Расчет теплопотерь здания

P. S. (08.01.2021)

Время не стоит на месте… Широкому кругу инженеров стали доступны программы численного решения физических полей методом конечных элементов.

Рассмотренный в статье пример расчета теплопотерь подвала выполним в программе Agros2D, которую можно свободно скачать с официального сайта agros2d.org (с русским интерфейсом).

Исходные данные для расчета — те же:

1. Размеры подвала в плане по внутренним замерам – 9×12 м, заглубление – 2,5 м.

2. Стены и пол выполнены из железобетона толщиной 0,3 м с коэффициентом теплопроводности λ=1,7 Вт/(м·К).

3. Теплопроводность грунта λ=1,16 Вт/(м·К).

4. На границе «внутренняя поверхность подвала – воздух в подвале» коэффициент теплоотдачи α=8,7 Вт/(м2*К), температура воздуха в подвале tвр=+16 °С.

5. На границе «наружная поверхность грунта – наружный воздух» коэффициент теплоотдачи α=23 Вт/(м2*К), температура наружного воздуха tнр=-37 °С.

6. Нижняя граница грунта — ломаная изотермическая поверхность с постоянной температурой tгр=+4 °С.

7. Через боковые поверхности блока грунта и через верхние поверхности железобетонных стен тепловой поток отсутствует.

Форма нижней поверхности грунта выбрана таким образом, что глубина промерзания грунта на удалении от здания составляет ~ 2,4 м.

На скриншоте представлено стационарное температурное поле, рассчитанное в программе Agros2D.

Результаты расчета:

1. Теплопотери подвала через пол – 1,23 КВт.

2. Теплопотери подвала через стены – 4,12 КВт.

3. Общие теплопотери подвала – 5,35 КВт.

Выводы:

1. Полученный результат в 1,6 раза больше результата, полученного по зональной методике Мачинского и в 3 раза меньше результата по методике Сотникова.

2. Если в расчетной модели уменьшить глубину промерзания грунта с 2,4 м до 2,0 м, добавив на поверхность слой снега, то рассчитанные в Agros2D теплопотери будут весьма близки к результату, полученному по зональной методике.

Выбор радиаторов отопления

Традиционно мощность отопительного радиатора рекомендовано выбирать по площади отапливаемой комнаты, причем с 15-20% завышением мощностных потребностей на всякий случай.

На примере рассмотрим, насколько корректна методика выбора радиатора «10 м2 площади – 1,2 кВт».

Тепловая мощность радиаторов зависит от способа их подключения, что необходимо учитывать при проведении расчетов системы отопления

Исходные данные: угловая комната на первом уровне двухэтажного дома ИЖС; внешняя стена из двухрядной кладки керамического кирпича; ширина комнаты 3 м, длина 4 м, высота потолка 3 м.

По упрощенной схеме выбора предлагается рассчитать площадь помещения, считаем:

3 (ширина) · 4 (длина) = 12 м2

Т.е. необходимая мощность радиатора отопления с 20% надбавкой получается 14,4 кВт. А теперь посчитаем мощностные параметры отопительного радиатора на основании теплопотерь комнаты.

Фактически площадь комнаты влияет на потери тепловой энергии меньше, чем площадь ее стен, выходящих одной стороной наружу здания (фасадных).

Поэтому считать будем именно площадь «уличных» стен, имеющихся в комнате:

3 (ширина) · 3 (высота) + 4 (длина) · 3 (высота) = 21 м2

Зная площадь стен, передающих тепло «на улицу», рассчитаем теплопотери при разнице комнатной и уличной температуры в 30о (в доме +18 оС, снаружи -12 оС), причем сразу в киловатт-часах:

0,91 · 21 · 30 : 1000 = 0,57 кВт,

Где: 0,91 – сопротивление теплопередачи м2 комнатных стен, выходящих «на улицу»; 21 – площадь «уличных» стен; 30 – разница температур внутри и снаружи дома; 1000 – число ватт в киловатте.

Согласно строительным стандартам приборы отопления располагают в местах максимальных теплопотерь. Например, радиаторы устанавливаются под оконными проемами, тепловые пушки – над входом в дом. В угловых комнатах батареи устанавливаются на глухие стены, подверженные максимальному воздействию ветров

Выходит, что для компенсации потерь тепла через фасадные стены данной конструкции, при 30о разнице температур в доме и на улице достаточно отопления мощностью 0,57 кВт·ч. Увеличим необходимую мощность на 20, даже на 30% – получаем 0,74 кВт·ч.

Таким образом, реальные мощностные потребности отопления могут быть значительно ниже, чем торговая схема «1,2 кВт на квадратный метр площади помещения».

Причем корректное вычисление необходимых мощностей отопительных радиаторов позволит сократить объем теплоносителя в системе отопления, что уменьшит нагрузку на котел и расходы на топливо.

Потери тепла через внешнюю оболочку

Для эффективного использования энергетических ресурсов надо создать сплошную защиту объекта недвижимости с хорошими изоляционными характеристиками. Ниже приведены особенности отдельных частей зданий, которые необходимо учитывать при проектировании.

Существенные потери через конструкцию кровли заставляют уделять повышенное внимание расчету. Сложнее всего работать с деревянными элементами, форма которых нестабильна при изменении влажности (температуры)

Стены лучше утеплять снаружи, чтобы не сдвигать внутрь точку росы. Полы, как правило, изолируют сверху. Однако вполне допустимы исключения. Так, при монтаже заливного фундамента можно устанавливать соответствующую защиту снизу.

