Формулы расчета теплопотерь дома

Разбираем основные критерии выбора

В строительных магазинах можно найти бесчисленное многообразие материалов, но какой из них лучше для отделки стен? Однозначно ответить на этот вопрос невозможно, но имеет смысл проанализировать ключевые критерии, исходя из которых, необходимо делать свой выбор.

Показатель теплопроводности (способность материала пропускать через себя тепло).

Это ключевой фактор, на который нужно обращать внимание — от него зависит эффективность защиты стен от холода (чем он меньше, тем лучше). Как правило, все современные материалы отвечают имеющимся требованиям

Очевидно, чем легче утеплитель, тем проще его крепить. К тому же, для особо тяжелых моделей придется сооружать дополнительный каркас прочности, что в значительной мере увеличит общие расходы. В данном аспекте за явным преимуществом выигрывает пенопласт.

Если вы собрались покрыть стены дома сайдингом, то этот аспект не важен. Зато есть ограничения для раствора и лакокрасочных веществ.

Для деревянных домов запрещено использовать аналоги, подвергающиеся горению. Поэтому нельзя отделывать стены снаружи, к примеру, стекловатой, которая возгорается за считанные мгновения. Впрочем, в России очень многие нарушают это предписание из-за выгодного соотношения цена-качество.

Наружная отделка стен слегка снижает эксплуатационный период (так как материалу приходится активнее противостоять влаге). Наиболее качественные модели имеют срок службы 25-50 лет, аналоги поскромнее 5-10. Учитывайте этот показатель — модель может быть немного дороже, но иметь эксплуатационный срок больше в 5-10 раз.

Статья по теме: Как вывести трубу от печи через стену

Главное достоинство деревянного дома — его экологическая чистота. Использование токсичных материалов сводит к минимуму сей факт.

Простыми словами — возможность материала «просушиваться». Если этот показатель будет низким, придется возводить на стене вентиляционные шахты, что усложняет работу и повышает траты на теплоизоляцию дома.

В частности, внимательно изучите имеющийся спрос на предмет соотношения «цена — качество». Дешевые модели могут иметь слишком слабую эффективность, поэтому придется использовать несколько слоев. Также не забывайте, что качественное наружное утепление стен деревянного дома в значительной мере сокращает энергозатраты. Поэтому такая процедура в скором времени полностью окупается.

В представленных ниже таблицах вы найдете много интересной информации.

1 — населенный пункт, 2 — средняя температура в отопительный период, 3 — его продолжительность, 4 — градусо-сутки, 5 — рекомендованный показатель сопротивления теплопередаче, 6 — рекомендуемая (минимальная) толщина теплоизоляционного слоя.

Эта таблица позволяет изучить эффективность теплоизоляционных материалов

Данные представлены в виде диаграммы — для наглядности

Ручной расчет теплопотерь

Чтобы рассчитать теплопотери дома ручным способом, понадобится найти значения утечки тепла через ограждающую конструкцию, вентиляцию и канализационную систему.

Теплопотери через ограждающую конструкцию

У любого здания окружающая конструкция состоит из разных слоев материала. Поэтому для более точного расчета, необходимо найти теплопотери для каждого слоя отдельно. Вычисляются они по следующей формуле – Q окр.к. = (A / D) *dT, где:

• D – сопротивление теплового потока;
• dT – разность наружной и внутренней температуры помещения;
• А – площадь здания.

Все значения измеряются соответствующими приборами, а для нахождения сопротивления теплового потока, применяется формула — D = Z / Кф., где: Кф. – коэффициент теплопроводности материала (он производителями указан в паспорте материала), а Z – толщина его слоя.

Если здание состоит из нескольких этажей, посчитать ручным способом теплопотери через ограждающую конструкцию будет достаточно долго и неудобно. В связи с этим, можно будет воспользоваться следующей таблицей, где специалисты вывели средние

