Toplotni izračun ogrevalnega sistema: kako pravilno izračunati obremenitev sistema

Projektiranje in toplotni izračun ogrevalnega sistema – obvezen korak pri urejanju ogrevanja hiše. Glavna naloga izračunskih ukrepov – določitev optimalnih parametrov kotla in sistema radiatorjev.

Strinjali se boste, da se na prvi pogled zdi, da je izvajanje toplotnotehničnega izračuna usposobljen le inženirju. Vendar ni vse tako zapleteno. Z poznavanjem algoritma dejanj boste lahko sami opravili potrebne izračune.

V članku je podrobno opisan postopek izračuna in podane so vse potrebne formule. Za boljše razumevanje smo pripravili primer toplotnega izračuna za zasebno hišo.

Toplotni izračun ogrevanja: splošni postopek

Klasični toplotni izračun ogrevalnega sistema je zbirni tehnični dokument, ki vključuje obvezne postopne standardne metode izračunov.

Toda pred preučevanjem teh izračunov osnovnih parametrov se je treba opredeliti do koncepta samega ogrevalnega sistema.

Ogrevalni sistem je značilen po prisilnem dovajanju in nenamernem odvajanju toplote v prostoru.

Glavne naloge izračuna in načrtovanja ogrevalnega sistema:

• najbolj zanesljivo določiti toplotne izgube;
• določiti količino in pogoje uporabe toplotnega nosilca;
• čim bolj natančno izbrati elemente za generacijo, prenos in oddajanje toplote.

Pri gradnji ogrevalnega sistema je treba najprej zbrati različne podatke o prostoru/objektu, kjer bo sistem uporabljen. Nato izvesti izračun toplotnih parametrov sistema in analizirati rezultate aritmetičnih operacij.

Na podlagi pridobljenih podatkov se izberejo komponente ogrevalnega sistema, čemur sledi nakup, namestitev in zagon.

Ogrevanje – je večkomponentni sistem za zagotavljanje predpisanega temperaturnega režima v prostoru/objektu. Predstavlja ločen del kompleksa komunikacij v sodobnem bivalnem prostoru.

Zanimivo je, da navedena metoda toplotnega izračuna omogoča dokaj natančen izračun velikega števila veličin, ki natančno opisujejo prihodnji ogrevalni sistem.

Kot rezultat toplotnega izračuna boste imeli na voljo naslednje informacije:

• število toplotnih izgub, moč kotla;
• količino in vrsto toplotnih radiatorjev za vsako sobo posebej;
• hidravlične značilnosti cevovoda;
• prostornino, hitrost toplotnega nosilca, moč toplotne črpalke.

Toplotni izračun – ni teoretični osnutek, temveč povsem natančni in utemeljeni zaključki, ki jih je priporočljivo uporabiti v praksi pri izbiri komponent ogrevalnega sistema.

Norme temperaturnih režimov prostorov

Pred izvedbo kakršnih koli izračunov parametrov sistema je treba vsaj poznati vrstni red pričakovanih rezultatov ter imeti na voljo standardizirane značilnosti nekaterih tabelarnih veličin, ki jih je treba vstaviti v formule ali se nanje orientirati.

Po opravljenih izračunih parametrov s takšnimi konstantami ste lahko prepričani v zanesljivost iskanega dinamičnega ali stalnega parametra sistema.

Za prostore različnih namenov obstajajo referenčni standardi temperaturnih režimov za stanovanjske in nestanovanjske prostore. Te norme so določene v tako imenovanih GOST-ih.

Za ogrevalni sistem je eden takih globalnih parametrov temperatura prostora, ki mora biti stalna ne glede na letni čas in okoljske pogoje.

V skladu s predpisi sanitarnih normativov in pravil obstajajo razlike v temperaturi glede na poletno in zimsko obdobje leta. Za temperaturni režim prostora v poletni sezoni je odgovoren klimatski sistem, načelo njegovega izračuna je podrobno opisano v tem članku.

