Obliczanie podgrzewania wody: wzory, zasady, przykłady realizacji

Stosowanie wody jako czynnika chłodzącego w systemie grzewczym to jedna z najpopularniejszych opcji zapewnienia ciepła w domu w zimnych porach roku.Wystarczy odpowiednio zaprojektować, a następnie zainstalować system. W przeciwnym razie ogrzewanie będzie nieefektywne przy wysokich kosztach paliwa, co, jak widać, jest wyjątkowo nieciekawe przy dzisiejszych cenach energii.

Niemożliwe jest samodzielne obliczenie ogrzewania wody (zwanego dalej WHE) bez użycia specjalistycznych programów, ponieważ w obliczeniach wykorzystywane są złożone wyrażenia, których wartości nie można określić za pomocą konwencjonalnego kalkulatora. W artykule szczegółowo przeanalizujemy algorytm wykonywania obliczeń, przedstawimy zastosowane wzory oraz rozważymy postęp obliczeń na konkretnym przykładzie.

Prezentowany materiał uzupełnimy tabelami z wartościami i wskaźnikami referencyjnymi niezbędnymi przy przeprowadzaniu obliczeń, zdjęciami tematycznymi oraz filmem demonstrującym przejrzysty przykład obliczeń za pomocą programu.

Obliczanie bilansu cieplnego konstrukcji mieszkaniowej

Aby wykonać instalację grzewczą, w której czynnikiem obiegowym jest woda, należy najpierw dokonać precyzyjnego wykonania obliczenia hydrauliczne.

Przy opracowywaniu i wdrażaniu dowolnego systemu typu grzewczego niezbędna jest znajomość bilansu cieplnego (zwanego dalej TB).Znając moc cieplną niezbędną do utrzymania temperatury w pomieszczeniu, możesz wybrać odpowiedni sprzęt i prawidłowo rozłożyć jego obciążenie.

Zimą w pomieszczeniu występują pewne straty ciepła (zwane dalej HL). Większość energii wychodzi przez elementy otaczające i otwory wentylacyjne. Niewielkie koszty ponoszone są na infiltrację, ogrzewanie obiektów itp.

TP zależy od warstw tworzących otaczające struktury (zwanych dalej OK). Nowoczesne materiały budowlane, w szczególności materiały izolacyjne, charakteryzują się niską współczynnik przewodności cieplnej (zwane dalej CT), dzięki czemu traci się przez nie mniej ciepła. W przypadku domów o tej samej powierzchni, ale z różnymi konstrukcjami OK, koszty ogrzewania będą się różnić.

Oprócz określenia TP ważne jest obliczenie TB domu. Wskaźnik uwzględnia nie tylko ilość energii opuszczającej pomieszczenie, ale także ilość energii potrzebnej do utrzymania określonego poziomu temperatury w domu.

Najdokładniejsze wyniki zapewniają specjalistyczne programy opracowane dla budowniczych. Dzięki nim możliwe jest uwzględnienie większej liczby czynników wpływających na TP.

Najwięcej ciepła opuszcza pomieszczenie przez ściany, podłogę, dach, najmniej – przez drzwi, otwory okienne

Z dużą dokładnością możesz obliczyć TP domu za pomocą wzorów.

Całkowite koszty ogrzewania domu oblicza się ze wzoru:

P = P_OK +P_w,

Gdzie Q_OK - ilość ciepła opuszczającego pomieszczenie przez OK; Q_w — koszty wentylacji cieplnej.

Straty wentylacyjne są brane pod uwagę, jeśli powietrze wpadające do pomieszczenia ma niższą temperaturę.

W obliczeniach uwzględnia się zazwyczaj OK z jedną stroną zwróconą w stronę ulicy. Są to ściany zewnętrzne, podłoga, dach, drzwi i okna.