Данные окружающей конструкции Уличная температура. °С Утечка тепла Вт 1 этаж 2 этаж Комната, у которой угол граничит с улицей. Неугловая комната. Комната, у которой угол граничит с улицей. Неугловая комната. Кирпичная стена шириной — 67 см. и с внутренней отделкой. штукатурки. -25 -27 -29 -31 77 84 88 90 76 82 84 86 71 76 79 81 67 72 76 77 Кирпичная стена шириной — 54 см. с внутренней отделкой. -25 -27 -29 -30 92 98 103 104 91 97 101 102 83 87 92 94 80 88 90 91 Деревянная стена шириной — 25 см с внутренней обшивкой. -25 -27 -29 -30 62 66 68 70 61 64 66 67 56 59 61 62 53 57 58 60 Деревянная стена шириной — 20 см с внутренней обшивкой. -25 -27 -29 -30 77 84 88 89 77 82 85 87 70 76 79 80 67 73 76 77 Каркасная стена шириной — 20 см. с утеплителем. -25 -27 -29 -30 63 66 69 71 61 64 67 69 56 59 62 63 55 57 60 62 Пенобетонная стена шириной — 20 см с внутренней отделкой. -25 -27 -29 -30 93 98 102 105 90 95 99 102 88 89 91 94 81 85 89 91

Утечка тепла через вентиляцию

У каждого помещения через ограждающую конструкцию, циркулирует поток воздуха. Чтобы рассчитать, сколько происходит теплопотерь при вентиляции, используется формула тепловых зданий:

Qвент. = (В* Кв / 3600)* W * С *dT, где:

• В — кубические метры длинны и ширины помещения;
• Кв — кратность подаваемого и удаляемого воздуха помещения за 1 час;
• W — плотность воздуха = 1,2047 кг/куб. м;
• С — теплоемкость воздуха = 1005 Дж/кг*С.

В зданиях с паропроницаемыми ограждениями, воздухообмен происходит – 1 раз в час. У зданий, которые выполнены по «Евростандарту», кратность подаваемого и удаляемого воздуха увеличивается до – 2. Таким образом, обмен воздуха за 1 час происходит 2 раза.

Утечки тепла через канализацию

Для комфортного проживания жильцы домов нагревают воду для быта и гигиены. Также частично от окружающей среды нагревается вода в бочке и сифоне унитаза. Все полученное тепло после эксплуатации вместе с водой уходит через стоки трубопровода

Поэтому очень важно рассчитать теплопотери дома, расчет производится по следующей символической формуле:

Qкан. = (Vвод.  * T * Р * С * dT) / 3 600 000, где:

• Vвод. — общий потребляемый кубический объем воды за 30 дней;
• Р — плотность жидкости = 1 тонна/куб. м;
• С — теплоемкость жидкости = 4183 Дж/кг*С;
• 3 600 000 — величина джоулей (Дж) в 1-м кВт*ч.;
• dT — разность температуры между поступающей и нагретой водой.

Подсчет dT проводится следующим образом. Допустим, при поступлении в помещение вода имеет температуру +8 градусов, после нагрева ее температура составляет + 30 градусов. Следовательно, чтобы найти разницу, нужно из 30 вычесть 8. Получившийся итог 21 градус и следует принимать за dT.

Полученные результаты теплопотерь через вентиляцию, ограждающие конструкции и канализацию необходимо сложить вместе. Получившаяся сумма и будет примерное количество теплопотерь дома.

Особенности подбора радиаторов

Стандартными компонентами обеспечения тепла в помещении являются радиаторы, панели, системы “тёплый” пол, конвекторы и т. д. Самыми распространёнными деталями отопительной системы есть радиаторы.

Тепловой радиатор – это специальная полая конструкция модульного типа из сплава с высокой теплоотдачей. Он изготавливается из стали, алюминия, чугуна, керамика и других сплавов. Принцип действия радиатора отопления сводится к излучению энергии от теплоносителя в пространство помещения через “лепестки”.

Алюминиевый и биметаллический радиатор отопления пришёл на смену массивным чугунным батареям. Простота производства, высокая теплоотдача, удачная конструкция и дизайн сделали это изделие популярным и распространённым инструментом излучения тепла в помещении

Существует несколько методик расчёта радиаторов отопления в комнате. Нижеприведённый перечень способов отсортирован в порядке увеличения точности вычислений.

