Vandens šildymo skaičiavimas: formulės, taisyklės, atlikimo pavyzdžiai
Vandens naudojimas kaip šilumnešio šildymo sistemoje – vienas iš populiariausių būdų užtikrinti savo namų šilumą šaltuoju metų laiku. Reikia tik teisingai suprojektuoti, o po to sumontuoti sistemą. Priešingu atveju šildymas bus neefektyvus, o kuro sąnaudos didelės, o tai, sutikite, yra labai nepatrauklu esant dabartinėms energijos išteklių kainoms.
Savarankiškai atlikti vandens šildymo skaičiavimus (toliau – VŠS) nenaudojant specializuotų programų neįmanoma, nes skaičiavimuose naudojamos sudėtingos išraiškos, kurių reikšmių negalima nustatyti įprastu skaičiuotuvu. Šiame straipsnyje išsamiai išnagrinėsime skaičiavimų atlikimo algoritmą, pateiksime taikomas formules, aptarsime skaičiavimų eigą konkrečiu pavyzdžiu.
Pateiktą medžiagą papildysime lentelėmis su reikšmėmis ir informaciniais rodikliais, kurie reikalingi atliekant skaičiavimus, teminėmis nuotraukomis ir vaizdo įrašu, kuriame pademonstruotas aiškus skaičiavimo pavyzdys naudojant programą.
Straipsnio turinys:
Gyvenamosios konstrukcijos šiluminio balanso skaičiavimas
Norint įdiegti šildymo įrenginį, kuriame cirkuliuojančia medžiaga yra vanduo, būtina iš anksto atlikti tikslius hidraulinius skaičiavimus.
Kuriant ir diegiant bet kokią šildymo tipo sistemą būtina žinoti šiluminį balansą (toliau – ŠB). Žinant šiluminę galią, reikalingą palaikyti temperatūrą patalpoje, galima teisingai parinkti įrangą ir tinkamai paskirstyti jos apkrovą.
Žiemą patalpa patiria tam tikrus šilumos nuostolius (toliau – ŠN). Didžioji dalis energijos išeina per atitvarinius elementus ir vėdinimo angas. Nedidelės sąnaudos tenka infiltracijai, daiktų šildymui ir kt.
Šilumos nuostoliai (toliau – ŠN) priklauso nuo sluoksnių, iš kurių sudarytos atitvarinės konstrukcijos (toliau – OK). Šiuolaikinės statybinės medžiagos, ypač izoliacinės, turi žemą šilumos laidumo koeficientą (toliau – KT), dėl ko per jas išeina mažiau šilumos. Namams, turintiems vienodą plotą, bet skirtingą OK sandarą, šilumos sąnaudos skirsis.
Be šilumos nuostolių nustatymo, svarbu apskaičiuoti būsto šilumos balansą. Rodiklis atsižvelgia ne tik į energijos kiekį, išeinantį iš patalpos, bet ir į reikiamą galią tam tikrai temperatūrai namuose palaikyti.
Tiksliausius rezultatus duoda statybininkams sukurtos profilinės programos. Jų dėka galima atsižvelgti į daugiau veiksnių, darančių įtaką šilumos nuostoliams.

Dideliu tikslumu galima apskaičiuoti būsto šilumos nuostolius naudojant formules.
Bendros namo šilumos sąnaudos apskaičiuojamos pagal lygtį:
Q = Qok + Qv,
Kur Qok – šilumos kiekis, išeinantis iš patalpos per OK; Qv – ventiliacijos šilumos sąnaudos.
Nuostoliai per ventiliaciją atsižvelgiami tuo atveju, jei į patalpą patenkantis oras turi žemesnę temperatūrą.
Skaičiavimuose paprastai atsižvelgiama į OK, kurios viena puse išeina į lauką. Tai išorinės sienos, grindys, stogas, durys ir langai.
