Calculul încălzirii cu apă: formule, reguli, exemple de execuție

Utilizarea apei ca agent termic în sistemul de încălzire – una dintre cele mai populare opțiuni pentru a vă asigura casa cu căldură în sezonul rece. Trebuie doar să proiectați corect și apoi să realizați montajul sistemului. Altfel, încălzirea va fi ineficientă la costuri ridicate ale combustibilului, ceea ce, recunoașteți, este extrem de neinteresant la prețurile actuale ale resurselor energetice.

Realizarea independentă a calculului încălzirii cu apă (denumit în continuare – SVO) fără utilizarea programelor de specialitate este imposibilă, deoarece în calcule se utilizează expresii complexe, ale căror valori nu pot fi determinate cu ajutorul unui calculator obișnuit. În acest articol, vom analiza în detaliu algoritmul de efectuare a calculelor, vom prezenta formulele utilizate, examinând derularea calculelor pe un exemplu concret.

Materialul expus îl vom completa cu tabele cu valori și indicatori de referință, care sunt necesari la efectuarea calculelor, fotografii tematice și un videoclip, în care este demonstrat un exemplu concret de calcul prin utilizarea programului.

Calculul bilanțului termic al construcției locative

Pentru implementarea unui sistem de încălzire în care apa acționează ca agent de circulație, este necesar să se efectueze în prealabil calcule hidraulice precise.

La dezvoltarea și implementarea oricărui sistem de încălzire, este necesar să se cunoască bilanțul termic (denumit în continuare BT). Cunoscând puterea termică necesară pentru menținerea temperaturii în încăpere, se poate alege corect echipamentul și distribui în mod competent sarcina acestuia.

Iarna, încăperea suportă anumite pierderi de căldură (denumite în continuare PC). Cea mai mare parte a energiei iese prin elementele de închidere și deschiderile de ventilație. Cheltuieli neglijabile revin infiltrației, încălzirii obiectelor etc.

Pierderile de căldură depind de straturile din care sunt alcătuite construcțiile de închidere (denumite în continuare – CI). Materialele moderne de construcție, în special izolațiile, au un coeficient scăzut de conductivitate termică (denumit în continuare – CT), datorită căruia prin ele se pierde mai puțină căldură. Pentru case de aceeași suprafață, dar cu structuri diferite ale CI, costurile termice vor fi diferite.

Pe lângă determinarea pierderilor de căldură, este important să se calculeze bilanțul termic al locuinței. Indicatorul ia în considerare nu doar cantitatea de energie care părăsește încăperea, ci și cantitatea de putere necesară pentru menținerea anumitor grade de temperatură în casă.

Cele mai precise rezultate sunt oferite de programele de specialitate, dezvoltate pentru constructori. Datorită acestora, este posibil să se ia în considerare mai mulți factori care influențează pierderile de căldură.

Cea mai mare cantitate de căldură părăsește încăperea prin pereți, podea, acoperiș, iar cea mai mică – prin uși și deschideri de ferestre.

Cu o precizie ridicată, se pot calcula pierderile de căldură ale locuinței cu ajutorul formulelor.

Cheltuielile termice totale ale casei se calculează conform ecuației:

Q = Q_ok + Q_v,

Unde Q_ok – cantitatea de căldură care părăsește încăperea prin CI; Q_v – cheltuielile termice ale ventilației.

Pierderile prin ventilație sunt luate în considerare în cazul în care aerul care pătrunde în încăpere are o temperatură mai scăzută.

În calcule, de obicei se iau în considerare CI care au o față spre exterior. Acestea sunt pereții exteriori, podeaua, acoperișul, ușile și ferestrele.

Pierderile termice totale Q_ok sunt egale cu suma pierderilor termice ale fiecărei CI, adică:

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

Unde:

• Q_st – valoarea pierderilor termice ale pereților;
• Q_okn – pierderi termice ale ferestrelor;
• Q_dv – pierderi termice ale ușilor;
  
• Q_ptl – PT al tavanului;
  
• Q_pl – PT al podelei.

Dacă podeaua sau tavanul are o structură neuniformă pe întreaga suprafață, atunci PT se calculează pentru fiecare zonă în parte.

Calculul pierderilor de căldură prin elementele de închidere

Pentru calcule, sunt necesare următoarele informații:

• structura pereților, materialele utilizate, grosimea acestora, CT;
• temperatura exterioară în cea mai rece perioadă de cinci zile din iarnă din oraș;
• suprafața OC;
• orientarea OC;
• temperatura recomandată în locuință în perioada de iarnă.

