Расчет системы отопления для частного дома

Сегодня в качестве основного обогревателя частного дома выбирается индивидуальная система водяного отопления. Вместе с водяным отоплением также могут использоваться электрические нагревательные приборы, например, появившиеся сравнительно недавно на рынке Украины ИК обогреватели, теплые полы, а также масляные радиаторы и др. Для локального обогрева также используют камины, однако камин — сегодня больше декоративный элемент интерьера.

Эффективность работы и долговечность системы водяного отопления зависит в основном от правильности расчета отопления дома, качества оборудования и правильности монтажа. В процессе эксплуатации также необходимо придерживаться строгих правил, чтобы получить ожидаемое качество работы системы водяного отопления.

Система отопления дома — это не только радиаторы и котел. Система водяного отопления включает в себя трубопровод, насосы, средства автоматики, теплоноситель, регулировочные устройства и др.

Расчет системы отопления частного дома — это в первую очередь расчет мощности основного генератора тепла в доме, а именно отопительного котла, и подбор мощности радиаторов для каждой комнаты.

Выбор отопительного котла

Котел для системы водяного отопления может быть:

• газовым;
• электрическим;
• твердотопливным;
• жидкотопливным;
• комбинированным.

Выбор котла надо производит, исходя с стоимости его использования (стоимости топлива, что будет использоваться для нагревания теплоносителя), а также стоимости обслуживания (периодические вызовы мастера, как правило раз в год, в целью проверки работы автоматики, очистки фильтров, возможно, продления гарантии).

Самыми простыми и дешевыми в обслуживании считаются газовые котлы. Но понятно, что при этом дом должен быть газифицирован. При использовании газового котла в системы автономного отопления дома нет необходимости производить запас горючего. Кроме того, современные газовые котлы для автономного отопления имеют высокий КПД (на уровне 95%). Отличительной особенностью газовых котлов данного класса есть также высокая степень безопасности. Сегодня газовый котел не требует выделения специальной котельной для его установки (исключение составляют котлы с открытой камерой сгорания) и прекрасно может вписаться в дизайн интерьера кухни.

Сегодня также получают популярность полуавтоматические в эксплуатации твердотопливные котлы. Их недостатком остается необходимость хоть раз в сутки (иногда даже реже) осуществлять загрузку котла топливом. Однако многие производители современных твердотопливных котлов пытаются разработать максимально автоматические твердотопливные котлы, которые сами подают топливо в котел. Также считается, что твердотопливные котлы имеют циклическую теплоотдачу. Однако сегодня твердотопливные котлы «умеют» регулировать процесс горения регулируя подачу воздуха в камеру сгорания и таким образом могут поддерживать одинаковую температуру теплоносителя в системе автономного водяного отопления. Также твердотопливные котлы используют в системе отопления вместе с водяными теплоаккумуляторами, что представляют собой емкости объемом 5-10м3.

Расчет отопления частного дома можно выполнить также для электрического котла. При этом основная проблема, кроме стоимости электроэнергии, — это большая нагрузка на электрическую сеть. Сегодня в среднем на один дом в небольшом поселке выделяется 3 кВт электроэнергии, чего мало для подключения электрического котла.

В системе отопления частного дома также можно использовать жидкотопливный котел. Однако вопросы, связанные с экологичностью и безопасностью использования жидкотопливных котлов в системе отопления частного дома остаются открытыми.

Расчет мощности отопительного котла

Расчет отопления дома начинается с подбора котла отопления. Это первое, что будет определять эффективность работы системы автономного отопления частного дома. Мощность отопительного котла необходимо рассчитать правильно. Отопительный котел избыточной мощности будет перерасходовать топливо, а недостаточная мощность «сердца» системы отопления не позволит получить нужную температуру в доме.

Подбор мощности котла отопления производят исходя из значения удельных теплопотерь дома за отопительный период q_дом, кВт*час/м2. Расчет удельных теплопотерь проводят таким образом:

q_дом=Q_год/F_h,

где Q_год — расход тепловой энергии на отопления дома на протяжении отопительного периода;

F_h — отапливаемая площадь дома.

