Расчет водяного отопления: Расчет водяного отопления: пример расчета теплового баланса

Расчет водяного отопления: пример расчета теплового баланса

Использование воды в качестве теплоносителя в системе отопления — один из самых популярных вариантов обеспечить свой дом теплом в холодное время года. Нужно лишь правильно спроектировать, а затем выполнить монтаж системы. Иначе отопление будет неэффективным при высоких затратах топлива, что, согласитесь, крайне неинтересно при сегодняшних ценах на энергоресурсы.

Осуществить самостоятельно расчет водяного отопления (далее — СВО) без использования профильных программ невозможно, поскольку в вычислениях используются сложные выражения, определить значения которых с помощью обычного калькулятора нельзя. В этой статье мы подробно разберем алгоритм выполнения вычислений, приведем применяемые формулы, рассмотрев ход выполнения расчетов на конкретном примере.

Изложенный материал дополним таблицами со значениями и справочными показателями, которые нужны при проведении вычислений, тематическими фото и видеороликом, в котором продемонстрирован наглядный пример расчета путем использования программы.

Содержание статьи:

• Расчет теплового баланса жилищной конструкции
  • Расчет теплопотерь через ОК
  • Тепловые расходы вентиляции
• Пример расчета теплового баланса
  • Шаг #1 — расчет теплопотерь стены
  • Шаг #2 — вычисление ТП окон и дверей
  • Шаг #3 — определение ТП пола и потолка
  • Шаг #4 — вычисление ТП вентиляции
• Особенности расчета СВО
  • ГР главного циркуляционного кольца
  • ГР второстепенного циркуляционного кольца
  • Расчет радиаторных батарей
• Выводы и полезное видео по теме

Расчет теплового баланса жилищной конструкции

Для внедрения обогревательной установки, где в качестве циркуляционного вещества  выступает вода, требуется предварительно произвести точные .

При разработке, внедрении любой системы обогревательного типа необходимо знать тепловой баланс (далее – ТБ). Зная тепловую мощность для поддержания температуры в помещении, можно правильно подобрать оборудование и грамотно распределить его нагрузку.

Зимой помещение несет определенные тепловые потери (далее – ТП). Основная масса энергии выходит через ограждающие элементы и вентиляционные проемы. Незначительные расходы приходятся на инфильтрацию, нагревание предметов и др.

Галерея изображений

Фото из

Грамотный расчет водяного отопления по аналогии с другими видами систем необходим для подбора нагревательного агрегата, способного полноценно возместить потери тепла

В расчетах суммируются все виды потерь через ограждающие конструкции, утечки через дверные и оконные проемы

В вычислениях мощности оборудования следует учесть необходимость обогрева воздуха, поступающего в помещения во время проветривания и через неплотно закрытые створки окон и полотна дверей

В обязательном порядке учитывается обогрев воздушного потока, поставляемого приточной принудительной вентиляцией с функцией частичного подмеса свежей порции воздуха

При включении двухконтурного котла в схему отопления в подсчете реальной мощности учитывается энергия, потраченная на нагрев горячей воды

Правильно выполненные расчеты предполагают определение эффективности нагревательного агрегата и используемого топлива

Большинство отопительных контуров в пределах обогреваемого помещения прокладываются открыто, кроме конструктивно расположенных в полу или стенах вариантов. В закрытых схемах необходимо учесть энергию на нагрев конструкций

В открытых схемах отопления, контактирующих напрямую с атмосферой через расширительный бачок, учитывается потери на остывания теплоносителя

Выполнение расчета водяного отопления

Потери через конструкции

Учет обогрева поступающего воздуха

Вентиляция с подмесом свежего воздуха

Учет потерь на подготовку горячей воды

Вычисление эффективности перерабатываемого в котле горючего

Один из вариантов устройства отопительного контура

Система с открытым расширительным бачком

ТП зависят от слоев, из которых состоят ограждающие конструкции (далее — ОК). Современные строительные материалы, в частности, утеплители, обладают низким (далее – КТ), благодаря чему через них уходит меньше тепла. Для домов одинаковой площади, но с разным строением ОК, тепловые затраты будут отличаться.

Помимо определения ТП, важно вычислить ТБ жилища. Показатель учитывает не только количество энергии, покидающей помещение, но и количество необходимой мощности для поддержания определенных градусных мер в доме.

Наиболее точные результаты дают профильные программы, разработанные для строителей. Благодаря им возможно учесть больше факторов, влияющих на ТП.

Наибольшее количество тепла покидает помещение через стены, пол, крышу, наименьшее — через двери, оконные проемы

С высокой точностью можно вычислить ТП жилища с помощью формул.

Общие тепловые расходы дома рассчитывают по уравнению:

Q = Q_ok + Q_v,

Где Q_ok — количество тепла, покидающее помещение через ОК; Q_v — тепловые расходы вентиляции.

Потери через вентиляцию учитываются в том случае, если воздух, попадающий в помещение, имеет более низкую температуру.

В расчетах обычно учитывают ОК, входящие одной стороной на улицу. Это наружные стены, пол, крыша, двери и окна.

Общие ТП Q_ok равны сумме ТП каждой ОК, то есть:

Q_ok = ∑Q_st + ∑Q_okn + ∑Q_dv +∑Q_ptl + ∑Q_pl,

Где:

• Q_st — значение ТП стен;
• Q_okn — ТП окон;
• Q_dv — ТП дверей;
  
• Q_ptl — ТП потолка;
  
• Q_pl — ТП пола.