Pentru calculul PT, trebuie găsită rezistența termică totală R_oc. Pentru aceasta, este necesar să se cunoască rezistența termică R₁, R₂, R₃, …, R_n a fiecărui strat al OC.

Coeficientul R_n se calculează cu formula:

Rn = B/k,

În formulă: B – grosimea stratului OC în mm, k – CT a fiecărui strat.

R total poate fi determinat prin expresia:

R = ∑R_n

Producătorii de uși și ferestre indică de obicei coeficientul R în fișa tehnică a produsului, deci nu este necesar să îl calculați separat.

Rezistența termică a ferestrelor nu trebuie calculată, deoarece în fișa tehnică sunt deja prezente informațiile necesare, ceea ce simplifică calculul PT

Formula generală de calcul a PT prin OC este următoarea:

Q_oc = ∑S × (t_int – t_ext) × R × l,

În expresie:

• S – suprafața OC, m²;
• t_int – temperatura dorită în încăpere;
• t_ext – temperatura exterioară a aerului;
• R – coeficientul de rezistență, se calculează separat sau se ia din fișa tehnică a produsului;
• l – coeficient de corecție care ține cont de orientarea pereților față de punctele cardinale.

Calculul bilanțului termic permite selectarea echipamentului cu puterea necesară, ceea ce exclude probabilitatea apariției unui deficit de căldură sau a unui exces. Deficitul de energie termică se compensează prin creșterea debitului de aer prin ventilație, iar excesul prin instalarea de echipamente suplimentare de încălzire.

Pierderi de căldură prin ventilație

Formula generală de calcul a PT prin ventilație are următoarea formă:

Q_v = 0.28 × L_n × p_int × c × (t_int – t_ext),

În expresie, variabilele au următoarele semnificații:

• L_n – debitul de aer intrat;
• p_int – densitatea aerului la o anumită temperatură în încăpere;
• c – capacitatea termică a aerului;
• t_int – temperatura din casă;
• t_ext – temperatura exterioară a aerului.

Dacă în clădire este instalată ventilație, parametrul L_n se ia din caracteristicile tehnice ale aparatului. Dacă ventilația lipsește, atunci se ia indicatorul standard al schimbului specific de aer, egal cu 3 m³ pe oră.

Pe baza acestuia, L_n se calculează după formula:

L_n = 3 × S_pl,

În expresia S_pl – suprafața podelei.

2% din toate pierderile de căldură revin infiltrației, 18% – ventilației. Dacă încăperea este echipată cu un sistem de ventilație, atunci în calcule se iau în considerare pierderile de căldură prin ventilație, iar infiltrația nu se ia în considerare.

Apoi trebuie calculată densitatea aerului p_vnt la temperatura dată în încăpere t_vnt.

Aceasta se poate face după formula:

p_vnt = 353/(273+t_vnt),

Căldura specifică c = 1.0005.

Dacă ventilația sau infiltrația este neorganizată, în pereți există fisuri sau găuri, atunci calculul pierderilor de căldură prin deschideri trebuie încredințat unor programe speciale.

Într-un alt articol al nostru, am prezentat un exemplu detaliat de calcul termotehnic al clădirii cu exemple concrete și formule.

Exemplu de calcul al bilanțului termic

Luați în considerare o casă cu înălțimea de 2.5 m, lățimea de 6 m și lungimea de 8 m, situată în orașul Oha din regiunea Sahalin, unde în cea mai rece perioadă de 5 zile termometrul coboară la -29 de grade.

În urma măsurării s-a stabilit temperatura solului – +5. Temperatura recomandată în interiorul construcției este de +21 de grade.

Este cel mai convenabil să reprezentați schema casei pe hârtie, indicând nu numai lungimea, lățimea și înălțimea construcției, ci și orientarea față de punctele cardinale, precum și amplasarea, dimensiunile ferestrelor și ușilor.

Pereții casei luate în considerare constau din:

• zidărie de cărămidă cu grosimea В=0.51 m, CT k=0.64;
• vată minerală В=0.05 m, k=0.05;
• placare В=0.09 m, k=0.26.

La determinarea lui k, este mai bine să utilizați tabelele prezentate pe site-ul producătorului sau să găsiți informații în fișa tehnică a produsului.