Варианты вычислений:

1. По площади. N=(S*100)/C, где N – количество секций, S – площадь помещения (м2), C – теплоотдача одной секции радиатора (Вт, берётся из тех паспорта или сертификата на изделие), 100 Вт – количество теплового потока, которое необходимо для нагрева 1 м2 (эмпирическая величина). Возникает вопрос: а каким образом учесть высоту потолка комнаты?
2. По объёму. N=(S*H*41)/C, где N, S, C – аналогично. Н – высота помещения, 41 Вт – количество теплового потока, которое необходимо для нагрева 1 м3 (эмпирическая величина).
3. По коэффициентам. N=(100*S*к1*к2*к3*к4*к5*к6*к7)/C, где N, S, C и 100 – аналогично. к1 – учёт количества камер в стеклопакете окна комнаты, к2 – теплоизоляция стен, к3 – соотношение площади окон к площади помещения, к4 – средняя минусовая температура в наиболее холодную неделю зимы, к5 – количество наружных стен комнаты (которые “выходят” на улицу), к6 – тип помещения сверху, к7 – высота потолка.

Это максимально точный вариант расчёта количества секций. Естественно, что округление дробных результатов вычислений производится всегда к следующему целому числу.

Базовые формулы

Чтобы получить более-менее точный результат, необходимо выполнять вычисления по всем правилам, упрощенная методика (100 Вт теплоты на 1 м² площади) здесь не подойдет. Общие потери теплоты зданием в холодное время года складываются из 2 частей:

• теплопотерь через ограждающие конструкции;
• потерь энергии, идущей на нагрев вентиляционного воздуха.

Базовая формула для подсчета расхода тепловой энергии через наружные ограждения выглядит следующим образом:

Q = 1/R х (t в — t н) х S х (1+ ∑β). Здесь:

• Q — количество тепла, теряемого конструкцией одного типа, Вт;
• R — термическое сопротивление материала конструкции, м²°С / Вт;
• S — площадь наружного ограждения, м²;
• t в — температура внутреннего воздуха, °С;
• t н — наиболее низкая температура окружающей среды, °С;
• β — добавочные теплопотери, зависящие от ориентации здания.

Термическое сопротивление стен либо кровли здания определяется исходя из свойств материала, из которого они сделаны, и толщины конструкции. Для этого используется формула R = δ / λ, где:

• λ — справочное значение теплопроводности материала стены, Вт/(м°С);
• δ — толщина слоя из этого материала, м.

Если стена возведена из 2 материалов (например, кирпич с утеплителем из минваты), то термическое сопротивление рассчитывается для каждого из них, а результаты суммируются. Уличная температура выбирается как по нормативным документам, так и по личным наблюдениям, внутренняя — по необходимости. Добавочные теплопотери — это коэффициенты, определенные нормами:

1. Когда стена либо часть кровли повернута на север, северо-восток или северо-запад, то β = 0,1.
2. Если конструкция обращена на юго-восток или запад, β = 0,05.
3. β = 0, когда наружное ограждение выходит на южную или юго-западную сторону.

Расчет тепловых потерь в тепловых сетях при транспортировке тепловой энергии

Рассмотрим пример расчета теплопотерь.

Потери в тепловых сетях Q_тc за отчетный период определяются как сумма теплопотерь с непродуктивной утечкой воды из сети Q_ут, с продуктивной Q_ут.пр, и потерь тепла через изоляцию в трубопроводах тепловой сети от границы раздела до узла учета тепловой энергии Q_из.

Значение продуктивной утечки определяется согласно соответствующим актам.

Согласно «Схемы балансового разграничения» у «Потребителя» на балансе находится участок теплосети от места присоединения — тепловой камеры ТК- 2 до дома № 4 условным диаметром Ду65, длина — 118,2 п.м.

Тип прокладки — проходной канал.

Определим по формуле нормативные значения среднегодовых тепловых потерь для этой тепловой сети:

• β — коэффициент, учитывающий местные тепловые потери, потери опор, арматуры, компенсаторов. Определяется согласно СНиП 2.04.07 — 86. Для нашего случая β = 1,2;
• L — длина трубопровода (участка тепловой сети);
• q_н = q_п + q_з — нормативные значения удельных тепловых потерь двухтрубных водяных тепловых сетей при прокладке в проходном канале и количестве часов работы за год меньше 5000;
• 1 ккал / ч = 1,163 Вт.