Если пол или потолок имеет неодинаковое строение по всей площади, то ТП вычисляют для каждого участка отдельно.

Расчет теплопотерь через ОК

Для вычислений потребуются следующие сведения:

• строение стен, используемые материалы, их толщина, КТ;
• наружная температура в предельно холодную пятидневку зимы в городе;
• площадь ОК;
• ориентация ОК;
• рекомендуемая температура в жилище в зимний период.

Для вычисления ТП нужно найти общее тепловое сопротивление R_ок. Для этого нужно узнать тепловое сопротивление R₁, R₂, R₃, …, R_n каждого слоя ОК.

Коэффициент R_n рассчитывается по формуле:

Rn = B/k,

В формуле: B — толщина слоя ОК в мм, k — КТ каждого слоя.

Общее R возможно определить по выражению:

R = ∑R_n

Производители дверей и окон обычно указывают коэффициент R в паспорте к изделию, поэтому рассчитывать его отдельно нет необходимости.

Тепловое сопротивление окон можно не рассчитывать, поскольку в техническом паспорте уже присутствуют необходимые сведения, что упрощает вычисление ТП

Общая формула расчета ТП через ОК выглядит следующим образом:

Q_ok = ∑S × (t_vnt — t_nar) × R × l,

В выражении:

• S — площадь ОК, м²;
• t_vnt — желаемая температура в помещении;
• t_nar — наружная температура воздуха;
• R — коэффициент сопротивления, рассчитывается отдельно или берется из паспорта изделия;
• l — уточняющий коэффициент, учитывающий ориентацию стен относительно сторон света.

Расчет ТБ позволяет подобрать оборудование необходимой мощности, что исключит вероятность образования дефицита тепла или его переизбытка. Дефицит тепловой энергии компенсируют путем увеличение потока воздуха через вентиляцию, переизбыток – установкой дополнительного отопительного оборудования.

Тепловые расходы вентиляции

Общая формула расчета ТП вентиляции имеет следующий вид:

Q_v = 0.28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt — t_nar),

В выражении переменные имеют следующий смысл:

• L_n — затраты поступающего воздуха;
• p_vnt — плотность воздуха при определенной температуре в помещении;
• c — теплоемкость воздуха;
• t_vnt — температура в доме;
• t_nar — наружная температура воздуха.

Если в здании установлена вентиляция, то параметр L_n берется из технических характеристик к прибору. Если же вентиляция отсутствует, то берется стандартный показатель удельного воздухообмена, равный 3 м³ в час.

Исходя из этого, L_n вычисляется по формуле:

L_n = 3 × S_pl,

В выражении S_pl — площадь пола.

2% от всех тепловых потерь приходится на инфильтрацию, 18% — на вентиляцию. Если помещение оборудовано системой вентиляции, то в расчетах учитывают ТП через вентиляцию, а инфильтрацию во внимание не берут

Далее следует вычислить плотность воздуха p_vnt при заданной в помещении температуре t_vnt.

Сделать это можно по формуле:

p_vnt = 353/(273+t_vnt),

Удельная теплоемкость c = 1.0005.

Если вентиляция или инфильтрация неорганизованная, в стенах присутствуют щели или дыры, то вычисление ТП через отверстия следует доверить специальным программам.

В другой нашей статье мы привели подробный здания с конкретными примерами и формулами.

Пример расчета теплового баланса

Рассмотрим дом высотой 2.5 м, шириной 6 м и длиной 8 м, располагающийся в городе Оха в Сахалинской области, где в предельно холодную 5-дневку градусник термометра опускается на -29 градусов.

В результате измерения было установлена температура грунта — +5. Рекомендуемая температура внутри конструкции составляет +21 градус.

Изобразить схему дома удобнее всего на бумаге, указав не только длину, ширину и высоту постройки, но и ориентированность относительно сторон света, а также расположение, габариты окон и дверей

Стены рассматриваемого дома состоят из:

• кирпичной кладки толщиной В=0.51 м, КТ k=0.64;
• минеральной ваты В=0.05 м, k=0.05;
• облицовки В=0.09 м, k=0.26.

При определении k лучше воспользоваться таблицами, представленными на сайте производителя, или найти информацию в техническом паспорте изделия.

Зная теплопроводность, можно подобрать максимально эффективные с точки зрения тепловой изоляции материалы. Исходя из вышеприведенной таблицы, наиболее целесообразно использовать в строительстве минераловатные плиты и пенополистирол

Напольное покрытие состоит из следующих слоев:

• OSB-плит В=0.1 м, k=0.13;
• минваты В=0.05 м, k=0.047;
• стяжки цементной В=0.05 м, k=0. 58;
• пенополистирола В=0.06 м, k=0.043.

В доме подвальное помещение отсутствует, а пол имеет одинаковое строение по всей площади.

Потолок состоит из слоев:

• листов гипсокартона B=0.025 м, k= 0.21;
• утеплителя В=0.05 м, k=0.14;
• кровельного перекрытия В=0.05 м, k=0.043.

Выходы на чердак отсутствуют.

В доме всего 6 двухкамерных окон с И-стеклом и аргоном. Из технического паспорта на изделия известно, что R=0.7. Окна имеют габариты 1.1х1.4 м.

Двери имеют габариты 1х2.2 м, показатель R=0.36.

Шаг #1 — расчет теплопотерь стены

Стены по всей площади состоят из трех слоев. Вначале рассчитаем их суммарное тепловое сопротивление.