Cunoscând conductivitatea termică, se pot selecta materiale cât mai eficiente din punct de vedere al izolației termice. Pe baza tabelului de mai sus, cel mai indicat este să se utilizeze în construcții plăci de vată minerală și polistiren expandat.

Acoperirea podelei constă din următoarele straturi:

• plăci OSB В=0.1 m, k=0.13;
• vată minerală В=0.05 m, k=0.047;
• șapă de ciment В=0.05 m, k=0.58;
• polistiren expandat В=0.06 m, k=0.043.

În casă nu există subsol, iar podeaua are aceeași structură pe toată suprafața.

Plafonul constă din straturi:

• plăci de gips-carton B=0.025 m, k= 0.21;
• izolație В=0.05 m, k=0.14;
• acoperiș В=0.05 m, k=0.043.

În casă sunt doar 6 ferestre cu două camere, cu geam I și argon. Din fișa tehnică a produselor se știe că R=0,7. Ferestrele au dimensiunile de 1,1x1,4 m.

Ușile au dimensiunile de 1x2,2 m, iar indicatorul R=0,36.

Pasul #1 – calculul pierderilor de căldură ale peretelui

Pereții pe toată suprafața sunt formați din trei straturi. Mai întâi, să calculăm rezistența lor termică totală.

Pentru aceasta, folosim formula:

R = ∑R_n,

și expresia:

R_n = B/k

Luând în considerare datele inițiale, obținem:

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

După ce am aflat R, putem trece la calculul pierderilor de căldură pentru peretele nordic, sudic, estic și vestic.

Coeficienții suplimentari țin cont de particularitățile amplasării pereților față de punctele cardinale. De obicei, în partea de nord, în timpul frigului, se formează o “roză a vânturilor”, ceea ce face ca pierderile de căldură din această parte să fie mai mari decât din celelalte.

Să calculăm aria peretelui nordic:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

Apoi, înlocuind în formula Q_ok = ∑S × (t_vnt – t_nar) × R × l și ținând cont că l=1,1, obținem:

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

Aria peretelui sudic S_yuch.st = S_sev.st = 20.

În perete nu există ferestre sau uși încorporate, prin urmare, ținând cont de coeficientul l=1, obținem următoarele pierderi de căldură:

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

Pentru peretele vestic și estic, coeficientul l=1,05. Prin urmare, putem găsi aria totală a acestor pereți, adică:

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

În pereți sunt încorporate 6 ferestre și o ușă. Să calculăm aria totală a ferestrelor și a ușii:

S_okn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Să determinăm aria pereților fără a lua în considerare aria ferestrelor și a ușii:

S_vost+zap = 30 – 9.24 – 2.2 = 18.56

Să calculăm pierderile totale de căldură ale peretelui estic și vestic:

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

După ce am obținut rezultatele, să calculăm cantitatea de căldură care iese prin pereți:

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

Total, pierderile de căldură ale pereților sunt de 6 kW.

Pasul #2 – calculul pierderilor de căldură ale ferestrelor și ușilor

Ferestrele sunt amplasate pe pereții estici și vestic, prin urmare, la calcule, coeficientul l=1,05. Se știe că construcția tuturor elementelor este aceeași și R=0,7.

Folosind valorile ariei menționate mai sus, obținem:

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

Știind că pentru uși R=0,36, iar S=2,2, să determinăm pierderile lor de căldură:

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

În final, prin ferestre ies 340 W de căldură, iar prin uși – 42 W.

Pasul #3 – determinarea pierderilor de căldură ale podelei și tavanului

Evident, aria tavanului și a podelei va fi aceeași și se calculează după cum urmează:

S_pol = S_ptl = 6 × 8 = 48

Să calculăm rezistența termică totală a podelei, ținând cont de structura sa.

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

Știind că temperatura solului t_nar=+5 și ținând cont de coeficientul l=1, să calculăm Q podelei:

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

Rotunjind, obținem că pierderile de căldură ale podelei sunt de aproximativ 3 kW.

În calculele PT trebuie să se țină cont de straturile care influențează izolația termică, de exemplu, beton, scânduri, zidărie de cărămidă, materiale izolante etc.

Să determinăm rezistența termică a tavanului R_ptl și Q-ul său:

• 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

De aici rezultă că prin tavan și podea se pierd aproape 6 kW.

