Теплотехнический расчет. Пример расчета стены. Обзор программы «Теремок» и онлайн калькулятора

В современных условиях человек все чаще задумывается о рациональном использовании ресурсов. Электричество, вода, материалы. К экономии всего этого в мире пришли уже достаточно давно и всем понятно как это сделать. Но основную сумму в счетах на оплату составляет отопление, и не каждому понятно, как снизить расход по этому пункту.

Что такое теплотехнический расчет?

Теплотехнический расчет выполняют для того, чтобы подобрать толщину и материал ограждающих конструкций и привести здание в соответствие нормам тепловой защиты. Основным нормативным документом, регламентирующим способность конструкции сопротивляться теплопередаче, является СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

Основным показателем ограждающей поверхности с точки зрения теплозащиты стало приведенное сопротивление теплопередаче. Это величина, учитывающая теплозащитные характеристики всех слоев конструкции, учитывая мостики холода.

Подробный и грамотный теплотехнический расчет — достаточно трудоемок. При возведении частных домов, собственники стараются учесть прочностные характеристики материалов, часто забывая о сохранении тепла. Это может привести к довольно плачевным последствиям.

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.

Зачем выполняется расчет?

Перед началом строительства заказчик может выбрать, будет он учитывать теплотехнические характеристики или обеспечит только прочность и устойчивость конструкций.

Расходы на утепление совершенно точно увеличат смету на возведение здания, но снизят затраты на дальнейшую эксплуатацию. Индивидуальные дома строят на десятки лет, возможно, они будут служить и следующим поколениям. За это время затраты на эффективный утеплитель окупятся несколько раз.

Что получает владелец при правильном выполнении расчетов:

• Экономия на отоплении помещений. Тепловые потери здания снижаются, соответственно, уменьшится количество секций радиатора при классической системе отопления и мощность системы теплых полов. В зависимости от способа нагрева, затраты владельца на электричество, газ или горячую воду становятся меньше;
• Экономия на ремонте. При правильном утеплении в помещении создается комфортный микроклимат, на стенах не образуется конденсат, и не появляются опасные для человека микроорганизмы. Наличие на поверхности грибка или плесени требует проведения ремонта, причем простой косметический не принесет никаких результатов и проблема возникнет вновь;
• Безопасность для жильцов. Здесь, также как и в предыдущем пункте, речь идет о сырости, плесени и грибке, которые могут вызывать различные болезни у постоянно пребывающих в помещении людей;
• Бережное отношение к окружающей среде. На планете дефицит ресурсов, поэтому уменьшение потребления электроэнергии или голубого топлива благоприятно влияет на экологическую обстановку.

Понятия тепловой нагрузки

Расчет теплопотерь проводят отдельно для каждой комнаты в зависимости от площади или объема

Обогрев помещения – это компенсация теплопотерь. Сквозь стены, фундамент, окна и двери тепло постепенно выводится наружу. Чем ниже температура на улице, тем быстрее происходит передача тепла наружу. Чтобы поддерживать внутри здания комфортную температуру, устанавливают обогреватели. Их производительность должна быть достаточно высокой, чтобы перекрыть теплопотери.

Тепловую нагрузку определяют как сумму теплопотерь здания, равную необходимой мощности отопления. Рассчитав сколько и как дом теряет тепла, узнают мощность отопительной системы. Суммарной величины недостаточно. Комната с 1 окном теряет меньше тепла, чем помещение с 2 окнами и балконом, поэтому показатель рассчитывают для каждой комнаты отдельно.

При вычислениях обязательно учитывают высоту потолка. Если она не превышает 3 м, выполняют расчет по величине площади. Если высота от 3 до 4 м, расход считают по объему.

Нормативные документы для выполнения расчета

Приведенное сопротивление и его соответствие нормируемому значению – главная цель расчета. Но для его выполнения потребуется узнать теплопроводности материалов стены, кровли или перекрытия. Теплопроводность – величина, характеризующая способность изделия проводить через себя тепло. Чем она ниже, тем лучше.

