Šildymo sistemos šiluminis skaičiavimas: kaip tinkamai apskaičiuoti sistemos apkrovą

Šildymo sistemos projektavimas ir šiluminis skaičiavimas – privalomas etapas įrengiant namo šildymą. Pagrindinė skaičiavimo veiksmų užduotis – optimalių katilo ir radiatorių sistemos parametrų nustatymas.

Sutikite, iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti, kad atlikti šilumotechninį skaičiavimą gali tik inžinierius. Tačiau viskas nėra taip sudėtinga. Žinant veiksmų algoritmą, pavyks savarankiškai atlikti reikiamus skaičiavimus.

Straipsnyje išsamiai aprašyta skaičiavimo tvarka ir pateiktos visos reikalingos formulės. Kad būtų geriau suprasta, paruošėme šiluminio skaičiavimo pavyzdį privačiam namui.

Šildymo šiluminis skaičiavimas: bendroji tvarka

Klasikinis šildymo sistemos šiluminis skaičiavimas yra apibendrintas techninis dokumentas, kuris apima privalomus etapinius standartinius skaičiavimo metodus.

Tačiau prieš studijuojant šiuos pagrindinių parametrų skaičiavimus, reikia apsispręsti dėl pačios šildymo sistemos sąvokos.

Šildymo sistema pasižymi priverstiniu tiekimu ir savaiminiu šilumos atidavimu patalpoje.

Pagrindiniai šildymo sistemos skaičiavimo ir projektavimo uždaviniai:

• patikimiausiai nustatyti šilumos nuostolius;
• nustatyti šilumnešio kiekį ir naudojimo sąlygas;
• kuo tiksliau parinkti šilumos generavimo, perkėlimo ir atidavimo elementus.

Statant šildymo sistemą, pirmiausia reikia surinkti įvairius duomenis apie patalpą / pastatą, kuriame bus naudojama šildymo sistema. Tada atlikti sistemos šiluminių parametrų skaičiavimą ir išanalizuoti aritmetinių operacijų rezultatus.

Remiantis gautais duomenimis, parenkami šildymo sistemos komponentai, vėliau perkami, montuojami ir pradedami eksploatuoti.

Šildymas – tai daugiakomponentė sistema, užtikrinanti patvirtintą temperatūros režimą patalpoje / pastate. Ji yra atskira šiuolaikinės gyvenamosios patalpos komunikacijų komplekso dalis.

Pažymėtina, kad nurodyta šiluminio skaičiavimo metodika leidžia gana tiksliai apskaičiuoti daugybę dydžių, kurie konkrečiai apibūdina būsimą šildymo sistemą.

Atlikus šiluminį skaičiavimą, turėsite šią informaciją:

• šilumos nuostolių kiekis, katilo galia;
• šiluminių radiatorių kiekis ir tipas kiekvienai patalpai atskirai;
• vamzdyno hidraulinės charakteristikos;
• šilumnešio tūris, greitis, šilumos siurblio galia.

Šiluminis skaičiavimas – tai ne teoriniai eskizai, o gana tikslūs ir pagrįsti rezultatai, kuriuos rekomenduojama naudoti praktiškai renkantis šildymo sistemos komponentus.

Patalpų temperatūros režimų normos

Prieš atliekant bet kokius sistemos parametrų skaičiavimus, būtina bent jau žinoti numatomų rezultatų eilę, taip pat turėti standartizuotas kai kurių lentelinių dydžių charakteristikas, kurias reikia įvesti į formules arba jomis remtis.

Atlikus parametrų skaičiavimus su tokiomis konstantomis, galima būti tikriems dėl ieškomo dinaminio ar pastovaus sistemos parametro patikimumo.

Įvairios paskirties patalpoms yra etaloniniai gyvenamųjų ir negyvenamųjų patalpų temperatūros režimų standartai. Šios normos yra įtvirtintos vadinamuosiuose GOST.

Šildymo sistemai vienas iš tokių globalių parametrų yra patalpos temperatūra, kuri turi būti pastovi nepriklausomai nuo metų laiko ir aplinkos sąlygų.