Расчет расхода тепловой энергии на отопление частного дома проводят по формуле:

Q_год=β_h*[Q_k-(Q_{вн б}+Q_s)*ν],

где β_h — коэффициент, что учитывает дополнительные теплопотребление системой отопления, что связано с дискретностью отопительного потока и дополнительными теплопотерями через части стен дома, на которых установлены радиаторы отопления, теплопотери трубопроводов, которые проходят через неотапливаемые помещения. Расчет системы отопления частного дома проводят, принимая при этом β_h=1,11;

Q_{вн б} — бытовые теплопоступления на протяжении отопительного периода;

ν — коэффициент, что учитывает способность стен дома аккумулировать или отдавать тепло при периодическом отоплении дома. Для расчета системы отопления частного дома ν=0,8;

Q_k — общие теплопотери дома. Расчет Q_k проводят по формуле:

Q_k=χ₁*K_дом*D_d*F_∑,

где χ₁=0,024 — размерный коэффициент;

F_∑ — внутренняя общая отапливаемая площадь стен, пола и потолка дома, м²;

D_d — количество градусо-суток отопительного сезона, что определяется исходя с температурой зоны дома. В какой зоне размещен дом, можно определить с рисунка ниже. Так, для І температурной зоныD_d=3750 °С*суток, для ІІ — D_d=3250 °С*суток, для ІІІ — D_d=2750 °С*суток, для IV — D_d=2250 °С*суток.

K_дом — общий коэффициент теплопередачи дома, что рассчитывается по формуле:

K_дом=k_∑пр+k_инф,

где k_∑пр — приведенный коэффициент теплопередачи теплоизоляционной оболочки дома, что рассчитывается по формуле:

k_∑пр=ξ*(F_нч/R_{∑пр нч}+ F_сч/R_{∑пр сч}+ F_д/R_{∑пр н}+ F_пк/R_{∑пр пк}+ F_ц/R_{∑пр ц})/ F_∑,

где ξ — коэффициент, что учитывает дополнительные теплопотери, связанные с ориентацией дома относительно сторон света, наличием угловых помещений, поступлением холодного воздуха через вход в дом. Для частных жилых домов ξ=1,13;

F_нч, F_сч, F_д, F_пк, F_ц — площадь соответственно стен (непрозрачных частей), светопрозрачных частей (окон, фонарей), внешних дверей и ворот, перекрытий (чердачных перекрытий), цокольных перекрытий;

k_инф — условный коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций дома, что учитывает теплопотери за счет инфильтрации и вентиляции, и рассчитывается по формуле:

k_инф= χ₂*c* υ_v*V_h *η*γ₃/ F_∑,

где χ₂=0,278 — размерный коэффициент;

с=1 кДж/(кг*К) — удельная теплоемкость воздуха;

υ_v=0,85 — коэффициент снижения объема воздуха в доме, что учитывает наличие внутренних ограждений;

V_h — отапливаемый объем дома;

η — коэффициент влияния встречного теплового потока в огражденных конструкциях. η принимается 0,7 — для стыков панелей стен, а также многостворочных окон дома; 0,8 — для двустворочных окон и балконных дверей; 1,0 — для одностворочных окон и балконных дверей; при этом коэффициент η принимается за наибольшим значением, единым по всему дому;

γ₃ — средняя плотность воздуха, что определяется для дома за счет инфильтрации и вентиляции, кг/м3. Средняя плотность воздуха для частного дома при расчете отопления определяется как γ₃=353/[273+0,5*(t_в+t_опз)],

где t_в — расчетная температура внутреннего воздуха помещения дома, что определяется за табл. 1.

Таблица 1. Расчетные значения температуры и влажности воздуха для помещений

t_{оп з} — средняя температура внешнего воздуха за отопительный период;

Q_s — тепловые поступления сквозь окна от солнечной радиации на протяжении отапливаемого периода для четырех фасадов дома, что ориентированы за четырьмя сторонами света — север (Св), восток (В), Юг и запад (З). тепловые поступления сквозь окна можно рассчитать по формуле:

Q_s=ξ_в*ε_в(F_Cв*I_Св+F_В*I_В+F_Юг*I_Юг+F_З*I_З)+ ξ_{з л}*ε_{з л}*F_{сп ф}*I_г,

где ξ_в, ξ_{з л} — коэффициенты, что учитывают затенение светового прореза относительно окон и зенитных фонарей непрозрачными элементами заполнения, что принимаются соответственно табл. 2;

ε_в, ε_{з л} — коэффициенты относительного проникновения солнечной радиации для светопрозрачных заполнений окон и зенитных фонарей, что принимаются за паспортными данными соответствующих светопрозрачных конструкций или за табл. 2; мансардные окна с углом наклона до горизонта 45 градусов и больше надо считать как вертикальные окна, а с углом меньше 45 градусов — как зенитные фонари;

F_Cв, F_В, F_Юг, F_З — площадь светопрозрачных фасадов дома, что соответственно ориентированы за четырьмя сторонами света;

F_{сп ф} — площадь световых зенитных фонарей дома;

I_Cв, I_В, I_Юг, I_З — средняя величина солнечной радиации за отопительный период, что направлена на вертикальную поверхность при условии облачности, что соответственно ориентирована за четырьмя фасадами дома (для промежуточных ориентиров фасада дома, что отличаются от направлений на Св, В, Ю, З, величину солнечной радиации надо определять за интерполяцией;

I_г — средняя величина солнечной радиации за отопительный период, направленная на горизонтальную поверхность за условий пасмурности.

