Розрахунок системи опалення для приватного будинку

Сьогодні як основний обігрівач приватного будинку обирають індивідуальну систему водяного опалення. Разом з водяним опаленням також можуть використовуватися електричні нагрівальні прилади, наприклад, ІЧ-обігрівачі, теплі підлоги, а також масляні радіатори, які з’явилися порівняно нещодавно на ринку України, тощо. Для локального обігріву також використовують каміни, проте камін – сьогодні більше декоративний елемент інтер’єру.

Ефективність роботи і довговічність системи водяного опалення залежить в основному від правильності розрахунку опалення будинку, якості обладнання та правильності монтажу. У процесі експлуатації також необхідно дотримуватися суворих правил, щоб отримати очікувану якість роботи системи водяного опалення.

Система опалення будинку – це не тільки радіатори і котел. Система водяного опалення містить трубопровід, насоси, засоби автоматики, теплоносій, регулювальні пристрої тощо.

Розрахунок системи опалення приватного будинку – це насамперед розрахунок потужності основного генератора тепла в будинку, а саме опалювального котла, і підбір потужності радіаторів для кожної кімнати.

Вибір опалювального котла

Котел для системи водяного опалення може бути:

• газовим;
• електричним;
• твердопаливним;
• рідкопаливним;
• комбінованим.

Вибір котла треба робити, виходячи з вартості його використання (вартості палива, що буде використовуватися для нагрівання теплоносія), а також вартості обслуговування (періодичні виклики майстра, як правило раз на рік, з метою перевірки роботи автоматики, очищення фільтрів, можливо, продовження гарантії).

Найпростішими і найдешевшими в обслуговуванні вважаються газові котли. Але зрозуміло, що при цьому будинок має бути газифікований. Під час використання газового котла в системі автономного опалення будинку немає необхідності робити запас пального. Крім того, сучасні газові котли для автономного опалення мають високий ККД (на рівні 95%). Відмінною особливістю газових котлів цього класу є також високий ступінь безпеки. Сьогодні газовий котел не потребує виділення спеціальної котельні для його встановлення (виняток становлять котли з відкритою камерою згоряння) і прекрасно може вписатися в дизайн інтер’єру кухні.

Сьогодні також набувають популярності напівавтоматичні в експлуатації твердопаливні котли. Їхнім недоліком залишається необхідність хоч раз на добу (іноді навіть рідше) здійснювати завантаження котла паливом. Однак багато виробників сучасних твердопаливних котлів намагаються розробити максимально автоматичні твердопаливні котли, які самі подають паливо в котел. Також вважається, що твердопаливні котли мають циклічну тепловіддачу. Однак сьогодні твердопаливні котли “вміють” регулювати процес горіння, регулюючи подачу повітря в камеру згоряння, і таким чином можуть підтримувати однакову температуру теплоносія в системі автономного водяного опалення. Також твердопаливні котли використовують у системі опалення разом із водяними теплоакумуляторами, що являють собою ємності об’ємом 5-10м3.

Розрахунок опалення приватного будинку можна виконати також для електричного котла. При цьому основна проблема, крім вартості електроенергії, – це велике навантаження на електричну мережу. Сьогодні в середньому на один будинок у невеликому селищі виділяється 3 кВт електроенергії, чого замало для підключення електричного котла.

У системі опалення приватного будинку також можна використовувати рідкопаливний котел. Однак питання, пов’язані з екологічністю та безпекою використання рідкопаливних котлів у системі опалення приватного будинку, залишаються відкритими.

Розрахунок потужності опалювального котла

Розрахунок опалення будинку починається з підбору котла опалення. Це перше, що визначатиме ефективність роботи системи автономного опалення приватного будинку. Потужність опалювального котла необхідно розрахувати правильно. Опалювальний котел надлишкової потужності буде перевитрачати паливо, а недостатня потужність “серця” системи опалення не дасть змоги отримати потрібну температуру в будинку.

Підбір потужності котла опалення проводять виходячи зі значення питомих тепловтрат будинку за опалювальний період _qдом, кВт*год/м2. Розрахунок питомих тепловтрат проводять таким чином:

_{Qдом=Qгод/Fh,}

де _Qгод – витрата теплової енергії на опалення будинку протягом опалювального періоду;

_Fh – опалювальна площа будинку.