Pagal sanitarinių normų ir taisyklių reglamentą temperatūra skiriasi atsižvelgiant į vasaros ir žiemos laikotarpį. Už patalpos temperatūros režimą vasaros sezono metu atsako kondicionavimo sistema, jos skaičiavimo principas išsamiai aprašytas šiame straipsnyje.

O kambario oro temperatūrą žiemos laikotarpiu užtikrina šildymo sistema. Todėl mus domina temperatūros diapazonai ir jų nuokrypių leistinos ribos žiemos sezonui.

Daugumoje norminių dokumentų nurodomi šie temperatūros intervalai, kurie leidžia žmogui patogiai jaustis kambaryje.

Negyvenamoms biuro tipo patalpoms, kurių plotas iki 100 m²:

• 22-24°C – optimali oro temperatūra;
• 1°C – leistinas svyravimas.

Biuro tipo patalpoms, kurių plotas didesnis nei 100 m², temperatūra yra 21-23°C. Negyvenamoms pramoninio tipo patalpoms temperatūros intervalai labai skiriasi priklausomai nuo patalpos paskirties ir nustatytų darbo saugos normų.

Kambario komforto temperatūra kiekvienam žmogui yra “sava”. Vieni mėgsta, kad kambaryje būtų labai šilta, kitiems patogu, kai kambaryje vėsu – visa tai gana individualu.

O gyvenamosioms patalpoms: butams, privatiems namams, sodyboms ir pan. egzistuoja tam tikri temperatūros intervalai, kurie gali būti koreguojami pagal gyventojų pageidavimus.

Ir visgi konkrečioms buto ir namo patalpoms turime:

• 20-22°C – gyvenamasis, įskaitant vaikų, kambarys, leistinas nuokrypis ±2°C –
• 19-21°C – virtuvė, tualetas, leistinas nuokrypis ±2°C;
• 24-26°C – vonia, dušas, baseinas, leistinas nuokrypis ±1°C;
• 16-18°C – koridoriai, prieškambariai, laiptinės, sandėliukai, leistinas nuokrypis +3°C

Svarbu pažymėti, kad yra dar keletas pagrindinių parametrų, kurie įtakoja temperatūrą patalpoje ir į kuriuos reikia orientuotis skaičiuojant šildymo sistemą: drėgmė (40-60%), deguonies ir anglies dioksido koncentracija ore (250:1), oro masių judėjimo greitis (0.13-0.25 m/s) ir pan.

Šilumos nuostolių name skaičiavimas

Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį (mokyklinė fizika) neegzistuoja savaiminis energijos perdavimas nuo mažiau įkaitusių prie labiau įkaitusių mini- ar makroobjektų. Privatus šio dėsnio atvejis yra “siekis” sukurti temperatūrinę pusiausvyrą tarp dviejų termodinaminių sistemų.

Pavyzdžiui, pirmoji sistema – aplinka, kurios temperatūra -20°C, antroji sistema – pastatas, kurio vidaus temperatūra +20°C. Pagal pateiktą dėsnį šios dvi sistemos sieks pusiausvyros per energijos mainus. Tai vyks per šilumos nuostolius iš antrosios sistemos ir aušinimą pirmojoje.

Vienareikšmiškai galima teigti, kad aplinkos temperatūra priklauso nuo platumos, kurioje yra privatus namas. O temperatūrų skirtumas įtakoja šilumos nutekėjimo iš pastato kiekį (+)

Šilumos nuostoliai reiškia nevalingą šilumos (energijos) ištrūkimą iš objekto (namo, buto). Paprastam butui šis procesas nėra toks „pastebimas“, palyginti su privačiu namu, kadangi butas yra pastato viduje ir „kaimynauja“ su kitais butais.

Privačiame name per išorines sienas, grindis, stogą, langus ir duris vienu ar kitu laipsniu „išeina“ šiluma.

Žinant šilumos nuostolių dydį pačiomis nepalankiausiomis oro sąlygomis ir šių sąlygų charakteristiką, galima dideliu tikslumu apskaičiuoti šildymo sistemos galią.

Taigi, šilumos nutekėjimo iš pastato kiekis apskaičiuojamas pagal šią formulę:

Q=Q_grindys+Q_siena+Q_langas+Q_stogas+Q_durys+…+Q_i, kur

Qi – šilumos nuostolių kiekis vienalytės pastato apvalkalo dalies.