Ogólne TP Q_OK równa sumie TP każdego OK, czyli:

Q_OK = ∑Q_ul +∑P_ok +∑P_dw +∑P_pt +∑P_pl,

Gdzie:

• Q_ul — wartość TP ścian;
• Q_ok — okna TP;
• Q_dw — drzwi TP;
  
• Q_pt — sufitowy TP;
  
• Q_pl — piętro TP.

Jeżeli podłoga lub sufit ma inną konstrukcję na całej powierzchni, wówczas TP oblicza się dla każdej sekcji osobno.

Obliczanie strat ciepła za pomocą OK

Do obliczeń potrzebne będą następujące informacje:

• konstrukcja ścian, użyte materiały, ich grubość, CT;
• temperatura zewnętrzna podczas wyjątkowo mroźnej pięciodniowej zimy w mieście;
• obszar OK;
• orientacja OK;
• zalecana temperatura w domu zimą.

Aby obliczyć TC, należy znaleźć całkowity opór cieplny R_OK. Aby to zrobić, musisz znaleźć opór cieplny R₁, R₂, R₃, …, R_N każda warstwa jest OK.

Współczynnik R_N obliczane według wzoru:

Rn = B/k,

W formule: B — grubość warstwy OK w mm, k — Tomografia komputerowa każdej warstwy.

Całkowity R można określić za pomocą wyrażenia:

R = ∑R_N

Producenci drzwi i okien zazwyczaj podają współczynnik R w karcie katalogowej produktu, dzięki czemu nie ma potrzeby obliczania go osobno.

Nie można obliczyć oporu cieplnego okien, ponieważ karta techniczna zawiera już niezbędne informacje, co upraszcza obliczenie oporu cieplnego

Ogólny wzór na obliczenie TP do OK jest następujący:

Q_OK = ∑S × (t_vnt -T_nar) × R × l,

W wyrażeniu:

• S — okolica OK, m²;
• T_vnt - żądana temperatura pokojowa;
• T_nar — temperatura powietrza zewnętrznego;
• R — współczynnik wytrzymałości, obliczany oddzielnie lub pobierany z karty katalogowej produktu;
• l — współczynnik wyjaśniający, który uwzględnia orientację ścian względem kierunków kardynalnych.

Obliczanie TB pozwala wybrać sprzęt o wymaganej mocy, co wyeliminuje możliwość niedoboru lub nadmiaru ciepła. Niedobór energii cieplnej kompensowany jest poprzez zwiększenie przepływu powietrza przez wentylację, nadmiar – poprzez zainstalowanie dodatkowych urządzeń grzewczych.

Koszty cieplne wentylacji

Ogólny wzór na obliczenie wentylacji TP jest następujący:

Q_w = 0,28 × L_N × s_vnt × c × (t_vnt -T_nar),

W wyrażeniu zmienne mają następujące znaczenie:

• L_N — zużycie napływającego powietrza;
• P_vnt — gęstość powietrza w pomieszczeniu o określonej temperaturze;
• C — pojemność cieplna powietrza;
• T_vnt - temperatura w domu;
• T_nar — temperatura powietrza na zewnątrz.

Jeżeli w budynku zainstalowana jest wentylacja, wówczas parametr L_N zaczerpnięte ze specyfikacji technicznych urządzenia. Jeśli nie ma wentylacji, przyjmuje się standardowy właściwy współczynnik wymiany powietrza wynoszący 3 m.³ o godzinie pierwszej.

Na tej podstawie L_N obliczane według wzoru:

L_N = 3 × S_pl,

W wyrazie S_pl - powierzchnia podłogi.

2% wszystkich strat ciepła wynika z infiltracji, 18% z wentylacji. Jeżeli pomieszczenie jest wyposażone w system wentylacji, obliczenia uwzględniają TP poprzez wentylację, ale nie uwzględniają infiltracji

Następnie musisz obliczyć gęstość powietrza p_vnt w danej temperaturze pokojowej t_vnt.

Można to zrobić za pomocą wzoru:

P_vnt = 353/(273+t_vnt),

Ciepło właściwe c = 1,0005.

