для підбору нагрівального агрегату, здатного повноцінно відшкодувати втрати тепла 
У розрахунках підсумовуються всі види втрат через огороджувальні конструкції, витоку через дверні та віконні прорізи 
В обчисленнях потужності обладнання слід врахувати необхідність обігріву повітря, що надходить в приміщення під час провітрювання і через нещільно закриті стулки вікон і полотна дверей 
В обов'язковому порядку враховується обігрів повітряного потоку, що поставляється припливної примусовою вентиляцією з функцією часткового підмішування свіжої порції повітря 
При включенні двоконтурного котла в схему опалення в підрахунку реальної потужності враховується енергія, витрачена на нагрівання гарячої води 
Правильно виконані розрахунки припускають визначення ефективності нагрівального агрегату і використовуваного палива 
Більшість опалювальних контурів в межах приміщення, що обігрівається прокладаються відкрито, крім конструктивно розташованих в підлозі або стінах варіантів. У закритих схемах необхідно врахувати енергію на нагрівання конструкцій 
У відкритих схемах опалення, контактують безпосередньо з атмосферою через розширювальний бачок, враховується втрати на охолодження теплоносія
ТП залежать від шарів, з яких складаються огороджувальні конструкції (далі - ОК). Сучасні будівельні матеріали, зокрема, утеплювачі, володіють низьким коефіцієнтом теплопровідності (далі - КТ), завдяки чому через них йде менше тепла. Для будинків однакової площі, але з різною будовою ОК, теплові витрати будуть відрізнятися.
Крім визначення ТП, важливо обчислити ТБ житла. Показник враховує не тільки кількість енергії, що покидає приміщення, але і кількість необхідної потужності для підтримки певних градусних мір в будинку.
Найбільш точні результати дають профільні програми, розроблені для будівельників. Завдяки їм можна врахувати більше чинників, що впливають на ТП.
Найбільша кількість тепла залишає приміщення через стіни, підлогу, дах, найменше - через двері, віконні прорізи
З високою точністю можна обчислити ТП житла за допомогою формул.
Загальні теплові витрати будинку розраховують за рівнянням:
Q = Q ok + Q v,
Де Q ok - кількість тепла, яка покидає приміщення через ОК; Q v - теплові витрати вентиляції.
Втрати через вентиляцію враховуються в тому випадку, якщо повітря, що потрапляє в приміщення, має більш низьку температуру.
У розрахунках зазвичай враховують ОК, що входять однією стороною на вулицю. Це зовнішні стіни, підлогу, дах, двері та вікна.
Загальні ТП Q ok дорівнюють сумі ТП кожної ОК, тобто:
Q ok = ΣQ st + ΣQ okn + ΣQ dv + ΣQ ptl + ΣQ pl,
де:
- Q st - значення ТП стін;
- Q okn - ТП вікон;
- Q dv - ТП дверей;
- Q ptl - ТП стелі;
- Q pl - ТП статі.
Якщо підлогу або стелю має неоднакову будову по всій площі, то ТП обчислюють для кожної ділянки окремо.
Розрахунок тепловтрат через ОК
Для обчислень потрібні такі відомості:
- будова стін, які використовуються матеріали, їх товщина, КТ;
- зовнішня температура в гранично холодну п'ятиденку зими в місті;
- площа ОК;
- орієнтація ОК;
- рекомендована температура в помешканні в зимовий період.
Для обчислення ТП потрібно знайти загальне теплове опір R ок. Для цього потрібно дізнатися тепловий опір R 1, R 2, R 3, …, R n кожного шару ОК.
Коефіцієнт R n розраховується за формулою:
Rn = B / k,
У формулі: B - товщина шару ОК в мм, k - КТ кожного шару.
Загальна R можливо визначити за виразом:
R = ΣR n
Виробники дверей і вікон зазвичай вказують коефіцієнт R в паспорті до виробу, тому розраховувати його окремо немає необхідності.
Тепловий опір вікон можна не розраховувати, оскільки в технічному паспорті вже присутні необхідні відомості, що спрощує обчислення ТП
Загальна формула розрахунку ТП через ОК виглядає наступним чином:
Q ok = ΣS × (t vnt - t nar) × R × l,
У вираженні:
- S - площа ОК, м 2;
- t vnt - бажана температура в приміщенні;
- t nar - зовнішня температура повітря;
- R - коефіцієнт опору, розраховується окремо або береться з паспорта вироби;
- l - уточнююче коефіцієнт, що враховує орієнтацію стін відносно сторін світу.