Kiekvienas formulės dedamasis apskaičiuojamas pagal formulę:

Q=S*∆T/R, kur

• Q – šilumos nuostoliai, W;
• S – konkretaus konstrukcijos tipo plotas, kv. m;
• ∆T – aplinkos oro ir patalpos vidaus temperatūrų skirtumas, °C;
• R – tam tikros konstrukcijos tipo šiluminė varža, m²*°C/W.

Pačią šiluminės varžos vertę realiai esamoms medžiagoms rekomenduojama imti iš pagalbinių lentelių.

Be to, šiluminę varžą galima gauti naudojant šį santykį:

R=d/k, kur

• R – šiluminė varža, (m²*K)/W;
• k – medžiagos šilumos laidumo koeficientas, W/(m²*K);
• d – šios medžiagos storis, m.

Senuose namuose su sudrėkusia stogo konstrukcija šilumos nutekėjimai vyksta per viršutinę pastato dalį, būtent per stogą ir palėpę. Atlikus lubų šiltinimo arba mansardos stogo šiluminės izoliacijos darbus, ši problema išsprendžiama.

Jei apšiltinti palėpės erdvę ir stogą, tai bendri šilumos nuostoliai iš namo gali būti žymiai sumažinti.

Namuose dar egzistuoja keletas šilumos nuostolių rūšių per konstrukcijų plyšius, vėdinimo sistemą, virtuvės gartraukį, langų ir durų atidarymus. Tačiau atsižvelgti į jų kiekį nėra prasmės, nes jie sudaro ne daugiau kaip 5% visų pagrindinių šilumos nuostolių.

Katilo galios nustatymas

Norint palaikyti temperatūrų skirtumą tarp aplinkos ir namo vidaus, reikalinga autonominė šildymo sistema, kuri palaiko reikiamą temperatūrą kiekviename privataus namo kambaryje.

Šildymo sistemos pagrindą sudaro įvairūs katilų tipai: skysto arba kieto kuro, elektriniai arba dujiniai.

Katilas – tai centrinis šildymo sistemos mazgas, kuris generuoja šilumą. Pagrindinė katilo charakteristika yra jo galia, o būtent šilumos kiekio konvertavimo greitis per laiko vienetą.

Atlikę šildymo šiluminės apkrovos skaičiavimus, gausime reikiamą nominalią katilo galią.

Įprastam daugiakambariui butui katilo galia apskaičiuojama pagal plotą ir specifinę galią:

P_katilo=(S_patalpos*P_specifinė)/10, kur

• S_patalpos – bendras šildomos patalpos plotas;
• P_specifinė – specifinė galia pagal klimato sąlygas.

Tačiau ši formulė neatsižvelgia į šilumos nuostolius, kurių privačiame name yra pakankamai.

Yra kitas santykis, kuris atsižvelgia į šį parametrą:

P_katilo=(Q_nuostolių*S)/100, kur

• P_katilo – katilo galia;
• Q_nuostolių – šilumos nuostoliai;
• S – šildomas plotas.

Skaičiuojamą katilo galią reikia padidinti. Atsarga būtina, jei planuojama naudoti katilą vandens šildymui vonios kambaryje ir virtuvėje.

Daugumoje privačių namų šildymo sistemų rekomenduojama būtinai naudoti išsiplėtimo rezervuarą, kuriame bus laikoma šilumnešio atsarga. Kiekvienas privatus namas reikalauja karšto vandens tiekimo.

Kad būtų numatyta katilo galios atsarga, į paskutinę formulę reikia pridėti atsargos koeficientą K:

P_katilo=(Q_nuostolių*S*K)/100, kur

K – bus lygus 1,25, tai yra apskaičiuota katilo galia bus padidinta 25 %.

Taigi, katilo galia suteikia galimybę palaikyti normatyvinę oro temperatūrą pastato kambariuose, taip pat turėti pradinį ir papildomą karšto vandens tūrį name.

Radiatorių parinkimo ypatumai

Standartiniais šilumos tiekimo komponentais patalpose yra radiatoriai, plokštės, “šiltos” grindų sistemos, konvektoriai ir t. t. Labiausiai paplitusios šildymo sistemos detalės yra radiatoriai.