Таблица 2. Значение коэффициентов затенения светового прореза и относительного проникновения солнечной радиации, соответственно окон и зенитных фонарей

Вместе с тем, часто используется упрощенный расчет мощности котла. В этом случае используется всего два параметра — отапливаемая площадь дома S и удельная мощность отопительного котла W_{удельная} на 10м2. Так, для южных областей Украины удельная мощность принимается равной 1,5-2 кВт, для центральных областей — 1,2-1.5 кВт, для южных областей Украины — 0,7-0,9 кВт.

Далее расчет мощности отопительного котла для частного дома проводят по формуле:

W_котла= W_{удельная}*S/10.

Кроме того, от площади дома зависит тип водяного отопления. Для частных домов с отапливаемой площадью до 100 м2 подойдет система отопления с естественной циркуляцией. Если же отапливаемая площадь дома больше 100м2, то необходима принудительная циркуляция теплоносителя, которую выполняет циркуляционный насос.

Циркуляционных насос устанавливается в обратку (обратная линия от отопительных приборов к отопительному котлу). Кроме того, наличие циркуляционного насоса продлит срок службы ваших отопительных приборов, поскольку насос уменьшает время контакта отопительного прибора с горячим теплоносителем. Циркуляционные насосы должны быть надежны, бесшумны, просты, долговечны, потреблять мало электроэнергии поскольку они работают непрерывно. Многие современные отопительные котлы, например газовые, часто имеют встроенные циркуляционные насосы.

Трубопроводы системы отопления

Трубопроводы системы отопления выполняют передачу (перенос) теплоносителя от отопительного котла к отопительным приборам. Сегодня при монтаже системы отопления частного дома используют такие трубопроводы:

• полимерные трубопроводы (полиэтиленовые, металлопластиковые, полипропиленовые);
• медные трубопроводы;
• стальные трубопроводы.

Все перечисленные типы трубопроводов имеют как свои преимущества, так и определенные недостатки. Рассмотрим основные. Так, полимерные трубы просты в монтаже, они не поддаются коррозийным процессам. Техника пайки полипропиленовых трубопроводов рассмотрена в статье Монтаж полипропиленовых труб. Также полимерные трубы имеют небольшое гидравлическое сопротивление.

Медные трубопроводы обладают стойкостью к высоким температурам, выдерживают высокое давление. Сегодня именно медные трубопроводы считаются абсолютно надежными, поэтому медные трубопроводы можно спрятать в стены. Соединение медных трубопроводов проводят путем высокотемпературной пайки. Недостаток медных трубопроводов — высокая цена. Кроме того, с ними должны работать профессионалы.

Основной недостаток стальных трубопроводов — потребность в сварочных работах. Также такие трубопроводы поддаются коррозийным процессам. Сегодня при монтаже системы отопления частного дома также используют оцинкованные стальные трубопроводы.

Сегодня в системах отопления частного дома используют, как правило, двухтрубную разводку.Двухтрубная разводка позволяет регулировать температурный режим в каждой комнате. Для регулировки температуры отопительного прибора используется терморегулятор. Также в системе отопления частного дома может использоваться однотрубная система, единственным преимуществом которой есть экономия трубопроводов.

Выбор отопительных приборов

Отопительные приборы выполняют передачу тепловой энергии теплоносителя комнатам частного дома.Отопительные приборы бывают:

• конвективные (или ребристые);
• радиационные (выполняют инфракрасное излучение тепла);
• конвективно-радиационные.

В системах отопления частного дома чаще всего используются конвективные и конвективно-радиационные отопительные приборы. Некоторые свойства отопительных приборов наведено в табл. 3.

Расчет мощности отопительных приборов лучше проводить на этапе расчета мощности отопительного котла. Параллельно с расчетом теплопотерь всего дома надо выполнять расчет теплопотерь каждой комнаты, где будет установлен радиатор. Таким образом вы будете знать мощность радиатора для каждой комнаты.

Таблица 3. Характеристики современных отопительных радиаторов

Требования к монтажу отопительных приборов:

• от пола до отопительного прибора должно быть не менее 6см, что позволит свободно проводить уборку;
• между подоконником и отопительным прибором должно бить не менее 5см, что позволит легко снять радиатор при необходимости;
• ребра отопительных приборов должны устанавливаться вертикально;
• отопительные приборы устанавливаются под окнами;
• центр отопительного прибора размещается по центру окна;
• в одной комнате дома отопительные должны располагаться на одном уровне.