Bendri šilumos nuostoliai Qok yra lygūs kiekvienos OK šilumos nuostolių sumai, tai yra:
Qok = ∑Qst + ∑Qokn + ∑Qdv +∑Qptl + ∑Qpl,
Kur:
- Qst – sienų šilumos nuostolių vertė;
- Qokn – langų šilumos nuostoliai;
- Qdv – durų šilumos nuostoliai;
- Qptl – lubų šilumos nuostoliai;
- Qpl – grindų šilumos nuostoliai.
Jei grindys arba lubos visame plote turi nevienodą struktūrą, šilumos nuostoliai apskaičiuojami kiekvienai atkarpai atskirai.
Šilumos nuostolių per atitvarines konstrukcijas skaičiavimas
Skaičiavimams reikės šios informacijos:
- sienų struktūra, naudojamos medžiagos, jų storis, šilumos laidumo koeficientas (ŠLK);
- išorinė temperatūra per šalčiausią penkiadienį žiemą mieste;
- AK plotas;
- AK orientacija;
- rekomenduojama temperatūra gyvenamojoje patalpoje žiemos laikotarpiu.
Šilumos nuolostiams apskaičiuoti reikia rasti bendrą šiluminę varžą RAK. Tam reikia sužinoti kiekvieno AK sluoksnio šiluminę varžą R1, R2, R3, …, Rn.
Koeficientas Rn apskaičiuojamas pagal formulę:
Rn = B/k,
Formulėje: B – AK sluoksnio storis mm, k – kiekvieno sluoksnio ŠLK.
Bendrąją R galima nustatyti pagal išraišką:
R = ∑Rn
Durų ir langų gamintojai paprastai nurodo R koeficientą gaminio pase, todėl atskirai jo skaičiuoti nereikia.

Bendra šilumos nuostolių per AK skaičiavimo formulė yra tokia:
Qok = ∑S × (tvnt – tnar) × R × l,
Išraiškoje:
- S – AK plotas, m2;
- tvnt – norima temperatūra patalpoje;
- tnar – išorinė oro temperatūra;
- R – varžos koeficientas, apskaičiuojamas atskirai arba imamas iš gaminio paso;
- l – tikslinimo koeficientas, atsižvelgiantis į sienų orientaciją pasaulio šalių atžvilgiu.
Šilumos balanso (ŠB) skaičiavimas leidžia parinkti reikiamos galios įrangą, o tai pašalina šilumos trūkumo ar jos pertekliaus atsiradimo tikimybę. Šiluminės energijos trūkumas kompensuojamas didinant oro srautą per vėdinimą, o perteklius – įrengiant papildomą šildymo įrangą.
Vėdinimo šilumos sąnaudos
Bendra vėdinimo šilumos nuostolių skaičiavimo formulė yra tokia:
Qv = 0.28 × Ln × pvnt × c × (tvnt – tnar),
Išraiškoje kintamieji reiškia:
- Ln – tiekiamo oro sąnaudos;
- pvnt – oro tankis esant tam tikrai temperatūrai patalpoje;
- c – oro šiluminė talpa;
- tvnt – temperatūra name;
- tnar – išorinė oro temperatūra.
Jei pastate įrengta vėdinimo sistema, parametras Ln imamas iš prietaiso techninių charakteristikų. Jei vėdinimo nėra, imamas standartinis savitojo oro apykaitos rodiklis, lygus 3 m3 per valandą.
Remiantis tuo, Ln apskaičiuojamas pagal formulę:
Ln = 3 × Spl,
Išraiškoje Spl – grindų plotas.

Toliau reikia apskaičiuoti oro tankį pvnt esant nustatytai patalpos temperatūrai tvnt.
Tai galima padaryti pagal formulę:
pvnt = 353/(273+tvnt),
Savitoji šiluminė talpa c = 1,0005.
Jei vėdinimas ar infiltracija yra neorganizuota, sienose yra plyšių ar skylių, tuomet šilumos nuostolių per angas skaičiavimus reikia patikėti specialioms programoms.
Kitame mūsų straipsnyje pateikėme išsamų šilumotechninio skaičiavimo pavyzdį pastato su konkrečiais pavyzdžiais ir formulėmis.