Согласно графику температур в тепловых сетях 105°С — 70°С среднегодовые температуры теплоносителя (воды) в водяных тепловых сетях принимаем:

Среднегодовая температура воды в системе трубопроводов:

Потери тепловой энергии через изоляцию трубопроводов

Данный расчет отображает нормативные значения потерь, которые не должны превышаться, если изоляция трубопроводов подбиралась в соответствии со СНиП. Реальные значения могут отличаться от нормативных. Если выполнить утепление трубопроводов IZOVOL или другими современными изоляционными материалами теплопотери через изоляцию будут очень низкими. Для точного расчета потерь необходимо использовать метод основанный на алгоритме расчета прохождения тепла через цилиндрическую стенку.

Для участка Ду65 длиной 118,2 п.м.:

q_н=(29+17)/1,163=39,66 Ккал /м ч (СНиП 2.04.14–88, приложение 4, табл. 4);

Нормированные значения месячных тепловых потерь через изоляцию трубопроводов для тепловой сети вычисляем:

• n — продолжительность работы сети в данном месяце, час;
• Q_н ср.р — Гкал/ч.

Дифференцированные схемы расчёта

Расчет трансформатора

Для правильных вычислений надо учитывать специфику типовых компонентов строений. Потери в стенах рассчитывают по общей площади с учетом сопротивления (теплового) каждого слоя. Внутри помещений поддерживают необходимую температуру. Проверяют несколько контрольных точек с учетом изменения сезонных, дневных и ночных внешних условий. Одновременно оценивают размещение точки росы. Следует не забывать о существенном влиянии ветровых нагрузок, особенностях режима проветривания. Над перекрытиями находятся верхние этажи, чердак. Соответственно, при общем одинаковом подходе некоторые негативные внешние воздействия можно исключить.

К сведению. Специалисты рекомендуют делать небольшой запас (добавить ≈10%) при выборе уровня влажности и температуры в комнате. Такой подход поможет учесть экстремальные условия (потребности) в процессе эксплуатации.

Расчетные параметры для оконных (дверных) блоков приводят производители в сопроводительной документации. Для повышения точности следует учитывать изоляционные характеристики откосов, узлов примыкания рам к стенам.

Пол в центральной части теплее, по сравнению с периметром. Влияние оказывают вентилируемый подвал, дополнительная изоляция фундамента. Применяют зонирование, которое учитывает особенности отдельных площадей.

Этапы расчета

Рассчитать параметры отопления дома необходимо в несколько этапов:

• расчет теплопотерь дома;
• подбор температурного режима;
• подбор отопительных радиаторов по мощности;
• гидравлический расчет системы;
• выбор котла.

Таблица поможет вам понять, какой мощности радиатор нужен для вашего помещения.

Расчет теплопотерь

Теплотехническая часть расчета выполняется на базе следующих исходных данных:

• удельная теплопроводность всех материалов, используемых при строительстве частного дома;
• геометрические размеры всех элементов здания.

Тепловая нагрузка на отопительную систему в данном случае определяется по формуле: Мк = 1,2 х Тп, где

Тп — суммарные теплопотери постройки;

Мк — мощность котла;

1,2 — коэффициент запаса (20%).

При индивидуальной застройке расчет отопления можно произвести по упрощенной методике: суммарную площадь помещений (включая коридоры и прочие нежилые помещения) умножить на удельную климатическую мощность, и полученное произведение разделить на 10.

Значение удельной климатической мощности зависит от места строительства и равняется:

• для центральных районов России — 1,2 — 1,5 кВт;
• для юга страны — 0,7 — 0,9 кВт;
• для севера — 1,5 — 2,0 кВт.

Упрощенная методика позволяет рассчитать отопление, не прибегая к дорогостоящей помощи проектных организаций.

Температурный режим и подбор радиаторов

Режим определяется исходя из температуры теплоносителя (чаще всего им является вода) на выходе из отопительного котла, воды, возвращенной в котел, а также температуры воздуха внутри помещений.

Оптимальным режимом, согласно европейским нормам, является соотношение 75/65/20.

Для подбора отопительных радиаторов до их монтажа следует предварительно рассчитать объем каждого помещения. Для каждого региона нашей страны установлено необходимое количество тепловой энергии на один кубометр помещения. Например, для европейской части страны этот показатель равен 40 Вт.

Для определения количества тепла для конкретного помещения, надо ее удельную величину умножить на кубатуру и полученный результат увеличить на 20% (умножить на 1,2). На основании полученной цифры рассчитывается необходимое количество отопительных приборов. Производитель указывает их мощность.