Sobna temperatura zraka v zimskem obdobju pa je zagotovljena z ogrevalnim sistemom. Zato so nas zanimajo temperaturna območja in njihova dovoljena odstopanja za zimsko sezono.

V večini normativnih dokumentov so določeni naslednji temperaturni razponi, ki človeku omogočajo udobno bivanje v prostoru.

Za nestanovanjske prostore pisarniškega tipa s površino do 100 m²:

• 22-24°C – optimalna temperatura zraka;
• 1°C – dopustno nihanje.

Za prostore pisarniškega tipa s površino nad 100 m² je temperatura 21-23°C. Pri nestanovanjskih prostorih industrijskega tipa se temperaturni razponi močno razlikujejo glede na namen prostora in predpisane standarde varstva pri delu.

Udobna temperatura prostora je za vsakega človeka “svoja”. Nekdo ima rad, da je v sobi zelo toplo, drugemu je udobno, ko je v sobi hladno – vse to je precej individualno.

Kar zadeva stanovanjske prostore: stanovanja, zasebne hiše, dvorci itd. – obstajajo določeni temperaturni razponi, ki se lahko prilagajajo glede na želje stanovalcev.

Vendar pa za posamezne prostore stanovanja in hiše velja:

• 20-22°C – bivalni prostor, vključno z otroško sobo, dopustno odstopanje ±2°C –
• 19-21°C – kuhinja, stranišče, dopustno odstopanje ±2°C;
• 24-26°C – kopalnica, tuš kabina, bazen, dopustno odstopanje ±1°C;
• 16-18°C – hodniki, predsobe, stopnišča, shrambe, dopustno odstopanje +3°C

Pomembno je poudariti, da obstaja še nekaj osnovnih parametrov, ki vplivajo na temperaturo v prostoru in na katere se je treba zanašati pri načrtovanju ogrevalnega sistema: vlažnost (40–60 %), koncentracija kisika in ogljikovega dioksida v zraku (250 : 1), hitrost gibanja zračnih mas (0.13–0.25 m/s) itd.

Izračun toplotnih izgub v hiši

V skladu z drugim zakonom termodinamike (šolska fizika) ne obstaja samodejni prenos energije z manj segretih na bolj segrete mini- ali makroobjekte. Poseben primer tega zakona je “težnja” po vzpostavitvi temperaturnega ravnovesja med dvema termodinamičnima sistemoma.

Na primer, prvi sistem – okolje s temperaturo -20°C, drugi sistem – stavba z notranjo temperaturo +20°C. V skladu z navedenim zakonom si bosta ta dva sistema prizadevala za ravnovesje z izmenjavo energije. To se bo dogajalo s pomočjo toplotnih izgub iz drugega sistema in ohlajanja prvega.

Nedvoumno lahko rečemo, da je temperatura okolja odvisna od zemljepisne širine, na kateri se nahaja zasebna hiša. Temperaturna razlika pa vpliva na količino toplotnih uhajanj iz stavbe (+).

Pod toplotnimi izgubami razumemo nehoten izhod toplote (energije) iz nekega objekta (hiše, stanovanja). Za običajno stanovanje je ta proces manj 'opazen' v primerjavi s samostojno hišo, saj se stanovanje nahaja znotraj stavbe in 'meji' na druga stanovanja.

V samostojni hiši skozi zunanje stene, tla, streho, okna in vrata v večji ali manjši meri 'uhaja' toplota.

Če poznamo vrednost toplotnih izgub za najbolj neugodne vremenske razmere in značilnosti teh razmer, lahko z visoko natančnostjo izračunamo moč ogrevalnega sistema.

Torej se količina uhajanja toplote iz stavbe izračuna po naslednji formuli:

Q=Q_tla+Q_stena+Q_okno+Q_streha+Q_vrata+…+Q_i, kjer

Qi – količina toplotnih izgub iz homogenega tipa ovoja stavbe.