Šiluminio balanso skaičiavimo pavyzdys
Apsvarstykime 2,5 m aukščio, 6 m pločio ir 8 m ilgio namą, esantį Ochos mieste, Sachalino srityje, kur per itin šaltą 5 dienų laikotarpį termometro stulpelis nukrenta iki -29 laipsnių.
Matavimo metu nustatyta grunto temperatūra – +5. Rekomenduojama temperatūra konstrukcijos viduje yra +21 laipsnis.

Nagrinėjamo namo sienos sudarytos iš:
- mūrinio mūro, kurio storis B=0,51 m, šilumos laidumas k=0,64;
- mineralinės vatos, kurios storis B=0,05 m, k=0,05;
- apdailos, kurios storis B=0,09 m, k=0,26.
Nustatant k, geriausia naudotis gamintojo svetainėje pateiktomis lentelėmis arba informaciją rasti gaminio techniniame pase.

Grindų danga sudaryta iš šių sluoksnių:
- OSB plokščių, kurių storis B=0,1 m, k=0,13;
- mineralinės vatos, kurios storis B=0,05 m, k=0,047;
- cementinio lygintuvo, kurio storis B=0,05 m, k=0,58;
- polistireninio putplasčio, kurio storis B=0,06 m, k=0,043.
Name rūsio patalpos nėra, o grindys visame plote turi vienodą struktūrą.
Lubos sudarytos iš sluoksnių:
- gipskartonio lakštų, kurių storis B=0,025 m, k=0,21;
- izoliacijos, kurios storis B=0,05 m, k=0,14;
- stogo perdangos, kurios storis B=0,05 m, k=0,043.
Išėjimų į palėpę nėra.
Name yra 6 dviejų kamerų langai su I stiklu ir argonu. Iš techninio gaminių paso žinoma, kad R=0,7. Langų matmenys – 1,1×1,4 m.
Durys turi matmenis 1×2,2 m, o R rodiklis – 0,36.
Žingsnis #1 – sienos šilumos nuostolių skaičiavimas
Sienos per visą plotą sudaro trys sluoksniai. Pradžioje apskaičiuokime jų bendrą šiluminę varžą.
Tam naudojame formulę:
R = ∑Rn,
ir išraišką:
Rn = B/k
Atsižvelgdami į pradinius duomenis, gausime:
Rst = 0.51/0.64 + 0.05/0.05 + 0.09/0.26 = 0.79 +1 + 0.35 = 2.14
Sužinoję R, galime pradėti skaičiuoti šiaurinės, pietinės, rytinės ir vakarinės sienos šilumos nuostolius.

Apskaičiuokime šiaurinės sienos plotą:
Ssev.sten = 8 × 2.5 = 20
Tada, įstatę į formulę Qok = ∑S × (tvnt – tnar) × R × l ir atsižvelgdami, kad l=1.1, gausime:
Qsev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354
Pietinės sienos plotas Syuch.st = Ssev.st = 20.
Sienoje nėra įmontuotų langų ar durų, todėl, atsižvelgdami į koeficientą l=1, gausime šiuos ŠN:
Qyuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140
Vakarinės ir rytinės sienos koeficientas l=1.05. Todėl galime rasti bendrą šių sienų plotą, t. y.:
Szap.st + Svost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30
Į sienas įmontuoti 6 langai ir vienos durys. Apskaičiuokime bendrą langų ir durų plotą:
Sokn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24
Sdv = 1 × 2.2 = 2.2
Nustatykime sienų S, neįskaitant langų ir durų S:
Svost+zap = 30 – 9.24 – 2.2 = 18.56
Apskaičiuokime bendrus rytinės ir vakarinės sienos ŠN:
Qvost+zap =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085
Gavę rezultatus, apskaičiuokime per sienas prarandamą šilumos kiekį:
Qst = Qsev.st + Qyuch.st + Qvost+zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579
Iš viso bendri sienų ŠN sudaro 6 kW.