Jeśli wentylacja lub infiltracja są niezorganizowane lub w ścianach występują pęknięcia lub dziury, wówczas obliczenie TP przez otwory należy powierzyć specjalnym programom.

W naszym innym artykule podaliśmy szczegółowe informacje przykład obliczeń termotechnicznych budynki z konkretnymi przykładami i wzorami.

Przykład obliczenia bilansu cieplnego

Rozważmy dom o wysokości 2,5 m, szerokości 6 m i długości 8 m, położony w mieście Ocha na Sachalinie, gdzie w wyjątkowo zimny 5-dniowy dzień termometr spada do -29 stopni.

W wyniku pomiaru ustalono, że temperatura gleby wynosi +5. Zalecana temperatura wewnątrz konstrukcji wynosi +21 stopni.

Najwygodniej jest narysować schemat domu na papierze, wskazując nie tylko długość, szerokość i wysokość budynku, ale także orientację względem punktów kardynalnych, a także położenie i wymiary okien i drzwi

Ściany przedmiotowego domu składają się z:

• grubość muru B=0,51 m, CT k=0,64;
• wełna mineralna B=0,05 m, k=0,05;
• okładzina B=0,09 m, k=0,26.

Przy określaniu k lepiej skorzystać z tabel przedstawionych na stronie producenta lub poszukać informacji w karcie katalogowej produktu.

Znając przewodność cieplną, możesz wybrać najbardziej efektywne materiały z punktu widzenia izolacji termicznej. Z powyższej tabeli wynika, że ​​w budownictwie najbardziej wskazane jest stosowanie płyt z wełny mineralnej i styropianu

Podłoga składa się z następujących warstw:

• Płyty OSB B=0,1 m, k=0,13;
• wełna mineralna B=0,05 m, k=0,047;
• jastrychy cementowe B=0,05 m, k=0,58;
• styropian ekspandowany B=0,06 m, k=0,043.

W domu nie ma piwnicy, a podłoga na całej powierzchni ma taką samą konstrukcję.

Sufit składa się z warstw:

• płyty gipsowo-kartonowe B=0,025 m, k= 0,21;
• izolacja B=0,05 m, k=0,14;
• pokrycie dachowe B=0,05 m, k=0,043.

W domu jest tylko 6 okien dwukomorowych z I-szybą i argonem. Z karty technicznej produktu wiadomo, że R=0,7. Okna mają wymiary 1,1x1,4m.

Drzwi mają wymiary 1x2,2 m, R=0,36.

Krok #1 - obliczenie strat ciepła przez ścianę

Ściany na całym obszarze składają się z trzech warstw. Najpierw obliczmy ich całkowity opór cieplny.

Dlaczego warto stosować formułę:

R = ∑R_N,

i wyrażenie:

R_N = B/k

Biorąc pod uwagę wstępne informacje, otrzymujemy:

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

Po ustaleniu R możesz zacząć obliczać TP ścian północnych, południowych, wschodnich i zachodnich.

Dodatkowe współczynniki uwzględniają specyfikę położenia ścian względem kierunków kardynalnych. Zwykle w północnej części podczas zimnej pogody tworzy się „róża wiatrów”, w wyniku czego TP po tej stronie będzie wyższa niż po pozostałych

Obliczmy powierzchnię ściany północnej:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

Następnie podstawiając do wzoru Q_OK = ∑S × (t_vnt -T_nar) × R × l i biorąc pod uwagę, że l=1,1, otrzymujemy:

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

Powierzchnia południowej ściany S_juch.st = S_s.st = 20.