Pasul #4 – calculul pierderilor de căldură prin ventilație

În încăpere, ventilația este organizată, se calculează după formula:

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

Pe baza caracteristicilor tehnice, schimbul specific de căldură este de 3 metri cubi pe oră, adică:

L_n = 3 × 48 = 144.

Pentru calcularea densității folosim formula:

p_vnt = 353/(273+t_vnt).

Temperatura de calcul în încăpere este de +21 de grade.

Pierderile termice de ventilație nu se calculează dacă sistemul este echipat cu un dispozitiv de încălzire a aerului.

Înlocuind valorile cunoscute, obținem:

p_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Să înlocuim în formula de mai sus cifrele obținute:

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

Ținând cont de pierderile termice prin ventilație, Q total al clădirii va fi:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

Transformând în kW, obținem pierderi totale de căldură de 16 kW.

Caracteristici ale calculului SVO

După determinarea indicatorului PT, se trece la calculul hidraulic (în continuare – CH).

Pe baza acestuia se obțin informații despre următorii indicatori:

• diametrul optim al țevilor, care, la căderi de presiune, va fi capabil să transporte cantitatea dată de agent termic;
• debitul agentului termic pe un anumit tronson;
• viteza de circulație a apei;
• valoarea rezistenței specifice.

Înainte de începerea calculelor, pentru simplificarea calculelor, se reprezintă o schemă spațială a sistemului, pe care toate elementele sale sunt amplasate paralel unul față de celălalt.

Pe schemă este reprezentată o instalație de încălzire cu distribuție superioară, mișcarea agentului termic – în fund de sac.

Vom analiza etapele principale ale calculelor pentru încălzirea cu apă.

Calculul hidraulic al inelului principal de circulație

Metodologia de calcul a GR se bazează pe ipoteza că, în toate coloanele și ramificațiile, diferențele de temperatură sunt aceleași.

Algoritmul de calcul este următorul:

1. Pe schema reprezentată, ținând cont de pierderile de căldură, se aplică sarcinile termice care acționează asupra aparatelor de încălzire și coloanelor.
2. Plecând de la schemă, se alege inelul principal de circulație (denumit în continuare – GȚK). Particularitatea acestui inel este că presiunea de circulație pe unitatea de lungime a inelului ia cea mai mică valoare.
3. GȚK se împarte în tronsoane cu debit de căldură constant. Pentru fiecare tronson se indică numărul, sarcina termică, diametrul și lungimea.

În sistemul vertical de tip monotub, ca GȚK se ia acel inel prin care trece coloana cel mai încărcată, la mișcarea în fund de sac sau concurentă a apei prin magistrale. Mai detaliat despre legarea inelelor de circulație într-un sistem monotub și alegerea celui principal am discutat în articolul următor. Separat, am acordat atenție ordinii de realizare a calculelor, folosind un exemplu concret pentru claritate.

În sistemele verticale de tip bitub, GȚK trece prin dispozitivul de încălzire inferior care are sarcina maximă la mișcarea în fund de sac sau concurentă a apei.

În sistemul orizontal de tip monotub, GȚK trebuie să aibă cea mai mică presiune de circulație pe unitatea de lungime a inelului. Pentru sistemele cu circulație naturală, situația este similară.

La GR-ul coloanelor sistemului vertical de tip monotub, coloanele de trecere și coloanele reglabile, care au în componență noduri unificate, sunt considerate ca un singur circuit. Pentru coloanele cu tronsoane de închidere se efectuează separarea, ținând cont de distribuția apei în conducta fiecărui nod de aparat.

Debitul de apă pe tronsonul dat se calculează după formula:

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

În expresie, simbolurile literale au următoarele semnificații:

• Q_kont – sarcina termică a circuitului;
• β_1, β₂ – coeficienți tabulari suplimentari care țin cont de transferul de căldură în încăpere;
• c – capacitatea calorică a apei, egală cu 4,187;
• t_r – temperatura apei în conducta de alimentare;
• t₀ – temperatura apei în conducta de retur.

După ce ați determinat diametrul și cantitatea de apă, trebuie să aflați viteza de mișcare a acesteia și valoarea rezistenței specifice R. Toate calculele se realizează cel mai comod cu ajutorul unor programe speciale.

