Розрахунок витрати теплоносія

при проектуванні систем опалення, теплоносієм в яких виступає вода, часто доводиться уточнювати обсяг теплоносія в системі опалення. Такі дані іноді потрібні для розрахунку обсягу розширювального бачка щодо відомих вже потужностей самої системи.

Крім того, досить часто доводиться вираховувати цю саму потужність або ж шукати мінімально необхідну, щоб знати, чи здатна вона підтримувати необхідний тепловий режим в приміщенні. У такому випадку доводиться проводити розрахунок теплоносія в системі опалення, а також його витрата за одиницю часу.

Вибір циркуляційного насоса

Циркуляційний насос - елемент, без якого зараз вже навіть важко уявити будь-яку систему опалення, вибирається за двома основними критеріями, тобто двома параметрами:

• Q - це витрата теплоносія в системі опалення. Виражається витрата в кубометрах за 1 годину;
• Н - напір, який виражається в метрах.

Наприклад, Q для позначення витрат теплоносія в системі опалення застосовується в багатьох технічних статтях і деяких нормативних документах. Цією ж літерою користуються деякі виробники циркуляційних насосів для позначення того ж витрати. А ось заводи з виробництва запірної арматури в якості позначення витрати теплоносія в системі опалення застосовують букву «G».

Варто зауважити, що наведені позначення в деякій технічної документації можуть не збігатися.

Відразу варто обмовитися, що в наших розрахунках для позначення витрати буде застосована буква «Q».

Розрахунок витрати теплоносія (води) в системі опалення

Отже, щоб правильно вибрати насос, слід відразу звернути увагу на таку величину, як тепловтрати будинку. Фізичний сенс звязку цього поняття і насоса полягає в наступному. Нагріте до певної температури деяка кількість води постійно циркулює по трубах в системі опалення. Циркуляцію здійснює насос. При цьому стіни будинку постійно віддають частину свого тепла в навколишнє середовище - це і є теплові втрати будинку. Необхідно дізнатися, яку мінімальну кількість води повинен перекачувати насос по системі опалення з певною температурою, тобто і з певною кількістю теплової енергії, щоб цієї самої енергії вистачило на компенсацію теплових втрат.

Фактично при вирішенні цього завдання вважається пропускна здатність насоса, або витрата води. Однак даний параметр має дещо іншу назву з тієї простої причини, що залежить він не тільки від самого насоса, але і від температури теплоносія в системі опалення, а крім того, від пропускної здатності труб.

Взявши до уваги все вищеописане, стає зрозумілим, що перед основним розрахунком теплоносія необхідно зробити розрахунок теплових втрат будинки. Таким чином, план розрахунку буде наступним:

• знаходження теплових втрат будинку;
• встановлення середньої температури теплоносія (води);
• розрахунок теплоносія в привязці до температури води щодо теплових втрат будинку.

Розрахунок теплових втрат

Такий розрахунок можна виконати самостійно, так як формула вже давно виведена. Однак розрахунок витрати тепла досить складний і вимагає розгляду відразу декількох параметрів.

Якщо говорити просто, то зводиться він тільки до визначення втрат теплової енергії, вираженої в потужності теплового потоку, яку в зовнішнє середовище випромінює кожен квадратний метр площі стін, перекриттів, підлоги і дахів будівлі.

Якщо брати середнє значення таких втрат, то вони становитимуть:

• близько 100 Ватт на одиницю площі - для середньостатистичних стін, наприклад, цегляних стін нормальної товщини, з нормальною внутрішньою обробкою, з встановленими подвійними склопакетами;
• більше 100 Ватт або значно більше 100 Ватт на одиницю площі, якщо мова йде про стінах з недостатньою товщиною, утеплених;
• близько 80 Ватт на одиницю площі, якщо мова йде про стінах з достатньою товщиною, що мають зовнішню і внутрішню теплоізоляцію, з встановленими склопакетами.

Для визначення цього показника з більшою точністю виведена спеціальна формула, в якій деякі змінні є табличними даними.

Точний розрахунок теплових втрат будинку

Для кількісного показника теплових втрат будинку існує спеціальна величина, яка називається тепловим потоком, а вимірюється вона в кКал / год. Ця величина фізично показує витрата тепла, яке віддається стінами в навколишнє середовище при даному тепловому режимі всередині будівлі.

Залежить ця величина безпосередньо від архітектури будівлі, від фізичних властивостей матеріалів стін, підлоги і стелі, а також від багатьох інших факторів, які можуть стати причиною вивітрювання теплого повітря, наприклад, неправильне влаштування теплоізоляційного шару.