Šiluminis radiatorius – tai speciali modulinio tipo tuščiavidurė konstrukcija iš lydinio, pasižyminčio aukštu šilumos atidavimu. Jis gaminamas iš plieno, aliuminio, ketaus, keramikos ir kitų lydinių. Šildymo radiatoriaus veikimo principas susiveda į energijos spinduliavimą iš šilumnešio į patalpos erdvę per “lapelius”.

Aliumininiai ir bimetaliniai šildymo radiatoriai pakeitė masyvines ketaus baterijas. Gamybos paprastumas, aukštas šilumos atidavimas, sėkminga konstrukcija ir dizainas padarė šį gaminį populiariu ir plačiai paplitusiu šilumos spinduliavimo įrankiu patalpoje.

Egzistuoja keletas metodikų šildymo radiatorių apskaičiavimo kambaryje. Toliau pateiktas būdų sąrašas surikiuotas didėjančiu skaičiavimų tikslumu.

Skaičiavimo variantai:

1. Pagal plotą. N=(S*100)/C, kur N – sekcijų skaičius, S – patalpos plotas (m²), C – vienos radiatoriaus sekcijos šilumos perdavimas (W, imamas iš gaminio techninio paso arba sertifikato), 100 W – šilumos srauto kiekis, reikalingas 1 m² (empirinė vertė). Kyla klausimas: kaip atsižvelgti į patalpos lubų aukštį?
2. Pagal tūrį. N=(S*H*41)/C, kur N, S, C – analogiškai. H – patalpos aukštis, 41 W – šilumos srauto kiekis, reikalingas 1 m³ (empirinė vertė).
3. Pagal koeficientus. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, kur N, S, C ir 100 – analogiškai. k1 – lango stiklo paketo kamerų skaičiaus įvertinimas, k2 – sienų šilumos izoliacija, k3 – langų ploto ir patalpos ploto santykis, k4 – vidutinė minusinė temperatūra šalčiausią žiemos savaitę, k5 – patalpos išorinių sienų skaičius (kurios „išeina“ į lauką), k6 – viršuje esančios patalpos tipas, k7 – lubų aukštis.

Tai tiksliausias sekcijų skaičiaus apskaičiavimo variantas. Natūralu, kad trupmeniniai skaičiavimo rezultatai visada apvalinami iki kito sveikojo skaičiaus.

Vandentiekio hidraulinis skaičiavimas

Be abejo, šildymo šilumos skaičiavimo „vaizdas“ negali būti išsamus neapskaičiavus tokių charakteristikų kaip šilumnešio tūris ir greitis. Daugeliu atvejų šilumnešis yra įprastas vanduo skystoje ar dujinėje agregatinėje būsenoje.

Realų šilumnešio tūrį rekomenduojama apskaičiuoti sumuojant visas ertmes šildymo sistemoje. Naudojant vienos grandinės katilą – tai optimalus variantas. Naudojant dviejų grandinių katilus šildymo sistemoje, būtina atsižvelgti į karšto vandens srautus higienos ir kitiems buitiniams tikslams.

Vandens, šildomo dviejų grandinių katilu, tūrio apskaičiavimas, siekiant aprūpinti gyventojus karštu vandeniu ir pašildyti šilumnešį, atliekamas sumuojant vidinį šildymo kontūro tūrį ir realius vartotojų poreikius pašildytam vandeniui.

Karšto vandens tūris šildymo sistemoje apskaičiuojamas pagal formulę:

W=k*P, kur

• W – šilumos nešiklio tūris;
• P – šildymo katilo galia;
• k – galios koeficientas (litrų skaičius galios vienetui, lygus 13.5, diapazonas – 10–15 l).

Galutinė formulė atrodo taip:

W = 13.5*P

Šilumnešio greitis – galutinis dinaminis šildymo sistemos įvertinimas, apibūdinantis skysčio cirkuliacijos greitį sistemoje.

Šis dydis padeda įvertinti vamzdyno tipą ir skersmenį:

V=(0,86*P*μ)/∆T, kur

• P – katilo galia;
• μ – katilo naudingumo koeficientas;
• ∆T – temperatūrų skirtumas tarp tiekiamo vandens ir vandens grįžtamajame kontūre.

Naudodami pirmiau nurodytus hidraulinio skaičiavimo metodus, galėsite gauti realius parametrus, kurie yra būsimos šildymo sistemos “pamatas”.