W ścianie nie ma wbudowanych okien ani drzwi, zatem biorąc pod uwagę współczynnik l=1, otrzymujemy TP:

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

Dla ściany zachodniej i wschodniej współczynnik ten wynosi l=1,05. Dlatego możesz znaleźć całkowitą powierzchnię tych ścian, czyli:

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

W ścianach wbudowano 6 okien i jedne drzwi. Obliczmy całkowitą powierzchnię okien i drzwi S:

S_ok = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dw = 1 × 2.2 = 2.2

Zdefiniujmy S ściany bez uwzględnienia S okien i drzwi:

S_vost+zap = 30 — 9.24 — 2.2 = 18.56

Obliczmy całkowity TP ścian wschodnich i zachodnich:

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

Po otrzymaniu wyników obliczmy ilość ciepła uciekającego przez ściany:

Qst = Q_s.st + Pytanie_juch.st + Pytanie_vost+zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579

Łącznie całkowita TP ścian wynosi 6 kW.

Krok #2 – obliczenie TP okien i drzwi

Okna znajdują się na ścianach wschodniej i zachodniej, dlatego przy obliczeniach współczynnik wynosi l=1,05. Wiadomo, że struktura wszystkich konstrukcji jest taka sama i R = 0,7.

Korzystając z podanych powyżej wartości pola, otrzymujemy:

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

Wiedząc, że dla drzwi R=0,36 i S=2,2 wyznaczamy ich TP:

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

Dzięki temu przez okna wychodzi 340 W ciepła, a przez drzwi 42 W.

Krok #3 - określenie TP podłogi i sufitu

Oczywiście powierzchnia sufitu i podłogi będzie taka sama i jest obliczana w następujący sposób:

S_pol = S_pt = 6 × 8 = 48

Obliczmy całkowity opór cieplny podłogi, biorąc pod uwagę jej konstrukcję.

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

Wiedząc, że temperatura gruntu t_nar=+5 i biorąc pod uwagę współczynnik l=1, obliczamy Q piętra:

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

Zaokrąglając, okazuje się, że strata ciepła przez podłogę wynosi około 3 kW.

W obliczeniach TP należy uwzględnić warstwy mające wpływ na izolację termiczną, na przykład beton, płyty, mur, izolację itp.

Określmy opór cieplny sufitu R_pt i jego pytanie:

• R_pt = 0.025/0.21 + 0.05/0.14 + 0.05/0.043 = 0.12 + 0.71 + 0.35 = 1.18
• Q_pt = 48 × (21 +29) × 1 × 1.18 = 2832

Wynika z tego, że przez sufit i podłogę przechodzi prawie 6 kW.

Krok #4 - obliczenie wentylacji TP

Wentylację w pomieszczeniu organizuje się i oblicza według wzoru:

Q_w = 0,28 × L_N × s_vnt × c × (t_vnt -T_nar)

W oparciu o parametry techniczne właściwy przepływ ciepła wynosi 3 metry sześcienne na godzinę, czyli:

L_N = 3 × 48 = 144.

Do obliczenia gęstości używamy wzoru:

P_vnt = 353/(273+t_vnt).

Szacunkowa temperatura w pomieszczeniu wynosi +21 stopni.

Wentylacja TP nie jest obliczana, jeśli system jest wyposażony w urządzenie do podgrzewania powietrza

Podstawiając znane wartości, otrzymujemy:

P_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Podstawmy otrzymane liczby do powyższego wzoru:

Q_w = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21  — 29) = 2431

Biorąc pod uwagę TP wentylacji, całkowite Q budynku będzie wynosić:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

Przeliczając na kW, otrzymujemy całkowitą stratę ciepła 16 kW.

Funkcje obliczania SVO

Po znalezieniu wskaźnika TP przystępują do obliczeń hydraulicznych (zwanych dalej GR).

Na tej podstawie uzyskuje się informacje o następujących wskaźnikach:

• optymalna średnica rur, które podczas spadków ciśnienia będą w stanie przepuścić określoną ilość chłodziwa;
• przepływ chłodziwa w określonym obszarze;
• prędkość ruchu wody;
• wartość rezystywności.

Przed rozpoczęciem obliczeń, dla uproszczenia obliczeń, należy narysować schemat przestrzenny układu, na którym wszystkie jego elementy są ułożone równolegle do siebie.