Во время проведения расчета теплотехники опираются на следующие документы:

• СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Документ переиздан на основе СНиП 23-02-2003. Основной норматив для расчета [1];
• СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Новое издание СНиП 23-01-99*. Данный документ позволяет определить климатические условия населенного пункта, в котором расположен объект [2];
• СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» более подробно, чем первый документ в списке, раскрывает тему [3];
• ГОСТ 30494-96 (заменен на ГОСТ 30494-2011 с 2011 года) «Здания жилые и общественные» [4];
• Пособие для студентов строительных ВУЗов Е.Г. Малявина «Теплопотери здания. Справочное пособие» [5].

* — дальше в тексте я буду ссылаться на нормативные документы и чтобы полностью не прописывать их название я укажу только номер, например [1].

Теплотехнический расчет не сложен. Его может выполнить человек без специального образования по шаблону. Главное очень внимательно подойти к вопросу.

Гидравлический расчёт водоснабжения

Безусловно, “картина” расчета тепла на отопление не может быть полноценной без вычисления таких характеристик, как объём и скорость теплоносителя. В большинстве случаев теплоносителем выступает обычная вода в жидком или газообразном агрегатном состоянии.

Реальный объём теплоносителя рекомендуется рассчитывать через суммирование всех полостей в системе отопления. При использовании одноконтурного котла – это оптимальный вариант. При применении двухконтурных котлов в системе отопления необходимо учитывать расходы горячей воды для гигиенических и иных бытовых целей

Расчет объема воды, подогреваемой двухконтурным котлом для обеспечения жильцов горячей водой и нагрева теплоносителя, производится путем суммирования внутреннего объема отопительного контура и реальных потребностей пользователей в нагретой воде.

Объём горячей воды в отопительной системе рассчитывается по формуле:

W=k*P, где

• W – объём носителя тепла;
• P – мощность котла отопления;
• k – коэффициент мощности (количество литров на единицу мощности, равен 13.5, диапазон – 10-15 л).

В итоге конечная формула выглядит так:

W = 13.5*P

Скорость теплоносителя – заключительная динамическая оценка системы отопления, которая характеризует скорость циркуляции жидкости в системе.

Эта величина помогает оценить тип и диаметр трубопровода:

V=(0.86*P*μ)/∆T, где

• P – мощность котла;
• μ – КПД котла;
• ∆T – разница температур между подаваемой водой и водой обратном контуре.

Используя вышеизложенные способы гидравлического расчёта, удастся получить реальные параметры, которые являются “фундаментом” будущей системы отопления.

Пример расчета трехслойной стены без воздушной прослойки

Давайте подробно рассмотрим пример теплотехнического расчета. Для начала необходимо определиться с исходными данными. Материалы для строительства стен Вы, как правило, выбираете сами. Мы же будем рассчитывать толщину утепляющего слоя исходя из материалов стены.

Исходные данные

Данные индивидуальные для каждого объекта строительства и зависят от места расположения объекта.

Климат и микроклимат

1. Район строительства: г. Вологда.
2. Назначение объекта: жилое.
3. Относительная влажность воздуха для помещения с нормальным влажностным режимом составляет 55% ([1] п.4.3. табл.1).
4. Температура внутри жилых помещений tint задается нормативными документами ([4] табл.1) и равна 20 градусов Цельсия».

text — расчетная температура воздуха снаружи. Она устанавливается по температуре самых холодных пяти дней в году. Значение можно найти в [2], таблице 1, столбец 5. Для заданной местности значение составляет -32ᵒС.

zht = 231 сутки – количество дней периода, когда необходимо дополнительное отопление помещения, то есть среднесуточная температура снаружи составляет меньше 8ᵒС. Значение ищут в той же таблице, что и предыдущее, но в столбце 11.

tht = -4,1ᵒС – средняя температура воздуха снаружи во время периода отопления. Значение указано в столбце 12.

Материалы стены

В расчет следует принимать все слои (даже слой штукатурки, если он есть). Это позволит наиболее точно рассчитать конструкцию.

В данном варианте рассмотрим стену, состоящую из следующих материалов:

1. слой штукатурки, 2 сантиметра;
2. внутренняя верста из кирпича керамического рядового полнотелого толщиной 38 сантиметров;
3. слой минераловатного утеплителя Roсkwool, толщина которого подбирается расчетом;
4. наружная верста из лицевого керамического кирпича, толщиной 12 сантиметров.

Теплопроводность принятых материалов

Все свойства материалов должны быть представлены в паспорте от производителя. Многие компании представляют полную информацию о продукции на своих сайтах. Характеристики выбранных материалов для удобства сводятся в таблицу.