Vsaka komponenta formule se izračuna po formuli:

Q=S*∆T/R, kjer

• Q – toplotne izgube, W;
• S – površina določene vrste konstrukcije, m²;
• ∆T – temperaturna razlika med zunanjim zrakom in notranjim prostorom, °C;
• R – toplotna upornost določene vrste konstrukcije, m²*°C/W.

Vrednost toplotne upornosti za dejansko obstoječe materiale je priporočljivo vzeti iz pomožnih tabel.

Poleg tega lahko toplotno upornost dobimo z naslednjim razmerjem:

R=d/k, kjer

• R – toplotna upornost, (m²*K)/W;
• k – koeficient toplotne prevodnosti materiala, W/(m²*K);
• d – debelina tega materiala, m.

V starih hišah z vlažno strešno konstrukcijo prihaja do uhajanja toplote skozi zgornji del objekta, in sicer skozi streho in podstrešje. Izvedba ukrepov za izolacijo stropa ali toplotno izolacijo mansardne strehe reši ta problem.

Če izoliramo podstrešni prostor in streho, lahko skupne toplotne izgube iz hiše znatno zmanjšamo.

V hiši obstaja še nekaj vrst toplotnih izgub skozi reže v konstrukcijah, prezračevalni sistem, kuhinjsko napo, odpiranje oken in vrat. Vendar njihove količine ni smiselno upoštevati, saj predstavljajo največ 5% celotnih glavnih toplotnih izgub.

Določitev moči kotla

Za vzdrževanje temperaturne razlike med okolico in temperaturo v hiši je potreben avtonomen ogrevalni sistem, ki vzdržuje želeno temperaturo v vsaki sobi samostojne hiše.

Osnovo ogrevalnega sistema predstavljajo različne vrste kotlov: tekoče- ali trdno gorivni, električni ali plinski.

Kotel je osrednji člen ogrevalnega sistema, ki ustvarja toploto. Glavna značilnost kotla je njegova moč, in sicer hitrost pretvorbe količine toplote na enoto časa.

Po izračunu toplotne obremenitve za ogrevanje dobimo zahtevano nazivno moč kotla.

Za navadno večsobno stanovanje se moč kotla izračuna preko površine in specifične moči:

Р_kotla=(S_prostora*Р_specifična)/10, kjer

• S_prostora – skupna površina ogrevanega prostora;
• Р_specifična – specifična moč glede na podnebne razmere.

Vendar ta formula ne upošteva toplotnih izgub, ki jih je v zasebni hiši dovolj.

Obstaja drugo razmerje, ki upošteva ta parameter:

Р_kotla=(Q_izgub*S)/100, kjer

• Р_kotla – moč kotla;
• Q_izgub – toplotne izgube;
• S – ogrevana površina.

Izračunano moč kotla je treba povečati. Rezerva je potrebna, če nameravate uporabljati kotel za ogrevanje vode za kopalnico in kuhinjo.

V večini ogrevalnih sistemov zasebnih hiš je priporočljivo obvezno uporabljati ekspanzijsko posodo, v kateri se bo hranila zaloga toplotnega nosilca. Vsaka zasebna hiša potrebuje oskrbo s toplo vodo.

Da bi predvideli rezervo moči kotla, je treba v zadnjo formulo dodati koeficient rezerve K:

Р_kotla=(Q_izgub*S*K)/100, kjer

K – bo enak 1.25, to pomeni, da bo izračunana moč kotla povečana za 25%.

Tako moč kotla omogoča vzdrževanje normativne temperature zraka v prostorih stavbe ter tudi začetno in dodatno količino tople vode v hiši.

Značilnosti izbire radiatorjev

Standardne komponente za zagotavljanje toplote v prostoru so radiatorji, paneli, sistemi »topla tla«, konvektorji itd. Najbolj razširjeni deli ogrevalnega sistema so radiatorji.