Schemat przedstawia system grzewczy z okablowaniem napowietrznym, ruch płynu chłodzącego jest ślepym zaułkiem

Rozważmy główne etapy obliczeń podgrzewania wody.

GR głównego pierścienia obiegowego

Metoda obliczania GR opiera się na założeniu, że różnice temperatur są takie same we wszystkich pionach i odgałęzieniach.

Algorytm obliczeń jest następujący:

1. Na pokazanym wykresie, biorąc pod uwagę straty ciepła, zastosowano obciążenia termiczne działające na urządzenia grzewcze i piony.
2. Na podstawie schematu wybierany jest główny pierścień obiegowy (zwany dalej MCC). Osobliwością tego pierścienia jest to, że w nim ciśnienie cyrkulacyjne na jednostkę długości pierścienia przyjmuje najniższą wartość.
3. FCC jest podzielony na sekcje o stałym zużyciu ciepła. Dla każdej sekcji podać liczbę, obciążenie termiczne, średnicę i długość.

W układzie pionowym typu jednorurowego za główny obwód cyrkulacyjny przyjmuje się pierścień, przez który przechodzi najbardziej obciążony pion podczas ślepego zaułka lub powiązanego ruchu wody wzdłuż sieci.Bardziej szczegółowo rozmawialiśmy o łączeniu pierścieni cyrkulacyjnych w systemie jednorurowym i wyborze głównego w następnym artykule. Szczególną uwagę zwróciliśmy na kolejność obliczeń, posługując się konkretnym przykładem dla przejrzystości.

W pionowych układach dwururowych główny płyn obiegowy przechodzi przez dolne urządzenie grzewcze, które ma maksymalne obciążenie podczas ślepego zaułka lub związanego z nim ruchu wody

W układzie poziomym jednorurowym główny obwód cyrkulacyjny powinien charakteryzować się najniższym ciśnieniem cyrkulacyjnym i jednostkową długością pierścienia. Dla systemów z naturalny obieg sytuacja jest podobna.

Przy opracowywaniu pionów systemu pionowego typu jednorurowego, piony przepływowe z regulacją przepływu, które zawierają zunifikowane komponenty, są uważane za pojedynczy obwód. W przypadku pionów z sekcjami zamykającymi separację przeprowadza się, biorąc pod uwagę rozkład wody w rurociągu każdej jednostki instrumentu.

Zużycie wody na danym obszarze oblicza się ze wzoru:

G_kont = (3,6 × Q_kont × β₁ × β₂)/((T_R -T₀) × c)

W wyrażeniu znaki alfabetu przyjmują następujące znaczenie:

• Q_kont — obciążenie termiczne obwodu;
• β_1, β₂ — dodatkowe współczynniki tabelaryczne uwzględniające przenikanie ciepła w pomieszczeniu;
• C — pojemność cieplna wody równa 4,187;
• T_R — temperatura wody w linii zasilającej;
• T₀ — temperatura wody na powrocie.

Po określeniu średnicy i ilości wody należy sprawdzić prędkość jej ruchu i wartość oporu właściwego R. Wszystkie obliczenia najwygodniej przeprowadza się za pomocą specjalnych programów.

GR pierścień obiegu wtórnego

Po GR głównego pierścienia określa się ciśnienie w małym pierścieniu cyrkulacyjnym utworzonym przez jego najbliższe piony, biorąc pod uwagę, że straty ciśnienia mogą różnić się nie więcej niż 15% w obwodzie ślepym i nie więcej niż 5% w obwodzie obwód przejściowy.

Jeśli nie można skorelować straty ciśnienia, zainstaluj podkładkę dławiącą, której średnicę oblicza się za pomocą metod programowych.

Obliczanie baterii grzejnikowych

Wróćmy do planu domu powyżej. Z obliczeń wynika, że ​​do utrzymania bilansu cieplnego potrzeba będzie 16 kW energii. W omawianym domu znajduje się 6 pokoi o różnym przeznaczeniu - salon, łazienka, kuchnia, sypialnia, korytarz i przedpokój.