Расчет толщины утеплителя для стены

Условие энергосбережения

Расчет значения градусо-суток отопительного периода (ГСОП) производится по формуле:

Dd = (tint — tht) zht.

Все буквенные обозначения, представленные в формуле, расшифрованы в исходных данных.

Dd = (20-(-4,1)) *231=5567,1 ᵒС*сут.

Нормативное сопротивление теплопередаче находим по формуле:

Rreq=a*Dd+b.

Коэффициенты а и b принимаются по таблице 4, столбец 3 [4].

Для исходных данных а=0,00045, b=1,9.

Rreq = 0,00045*5567,1+1,9=3,348 м2*ᵒС/Вт.

Расчет нормы тепловой защиты исходя из условий санитарии

Данный показатель не рассчитывается для жилых зданий и приводится в качестве примера. Расчет проводят при избытке явного тепла, превышающем 23 Вт/м3, или эксплуатации здания весной и осенью. Также вычисления необходимы при расчетной температуре менее 12ᵒС внутри помещения. Используют формулу 3 [1]:

Коэффициент n принимается по таблице 6 СП «Тепловая защита зданий», αint по таблице 7, Δtn по пятой таблице.

Rreq = 1*(20+31)4*8,7 = 1,47 м2*ᵒС/Вт.

Из двух полученных в первом и втором пункте значений выбирается наибольшее, и дальнейший расчет ведется по нему. В данном случае Rreq = 3,348 м2*ᵒС/Вт.

Определение толщины утеплителя

Сопротивление теплопередаче для каждого слоя получают по формуле:

Ri = δi/λi,

где δ – толщина слоя, λ – его теплопроводность.

а) штукатурка R шт = 0,02/0,87 = 0,023 м2*ᵒС/Вт; б) кирпич рядовой R ряд.кирп. = 0,38/0,48 = 0,79 м2*ᵒС/Вт; в) кирпич лицевой Rут = 0,12/0,48 = 0,25 м2*ᵒС/Вт.

Минимальное сопротивление теплопередаче всей конструкции определяется по формуле ([5], формула 5.6):

Rint = 1/αint = 1/8,7 = 0,115 м2*ᵒС/Вт; Rext = 1/αext = 1/23 = 0,043 м2*ᵒС/Вт; ∑Ri = 0,023+0,79+0,25 = 1,063 м2*ᵒС/Вт, то есть сумма чисел, полученных в пункте 3;

Rтро = Rreq.

R_тр^ут= 3,348 – (0,115+0,043+1,063) = 2,127 м2*ᵒС/Вт.

Толщина утеплителя определяется по формуле ([5] формула 5.7):

δ_тр^ут= 0,038*2,127 = 0,081 м.

Найденная величина является минимальной. Слой утеплителя принимают не меньше этого значения. В данном расчете принимаем окончательно толщину минераловатного утеплителя 10 сантиметров, для того, чтобы не пришлось резать купленный материал.

Для расчетов тепловых потерь здания, которые выполняются для проектирования отопительных систем, необходимо найти фактическое значение сопротивления теплопередаче с найденной толщиной утеплителя.

Rо = Rint+Rext+∑Ri = 1/8,7 + 1/23 + 0,023 + 0,79 + 0,1/0,038 + 0,25 = 3,85 м2*ᵒС/Вт > 3,348 м2*ᵒС/Вт.

Условие выполнено.

Нормы температурных режимов помещений

Перед проведение любых расчётов параметров системы необходимо, как минимум, знать порядок ожидаемых результатов, а также иметь в наличии стандартизированные характеристики некоторых табличных величин, которые необходимо подставлять в формулы или ориентироваться на них.

Выполнив вычисления параметров с такими константами, можно быть уверенным в достоверности искомого динамического или постоянного параметра системы.

Для помещений разнообразного назначения существуют эталонные стандарты температурных режимов жилых и нежилых помещений. Эти нормы закреплены в так называемых ГОСТах

Для системы отопления одним из таких глобальных параметров является температура помещения, которая должна быть постоянной в независимости от периода года и условий окружающей среды.