Для чего используем формулу:

R = ∑R_n,

и выражение:

R_n = B/k

Учитывая исходные сведения, получим:

R_st = 0.51/0.64 + 0.05/0.05 + 0.09/0.26 = 0.79 +1 + 0.35 = 2.14

Узнав R, можно приступить к расчетам ТП северной, южной, восточной и западной стены.

Добавочные коэффициенты учитывают особенности расположения стен относительно сторон света. Обычно в северной части во время холодов образуется «роза ветров»,в результате чего ТП с этой стороны будут выше, чем с других

Вычислим площадь северной стены:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

Тогда, подставляя в формулу Q_ok = ∑S × (t_vnt — t_nar) × R × l и учитывая, что l=1.1, получим:

Q_sev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354

Площадь южной стены S_yuch.st = S_sev.st = 20.

В стене отсутствуют встроенные окна или двери, поэтому, учитывая коэффициент l=1, получим следующие ТП:

Q_yuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140

Для западной и восточной стены коэффициент l=1.05. Поэтому можно найти общую площадь этих стен, то есть:

S_zap.st + S_vost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30

В стены встроено 6 окон и одна дверь. Рассчитаем общую площадь окон и S дверей:

S_okn = 1. 1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Определим S стен без учета S окон и дверей:

S_vost+zap = 30 — 9.24 — 2.2 = 18.56

Подсчитаем общие ТП восточной и западной стены:

Q_vost+zap =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085

Получив результаты, подсчитаем количество тепла, уходящего через стены:

Qst = Q_sev.st  +  Q_yuch.st  +  Q_vost+zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579

Итого общие ТП стен составляют 6 кВт.

Шаг #2 — вычисление ТП окон и дверей

Окна располагаются на восточной и западной стенах, поэтому при расчетах коєффициент l=1.05. Известно, что строение всех конструкций одинаково и R=0.7.

Используя значения площади, приведенные выше, получим:

Q_okn = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340

Зная, что для дверей R=0.36, а S=2.2, определим их ТП:

Q_dv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42

В итоге через окна выходит 340 Вт тепла, а через двери — 42 Вт.

Шаг #3 — определение ТП пола и потолка

Очевидно, что площадь потолка и пола будет одинакова, и вычисляется следующим образом:

S_pol = S_ptl = 6 × 8 = 48

Рассчитаем общее тепловое сопротивление пола с учетом его строения.

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

Зная, что температура грунта t_nar=+5 и учитывая коэффициент l=1, вычислим Q пола:

Q_pol = 48 × (21 — 5) × 1 × 3.4 = 2611

Округлив, получим, что теплопотери пола составляют около 3 кВт.

В расчетах ТП нужно учитывать слои, влияющие на тепловую изоляцию, например, бетон, доски, кирпичная кладка, утеплители и др

 

Определим тепловое сопротивление потолка R_ptl и его 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

Отсюда следует, что через потолок и пол уходит почти 6 кВт.

Шаг #4 — вычисление ТП вентиляции

В помещении вентиляция организована, вычисляется по формуле:

Q_v = 0.28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt — t_nar)

Исходя из технических характеристик, удельный теплообмен составляет 3 кубических метра в час, то есть:

L_n = 3 × 48 = 144.

Для вычисления плотности используем формулу:

p_vnt = 353/(273+t_vnt).

Расчетная температура в помещении составляет +21 градус.

ТП вентиляции не рассчитывают, если система снабжена устройством подогрева воздуха

Подставляя известные значения, получим:

p_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Подставим в вышеприведенную формулу полученные цифры:

Q_v = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21  — 29) = 2431

Учитывая ТП на вентиляцию, общее Q здания составит:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

Переведя в кВт, получим общие тепловые потери 16 кВт.

Галерея изображений

Фото из

Проведение учета теплотворной способности топлива

Определение количества тепла при сгорании угля

Способность при сжигании дров

Оптимальный вариант — использование голубого топлива

Особенности расчета СВО

После нахождения показателя ТП переходят к гидравлическому расчету (далее — ГР).

На его основе получают информацию о следующих показателях:

• оптимальном диаметре труб, который при перепадах давления будет способен пропускать заданное количество теплоносителя;
• расходе теплоносителя на определенном участке;
• скорости движения воды;
• значении удельного сопротивления.

Перед началом расчетов для упрощения вычислений изображают пространственную схему системы, на которой все ее элементы располагают параллельно друг другу.

На схеме изображена система отопления с верхней разводкой, движение теплоносителя — тупиковое

Рассмотрим основные этапы расчетов водяного отопления.

ГР главного циркуляционного кольца

Методика расчета ГР основывается на предположении, что во всех стояках и ветвях перепады температуры одинаковые.

Алгоритм расчета следующий:

1. На изображенной схеме, учитывая теплопотери, наносят тепловые нагрузки, действующие на отопительные приборы, стояки.
2. Исходя из схемы, выбирают главное циркуляционное кольцо (далее — ГЦК). Особенность этого кольца в том, что в нем циркуляционное давление на единицу длины кольца принимает наименьшее значение.
3. ГЦК разбивают на участки, имеющие постоянные расход тепла. Для каждого участка указывают номер, тепловую нагрузку, диаметр и длину.