Отже, величина теплової втрати будівлі є сумою всіх теплових втрат окремих його елементів. Ця величина вираховується за формулою: G = S * 1 / Pо * (ТВ Тн) до, де:

• G - шукана величина, виражена в кКал / год;
• Po - опір процесу обміну теплової енергії (теплопередачі), виражена в кКал / ч, це є кв.м * год * температура;
• Тв, Тн - температура повітря всередині приміщення і зовні відповідно;
• до - зменшує коефіцієнт, який для кожного теплового загородження є своїм.

Варто зауважити, що оскільки розрахунок проводиться не кожен день, а у формулі є показники температури, які змінюються постійно, то такі показники прийнято брати в усередненому вигляді.

Це означає, що показники температури беруться середні, причому для кожного окремого регіону такий показник буде своїм.

Отже, тепер формула не містить невідомих членів, що дозволяє здійснити досить точний розрахунок теплових втрат конкретного будинку. Залишається дізнатися тільки понижуючий коефіцієнт і значення величини Pо - опору.

Обидві ці величини в залежності від кожного конкретного випадку можна дізнатися з відповідних довідкових даних.

Деякі значення понижуючого коефіцієнта:

• пол по грунту або деревяним лагам - значення 1;
• перекриття горищні, при наявності покрівлі з покрівельним матеріалом зі сталі, черепиці на розрідженій обрешітці, а також покрівлі з азбестоцементу, безчердачною покриття з влаштованої вентиляцією, - значення 0,9;
• такі ж перекриття, як і в попередньому пункті, але влаштовані на суцільному настилі, - значення 0,8;
• перекриття горищні, з покрівлею, покрівельним матеріалом якої є будь-який рулонний матеріал, - значення 0,75;
• будь-які стіни, які розділяють між собою опалювальне приміщення з неопалюваним, яке, в свою чергу, має зовнішні стіни, - значення 0,7;
• будь-які стіни, які розділяють між собою опалювальне приміщення з неопалюваним, яке, в свою чергу, не має зовнішніх стін, - значення 0,4;
• підлоги, влаштовані над льохами, розташованими нижче рівня зовнішнього грунту, - значення 0,4;
• підлоги, влаштовані над льохами, розташованими вище рівня зовнішнього грунту, - значення 0,75;
• перекриття, які розташовані над підвальними приміщеннями, які розташовуються нижче рівня зовнішнього грунту або вище на максимум 1 м, - значення 0,6.

Виходячи з вищеописаних випадків, можна приблизно уявити собі масштаб, і для кожного конкретного випадку, який не увійшов до цього списку, самостійно вибрати понижуючий коефіцієнт.

Деякі значення для опору теплопередачі:

• для звичайної суцільний цегляної кладки (товщина стіни приблизно дорівнює 135 мм) значення дорівнює 0,38;
• то ж, але з товщиною кладки в 265 мм - 0,57, 395 мм - 0,76, 525 мм - 0,94, 655 мм - 1,13;
• для суцільної кладки, що має повітряний прошарок, при товщині 435 мм - 0,9, 565 мм - 1,09, 655 мм - 1,28;
• для суцільної кладки з декоративного цегли для товщини в 395 мм - 0,89, 525 мм - 1,2, 655 мм - 1,4;
• для суцільної кладки з термоізоляційним шаром для товщини в 395 мм - 1,03, 525 мм - 1,49;
• для деревяних стін з окремих деревяних елементів (НЕ брус) для товщини в 20 см - 1,33, 22 см - 1,45, 24 см - 1,56;
• для стін з бруса з товщиною 15 см - 1,18, 18 см - 1,28, 20 см - 1,32;
• для горищного перекриття із залізобетонних плит з наявністю утеплювача при їх товщині в 10 см - 0,69, 15 см - 0,89.

Маючи такі табличні дані, можна приступати до виконання точного розрахунку.

Безпосередній розрахунок теплоносія, потужності насоса

Приймемо величину теплових втрат на одиницю площі, що дорівнює 100 Ватт. Тоді, прийнявши загальну площу будинку, рівну 150 кв.м, можна обчислити загальну теплову втрату всього будинку - 150 * 100 = 15000 Ватт, або 15 кВт.

Тепер слід розібратися, яке відношення ця цифра має до насоса. Виявляється, саме пряме. З фізичного сенсу випливає, що теплові втрати - це постійний процес витрати тепла. Щоб зберігати всередині приміщення необхідний мікроклімат, необхідно постійно компенсувати такі витрати, а щоб збільшити температуру в кімнаті, необхідно не просто компенсувати, а виробляти більше енергії, ніж потрібно на компенсацію втрат.