Согласно регламенту санитарных нормативов и правил есть различия в температуре относительно летнего и зимнего периода года. За температурный режим помещения в летний сезон отвечает система кондиционирования, принцип ее расчета подробно изложен в этой статье.

А вот комнатная температура воздуха в зимний период обеспечивается системой отопления. Поэтому нам интересны диапазоны температур и их допуски отклонений для зимнего сезона.

В большинстве нормативных документов оговариваются следующие диапазоны температур, которые позволяют человеку комфортно находиться в комнате.

Для нежилых помещений офисного типа площадью до 100 м2:

• 22-24°С – оптимальная температура воздуха;
• 1°С – допустимое колебание.

Для помещений офисного типа площадью более 100 м2 температура составляет 21-23°С. Для нежилых помещений промышленного типа диапазоны температур сильно отличаются в зависимости от предназначения помещения и установленных норм охраны труда.

Комфортная температура помещения у каждого человека “своя”. Кто-то любит чтобы было очень тепло в комнате, кому-то комфортно когда в комнате прохладно – это всё достаточно индивидуально

Что же касаемо жилых помещений: квартир, частных домов, усадеб и т. д. существуют определённые диапазоны температуры, которые могут корректироваться в зависимости от пожеланий жильцов.

И всё же для конкретных помещений квартиры и дома имеем:

• 20-22°С – жилая, в том числе детская, комната, допуск ±2°С –
• 19-21°С – кухня, туалет, допуск ±2°С;
• 24-26°С – ванная, душевая, бассейн, допуск ±1°С;
• 16-18°С – коридоры, прихожие, лестничные клетки, кладовые, допуск +3°С

Важно отметить, что есть ещё несколько основных параметров, которые влияют на температуру в помещении и на которые нужно ориентироваться при расчёте системы отопления: влажность (40-60%), концентрация кислорода и углекислого газа в воздухе (250:1), скорость перемещения воздушных масс (0.13-0.25 м/с) и т. п

Влияние воздушного зазора на теплозащитные характеристики

При устройстве стены, защищенной плитным утеплителем возможно устройство вентилируемой прослойки. Она позволяет отводить конденсат от материала и предотвращать его намокание. Минимальная толщина зазора 1 сантиметр. Это пространство не замкнуто и имеет непосредственное сообщение с наружным воздухом.

При наличии воздушно-вентилируемой прослойки в расчете учитываются только те слои, которые находятся до нее со стороны теплого воздуха. Например, пирог стены состоит из штукатурки, внутренней кладки, утеплителя, воздушной прослойки и наружной кладки. В расчет принимаются только штукатурка, внутренняя кладка и утеплитель. Наружный слой кладки идет после вентзазора, поэтому не учитывается. В данном случае наружная кладка выполняет лишь эстетическую функцию и защищает утеплитель от внешних воздействий.

Важно: при рассмотрении конструкций, где воздушное пространство замкнуто, оно учитывается в расчете. Например, в случае оконных заполнений. Воздух между стеклами играет роль эффективного утеплителя.

Потери через вентиляцию дома

Ключевым параметром в этом случае является кратность воздухообмена. При условии, что стены дома паропроницаемые, эта величина равна единице.

Проникновение холодного воздуха в дом осуществляется по приточной вентиляции. Вытяжная вентиляция способствует уходу теплого воздуха. Снижает потери через вентиляцию рекуператор-теплообменник. Он не допускает ухода тепла вместе с выходящим воздухом, а входящие потоки он нагревает

Есть формула, по которой определяют теплопотери через систему вентиляции:

Qв = (V х Кв : 3600) х Р х С х dT

Здесь символы обозначают следующее:

1. Qв — теплопотери.
2. V — объем комнаты в мᶾ.
3. Р — плотность воздуха. еличина ее принимается равной 1,2047 кг/мᶾ.
4. Кв — кратность воздухообмена.
5. С — удельная теплоемкость. Она равна 1005 Дж/кг х С.

По итогам этого расчета можно определить мощность теплогенератора отопительной системы. В случае слишком высокого значения мощности выходом из ситуации может стать устройство вентиляции с рекуператором. Рассмотрим несколько примеров для домов из разных материалов.

Программа «Теремок»

Для выполнения расчета с помощью персонального компьютера специалисты часто используют программу для теплотехнического расчета «Теремок». Она существует в онлайн-варианте и как приложение для оперативных систем.