В вертикальной системе однотрубного типа в качестве ГЦК берется то кольцо, через которое проходит наиболее нагруженный стояк при тупиковом или попутном движении воды по магистралям. Детальнее об увязывании циркуляционных колец в однотрубной системе и выборе основного мы говорили . Отдельно уделили внимание порядку выполнения расчетов, используя для наглядности конкретный пример.

В вертикальных системах двухтрубного типа ГЦК проходит через нижнее отопительное устройство, имеющее максимальную нагрузку при тупиковом или попутном движении воды

В горизонтальной системе однотрубного типа ГЦК должно иметь наименьшее циркуляционное давление да единицу длины кольца. Для систем с ситуация аналогична.

При ГР стояков вертикальной системы однотрубного типа проточные, проточно-регулируемые стояки, имеющие в своем составе унифицированные узлы, рассматривают в качестве единого контура. Для стояков с замыкающими участками производят разделение, учитывая распределение воды в трубопроводе каждого приборного узла.

Расход воды на заданном участке вычисляется по формуле:

G_kont = (3.6 × Q_kont × β₁ × β₂)/((t_r — t₀) × c)

В выражении буквенные символы принимаю следующие значения:

• Q_kont — тепловая нагрузка контура;
• β_1, β₂ — добавочные табличные коэффициенты, учитывающие теплоотдачу в помещении;
• c — теплоемкость воды, равна 4,187;
• t_r — температура воды в подающем магистрали;
• t₀ — температура воды в обратной магистрали.

Определив диаметр и количество воды, необходимо узнать скорость ее движения и значение удельного сопротивления R. Все расчеты удобнее всего осуществить с помощью специальных программ.

ГР второстепенного циркуляционного кольца

После ГР главного кольца определяют давление в малом циркуляционном кольце, образующееся через ближайшие его стояки, учитывая, что потери давления могут отличаться на не более чем 15 % при тупиковой схеме и не более, чем на 5%, при попутной.

Если невозможно увязать потери давления, устанавливают дроссельную шайбу, диаметр которой вычисляют с использованием программных методов.

Расчет радиаторных батарей

Вернемся к плану дома, размещенного выше. Путем вычислений было выявлено, что для поддержания теплового баланса потребуется 16 кВт энергии. В рассматриваемом доме 6 помещений разного назначения – гостиная, санузел, кухня, спальня, коридор, прихожая.

Исходя из габаритов конструкции, можно вычислить объем V:

V=6×8×2. 5=120 м³

Далее нужно найти количество тепловой мощности на один м³. Для этого Q необходимо поделить на найденный объем, то есть:

P=16000/120=133 Вт на м³

Далее необходимо определить, сколько тепловой мощности потребуется для одной комнаты. На схеме площадь каждого помещения уже рассчитана.

Определим объем:

• санузел – 4.19×2.5=10.47;
• гостиная – 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;
• прихожая – 5.8×2.5=14.5.

В расчетах также нужно учитывать помещения, в которых отопительных батарей нет, например, коридор.

Коридор отапливается пассивным способом, в него тепло будет поступать за счет циркуляции теплового воздуха при передвижении людей, через дверные проемы и др

Определим необходимое количество тепла для каждой комнаты, умножив объем комнаты на показатель Р.

Получим требуемую мощность:

• для санузла — 10.47×133=1392 Вт;
• для гостиной — 34.58×133=4599 Вт;
• для кухни — 23.58×133=3136 Вт;
• для спальни — 25.83×133=3435 Вт;
• для коридора — 10.25×133=1363 Вт;
• для прихожей — 14.5×133=1889 Вт.

Приступим к расчету радиаторных батарей. Будем использовать алюминиевые радиаторы, высота которых составляем 60 см, мощность при температуре 70 равна 150 Вт.

Подсчитаем необходимое количество радиаторных батарей:

• санузел — 1392/150=10;
• гостиная — 4599/150=31;
• кухня — 3136/150=21;
• спальня — 3435/150=23;
• прихожая — 1889/150=13.

Итого потребуется: 10+31+21+23+13=98 радиаторных батарей.

У нас на сайте также есть другие статьи, в которых мы подробно рассмотрели порядок выполнения теплового расчета системы отопления, пошаговый расчет мощности радиаторов и труб отопления. А если ваша система предполагает наличие теплых полов, то вам понадобится выполнить дополнительные вычисления.

Более подробно все эти вопросы освещены в следующих наших статьях:

Выводы и полезное видео по теме

В видео можно ознакомиться с примером расчета водяного отопления, который осуществляется средствами программы Valtec:

Гидравлические расчеты лучше всего осуществлять с помощью специальных программ, которые гарантируют высокую точность вычислений, учитывают все нюансы конструкции.

Вы специализируетесь на выполнении расчета систем отопления с использованием воды в качестве теплоносителя и хотите дополнить нашу статью полезными формулами, поделиться профессиональными секретами?

А может хотите акцентировать внимание на дополнительных расчетах или указать на неточность в наших вычислениях? Пишите, пожалуйста, свои замечания и рекомендации в блоке под статьей.

Система водяного отопления. Расчет в Excel.

Опубликовано 30 Окт 2013
Рубрика: Теплотехника | 27 комментариев

Сегодняшняя тема – система водяного отопления и основополагающие принципы ее расчета. Тема фундаментальная. Ознакомившись с материалом, вы получите ключ к пониманию как выполнять расчет водяного отопления любого объекта! Прочитайте очень внимательно…

…всю статью! Я попытался разложить весь материал на элементарные для простоты  восприятия «ступени». Делая шаг за шагом по «ступеням» этой своеобразной «лестницы познания», вы сможете легко достичь «вершины»!