Žingsnis #2 – langų ir durų šilumos nuostolių skaičiavimas
Langai yra ant rytinės ir vakarinės sienų, todėl skaičiavimuose koeficientas l=1.05. Žinoma, kad visų konstrukcijų sandara vienoda ir R=0.7.
Naudodami aukščiau pateiktas ploto vertes, gausime:
Qokn = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340
Žinodami, kad durų R=0.36, o S=2.2, nustatykime jų ŠN:
Qdv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42
Galutiniame rezultate per langus išeina 340 W šilumos, o per duris – 42 W.
Žingsnis #3 – grindų ir lubų šilumos nuostolių nustatymas
Akivaizdu, kad lubų ir grindų plotas bus vienodas, ir apskaičiuojamas taip:
Spol = Sptl = 6 × 8 = 48
Apskaičiuokime bendrą grindų šiluminę varžą, atsižvelgdami į jų struktūrą.
Rpol = 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
Žinant, kad grunto temperatūra tnar=+5 ir atsižvelgiant į koeficientą l=1, apskaičiuokime Q grindų:
Qpol = 48 × (21 – 5) × 1 × 3.4 = 2611
Suapvalinus, gauname, kad grindų šilumos nuostoliai yra apie 3 kW.

Nustatykime lubų šiluminę varžą Rptl ir jos Q:
- Rptl = 0.025/0.21 + 0.05/0.14 + 0.05/0.043 = 0.12 + 0.71 + 0.35 = 1.18
- Qptl = 48 × (21 +29) × 1 × 1.18 = 2832
Iš to išplaukia, kad per lubas ir grindas išeina beveik 6 kW.
Žingsnis #4 – vėdinimo šilumos nuostolių skaičiavimas
Patalpoje vėdinimas yra organizuotas, apskaičiuojamas pagal formulę:
Qv = 0.28 × Ln × pvnt × c × (tvnt – tnar)
Remiantis techninėmis charakteristikomis, savitasis šilumos mainas yra 3 kubiniai metrai per valandą, tai yra:
Ln = 3 × 48 = 144.
Tankio apskaičiavimui naudojame formulę:
pvnt = 353/(273+tvnt).
Apskaičiuota patalpos temperatūra yra +21 laipsnis.
Įrašydami žinomas reikšmes, gauname:
pvnt = 353/(273+21) = 1.2
Į aukščiau pateiktą formulę įrašykime gautus skaičius:
Qv = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21 – 29) = 2431
Atsižvelgdami į vėdinimo šilumos nuostolius (ŠN), bendras pastato Q bus:
Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.
Perskaičiavę į kW, gauname bendrus šilumos nuostolius 16 kW.
Vandens šildymo sistemos skaičiavimo ypatumai
Radus šilumos nuostolių (ŠN) rodiklį, pereinama prie hidraulinio skaičiavimo (toliau - HS).
Remiantis juo, gaunama informacija apie šiuos rodiklius:
- optimalų vamzdžių skersmenį, kuris esant slėgio kritimams galės praleisti nustatytą šilumnešio kiekį;
- šilumnešio srautą tam tikroje atkarpoje;
- vandens judėjimo greitį;
- savitosios varžos vertę.
Prieš pradedant skaičiavimus, siekiant supaprastinti skaičiavimus, atvaizduojama erdvinė sistemos schema, kurioje visi jos elementai išdėstomi lygiagrečiai vienas kitam.
Aptarsime pagrindinius vandens šildymo skaičiavimo etapus.
Pagrindinio cirkuliacinio žiedo hidraulinis skaičiavimas
HS skaičiavimo metodika remiasi prielaida, kad visuose stovuose ir atšakose temperatūrų skirtumai yra vienodi.
Skaičiavimo algoritmas yra toks:
- Pavaizduotoje schemoje, atsižvelgiant į šilumos nuostolius, nurodomos šiluminės apkrovos, veikiančios šildymo prietaisus, stovus.
- Remiantis schema, parenkamas pagrindinis cirkuliacinis žiedas (toliau – PCŽ). Šio žiedo ypatumas yra tas, kad jame cirkuliacinis slėgis žiedo ilgio vienetui yra mažiausias.