Розрахунок ТБ дозволяє підібрати обладнання необхідної потужності, що виключить ймовірність утворення дефіциту тепла або його надлишку. Дефіцит теплової енергії компенсують шляхом збільшення потоку повітря через вентиляцію, надлишок - установкою додаткового опалювального обладнання.
Теплові витрати вентиляції
Загальна формула розрахунку ТП вентиляції має наступний вигляд:
Q v = 0.28 × L n × p vnt × c × (t vnt - t nar),
У вираженні змінні мають наступний сенс:
- L n - витрати повітря, що поступає;
- p vnt - щільність повітря при певній температурі в приміщенні;
- c - теплоємність повітря;
- t vnt - температура в будинку;
- t nar - зовнішня температура повітря.
Якщо в будинку встановлена вентиляція, то параметр L n береться з технічних характеристик до приладу. Якщо ж вентиляція відсутня, то береться стандартний показник питомої повітрообміну, рівний 3 м 3 на годину.
Виходячи з цього, L n обчислюється за формулою:
L n = 3 × S pl,
У вираженні S pl - площа статі.
2% від усіх теплових втрат припадає на інфільтрацію, 18% - на вентиляцію. Якщо приміщення обладнане системою вентиляції, то в розрахунках враховують ТП через вентиляцію, а інфільтрацію до уваги не беруть
Далі слід обчислити щільність повітря p vnt при заданої в приміщенні температурі t vnt.
Зробити це можна за формулою:
p vnt = 353 / (273 + t vnt),
Питома теплоємність c = 1.0005.
Якщо вентиляція або інфільтрація неорганізована, в стінах присутні щілини або дірки, то обчислення ТП через отвори слід довірити спеціальними програмами.
В іншій нашій статті ми привели докладний приклад теплотехнічного розрахунку будівлі з конкретними прикладами і формулами.
Приклад розрахунку теплового балансу
Розглянемо будинок висотою 2.5 м, шириною 6 м і довжиною 8 м, що розташовується в місті Оха в Сахалінської області, де в гранично холодну 5-днювання градусник термометра опускається на -29 градусів.
В результаті вимірювання було встановлено температура грунту - +5. Рекомендована температура всередині конструкції становить +21 градус.
Зобразити схему будинку найзручніше на папері, вказавши не тільки довжину, ширину і висоту будівлі, а й орієнтованість щодо сторін світла, а також розташування, габарити вікон і дверей
Стіни розглянутого будинку складаються з:
- цегляної кладки товщиною В = 0.51 м, КТ k = 0.64;
- мінеральної вати В = 0.05 м, k = 0.05;
- облицювання В = 0.09 м, k = 0.26.
При визначенні k краще скористатися таблицями, представленими на сайті виробника, або знайти інформацію в технічному паспорті виробу.
Знаючи теплопровідність, можна підібрати максимально ефективні з точки зору теплової ізоляції матеріали. Виходячи з вищенаведеної таблиці, найбільш доцільно використовувати в будівництві мінераловатні плити і пінополістирол
Підлогове покриття складається з наступних шарів:
- OSB-плит В = 0.1 м, k = 0.13;
- мінвати В = 0.05 м, k = 0.047;
- стяжки цементної В = 0.05 м, k = 0.58;
- пінополістиролу В = 0.06 м, k = 0.043.
У будинку підвальне приміщення відсутня, а підлога має однакову будову по всій площі.
Стеля складається з шарів:
- листів гіпсокартону B = 0.025 м, k = 0.21;
- утеплювача В = 0.05 м, k = 0.14;
- покрівельного перекриття В = 0.05 м, k = 0.043.
Виходи на горище відсутні.
У будинку всього 6 двокамерних вікон з І-склом і аргоном. З технічного паспорта на вироби відомо, що R = 0.7. Вікна мають габарити 1.1х1.4 м.
Двері мають габарити 1х2.2 м, показник R = 0.36.
Крок # 1 - розрахунок тепловтрат стіни
Стіни по всій площі складаються з трьох шарів. Спочатку розрахуємо їх сумарне теплове опір.