Информация, изложенная в этой статье,  не является «открытием Америки». Если вам доступно рассказали об этом когда-то преподаватели, или вы прочитали по этой тематике хорошую книгу – и все поняли, то вам, несомненно, повезло. Так случилось, что мне пришлось доходить до понимания этих, в общем-то, элементарных моментов теплотехники через значительное количество книг с иногда противоречивой и запутанной информацией. В большей степени знания пришли через практические опыты на проектируемых и действующих системах отопления завода металлоконструкций, мебельной фабрики, встроенного магазина, двух больших торговых комплексов и десятка более мелких объектов.

Рассмотрим принцип действия и расчет водяного отопления на  достаточно абстрактном и простом примере. Идеализированные примеры позволяют, не отвлекаясь на рутинные громоздкие, но, по сути, элементарные вычисления, сосредоточить все внимание на главных принципиально важных вещах.

Есть в русском языке заимствованное из английского языка слово «бокс», которое очень хорошо подходит в нашем случае для названия широкого круга объектов. Итак, будем отапливать бокс!

Условия задачи:

Герметичный бокс (коробка, ящик, вагончик, гараж, помещение, здание, корпус, …) в виде параллелепипеда длиной l, шириной b и высотой h заполнен воздухом, температура которого tвр /внутренняя расчетная температура/. Стенки бокса имеют толщину δ и все сделаны из одного материала, имеющего коэффициент теплопроводности λ.

Со всех шести сторон бокс окружает воздушная среда с температурой tн /наружная температура/.

Слово «среда» в данном случае имеет следующий смысл: масса воздуха в боксе и размеры бокса настолько малы по сравнению с массой и размерами окружающей воздушной среды, что любые изменения внутренней температуры воздуха tв никак не могут повлиять на изменение температуры воздуха снаружи tн.

Внутрь бокса заведены две трубы, к которым подключен установленный внутри  прибор отопления (радиатор, конвектор, регистр). По одной из труб в прибор отопления подается от котла — источника теплоснабжения — горячая вода с  температурой tп /температура подачи/. По второй трубе вода, отдавшая часть тепла и остывшая до температуры tо /температура обратки/, возвращается в котел. Расход воды при этом постоянен и  равен Gр /расчетный расход теплоносителя/.

Рассматривать источник теплоснабжения и подводящие теплотрассы мы в этой задаче не будем, а примем, что на входе в бокс всегда тепловой энергии в избытке и мы можем брать ровно столько, сколько необходимо, например, при помощи автоматизированного узла подачи и учета тепловой энергии.

Дополнительно известны коэффициенты теплообмена на внутренних и наружных поверхностях ограждений α1 и α2.

Задан и показатель нелинейности теплоотдачи приборов системы отопления n.

Схема задачи изображена на рисунке, расположенном ниже этого текста. Передняя стенка бокса условно не показана. Габаритные размеры бокса отличаются от расчетных на величину толщины стенок δ. То есть, расчетные плоскости находятся посередине толщины ограждений!

Требуется:

1. Найти расчетные теплопотери бокса и соответствующую им расчетную мощность системы водяного отопления Nр.

2. При заданных расчетных температурах теплоносителя tпр и tор определить его расчетный расход через систему Gр.

3. Рассчитать теплопотери бокса и соответствующую им мощность водяной системы отопления N  для температур наружного воздуха tн, отличных от расчетной температуры tнр.

4. Рассчитать температуры теплоносителя – воды – на подаче tп и в обратке tо, которые обеспечат поддержание внутри бокса неизменной расчетной температуры воздуха tвр, при неизменном расчетном расходе Gр для различных температур наружного воздуха tн.

Расчет будем выполнять в программе MS Excel или в программе OOo Calc.

С общими правилами форматирования — использования различных цветов для заливки ячеек и окраски шрифтов — таблиц MS Excel и OOo Calc, которые применяются мной во всех файлах с программами,  можно ознакомиться на странице «О блоге».   

Исходные данные:

1. Длину бокса l (м) заносим

в ячейку D3: 10,000

2.  Ширину бокса b (м) записываем

в ячейку D4: 5,000

3. Высоту бокса h (м) вводим

в ячейку D5: 3,000

4. Толщину стенок бокса δ (м) вписываем

в ячейку D6: 0,250

При разности температур воздуха внутри бокса и снаружи начинается теплообмен, который включает в себя три этапа: передачу тепла от внутреннего воздуха  внутренней стенке ограждения (характеризуется коэффициентом α1), передачу тепла через материал стенки (характеризуется коэффициентом λ) и передачу тепла наружному воздуху от внешней стенки ограждения (характеризуется коэффициентом α2).

5. Коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждения α1 (Вт/(м2*˚С)) заносим

в ячейку D7: 8,700

6. Коэффициент теплопроводности материала ограждения (древесина – сосна) λ (Вт/(м*˚С)) заносим

в ячейку D8: 0,140

7.  Коэффициент теплообмена на внешней поверхности ограждения α2 (Вт/(м2*˚С)) заносим

в ячейку D9: 23,000

Термин «расчетная» температура внутреннего или наружного воздуха не означает, что их нужно рассчитывать. Он означает, что эти температуры задаются для расчетов, являются исходными данными для последующих расчетов!