Программа производит вычисления на основе всех необходимых нормативных документов. Работа с приложением предельно проста. Оно позволяет выполнять работу в двух режимах:

• расчет необходимого слоя утеплителя;
• проверка уже продуманной конструкции.

В базе данных имеются все необходимые характеристики для населенных пунктов нашей страны, достаточно лишь выбрать нужный. Также необходимо выбрать тип конструкции: наружная стена, мансардная кровля, перекрытие над холодным подвалом или чердачное.

При нажатии кнопки продолжения работы появляется новое окно, позволяющее «собрать» конструкцию. Многие материалы имеются в памяти программы. Они подразделены на три группы для удобства поиска: конструкционные, теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные. Нужно задать лишь толщину слоя, теплопроводность программа укажет сама.

При отсутствии необходимых материалов их можно добавить самостоятельно, зная теплопроводность.

Перед тем как производить вычисления, необходимо выбрать тип расчета над табличкой с конструкцией стены. В зависимости от этого программа выдаст либо толщину утеплителя, либо сообщит о соответствии ограждающей конструкции нормам. После завершения вычислений, можно сформировать отчет в текстовом формате.

«Теремок» очень удобен для пользования и с ним способен разобраться даже человек без технического образования. Специалистам же он значительно сокращает время на вычисления и оформление отчета в электронном виде.

Главным достоинством программы является тот факт, что она способна вычислить толщину утепления не только наружной стены, но и любой конструкции. Каждый из расчетов имеет свои особенности, и непрофессионалу довольно сложно разобраться во всех. Для строительства частного дома достаточно освоить данное приложение, и не придется вникать во все сложности. Расчет и проверка всех ограждающих поверхностей займет не более 10 минут.

Виды тепловых нагрузок

При расчетах учитывают средние сезонные температуры

Тепловые нагрузки носят разный характер. Есть некоторый постоянный уровень теплопотерь, связанный с толщиной стены, конструкцией кровли. Есть временные – при резком снижении температуры, при интенсивной работе вентиляции. Расчет всей тепловой нагрузки учитывает и это.

Сезонные нагрузки

Так называют теплопотери, связанные с погодой. Сюда относят:

• разницу между температурой наружного воздуха и внутри помещения;
• скорость и направление ветра;
• количество солнечного излучения – при высокой инсоляции здания и большом количестве солнечных дней даже зимой дом охлаждается меньше;
• влажность воздуха.

Сезонную нагрузку отличает переменный годовой график и постоянный суточный. Сезонная тепловая нагрузка – это отопление, вентиляция и кондиционирование. К зимним относят 2 первых вида.

Постоянные тепловые

Промышленное холодильное оборудование выделяет большое количество тепла

К круглогодичным относят горячее водоснабжение и технологические аппараты. Последние имеет значение для промышленных предприятий: варочные котлы, промышленные холодильники, пропарочные камеры выделяют гигантское количество тепла.

В жилых зданиях нагрузка на горячее водоснабжение становится сравнима с отопительной нагрузкой. Величина эта мало изменяется в течение года, но сильно колеблется в зависимости от времени суток и дня недели. Летом расход ГСВ уменьшается на 30%, так как температура воды в холодном водопроводе выше на 12 градусов, чем зимой. В холодное время года потребление горячей воды растет, особенно в выходные дни.

Сухое тепло

Комфортный режим определяется температурой воздуха и влажностью. Эти параметры рассчитывают, руководствуясь понятиями сухого и скрытого тепла. Сухое – это величина, измеряемая специальным сухим термометром. На нее воздействует:

• остекление и дверные проемы;
• солнце и тепловые нагрузки на зимнее отопление;
• перегородки между комнатами с разной температурой, полы над пустым пространством, потолки под чердаками;
• трещины, щели, зазоры в стенах и дверях;
• воздуховоды вне отапливаемых зон и вентиляция;
• оборудование;
• люди.

Полы на бетонном фундаменте, подземные стены при расчетах не учитываются.

Скрытое тепло

Влажность помещения повышает температуру внутри

Этот параметр определяет влажность воздуха. Источником выступает:

• оборудование – нагревает воздух, снижает влажность;
• люди – источник влажности;
• потоки воздуха, проводящие сквозь трещины и щели в стенах.