- PCŽ skirstomas į atkarpas, turinčias pastovų šilumos srautą. Kiekvienai atkarpai nurodomas numeris, šiluminė apkrova, skersmuo ir ilgis.
Vertikalioje vienvamzdėje sistemoje PCŽ laikomas tas žiedas, per kurį eina labiausiai apkrautas stovas, kai vanduo magistralėse juda aklagatviu arba praeinamuoju būdu. Išsamiau apie cirkuliacinių žiedų suderinimą vienvamzdėje sistemoje ir pagrindinio pasirinkimą kalbėjome kitoje straipsnyje. Atskirai skyrėme dėmesio skaičiavimų atlikimo tvarkai, naudodami konkretų pavyzdį aiškumui.

Horizontalioje vienvamzdėje sistemoje PCŽ turi turėti mažiausią cirkuliacinį slėgį žiedo ilgio vienetui. Sistemoms su natūralia cirkuliacija situacija yra analogiška.
Atliekant vertikalios vienvamzdės sistemos stovų HS, pratekėjimo ir pratekėjimo-reguliavimo stovai, turintys suvienodintus mazgus, yra laikomi vienu kontūru. Stovams su uždarymo atkarpomis atliekamas atskyrimas, atsižvelgiant į vandens pasiskirstymą kiekvieno prietaiso mazgo vamzdyne.
Vandens srautas nurodytoje atkarpoje apskaičiuojamas pagal formulę:
Gkont = (3,6 × Qkont × β1 × β2)/((tr – t0) × c)
Išraiškoje raidiniai simboliai reiškia šias reikšmes:
- Qkont – kontūro šiluminė apkrova;
- β1, β2 – papildomi lentelės koeficientai, įvertinantys šilumos atidavimą patalpoje;
- c – vandens šiluminė talpa, lygi 4,187;
- tr – vandens temperatūra tiekimo magistralėje;
- t0 – vandens temperatūra grįžtamojoje magistralėje.
Nustačius skersmenį ir vandens kiekį, reikia sužinoti jo judėjimo greitį ir savitosios varžos R reikšmę. Visus skaičiavimus patogiausia atlikti naudojant specialias programas.
Šalutinio cirkuliacinio žiedo hidraulinis skaičiavimas
Atlikus pagrindinio žiedo hidraulinį skaičiavimą, nustatomas slėgis mažame cirkuliaciniame žiede, susidarantis per artimiausius jo stovus, atsižvelgiant į tai, kad slėgio nuostoliai gali skirtis ne daugiau kaip 15 % aklavietės schemoje ir ne daugiau kaip 5 % praeigos schemoje.
Jei neįmanoma suderinti slėgio nuostolių, montuojama droselinė poveržlė, kurios skersmuo apskaičiuojamas naudojant programinius metodus.
Radiatorių baterijų skaičiavimas
Grįžkime prie aukščiau pateikto namo plano. Skaičiavimais nustatyta, kad šiluminiam balansui palaikyti reikės 16 kW energijos. Nagrinėjamame name yra 6 skirtingos paskirties patalpos – svetainė, vonios kambarys, virtuvė, miegamasis, koridorius, prieškambaris.
Remiantis konstrukcijos matmenimis, galima apskaičiuoti tūrį V:
V=6×8×2.5=120 m3
Toliau reikia rasti šiluminės galios kiekį vienam m3. Tam Q reikia padalyti iš rasto tūrio, tai yra:
P=16000/120=133 W/m3
Toliau reikia nustatyti, kiek šiluminės galios reikės vienai patalpai. Schemoje kiekvienos patalpos plotas jau apskaičiuotas.
Nustatykime tūrį:
- vonios kambarys – 4.19×2.5=10.47;
- svetainė – 13.83×2.5=34.58;
- virtuvė – 9.43×2.5=23.58;
- miegamasis – 10.33×2.5=25.83;
- koridorius – 4.10×2.5=10.25;
- prieškambaris – 5.8×2.5=14.5.