8. Итак, мы хотим поддерживать внутри бокса неизменную температуру воздуха tвр (˚С). Записываем

в ячейку D10: 20,0

9. Расчетную температуру наружного воздуха (в данном примере — для г. Омска) tнр (˚С) вписываем

в ячейку D11: -37,0

Зная характеристики теплоисточника, записываем расчетные параметры теплоносителя, которые должны быть выданы при расчетной температуре наружного воздуха!

10. Расчетную температуру воды на подаче tпр (˚С) вводим

в ячейку D12: 90,0

11.  Расчетную температуру воды на обратке tор (˚С) вводим

в ячейку D13: 70,0

Различные приборы, применяемые для систем отопления, – батареи, радиаторы, регистры, конвекторы – имеют различную теплоотдачу при разных схемах подключения и разных температурных режимах. Коэффициент n характеризует нелинейность теплоотдачи каждого конкретного типа прибора и определяется заводом-изготовителем. Чем больше коэффициент n, тем быстрее уменьшается теплоотдача прибора при низкотемпературных режимах и быстрее увеличивается при высокотемпературных режимах отопления!

12. Показатель нелинейности теплоотдачи приборов системы отопления (усредненное значение в нашем примере) n записываем

в ячейку D14: 1,30

Результаты расчетов:

13. Общую площадь стенок ограждения A (м2) вычисляем

в ячейке D16: =2*(D3*D4+D3*D5+D4*D5) =190,000

A=2*(l*b+l*h+b*h)

14.  Коэффициент теплопередачи  стенки ограждения k (Вт/(м2*˚С)) рассчитываем

в ячейке D17: =1/(1/D7+D6/D8+1/D9) =0,514

k=1/(1/α1+δ/λ+1/α2)

15. Расчетные теплопотери бокса Nр (КВт и ГКал/час) определяем

в ячейке D18: =D16*D17*(D10-D11)/1000 =5,571

и в ячейке D19: =D18*0,85985/1000=0,004790

Nр=A*k*(tвр-tнр)

Для равновесия системы количество тепла, потерянного в  окружающую среду должно быть равно количеству тепла, поступившему от источника теплоснабжения! Поэтому расчетная мощность системы отопления и расчетные потери тепла – это одна и та же величина!

16. Расчетный температурный напор θр (˚С) считаем

в ячейке D20: =(D12-D13)/LN ((D12-D10)/(D13-D10)) =59,4

θр=(tпр–tор)/ln((tпр–tвр)/(tор–tвр))

17.  Расчетный расход воды через систему Gр (т/час) вычисляем

в ячейке D21: =D19/(D12-D13)*1000 =0,239

Gр=Nр/(tпр–tор)

Далее выполним моделирование работы системы отопления при различных температурах наружного воздуха.

18. Температуру наружного воздуха tн (˚С) заносим

в ячейку I15: -40,0

19. Теплопотери бокса и мощность системы отопления N (КВт и ГКал/час) при температуре наружного воздуха tн=-40˚С считаем

в ячейке I16: =$D$16*$D$17*($D$10-I15)/1000 =5,864

и в ячейке I17: =I16*0,85985/1000=0,00504

N=A*k*(tвр— tн)

20. (1/n)

и просто пока записываем формулу

в ячейку I19: =(I20-I21)/LN ((I20-$D$10)/(I21-$D$10))

θ=(tп–tо)/ln((tп–tвр)/(tо–tвр))

В этом уравнении две неизвестные.

Первая — температура воды на подаче tп, которая при температуре наружного воздуха tн=-40˚С обеспечит при  расчетном расходе Gр=0,239т/час расчетную температуру воздуха внутри бокса tвр=+20˚С.

Вторая — температура воды на обратке tо, которая в результате работы системы водяного отопления установится.

Чтобы найти эти две неизвестные, необходимо составить и решить систему из двух уравнений! Одно уравнение есть, составляем второе.

22. Температура воды на обратке tо (˚С), которая установится в результате остывания воды в системе отопления с расчетным расходом Gр=0,239т/час от пока неопределенной температуры воды на подаче tп. При этом расчетная температуру воздуха внутри бокса будет стабильно равной tвр=+20˚С при температуре наружного воздуха tн=-40˚С. Записываем формулу

в ячейку I21: =I20-1000*I17/$D$21

tо=tп— N/Gр

Это второе уравнение. В нем те же две неизвестные.

Итак, имеем систему из двух уравнений, одно из которых – нелинейное трансцендентное. Как решать такие уравнения я подробно рассказал в статье «Трансцендентные уравнения? «Подбор параметра» в Excel!». Но нам сейчас необходимо решить систему уравнений…

21. Делаем так:

— «становимся мышью» на ячейку I19 (активируем эту ячейку)

— вызываем: «Сервис» — «Подбор параметра…»

— пишем в окне «Подбор параметра»:

Установить в ячейке: I19

Значение: 61,8 (переписываем значение из ячейки I18)

Изменяя значение ячейки: I20

— жмем на кнопку ОК

— в появившемся окне «Результат подбора параметра» читаем:

Подбор параметра для ячейки I19.

Решение найдено.

Подбираемое значение: 61,8

Текущее значение: 61,8

— жмем ОК

Считываем результаты — температуру воды на подаче tп (˚С) и температуру воды на обратке tо (˚С) соответственно

в ячейке I20: =92,9

и в ячейке I21: =I20-1000*I17/$D$21 =71,9

Далее повторяем п.18 – п.22 для других температур наружного воздуха и на этом расчет в Excel завершаем.