К примеру, каждое ребро стандартного алюминиевого радиатора имеет мощность 150 Вт (при температуре теплоносителя 70°С). Чтобы определить нужное количество радиаторов, надо величину необходимой тепловой энергии разделить на мощность одного отопительного элемента.

Гидравлический расчет

Для гидравлического расчета существуют специальные программы.

Одним из затратных этапов строительства является монтаж трубопровода. Гидравлический расчет системы отопления частного дома нужен для определения диаметров труб, объема расширительного бака и правильного подбора циркуляционного насоса. Результатом гидравлического расчета являются следующие параметры:

• Расход теплоносителя в целом;
• Потери напора теплового носителя в системе;
• Потери напора от насоса (котла) до каждого отопительного прибора.

Как определить расход теплоносителя? Для этого необходимо перемножить его удельную теплоемкость (для воды этот показатель равен 4,19 кДж/кг*град.С) и разность температур на выходе и входе, затем суммарную мощность системы отопления разделить на полученный результат.

Диаметр трубы подбирается исходя из следующего условия: скорость воды в трубопроводе не должна превышать 1,5 м/с. В противном случае система будет шуметь. Но есть и ограничение нижнего предела скорости — 0,25 м/с. Монтаж трубопровода требует оценки данных параметров.

Если этим условием пренебречь, то может произойти завоздушивание труб. При правильно подобранных сечениях для функционирования системы отопления бывает достаточно циркуляционного насоса, встроенного в котел.

Потери напора для каждого участка рассчитываются как произведение удельной потери на трение (указывается производителем труб) и длины участка трубопровода. В заводских характеристиках они также указываются для каждого фитинга.

Выбор котла и немного экономики

Котел выбирается в зависимости от степени доступности того или иного вида топлива. Если к дому подведен газ, нет смысла приобретать твердотопливный или электрический. Если нужна организация горячего водоснабжения, то котел выбирают не по мощности отопления: в таких случаях выбирают монтаж двухконтурных устройств мощностью не менее 23 кВт. При меньшей производительности они обеспечат лишь одну точку водоразбора.

Расчет потерь тепла

Для точного расчета теплопотерь потребуется подготовить исходные данные по конкретному объекту (объем, высота здания, его местоположение), а также нормативные документы, содержащие таблицы различных коэффициентов, показателей.  Сначала рекомендуется рассчитать все составляющие формулы, записать данные, затем подставить данные формулы.

Основные формулы

Для расчета используется следующая формула:

Q_от = а*V*q_от *(t_в — t_нр)*(1 + К_ир)*10-6 Гкал/час

• а – поправочный коэффициент, который учитывает разницу между температурой воздуха снаружи (улица) определенной местности и температурой -30оС, для которой обозначена характеристика q_от;
• V – объем здания по внешнему периметру;
• q_от — удельная характеристика отапливаемого помещения, которая обозначена при температуре снаружи -30оС;
• t_в –температура воздуха внутри помещения;
•  t_нр –температура снаружи конкретного местоположения (местности), в котором расположено здание;
• К_ир –коэффициент инфильтрации, определяемый тепловым, ветровым напором.

Из приведенных выше составляющих формулы к числу исходных данных относится объем помещения, поправочный коэффициент, удельную характеристику здания, расчетные температуры необходимо взять из документации, а коэффициент инфильтрации рассчитать по формуле:

                                  273 + t_нр

К_ир = 10-2 √[2gL(1 — ————-) + w_p2]

                                  273 + t_в

g – ускорение свободного падения земли (9,8 м/с2);

L – высота строения;

w_p — обусловленная данным регионом скорость ветра отопительного периода.

Необходимая документация

Часть данных необходимо взять в нормативной документации, рекомендуется скачать эти документы или найти их онлайн:

Методика определения количества тепловой энергии и теплоносителя (1);

Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны (2);

Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях (3);

Строительная климатология (4).

Для удобства литература пронумерована. Далее соответствующая документация будет обозначаться сокращенно (например, Д3).

Исходные данные. Предварительные подсчеты

Рассмотрим расчет теплопотерь на примере административного здания города Омск. Высота здания – 9 метров. Объем здания по внешнему периметру – 8560 кубических метров.