Skaičiavimuose taip pat reikia atsižvelgti į patalpas, kuriose nėra šildymo baterijų, pavyzdžiui, koridorių.

Nustatykime reikalingą šilumos kiekį kiekvienai patalpai, padauginę patalpos tūrį iš rodiklio P.
Gausime reikalingą galią:
- vonios kambariui – 10.47×133=1392 W;
- svetainei – 34.58×133=4599 W;
- virtuvei – 23.58×133=3136 W;
- miegamajam – 25.83×133=3435 W;
- koridoriui – 10.25×133=1363 W;
- prieškambariui – 14.5×133=1889 W.
Pradėkime radiatorių baterijų skaičiavimą. Naudosime aliuminius radiatorius, kurių aukštis yra 60 cm, galia esant 70 temperatūrai yra 150 W.
Apskaičiuokime reikiamą radiatorių baterijų skaičių:
- vonios kambarys – 1392/150=10;
- svetainė – 4599/150=31;
- virtuvė – 3136/150=21;
- miegamasis – 3435/150=23;
- prieškambaris – 1889/150=13.
Iš viso reikės: 10+31+21+23+13=98 radiatorių baterijų.
Mūsų svetainėje taip pat yra kitų straipsnių, kuriuose išsamiai aptarėme šildymo sistemos šiluminio skaičiavimo atlikimo tvarką, nuoseklų radiatorių ir šildymo vamzdžių galios skaičiavimą. O jei jūsų sistemoje yra šiltos grindys, jums reikės atlikti papildomus skaičiavimus.
Išsamiau visi šie klausimai aptariami šiuose mūsų straipsniuose:
- Šildymo sistemos šiluminis skaičiavimas: kaip tinkamai apskaičiuoti sistemos apkrovą
- Šildymo radiatorių skaičiavimas: kaip apskaičiuoti reikiamą baterijų kiekį ir galingumą
- Vamzdžio tūrio skaičiavimas: skaičiavimo principai ir taisyklės litrais bei kubiniais metrais
- Kaip apskaičiuoti šiltas grindis naudojant vandens sistemos pavyzdį
- Šiltų grindų vamzdžių skaičiavimas: vamzdžių rūšys, būdai ir klojimo žingsnis + sąnaudų apskaičiavimas
Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema
Vaizdo įraše galite susipažinti su vandens šildymo skaičiavimo pavyzdžiu, kuris atliekamas naudojant programą „Valtec“:
Hidraulinius skaičiavimus geriausia atlikti naudojant specialias programas, kurios garantuoja didelį skaičiavimų tikslumą ir atsižvelgia į visus konstrukcijos niuansus.
Jūs specializuojatės atlikdami šildymo sistemų, naudojančių vandenį kaip šilumnešį, skaičiavimus ir norite papildyti mūsų straipsnį naudingomis formulėmis, pasidalyti profesinėmis paslaptimis?
O gal norite atkreipti dėmesį į papildomus skaičiavimus arba nurodyti mūsų skaičiavimų netikslumą? Rašykite, prašome, savo pastabas ir rekomendacijas bloke po straipsniu.



Tiesą sakant, aš nelabai vargau su skaičiavimais, kai dariau sau šildymą. Man visos tos formulės – egiptietiškos bausmės. Tai skirta inžinieriams, sąmatininkams ir panašiai. Žinoma, toks požiūris leis tiksliai apskaičiuoti ir atsižvelgti į visus šildymo niuansus.
Aš dar keletą metų tobulinau sistemą, taip sakant, bandymų būdu. Prieškambaryje pridėjau radiatorių briaunų, o virtuvėje, priešingai, sumažinau, nes buvo karšta. Aš numatiau tokią galimybę, atsižvelgiau prijungdamas.
Esmė ta, kad ne visada vėliau pavyksta pabaigti taip, kad sistema tinkamai veiktų. Nėra noro skaičiuoti savarankiškai – galima patikėti specialistams.