Замечания и выводы:

Я постоянно напоминал по ходу статьи, что расход воды, определенный для расчетных температур не изменяется и при любых других температурах наружного воздуха! Изменение количества подаваемого тепла производится изменением температуры теплоносителя – воды – на подаче. Этот способ называется качественным регулированием теплоснабжения и является «правильным»! Однако, изменить количество подаваемого тепла можно и изменяя расход теплоносителя в системе. Этот способ называется количественным регулированием и является «не совсем правильным» или «совсем не правильным».

Если система отопления сложная, разветвленная, то, конечно, проще просчитать и отрегулировать гидравлику системы на один постоянный расход! При значительных изменениях расхода во время эксплуатации иногда вообще невозможно сбалансировать систему. Поэтому практику регулировки отопления закрыванием-открыванием задвижек считаю порочной и  могу рекомендовать к использованию лишь в исключительных случаях! (Вы скажите — «У нас у многих вся страна – исключительный случай!», и я буду вынужден согласиться.)

Что показывают температурные графики, изображенные на рисунке выше? Они показывают, например, что при температуре наружного воздуха tн=-20˚С для того, чтобы внутри бокса температура воздуха стабильно оставалась равной tвр=+20˚С при неизменном расходе теплоносителя Gр=0,239 т/час последний должен иметь температуру на входе в систему tп=+72,7˚С. В установившемся режиме температура воды на выходе из системы отопления будет равна tо=+58,6˚С.

Бокс из примера я умышленно со всех сторон оградил однотипным (деревянным) ограждением одной толщины для простоты расчета потерь тепла. В реальных жизненных примерах у объектов, как правило, ограждения имеют сложную геометрию, вырезы под окна, двери и сами сделаны из нескольких слоев различных материалов. К тому же часть ограждающих конструкций может примыкать к другим объектам или земле. Примеры расчета теплопотерь реального здания, помещения постараемся рассмотреть в ближайших статьях рубрики «Теплотехника».

Я не упомянул в статье ни одного СНиПа или ГОСТа, регламентирующего расчеты в рассмотренной области, хотя они, конечно, есть. Специалисты – теплотехники их знают, для них они «настольные книги». Неспециалисты из жизненного опыта решат, какая расчетная температура наружного воздуха для их географического района и какой должна быть расчетная температура воздуха внутри интересующего их объекта, или найдут легко эти значения в Интернете (включая коэффициенты теплопроводности материалов ограждений)…

Главной моей целью при написании этой статьи было доходчиво и понятно донести основы расчетов теплопотерь объектов типа бокс (ограждающие конструкции и воздух внутри) и понимание основ расчетов систем водяного отопления. Насколько это удалось – решит для себя каждый из Вас, уважаемые читатели!

Ссылка на скачивание файла: raschet-vodyanogo-otopleniya (xls 41,5KB).

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Калькулятор энергии горячей воды — GF Piping Systems

Потребление энергии для горячей воды: рассчитать, смоделировать, оптимизировать

До сих пор дискуссия об энергоэффективности и защите климата почти не касалась потребления энергии для производства горячей воды в зданиях. Сегодня для производства горячей воды часто требуется больше энергии, чем для отопления в хорошо изолированном здании. Таким образом, самое время обратить внимание и на эту область для повышения энергоэффективности. Новый онлайн-калькулятор энергии горячей воды от GF Piping Systems позволяет легко рассчитать потребление энергии. Также можно смоделировать потенциальную сумму экономии и продолжительность периода амортизации – в зависимости от выбранных мер технической оптимизации.

Попробуйте инструмент бесплатно прямо сейчас!

Меню

• инструкции
• Вопросы и ответы
• Система автоматизации Hycleen

• Зарегистрируйтесь, чтобы использовать инструмент

Как работает инструмент?

Компания GF Piping Systems совместно с учеными Университета прикладных наук Остфалии разработала онлайн-калькулятор, с помощью которого можно легко и быстро рассчитать количество энергии, необходимой для обеспечения горячего водоснабжения зданий.

Как можно так легко выполнить такой сложный расчет?

Простой в использовании онлайн-калькулятор энергии горячей воды является результатом обширной разработки компании GF Piping Systems и Университета прикладных наук Остфалии.

Расчеты основаны на действующих в настоящее время стандартах DIN и дополнительных предположениях, которые показаны. Первый эталонный проект, в ходе которого перед оптимизацией моделировались результаты, демонстрирует реалистичность результатов расчетов. Оценка данных постоянно уточняется и проверяется на реальных зданиях. Инструмент предоставляет ценную информацию для принятия решения о том, когда инвестиции в оптимизацию системы горячего водоснабжения в здании начнут окупаться.

Как можно снизить потребление энергии на горячую воду?

В принципе, для сокращения энергопотребления для производства горячей воды можно использовать три технических мероприятия, помимо сокращения самого потребления горячей воды:

• ремонт изоляции вокруг труб и фитингов горячей воды
циркуляция воды с помощью системы автоматизации Hycleen и ее электронных балансировочных клапанов
• модернизация технологии установки: эффективность производства горячей воды и циркуляционного насоса обычно зависит от возраста используемой технологии. По сути, чем новее технология, тем выше эффективность.

Следует отметить, что гигиена питьевой воды принципиально важнее, чем экономия энергии.

Что делает гидравлическая балансировка?