Calculul hidraulic al inelului secundar de circulație

După GR al inelului principal, se determină presiunea în inelul de circulație mic, care se formează prin coloanele sale cele mai apropiate, având în vedere că pierderile de presiune pot diferi cu cel mult 15% în cazul schemei în fund de sac și cu cel mult 5% în cazul schemei cu taseu comun.

În cazul în care nu este posibilă corelarea pierderilor de presiune, se instalează o șaibă de strangulare, al cărei diametru se calculează folosind metode software.

Calculul radiatoarelor

Să revenim la planul casei prezentat mai sus. Prin calcule s-a constatat că pentru menținerea echiibrului termic vor fi necesari 16 kW de energie. În casa analizată există 6 încăperi cu destinați diferite – livig, baie, bucătărie, dormitor, coridor, hol.

Pe baza dimeniunilor construcției, se poate calcula volumul V:

V=6×8×2.5=120 m³

Apoi, trebuie să aflați cantitatea de putere termică pe un m³. Pentru aceasta, Q trebuie împărțit la volumul găsit, adică:

P=16000/120=133 W pe m³

Apoi, este necesar să determinați câtă putere termică va fi necesară pentru o cameră. Pe schemă, suprafața fiecărei încăperi a fost deja calculată.

Determinați volumul:

• baia – 4.19×2.5=10.47;
• livingul – 13.83×2.5=34.58;
• bucătăria – 9.43×2.5=23.58;
• dormitorul – 10.33×2.5=25.83;
• coridorul – 4.10×2.5=10.25;
• holul – 5.8×2.5=14.5;

În calcule, trebuie să se țină cont și de încăperile în care nu există radiatoare, de exemplu, coridorul.

Coridorul este încălzit pasiv, căldura va intra în el prin circulația aerului cald la deplasarea persoanelor, prin uși etc.

Determinați cantitatea necesară de căldură pentru fiecare cameră, înmulțind volumul camerei cu indicatorul P.

Obțineți puterea necesară:

• pentru baie – 10.47×133=1392 W;
• pentru living – 34.58×133=4599 W;
• pentru bucătărie – 23.58×133=3136 W;
• pentru dormitor – 25.83×133=3435 W;
• pentru coridor – 10.25×133=1363 W;
• pentru hol – 14.5×133=1889 W.

Să trecem la calculul radiatoarelor. Vom folosi radiatoare din aluminiu, cu înălțimea de 60 cm, puterea la temperatura de 70 este de 150 W.

Calculați numărul necesar de radiatoare:

• baia – 1392/150=10;
• livingul – 4599/150=31;
• bucătăria – 3136/150=21;
• dormitorul – 3435/150=23;
• holul – 1889/150=13;

Total necesar: 10+31+21+23+13=98 de radiatoare.

Pe site-ul nostru există și alte articole în care am analizat în detaliu modul de efectuare a calculului termic al sistemului de încălzire, calculul pas cu pas al puterii radiatoarelor și țevilor de încălzire. Iar dacă sistemul dumneavoastră presupune prezența pardoselilor încălzite, atunci veți avea nevoie să efectuați calcule suplimentare.

Toate aceste aspecte sunt prezentate mai detaliat în următoarele noastre articole:

• Calculul termic al sistemului de încălzire: cum să faceți corect calculul sarcinii pe sistem
• Calculul radiatoarelor de încălzire: cum să calculați cantitatea necesară și puterea bateriilor
• Calculul volumului țevii: principii de calcul și reguli pentru efectuarea calculelor în litri și metri cubi
• Cum să calculați pardoseala încălzită pe exemplul unui sistem cu apă
• Calculul țevilor pentru pardoseala încălzită: tipuri de țevi, metode și pasul de instalare + calculul consumului

Concluzii și material video util pe această temă

În videoclip puteți vedea un exemplu de calcul al încălzirii pe apă, realizat cu ajutorul programului Valtec:

Calculele hidraulice sunt cel mai bine efectuate cu ajutorul unor programe speciale, care garantează o precizie ridicată a calculelor și iau în considerare toate nuanțele construcției.

Dumneavoastră vă specializați în efectuarea calculului sistemelor de încălzire care utilizează apa ca agent termic și doriți să completați articolul nostru cu formule utile, să împărtășiți secrete profesionale?

Sau poate doriți să accentuați atenția asupra unor calcule suplimentare sau să semnalați o inexactitate în calculele noastre? Vă rugăm să scrieți observațiile și recomandările dumneavoastră în secțiunea de sub articol.