В Таблице 3.1 – Климатические параметры холодного периода года (Д4)  напротив соответствующего города находим  5-ую графу, температуру воздуха наиболее холодной пятидневки. Для Омска данный показатель равен – 37оС.

В 20-й графе этой же таблицы находим скорость ветра данного города. Данный показатель составляет 2,8 м/с.

В пункте 1.2 (Д1) находим Таблицу 2, поправочный коэффициент а для жилых помещений. В таблице представлены коэффициенты температуры шагом 5 градусов, соответственно есть данные температуры — 35 оС (коэффициент 0,95), — 40 оС (коэффициент 0,9). Рассчитываем методом интерполяции коэффициент нашей температуры — 37 оС, получаем – 0,93.

Далее п.3 (Д3) находим Классификацию помещений и определяем категорию анализируемого помещения. Поскольку речь идет об административном здании, ему присваивается категория 3в (пространство пребывания большого количества людей без верхней одежды в положении стоя).

Таблица 3 (Д3) Допустимые, достаточные значения увлажненности воздуха, силы ветра, температурного режима гражданских помещений – находим показатель Температура (оптимальная) для нашего типа здания (3в). Показатель составляет 18-20 градусов. Выбираем наименьшую границу  18оС.

Таблице 4 (Д1) Удельный показатель тепла культурно-образовательных, административных, лечебных зданий – находим соответствующий коэффициент, исходя из объема здания. Данный случай до 10 000 м3. Коэффициент составляет 0,38.

Все данные подготовлены:

g – 9,8 м/с2;

L – 9 м;

w_p – 2,8 м/с;

а –0,93;

V – 8560 м3;

q_от – 0,38;

t_в – 18оС;

 t_нр – — 37оС;

К_ир – необходимо рассчитать.

Далее можно просто подставить цифры формулы.

Итоговый расчет

Сначала рассчитываем коэффициент инфильтрации:

                       273 + (-37)

К_ир = 10-2 √ = 0,4

                     273 + 18

Q_от = 0,93*8560*0,38*(18 – (-37))*(1 + 0,4)*10-6 Гкал/час = 232933 *10-6 Гкал/час = 0,232933 Гкал/час

Для большего понимания, посмотрите данное видео:

Месторасположение окон и потери тепла через них

Оконное стекло почти полностью прозрачно для солнечного тепла, но не прозрачно для «чёрных» источников излучения (с температурой ниже 230 градусов).

Намного больше тепла проходит через стекло снаружи, чем может пройти изнутри. Такая односторонняя проводимость может приводить к тому, что зимой отопление помещений с солнечной стороны может не потребовать значительных трат. Летом же получаем, наоборот, перегрев комнат, отчего возникает необходимость в охлаждении помещений.

Наименьшее поступление света бывает с северной, северо-восточной и северо-западной сторон.

Вывод: учитывать расположение окон и их влияние на климат в доме нужно на стадии проектирования дома. В противном случае остаётся лишь «бороться» с помощью жалюзей, плёнок на стёклах, реставрации старых рам или замены их на новые, утепления откосов и прочих мероприятий, о которых в следующих статьях.

Перед тем, как начать строить дом, нужно купить проект дома – так говорят архитекторы. Надо купить услуги профессионалов – так говорят строители. Необходимо купить качественные строительные материалы – так говорят продавцы и производители стройматериалов и утеплителей.

И вы знаете, в чем-то они все немножечко правы. Однако никто кроме вас не будет настолько заинтересован в вашем жилье, чтобы учесть все моменты и свести воедино все вопросы по его строительству.

Один из самых важных вопросов, которые стоит решить на этапе планирования строительства, это теплопотери дома. От расчета теплопотерь будут зависеть и проект дома, и его строительство и то, какие стройматериалы и утеплители вы будете закупать.

Не бывает домов с нулевыми теплопотерями. Для этого дом должен был бы плыть в вакууме со стенами в 100 метров высокоэффективного утеплителя. Мы живем не в вакууме, и вкладываться в 100 метров утеплителя не хотим. А значит, у нашего дома будут теплопотери. Пусть будут, лишь бы они были разумными.

Посмотрим, какие теплопотери можно считать разумными, и куда уходит тепло из дома в холодный период года.