Безупречная гидравлическая балансировка снижает количество циркулирующей горячей воды. Более низкие температуры системы возможны за счет снижения тепловых потерь. Чем хуже гидравлическая балансировка и больше тепловые потери, тем больше энергии требуется для поддержания температуры, необходимой для безупречной гигиены питьевой воды. Требуемая производительность насоса также соответственно выше. Кроме того, повышенные температуры приводят к большему значению DeltaT относительно температуры окружающей среды, что, в свою очередь, увеличивает потери при охлаждении в системе циркуляции и резервуаре-накопителе.

Чего может достичь система автоматизации Hycleen?

Система автоматизации Hycleen обеспечивает установку оптимальной рабочей точки за счет постоянного контроля состояния установки. Следовательно, при более низких температурах циркулирует меньшее количество горячей воды, что, конечно же, соответствует установленным гигиеническим нормам. Излишне высокие температуры и скорости потока, вызванные отсутствием, плохо отрегулированной или необслуживаемой системой гидравлической балансировки, остались в прошлом. Участки трубопроводов с высокими тепловыми потерями могут быть выявлены и модернизированы для повышения энергоэффективности путем ремонта поврежденной изоляции.

Система автоматизации Hycleen

Система автоматизации Hycleen

SA.GOV.AU — Калькулятор водонагревателя

Пользовательский ввод

Калькулятор водонагревателя

На нагрев воды приходится около 25% энергии, потребляемой домашними хозяйствами Австралии. Средний срок службы бытового водонагревателя составляет около 12 лет, поэтому выбор правильной системы для ваших нужд — это долгосрочная инвестиция, которая может существенно повлиять на ваши счета за электроэнергию.

Если вы заменяете существующую систему водяного отопления, строите новый дом или просто проводите исследование, этот инструмент поможет вам сравнить ваши варианты.

Вам будет задан ряд вопросов о вашем домашнем хозяйстве и о том, как вы используете горячую воду. Инструмент будет использовать эту информацию для сравнения первоначальных затрат (покупка и установка), годовых эксплуатационных расходов и затрат на весь срок службы различных типов водонагревателей. Вы также можете сравнить общие выбросы парниковых газов. Результаты отображаются в разделе «Ваши результаты» в виде удобной для чтения гистограммы, которую вы можете отслеживать по мере продвижения. Вы можете вернуться к любому из вопросов в любое время, чтобы изменить свои ответы и просмотреть свои результаты, чтобы увидеть, как это меняет ваши результаты.

Базовое исследование водонагревателя для жилых помещений было проведено в 2014 году и описывает исследования, которые были проведены при разработке этого калькулятора.

Начнем!

Чтобы получить доступ к графикам, заполните данные о своем домохозяйстве.

График:

Стоимость жизненного циклаОбщая стоимость эксплуатацииГодовая стоимость эксплуатации Выбросы парниковых газов (тонн)

* Включает стоимость поставки

* Не включает стоимость поставки

Данные о вашей семье

Данные о вашей семье содержат основную информацию о вашем доме. Отвечая на эти вопросы, имейте в виду любые серьезные изменения в вашей семье, которые могут произойти в ближайшие 10 лет.

Ваш почтовый индекс?

Подключено ли ваше имущество к центральному газу?

Да

№

Нет
Уверен

Есть ли на вашей улице магистральный газ?

Да

№

Нет
Уверен

Сколько человек живет в вашем доме?

Взрослые
Дети

Доволен своими ответами?

Потребление горячей воды в вашем домашнем хозяйстве

Ответив на эти вопросы, вы получите более точные результаты. Начните с личного использования горячей воды для каждого члена вашей семьи, открыв каждую вкладку ниже, затем перейдите к общему использованию горячей воды, например, на кухнях и в прачечных.

Значения по умолчанию, показанные в инструменте, являются значениями, ожидаемыми для типичного дома. Вы можете настроить эти значения так, чтобы они лучше отражали вашу семью. Сдвиньте значения вверх или вниз или введите число в поле, чтобы увидеть, как они изменят ваши результаты. Информационные вкладки также содержат информацию, которая поможет вам.

• Взрослый 1

Количество приемов душа в неделю?

Приблизительная продолжительность каждого душа (в минутах)?

Количество ванн в неделю?

Сколько горячей воды используется?

Мелкий
Средний

Глубокий

Сколько ванных комнат будет обслуживать водонагреватель?

Какой расход насадки для душа (литров/мин)?

Сколько раковин с горячей водой используется на кухне каждую неделю?

Сколько баков с горячей водой используется в прачечной каждую неделю?

Какой стиральной машиной вы пользуетесь?

Не используйте один
Верхний погрузчик
Фронтальный погрузчик

Ежедневное использование горячей воды в вашем доме

Ваше потребление горячей воды н/д

Подробнее

Подробнее

6 Подробнее

Варианты водонагревателей

В этом списке перечислены наиболее распространенные типы водонагревателей для вашей ситуации. Нажмите на каждую опцию водонагревателя, и вы найдете значения по умолчанию, подходящие для ваших потребностей в горячей воде. Вы можете переопределить значение по умолчанию.

Сдвиньте значения вверх или вниз или введите число в поле, чтобы увидеть, как они изменят ваши результаты.

Водонагреватель накопительный электрический

Тарифный тип

Пик
Скорость

Выкл.
Пик

Нет
Уверен

Первоначальная стоимость

$

Электрический Мгновенный

Первоначальная стоимость

$

Водонагреватель с тепловым насосом

Тип тарифа

Пик
скорость

Выкл.