Для чого використовуємо формулу:
R = ΣR n,
і вираз:
R n = B / k
З огляду на вихідні відомості, отримаємо:
R st = 0.51 / 0.64 + 0.05 / 0.05 + 0.09 / 0.26 = 0.79 +1 + 0.35 = 2.14
Дізнавшись R, можна приступити до розрахунків ТП північній, південній, східній і західній стіни.
Додаткові коефіцієнти враховують особливості розташування стін відносно сторін світу. Зазвичай в північній частині під час холодів утворюється "роза вітрів", в результаті чого ТП з цього боку будуть вище, ніж з інших
Обчислимо площа північної стіни:
S sev.sten = 8 × 2.5 = 20
Тоді, підставляючи в формулу Q ok = ΣS × (t vnt - t nar) × R × l і враховуючи, що l = 1.1, отримаємо:
Q sev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354
Площа південної стіни S yuch.st = S sev.st = 20.
У стіні відсутні вбудовані вікна або двері, тому, з огляду на коефіцієнт l = 1, отримаємо наступні ТП:
Q yuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140
Для західної і східної стіни коефіцієнт l = 1.05. Тому можна знайти загальну площу цих стін, тобто:
S zap.st + S vost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30
В стіни вбудовано 6 вікон і одні двері. Розрахуємо загальну площу вікон і S дверей:
S okn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24
S dv = 1 × 2.2 = 2.2
Визначимо S стін без урахування S вікон і дверей:
S vost + zap = 30 - 9.24 - 2.2 = 18.56
Підрахуємо загальні ТП східної і західної стіни:
Q vost + zap = 18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085
Отримавши результати, підрахуємо кількість тепла, що минає через стіни:
Qst = Q sev.st + Q yuch.st + Q vost + zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579
Разом загальні ТП стін становлять 6 кВт.
Крок # 2 - обчислення ТП вікон і дверей
Вікна розташовуються на східній і західній стінах, тому при розрахунках коєффіціент l = 1.05. Відомо, що будова всіх конструкцій однаково і R = 0.7.
Використовуючи значення площі, наведені вище, отримаємо:
Q okn = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340
Знаючи, що для дверей R = 0.36, а S = 2.2, визначимо їх ТП:
Q dv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42
У підсумку через вікна виходить 340 Вт тепла, а через двері - 42 Вт.
Крок # 3 - визначення ТП підлоги і стелі
Очевидно, що площа стелі та підлоги буде однакова, і обчислюється таким чином:
S pol = S ptl = 6 × 8 = 48
Розрахуємо загальне теплове опір статі з урахуванням його будови.
R pol = 0.1 / 0.13 + 0.05 / 0.047 + 0.05 / 0.58 + 0.06 / 0.043 = 0.77 + 1.06 + 0.17 + 1.40 = 3.4
Знаючи, що температура грунту t nar = + 5 і враховуючи коефіцієнт l = 1, обчислимо Q статі:
Q pol = 48 × (21 - 5) × 1 × 3.4 = 2611
Округливши, отримаємо, що тепловтрати статі складають близько 3 кВт.
У розрахунках ТП потрібно враховувати шари, що впливають на теплову ізоляцію, наприклад, бетон, дошки, цегляна кладка, утеплювачі та ін
Визначимо тепловий опір стелі R ptl і його Q:
- R ptl = 0.025 / 0.21 + 0.05 / 0.14 + 0.05 / 0.043 = 0.12 + 0.71 + 0.35 = 1.18
- Q ptl = 48 × (21 +29) × 1 × 1.18 = 2832
Звідси випливає, що через стелю та підлогу йде майже 6 кВт.
Крок # 4 - обчислення ТП вентиляції
У приміщенні вентиляція організована, обчислюється за формулою:
Q v = 0.28 × L n × p vnt × c × (t vnt - t nar)
Виходячи з технічних характеристик, питома теплообмін становить 3 кубічних метра на годину, тобто:
L n = 3 × 48 = 144.
Для обчислення щільності використовуємо формулу:
p vnt = 353 / (273 + t vnt).
Розрахункова температура в приміщенні становить +21 градус.