Однак навіть якщо теплова енергія є, її ще потрібно доставити до того приладу, який здатний розсіювати цю енергію. Таким приладом є радіатор опалення. А ось доставку теплоносія (володаря енергії) до радіаторів здійснює саме циркуляційний насос.

З усього вищесказаного, можна зрозуміти, що суть даного завдання зводиться до одного простого питання: скільки ж потрібно води, нагрітої до певної температури (тобто з певним запасом теплової енергії) необхідно доставляти до радіаторів за певний проміжок часу, щоб компенсувати всі теплові втрати будинку ? Відповідно, відповідь буде отримано в обсязі води, що перекачується за одиницю часу, а це і є потужність циркуляційного насоса.

Для відповіді на це питання необхідно знати наступні дані:

• то необхідну кількість тепла, яке потрібно для компенсації теплових втрат, тобто підсумок розрахунку, наведеного вище. Для прикладу було взято значення 100 Ватт при площі в 150 кв. м, тобто в нашому випадку ця величина складає 15 кВт;
• питому теплоємність води (це довідкові дані), чиє значення дорівнює 4200 джоулів енергії на кг води на кожен градус її температури;
• температурна різниця між тією водою, яка виходить з нагрівального котла, тобто первісна температура теплоносія, і тією водою, яка надходить в котел з зворотного трубопроводу, тобто кінцева температура теплоносія.

Варто зауважити, що при нормально працюючому котлі і всієї системи опалення, при нормальній циркуляції води різницю не перевищує 20 градусів. В якості середнього значення можна взяти 15 градусів.

Якщо врахувати всі вищеописані дані, то формула для розрахунку насоса набуде вигляду Q = G / (c * (Т1-Т2)), де:

• Q - витрата теплоносія (води) в системі опалення. Саме таку кількість води при певному температурному режимі повинен доставляти циркуляційний насос до радіаторів за одиницю часу, щоб компенсувати теплові втрати даного будинку. Якщо придбати насос, який буде володіти набагато більшими потужностями, то це просто підвищить витрату електричної енергії;
• G - теплові втрати, розраховані в попередньому пункті;
• Т2 - температура води, яка витікає з газового котла, тобто та температура, до якої потрібно нагріти певну кількість води. Як правило, ця температура дорівнює 80 градусам;
• Т1 - температура води, яка втікає в котел з зворотного трубопроводу, тобто температура води після процесу теплопередачі. Як правило, вона дорівнює 60-65 градусів .;
• с - питома теплоємність води, як уже було сказано, вона дорівнює 4200 джоулів на кг теплоносія.

Якщо підставити всі отримані дані в формулу і перетворити всі параметри до одних і тих же одиниць виміру, то отримаємо результат у 2,4 кг / с.

Переклад результату до нормального вигляду

Варто зауважити, що на практиці такого витрати води ніде не зустрінеш. Всі виробники насосів для води виражають потужність насоса в кубометрах за годину.

Слід зробити деякі перетворення, згадавши курс шкільної фізики. Отже, 1 кг води, тобто теплоносія, це є 1 куб. дм води. Щоб дізнатися, скільки важить один кубометр теплоносія, потрібно дізнатися, скільки в одному кубічному метрі кубічних дециметрів.

Використовуючи деякі найпростіші розрахунки або просто скориставшись табличними даними, отримаємо, що в одному кубічному метрі міститься 1000 кубічних дециметрів. Це означає, що один кубометр теплоносія буде мати масу 1000 кг.

Тоді за одну секунду потрібно перекачувати воду обємом в 2,4 / 1000 = 0,0024 куб. м.

Тепер залишається перевести секунди в годинник. Знаючи, що в одному годині 3600 сек, отримаємо, що за одну годину насос повинен перекачувати 0,0024 * 3600 = 8,64 куб.м / год.

Підбиття підсумків

Отже, розрахунок теплоносія в системі опалення показує, яка кількість води потрібно всій системі опалення, щоб підтримувати приміщення будинку в нормальному температурному режимі. Ця ж цифра умовно дорівнює потужності насоса, який, власне, і буде виконувати доставку теплоносія до радіаторів, де він буде віддавати частину своєї теплової енергії в приміщення.

Варто зауважити, що середня потужність насосів дорівнює приблизно 10 куб.м / год, що дає невеликий запас, так як тепловий баланс потрібно не тільки зберігати, але іноді, на вимогу власника, збільшувати температуру повітря, на що, власне, і потрібна додаткова потужність .

Досвідчені фахівці рекомендують купувати насос, який приблизно в 1,3 рази могутніше необхідного. Говорячи про газовий опалювальний котел, який, як правило, вже обладнаний таким насосом, слід звернути свою увагу на цей параметр.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!