Šiluminio skaičiavimo pavyzdys

Kaip šiluminio skaičiavimo pavyzdį turime paprastą 1 aukšto namą su keturiais gyvenamaisiais kambariais, virtuve, vonios kambariu, “žiemos sodu” ir pagalbinėmis patalpomis.

Pamatas iš monolitinės gelžbetoninės plokštės (20 cm), išorinės sienos – betonas (25 cm) su tinku, stogas – perdenginiai iš medinių sijų, stogo danga – metalinė čerpė ir mineralinė vata (10 cm)

Pažymėkime pradinius namo parametrus, būtinus skaičiavimams atlikti.

Pastato matmenys:

• aukšto aukštis – 3 m;
• mažas langas pastato fasado ir galinėje dalyje 1470*1420 mm;
• didelis fasado langas 2080*1420 mm;
• įėjimo durys 2000*900 mm;
• galinės dalies durys (išėjimas į terasą) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Bendras pastato plotis 9.5 m², ilgis 16 m². Šildomi bus tik gyvenamieji kambariai (4 vnt.), vonios kambarys ir virtuvė.

Norint tiksliai apskaičiuoti šilumos nuostolius per sienas, iš išorinių sienų ploto reikia atimti visų langų ir durų plotą – tai visiškai kitokia medžiaga su savo šilumine varža.

Pradedame nuo vienalyčių medžiagų plotų skaičiavimo:

• grindų plotas – 152 m²;
• stogo plotas – 180 m², atsižvelgiant į palėpės aukštį 1.3 m ir tarpinės plotį – 4 m;
• langų plotas – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• durų plotas – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

Išorinių sienų plotas bus lygus 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Pereiname prie šilumos nuostolių kiekvienai medžiagai skaičiavimo:

• Q_grindys=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_stogas=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_langas=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_durys=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

Taip pat Q_siena yra lygu 136.38*40*0.25/0.3=4546. Visų šilumos nuostolių suma sudarys 19628.4 W.

Galutinai apskaičiuosime katilo galią: P_katilo=Q_nuostoliai*S_{šildomi_kambariai}*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.

Radiatorių sekcijų skaičiaus apskaičiavimą atliksime vienam kambariui. Visiems kitiems skaičiavimai yra analogiški. Pavyzdžiui, kampinis kambarys (kairėje, apatinis schemos kampas) plotas 10.4 m2.

Taigi, 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.

Šiam kambariui reikia 9 šildymo radiatoriaus sekcijų, kurių šilumos atidavimas yra 180 W.

Pereiname prie šilumnešio kiekio sistemoje skaičiavimo – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Taigi, šilumnešio greitis bus: V=(0.86*P*μ)/ΔT=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

Dėl to visas šilumnešio tūrio apsisukimas sistemoje bus lygus 2,87 karto per valandą.

Straipsnių rinkinys apie šiluminį skaičiavimą padės nustatyti tikslius šildymo sistemos elementų parametrus:

1. Privataus namo šildymo sistemos skaičiavimas: taisyklės ir skaičiavimo pavyzdžiai
2. Pastato šilumotechninis skaičiavimas: specifika ir skaičiavimo formulės + praktiniai pavyzdžiai

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Paprastas šildymo sistemos skaičiavimas privatiems namams pateiktas šioje apžvalgoje:

Visi niuansai ir visuotinai priimtos pastato šilumos nuostolių skaičiavimo metodikos parodytos žemiau:

Dar vienas šilumos nuotėkių skaičiavimo variantas tipiškame privačiame name:

Šiame vaizdo įraše pasakojama apie energijos nešiklio cirkuliacijos ypatybes gyvenamojo būsto šildymui:

Šildymo sistemos šiluminis skaičiavimas yra individualus, jį reikia atlikti kompetentingai ir kruopščiai. Kuo tiksliau atlikti skaičiavimai, tuo mažiau priemokėti turės priemiesčio namo savininkai eksploatacijos metu.

Ar turite patirties atliekant šildymo sistemos šiluminį skaičiavimą? Ar liko klausimų šia tema? Prašome pasidalinti savo nuomone ir palikti komentarus. Atsiliepimų blokas yra žemiau.