Toplotni radiator – to je posebna votla konstrukcija modularnega tipa iz zlitine z visoko toplotno prevodnostjo. Izdelan je iz jekla, aluminija, litega železa, keramike in drugih zlitin. Načelo delovanja ogrevalnega radiatorja temelji na sevanju energije od toplotnega nosilca v prostor skozi »lopute«.

Aluminijasti in bimetalni ogrevalni radiator sta nadomestila masivne litoželezne baterije. Preprostost proizvodnje, visoka toplotna oddaja, uspešna konstrukcija in dizajn so ta izdelek naredili priljubljeno in razširjeno orodje za oddajanje toplote v prostoru.

Obstaja več metod izračuna radiatorjev ogrevanja v prostoru. Spodnji seznam načinov je razvrščen po naraščajoči natančnosti izračunov.

Možnosti izračunov:

1. Po površini. N=(S*100)/C, kjer je N število segmentov, S površina prostora (m²), C toplotna moč enega segmenta radiatorja (W, vzame se iz tehničnega lista ali certifikata izdelka), 100 W količina toplotnega toka, potrebna za ogrevanje 1 m² (empirična vrednost). Postavlja se vprašanje: kako upoštevati višino stropa prostora?
2. Po prostornini. N=(S*H*41)/C, kjer so N, S, C podobno. H je višina prostora, 41 W količina toplotnega toka, potrebna za ogrevanje 1 m³ (empirična vrednost).
3. Po koeficientih. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, kjer so N, S, C in 100 podobno. k1 – upoštevanje števila komor v zasteklitvi okna prostora, k2 – toplotna izolacija sten, k3 – razmerje med površino oken in površino prostora, k4 – povprečna pod ničlo temperatura v najhladnejšem tednu zime, k5 – število zunanjih sten prostora (ki “gledajo” na ulico), k6 – vrsta prostora zgoraj, k7 – višina stropa.

To je najbolj natančna možnost izračuna števila segmentov. Seveda se zaokroževanje delnih rezultatov izračunov vedno izvede na naslednje celo število.

Hidravlični izračun oskrbe z vodo

Seveda “slika” izračuna toplote za ogrevanje ne more biti popolna brez izračuna značilnosti, kot sta prostornina in hitrost toplotnega nosilca. V večini primerov je toplotni nosilec navadna voda v tekočem ali plinastem agregatnem stanju.

Priporočljivo je izračunati dejansko prostornino toplotnega nosilca s seštevanjem vseh votlin v ogrevalnem sistemu. Pri uporabi enokrožnega kotla – to je optimalna možnost. Pri uporabi dvokrožnih kotlov v ogrevalnem sistemu je treba upoštevati porabo tople vode za higienske in druge gospodinjske namene.

Izračun prostornine vode, ki jo ogreva dvokrožni kotel za oskrbo stanovalcev s toplo vodo in ogrevanje toplotnega nosilca, se izvede s seštevanjem notranje prostornine ogrevalnega kroga in dejanskih potreb uporabnikov po segreti vodi.

Prostornina tople vode v ogrevalnem sistemu se izračuna po formuli:

W=k*P, kjer

• W – prostornina toplotnega nosilca;
• P – moč ogrevalnega kotla;
• k – koeficient moči (število litrov na enoto moči, enak 13.5, razpon – 10-15 l).

Končna formula je torej:

W = 13.5*P

Hitrost toplotnega nosilca – zaključna dinamična ocena ogrevalnega sistema, ki opisuje hitrost kroženja tekočine v sistemu.

Ta vrednost pomaga oceniti vrsto in premer cevovoda:

V=(0.86*P*μ)/∆T, kjer

• P – moč kotla;
• μ – izkoristek kotla;
• ∆T – temperaturna razlika med dovodno vodo in vodo v povratnem krogu.