Розрахунок витрати теплової енергії на опалення приватного будинку проводять за формулою:

_Qгод=βh*[_Qk-(Qвн _б+Qs)*ν],

де _βh – коефіцієнт, що враховує додаткове теплоспоживання системою опалення, пов’язане з дискретністю опалювального потоку та додатковими тепловтратами через частини стін будинку, на яких установлено радіатори опалення, тепловтрати трубопроводів, що проходять через неопалювані приміщення. Розрахунок системи опалення приватного будинку проводять, приймаючи при цьому _βh=1,11;

Qвн_б – побутові теплонадходження протягом опалювального періоду;

ν – коефіцієнт, що враховує здатність стін будинку акумулювати або віддавати тепло при періодичному опаленні будинку. Для розрахунку системи опалення приватного будинку ν=0,8;

_Qk – загальні тепловтрати будинку. Розрахунок _Qk проводять за формулою:

_{Qk=χ1*Кдом*Ddd*F∑},

де _χ1=0,024 – розмірний коефіцієнт;

_F∑ – внутрішня загальна опалювальна площа стін, підлоги і стелі будинку,^м2;

_Dd – кількість градусо-діб опалювального сезону, що визначається виходячи з температури зони будинку. У якій зоні розміщений будинок, можна визначити з малюнка нижче. Так, для І температурної зони _Dd=3750 °С*добу, для ІІ – _Dd=3250 °С*добу, для ІІІ – _Dd=2750 °С*добу, для IV – _Dd=2250 °С*добу.

_Кдом – загальний коефіцієнт теплопередачі будинку, що розраховується за формулою:

_{Кдом=k∑пр+кінф},

де _k∑пр – приведений коефіцієнт теплопередачі теплоізоляційної оболонки будинку, що розраховується за формулою:

_k∑пр=ξ*(_{Fнч/R∑прнч+Fсч/R∑прсч+Fд/R∑прн+Fпк/R∑прпк+Fц/R∑прц})/ _F∑,

де ξ – коефіцієнт, що враховує додаткові тепловтрати, пов’язані з орієнтацією будинку відносно сторін світу, наявністю кутових приміщень, надходженням холодного повітря через вхід у будинок. Для приватних житлових будинків ξ=1,13;

_Fнч, _Fсч, _Fд, _Fпк, _Fц – площа відповідно стін (непрозорих частин), світлопрозорих частин (вікон, ліхтарів), зовнішніх дверей і воріт, перекриттів (горищних перекриттів), цокольних перекриттів;

_кінф – умовний коефіцієнт теплопередачі огороджувальних конструкцій будинку, що враховує тепловтрати за рахунок інфільтрації та вентиляції, і розраховується за формулою:

_{кінф=χ2*c*υv*Vh *η*γ3/F∑},

де _χ2=0,278 – розмірний коефіцієнт;

с=1 кДж/(кг*К) – питома теплоємність повітря;

_υv=0,85 – коефіцієнт зниження об’єму повітря в будинку, що враховує наявність внутрішніх огороджень;

_Vh – опалювальний об’єм будинку;

η – коефіцієнт впливу зустрічного теплового потоку в огороджених конструкціях. η приймається 0,7 – для стиків панелей стін, а також багатостулкових вікон будинку; 0,8 – для двостулкових вікон і балконних дверей; 1,0 – для одностулкових вікон і балконних дверей; при цьому коефіцієнт η приймається за найбільшим значенням, єдиним по всьому будинку;

_γ3 – середня густина повітря, що визначається для будинку за рахунок інфільтрації та вентиляції, кг/м3. Середня щільність повітря для приватного будинку під час розрахунку опалення визначається як _γ3=353/[273+0,5*(_{тв+топз})],

де _тв – розрахункова температура внутрішнього повітря приміщення будинку, що визначається за табл. 1.

Таблиця 1. Розрахункові значення температури та вологості повітря для приміщень

_{топ з} – середня температура зовнішнього повітря за опалювальний період;

_Qs – теплові надходження крізь вікна від сонячної радіації впродовж опалювального періоду для чотирьох фасадів будинку, що орієнтовані за чотирма сторонами світу – північ (Св), схід (Св), Південь і захід (З). теплові надходження крізь вікна можна розрахувати за формулою:

Q_s=ξв*εв(F_{Св*IСв+FВ*IВ+FЮг*IПівдень+FЗ*IЗ})+ ξ_{з л*εз л*Fсп ф*Iг},

де _ξв, ξз_л – коефіцієнти, що враховують затінення світлового прорізу відносно вікон і зенітних ліхтарів непрозорими елементами заповнення, які приймають відповідно до табл. 2;

_εв, εз_л – коефіцієнти відносного проникнення сонячної радіації для світлопрозорих заповнень вікон і зенітних ліхтарів, що приймаються за паспортними даними відповідних світлопрозорих конструкцій або за табл. 2; мансардні вікна з кутом нахилу до горизонту 45 градусів і більше треба рахувати як вертикальні вікна, а з кутом менше 45 градусів – як зенітні ліхтарі;

_FCв, _FВ, _FЮг, _FЗ – площа світлопрозорих фасадів будинку, що відповідно орієнтовані за чотирма сторонами світу;

Fсп_ф – площа світлових зенітних ліхтарів будинку;

_ICв, _IВ, _IЮг, _IЗ – середня величина сонячної радіації за опалювальний період, що спрямована на вертикальну поверхню за умови хмарності, яка відповідно зорієнтована за чотирма фасадами будинку (для проміжних орієнтирів фасаду будинку, що відрізняються від напрямків на СВ, В, П, Ю, З, величину сонячної радіації треба визначати за інтерполяцією;

_Iг – середня величина сонячної радіації за опалювальний період, спрямована на горизонтальну поверхню за умов похмурості.