ТП вентиляції не розраховують, якщо система забезпечена пристроєм підігріву повітря
Підставляючи відомі значення, отримаємо:
p vnt = 353 / (273 + 21) = 1.2
Підставами в вищенаведену формулу отримані цифри:
Q v = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21 - 29) = 2431
З огляду на ТП на вентиляцію, загальне Q будівлі складе:
Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.
Перевівши в кВт, отримаємо загальні теплові втрати 16 кВт.
У розрахунках нагрівального агрегату для водяного опалення слід враховувати теплотворну здатність палива - кількість тепла, що виділяється при його згоранні 
При згорянні 1 кг кам'яного вугілля виділяється 5600-7000 ккал / кг теплової енергії, при згорянні бурого аналога тільки 2200-3200 ккал / кг 
Трохи ефективніше бурого вугілля дрова, які постачають тільки 2700-3200 ккал / кг. Однак це один з найдешевших і доступних видів палива 
Найбільш вигідний для використання в приватному господарстві газ, який виділяє 8400 ккал / нм³ при спалюванні одного його кубометра. Правда при використанні газу з балонів або газгольдера ціни будуть вище
Особливості розрахунку СВО
Після знаходження показника ТП переходять до гідравлічного розрахунку (далі - ГР).
На його основі отримують інформацію про наступних показниках:
- оптимальному діаметрі труб, який при перепадах тиску буде здатний пропускати задану кількість теплоносія;
- витраті теплоносія на певній ділянці;
- швидкості руху води;
- значенні питомої опору.
Перед початком розрахунків для спрощення обчислень зображують просторову схему системи, на якій всі її елементи розташовують паралельно один одному.
На схемі зображено система опалення з верхньою розводкою, рух теплоносія - тупиковий
Розглянемо основні етапи розрахунків водяного опалення.
ГР головного циркуляційного кільця
Методика розрахунку ГР грунтується на припущенні, що у всіх стояках і гілках перепади температури однакові.
Алгоритм розрахунку наступний:
- На зображеної схемою, враховуючи тепловтрати, наносять теплові навантаження, що діють на опалювальні прилади, стояки.
- Виходячи зі схеми, вибирають головне циркуляційний кільце (далі - ГЦК). Особливість цього кільця в тому, що в ньому циркуляційний тиск на одиницю довжини кільця приймає найменше значення.
- ГЦК розбивають на ділянки, які мають постійні витрати тепла. Для кожної ділянки вказують номер, теплове навантаження, діаметр і довжину.
У вертикальній системі однотрубного типу в якості ГЦК береться то кільце, через яке проходить найбільш навантажений стояк при тупиковому або попутному русі води по магістралях. Детальніше про пов'язування циркуляційних кілець в однотрубної системі і виборі основного ми говорили в наступній статті. Окремо приділили увагу порядку виконання розрахунків, використовуючи для наочності конкретний приклад.
У вертикальних системах двотрубного типу ГЦК проходить через нижню опалювальний пристрій, що має максимальне навантаження при тупиковому або попутному русі води
У горизонтальній системі однотрубного типу ГЦК має мати найменше циркуляційний тиск та одиницю довжини кільця. Для систем з природною циркуляцією ситуація аналогічна.
При ГР стояків вертикальної системи однотрубного типу проточні, проточно-регульовані стояки, що мають в своєму складі уніфіковані вузли, розглядають в якості єдиного контуру. Для стояків з замикаючими ділянками виробляють поділ, враховуючи розподіл води в трубопроводі кожного приладового вузла.
Витрата води на заданій ділянці обчислюється за формулою:
G kont = (3.6 × Q kont × β 1 × β 2) / ((t r - t 0) × c)
У вираженні літерні символи приймаю наступні значення:
- Q kont - теплове навантаження контуру;
- β 1, β 2 - додаткові табличні коефіцієнти, що враховують тепловіддачу в приміщенні;
- c - теплоємність води, рівна 4, 187;
- t r - температура води в подавальному магістралі;
- t 0 - температура води в зворотній магістралі.
Визначивши діаметр і кількість води, необхідно дізнатися швидкість її руху і значення питомої опору R. Всі розрахунки найзручніше здійснити за допомогою спеціальних програм.
ГР другорядного циркуляційного кільця
Після ГР головного кільця визначають тиск в малому циркуляційному кільці, що утворюється через найближчі його стояки, враховуючи, що втрати тиску можуть відрізнятися на не більше ніж 15% при тупикової схемою і не більше, ніж на 5%, при попутної.