Z uporabo zgoraj navedenih metod hidravličnega izračuna boste dobili realne parametre, ki so “temelj” bodočega ogrevalnega sistema.

Primer toplotnega izračuna

Kot primer toplotnega izračuna imamo navadno enonadstropno hišo s štirimi dnevnimi sobami, kuhinjo, kopalnico, “zimskim vrtom” in pomožnimi prostori.

Temelj iz monolitne armiranobetonske plošče (20 cm), zunanje stene – beton (25 cm) z ometom, streha – leseni nosilci, kritina – kovinska opeka in mineralna volna (10 cm)

Označimo začetne parametre hiše, potrebne za izvedbo izračunov.

Mere stavbe:

• višina nadstropja – 3 m;
• majhno okno na fasadi in zadnji strani stavbe 1470*1420 mm;
• veliko okno na fasadi 2080*1420 mm;
• vhodna vrata 2000*900 mm;
• vrata na zadnji strani (izhod na teraso) 2000*1400 (700+700) mm.

Skupna širina stavbe je 9.5 m², dolžina 16 m². Ogrevale se bodo samo dnevne sobe (4), kopalnica in kuhinja.

Za natančen izračun toplotnih izgub na stenah je treba od površine zunanjih sten odšteti površino vseh oken in vrat – gre za popolnoma drugačen material s svojo toplotno odpornostjo.

Začnemo z izračunom površin homogenih materialov:

• površina tal – 152 m²;
• površina strehe – 180 m², upoštevajoč višino podstrešja 1.3 m in širino slemena – 4 m;
• površina oken – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• površina vrat – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

Površina zunanjih sten bo enaka 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Preidimo k izračunu toplotnih izgub pri vsakem materialu:

• Q_tla=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_streha=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_okno=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_vrata=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

In še Q_stena je enako 136.38*40*0.25/0.3=4546. Skupaj vse toplotne izgube znašajo 19628.4 W.

Na koncu izračunamo moč kotla: P_kotla=Q_izgub*S_{ogrevanih_prostorov}*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.

Izračun števila členov radiatorjev bomo naredili za eno od sob. Za vse ostale so izračuni enaki. Na primer, kotna soba (levo, spodnji kot sheme) ima površino 10.4 m².

Torej, 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.

Za to sobo je potrebnih 9 členov ogrevalnega radiatorja s toplotno močjo 180 W.

Preidimo k izračunu količine toplotnega medija v sistemu – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Torej bo hitrost toplotnega medija znašala: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

Posledično bo celoten obtok celotne prostornine toplotnega nosilca v sistemu enakovreden 2.87-krat na uro.

Zbirka člankov o toplotnem izračunu vam bo pomagala določiti natančne parametre elementov ogrevalnega sistema:

1. Izračun ogrevalnega sistema zasebne hiše: pravila in primeri izračuna
2. Toplotnotehnični izračun stavbe: specifika in formule za izvajanje izračunov + praktični primeri

Zaključki in koristen video na to temo

Preprost izračun ogrevalnega sistema za zasebno hišo je predstavljen v naslednjem pregledu:

Vse podrobnosti in splošno sprejete metode izračuna toplotnih izgub stavbe so prikazane spodaj:

Še ena možnost izračuna uhajanja toplote v tipični zasebni hiši:

V tem videu so opisane posebnosti kroženja energijskega nosilca za ogrevanje bivališča:

Toplotni izračun ogrevalnega sistema je individualne narave in ga je treba izvesti strokovno in natančno. Bolj natančno bodo opravljeni izračuni, manj bodo morali lastniki podeželske hiše preplačati med obratovanjem.

Imate izkušnje z izvajanjem toplotnega izračuna ogrevalnega sistema? Ali imate vprašanja o tej temi? Prosimo, delite svoje mnenje in pustite komentarje. Povratni obrazec se nahaja spodaj.