Таблиця 2. Значення коефіцієнтів затінення світлового прорізу і відносного проникнення сонячної радіації, відповідно вікон і зенітних ліхтарів

Разом з тим, часто використовується спрощений розрахунок потужності котла. У цьому разі використовується всього два параметри – опалювальна площа будинку S і питома потужність опалювального котла _W питома на 10м2. Так, для південних областей України питома потужність приймається такою, що дорівнює 1,5-2 кВт, для центральних областей – 1,2-1,5 кВт, для південних областей України – 0,7-0,9 кВт.

Далі розрахунок потужності опалювального котла для приватного будинку проводять за формулою:

_{Wкотла=Wпитома*S/10}.

Крім того, від площі будинку залежить тип водяного опалення. Для приватних будинків з опалювальною площею до 100 м2 підійде система опалення з природною циркуляцією. Якщо ж опалювальна площа будинку понад 100м2, то необхідна примусова циркуляція теплоносія, яку виконує циркуляційний насос.

Циркуляційний насос встановлюють у обратку (зворотна лінія від опалювальних приладів до опалювального котла). Крім того, наявність циркуляційного насоса продовжить термін служби ваших опалювальних приладів, оскільки насос зменшує час контакту опалювального приладу з гарячим теплоносієм. Циркуляційні насоси мають бути надійні, безшумні, прості, довговічні, споживати мало електроенергії, оскільки вони працюють безперервно. Багато сучасних опалювальних котлів, наприклад газових, часто мають вбудовані циркуляційні насоси.

Трубопроводи системи опалення

Трубопроводи системи опалення виконують передачу (перенесення) теплоносія від опалювального котла до опалювальних приладів. Сьогодні під час монтажу системи опалення приватного будинку використовують такі трубопроводи:

• полімерні трубопроводи (поліетиленові, металопластикові, поліпропіленові);
• мідні трубопроводи;
• сталеві трубопроводи.

Усі перелічені типи трубопроводів мають як свої переваги, так і певні недоліки. Розглянемо основні. Так, полімерні труби прості в монтажі, вони не піддаються корозійним процесам. Техніку пайки поліпропіленових трубопроводів розглянуто в статті Монтаж поліпропіленових труб. Також полімерні труби мають невеликий гідравлічний опір.

Мідні трубопроводи мають стійкість до високих температур, витримують високий тиск. Сьогодні саме мідні трубопроводи вважаються абсолютно надійними, тому мідні трубопроводи можна заховати в стіни. З’єднання мідних трубопроводів проводять шляхом високотемпературної пайки. Недолік мідних трубопроводів – висока ціна. Крім того, з ними мають працювати професіонали.

Основний недолік сталевих трубопроводів – потреба в зварювальних роботах. Також такі трубопроводи піддаються корозійним процесам. Сьогодні під час монтажу системи опалення приватного будинку також використовують оцинковані сталеві трубопроводи.

Сьогодні в системах опалення приватного будинку використовують, як правило, двотрубнурозводку , яка дає змогу регулювати температурний режим у кожній кімнаті. Для регулювання температури опалювального приладу використовується терморегулятор. Також у системі опалення приватного будинку може використовуватися однотрубна система, єдиною перевагою якої є економія трубопроводів.

Вибір опалювальних приладів

Опалювальні прилади виконують передачу теплової енергії теплоносія кімнатам приватного будинку.Опалювальні прилади бувають:

• конвективні (або ребристі);
• радіаційні (виконують інфрачервоне випромінювання тепла);
• конвективно-радіаційні.

У системах опалення приватного будинку найчастіше використовують конвективні та конвективно-радіаційні опалювальні прилади. Деякі властивості опалювальних приладів наведено в табл. 3.

Розрахунок потужності опалювальних приладів краще проводити на етапі розрахунку потужності опалювального котла. Паралельно з розрахунком тепловтрат усього будинку треба виконувати розрахунок тепловтрат кожної кімнати, де буде встановлено радіатор. Таким чином ви знатимете потужність радіатора для кожної кімнати.

Таблиця 3. Характеристики сучасних опалювальних радіаторів

Вимоги до монтажу опалювальних приладів:

• від підлоги до опалювального приладу має бути не менше 6 см, що дасть змогу вільно проводити прибирання;
• між підвіконням і опалювальним приладом має бути не менше 5 см, що дасть змогу легко зняти радіатор за потреби;
• ребра опалювальних приладів повинні встановлюватися вертикально;
• опалювальні прилади встановлюють під вікнами;
• центр опалювального приладу розміщується по центру вікна;
• в одній кімнаті будинку опалювальні мають розташовуватися на одному рівні.