Якщо неможливо пов'язати втрати тиску, встановлюють дросельну шайбу, діаметр якої обчислюють з використанням програмних методів.
Розрахунок радіаторних батарей
Повернемося до плану будинку, розміщеного вище. Шляхом обчислень було виявлено, що для підтримки теплового балансу буде потрібно 16 кВт енергії. В даному будинку 6 приміщень різного призначення - вітальня, санвузол, кухня, спальня, коридор, передпокій.
Виходячи з габаритів конструкції, можна обчислити об'єм V:
V = 6 × 8 × 2.5 = 120 м 3
Далі потрібно знайти кількість теплової потужності на один м 3. Для цього Q необхідно поділити на знайдений обсяг, тобто:
P = 16000/120 = 133 Вт на м 3
Далі необхідно визначити, скільки теплової потужності потрібно для однієї кімнати. На схемі площа кожного приміщення вже розрахована.
Визначимо обсяг:
- санвузол - 4.19 × 2.5 = 10.47;
- вітальня - 13.83 × 2.5 = 34.58;
- кухня - 9.43 × 2.5 = 23.58;
- спальня - 10.33 × 2.5 = 25.83;
- коридор - 4.10 × 2.5 = 10.25;
- передпокій - 5.8 × 2.5 = 14.5.
У розрахунках також потрібно враховувати приміщення, в яких опалювальних батарей немає, наприклад, коридор.
Коридор опалюється пасивним способом, в нього тепло надходитиме за рахунок циркуляції теплового повітря при пересуванні людей, через дверні прорізи та ін
Визначимо необхідну кількість тепла для кожної кімнати, помноживши об'єм кімнати на показник Р.
Отримаємо необхідну потужність:
- для санвузла - 10.47 × 133 = тисяча триста дев'яносто два Вт;
- для вітальні - 34.58 × 133 = 4599 Вт;
- для кухні - 23.58 × 133 = 3136 Вт;
- для спальні - 25.83 × 133 = 3435 Вт;
- для коридору - 10.25 × 133 = тисяча триста шістьдесят три Вт;
- для передпокою - 14.5 × 133 = 1889 Вт.
Приступимо до розрахунку радіаторних батарей. Будемо використовувати алюмінієві радіатори, висота яких складаємо 60 см, потужність при температурі 70 дорівнює 150 Вт.
Підрахуємо необхідну кількість радіаторних батарей:
- санвузол - 1392/150 = 10;
- вітальня - 4599/150 = 31;
- кухня - 3136/150 = 21;
- спальня - 3435/150 = 23;
- передпокій - 1889/150 = 13.
Разом буде потрібно: 10 + 31 + 21 + 23 + 13 = 98 радіаторних батарей.
У нас на сайті також є інші статті, в яких ми детально розглянули порядок виконання теплового розрахунку системи опалення, покроковий розрахунок потужності радіаторів і труб опалення. А якщо ваша система передбачає наявність теплих підлог, то вам знадобиться виконати додаткові обчислення.
Більш докладно всі ці питання висвітлені в наступних наших статтях:
- Тепловий розрахунок системи опалення: як грамотно зробити розрахунок навантаження на систему
- Розрахунок радіаторів опалення: як розрахувати необхідну кількість і потужність батарей
- Розрахунок обсягу труби: принципи обчислень і правила здійснення розрахунків в літрах і кубічних метрах
- Як зробити розрахунок теплої підлоги на прикладі водяної системи
- Розрахунок труб для теплої підлоги: види труб, способи і крок укладання + розрахунок витрати
Висновки і корисне відео по темі
У відео можна ознайомитися з прикладом розрахунку водяного опалення, який здійснюється засобами програми Valtec:
Гідравлічні розрахунки найкраще здійснювати за допомогою спеціальних програм, які гарантують високу точність обчислень, враховують всі нюанси конструкції.
Ви спеціалізуєтесь на виконанні розрахунку систем опалення з використанням води в якості теплоносія і хочете доповнити нашу статтю корисними формулами, поділитися професійними секретами?
А може хочете акцентувати увагу на додаткових розрахунках або вказати на неточність в наших обчисленнях? Пишіть, будь ласка, свої зауваження та рекомендації в блоці під статтею.