Na podstawie wymiarów konstrukcji można obliczyć objętość V:

V=6×8×2,5=120 m³

Następnie musisz znaleźć ilość mocy cieplnej na m³. Aby to zrobić, Q należy podzielić przez znalezioną objętość, czyli:

P=16000/120=133 W na m³

Następnie musisz określić, ile mocy grzewczej potrzeba dla jednego pomieszczenia. Na schemacie powierzchnia każdego pomieszczenia została już obliczona.

Określmy objętość:

• łazienka – 4.19×2.5=10.47;
• salon – 13.83×2.5=34.58;
• kuchnia – 9.43×2.5=23.58;
• sypialnia – 10.33×2.5=25.83;
• korytarz – 4.10×2.5=10.25;
• korytarz – 5.8×2.5=14.5.

W obliczeniach należy również uwzględnić pomieszczenia, w których nie ma grzejników, na przykład korytarz.

Korytarz jest ogrzewany pasywnie, ciepło będzie do niego wpływać w wyniku cyrkulacji powietrza termicznego podczas przemieszczania się ludzi, przez drzwi itp.

Określmy wymaganą ilość ciepła dla każdego pomieszczenia, mnożąc objętość pomieszczenia przez wskaźnik R.

Uzyskajmy wymaganą moc:

• do łazienki — 10,47×133=1392 W;
• do salonu — 34,58×133=4599 W;
• do kuchni — 23,58×133=3136 W;
• do sypialni — 25,83×133=3435 W;
• dla korytarza — 10,25×133=1363 W;
• na korytarz — 14,5×133=1889 W.

Zacznijmy obliczać baterie grzejnikowe. Zastosujemy grzejniki aluminiowe, których wysokość wynosi 60 cm, moc w temperaturze 70 wynosi 150 W.

Obliczmy wymaganą liczbę akumulatorów grzejnikowych:

• łazienka — 1392/150=10;
• salon — 4599/150=31;
• kuchnia — 3136/150=21;
• sypialnia — 3435/150=23;
• korytarz — 1889/150=13.

Łącznie wymagane: 10+31+21+23+13=98 akumulatorów grzejnikowych.

Na naszej stronie internetowej znajdują się również inne artykuły, w których szczegółowo omówiliśmy procedurę wykonywania obliczeń cieplnych systemu grzewczego, obliczenia krok po kroku mocy grzejników i rur grzewczych. A jeśli Twój system wymaga podgrzewanych podłóg, będziesz musiał wykonać dodatkowe obliczenia.

Wszystkie te kwestie zostały omówione bardziej szczegółowo w naszych następujących artykułach:

• Obliczenia termiczne systemu grzewczego: jak poprawnie obliczyć obciążenie systemu
• Obliczanie grzejników: jak obliczyć wymaganą liczbę i moc akumulatorów
• Obliczanie objętości rur: zasady obliczeń i zasady wykonywania obliczeń w litrach i metrach sześciennych
• Jak obliczyć ogrzewaną podłogę na przykładzie instalacji wodnej
• Obliczanie rur do podłóg ogrzewanych: rodzaje rur, metody i etap układania + obliczanie natężenia przepływu

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Na filmie widać przykład obliczenia podgrzewania wody, który odbywa się za pomocą programu Valtec:

Obliczenia hydrauliczne najlepiej wykonywać za pomocą specjalnych programów, które gwarantują wysoką dokładność obliczeń i uwzględniają wszystkie niuanse projektu.

Specjalizujesz się w obliczaniu systemów grzewczych wykorzystujących wodę jako czynnik chłodzący i chcesz uzupełnić nasz artykuł o przydatne wzory i podzielić się tajemnicami zawodowymi?

A może chcesz skupić się na dodatkowych wyliczeniach lub wskazać nieścisłości w naszych wyliczeniach? Prosimy o wpisywanie komentarzy i rekomendacji w bloku pod artykułem.