Тепловые потери через окна уменьшают многокамерными рамами. Из специальных стекол собирают пакеты с безвоздушными промежутками. Отдельно проверяют характеристики вентиляции. Доступ свежего воздуха необходим. Однако корректная регулировка таких систем при соблюдении санитарных норм поможет повысить энергетическую эффективность на 10-15%.

Теплопотери через потолок

Все тепло идет вверх. И там оно стремится выйти наружу, то есть покинуть помещение. Теплопотери через потолок в вашем доме – это одна из наибольших величин, которая характеризует уход тепла на улицу.

Толщина утеплителя на потолке должна быть в 2 раза больше толщины утеплителя в стенах. Монтируете 200 мм в стены – монтируйте 400 мм на потолок. В этом случае вам будет гарантировано максимальное теплосопротивление вашего теплового контура.

Что у нас получается? Стены 200 мм, пол 300 мм, потолок 400 мм. Считайте, что вы сэкономите на любом энергоносителе, которым будете отапливать свой дом.

Примерное минимальное качество утепления наружных стен

Чтобы поддерживать теплый режим в помещениях (+20°C), надо вычислить мощность подходящего отопительного оборудования. Рассчитаем параметры дома с обычной конструкцией фасада (без вентиляционной прослойки) в Подмосковье с общей площадью наружных стен 360 м кв. Для этого региона средняя минимальная наружная температура по справочнику составляет -20°C. Вставим в калькулятор следующие значения для каждого слоя (материал/ толщина в см/ коэффициент теплопроводности):

  • бетон/ 20/ 2,1;
  • пенобетон плотностью 1000 кг на м куб./ 30/ 0,47;
  • пенополистирол/ 20/ 0,06.

В результате получим 3,9 кВт. Изменяя исходные параметры, можно сделать нужные корректировки.


Калькулятор для расчета тепловых потерь

Пользоваться специализированным программным обеспечением удобнее, чем последовательным вычислением с помощью формул. При выборе подходящего инструментария следует проверить используемую методику. Необходимо убедиться, что в исходных данных учитываются все значимые факторы. Полученное значение рекомендуется несколько увеличить, чтобы отопительное оборудование не работало с повышенными нагрузками.

Расчет тепловых потерь частного дома

Достаточно часто происходит так, что, еще до того как вы поселитесь в новом доме, в нем остается всего-навсего доработать какие-то мелочи своими собственными руками или же, наоборот, приходится обращаться за помощью профессионалов, для того чтобы сделать то, что вы оставили на последнюю очередь. И в первом, и во втором случае проблему необходимо решить как можно скорее, но разница заключается в том, что, до того как приступить к реализации какой-то серьезной задачи, нередко требуется провести мероприятия подготовительного характера. Так, например, если у вас еще не проведено отопление, то сначала нужно будет провести расчет тепловых потерь и только потом определяться с тем, какая отопительная система будет подходящей в вашем конкретном случае.

Энергосберегающий домЭнергосберегающий дом

Для того чтобы осуществить намеченное мероприятие, необходимо определиться с тем, через что именно в частном доме может выходить тепло. Самый первый ответ, который приходит на ум, связан, конечно же, с дверью. Еще бы, ведь именно она является той частью, которая не только стоит на границе улицы и дома, но и находится в открытом состоянии очень часто. И если в весенний или летний период данное ее положение становится всего-навсего причиной проникновения в дом комаров, мух и каких-то других мелких (порой и крупных) насекомых, то осенью, зимой и ранней весной результаты данных действий намного серьезнее: за несколько секунд выхолаживается одна комната, а если учесть, что в дом не только приходят, но из него еще и выходят, то, как минимум, раз в день дверь открывается на 2-3 минуты. И если в квартирах более быстрому остыванию внутренней температуры помещения препятствует подъезд, то в частном доме такой защиты нет.

baraxlo2020.ru/santexnika  Cхема отопления частного дома горизонтальная и вертикальная своими рукамиbaraxlo2020.ru/santexnika Cхема отопления частного дома горизонтальная и вертикальная своими руками

Итак, с дверью разобрались, здесь ничего нового мы не узнали, а лишь подтвердили лишний раз правоту своих догадок и подозрений. Далее представляем список частей здания, виновных в тепловых потерях:

  • стены;
  • окна;
  • потолок;
  • чердачное покрытие или крыша;
  • пол на первом или на цокольном этаже;
  • вентиляционная система.

Расчет расходов тепла на нагревание попадающего снаружи воздуха

Добавочные теплопотери.

Существует два общепринятых для этого случая типа расчетов. Посредством первого можно определить расход энергии Qі, уходящей на нагревание воздуха, проникнувшего извне через вентиляционную вытяжку. Второй же расчет помогает определить расход тепловой энергии на подогрев воздуха извне, проникающего внутрь помещения через неплотно установленные ограждения.

Определяем Qі по формуле 0,28 L ρн с (tвн – tнБ) (1),

в которой L, м3 на 1 час, представляет собой расход выходящего наружу воздуха;

с – это удельная величина тепловой емкости воздуха, измеряемая в кДж;

ρн – это плотность наружного воздуха, кг/м3.

Какие мероприятия планируют по результатам анализа теплопотерь

При выявлении тепло утечки принимают решение о капитальном ремонте здания. В целях энергосбережения утепляют наружные стены, монтируют более мощные и современные системы отопления. Устанавливают более качественные окна, с большим числом стеклопакетов, оказывающие тепловое сопротивление потерям. Однако чаще всего производят ремонт кровли, поскольку она является наиболее уязвимым местом для выхода тепла.

Если ваша семья, даже при наличии «теплых полов», оконных стеклопакетов, застекленной лоджии и современной входной двери, мерзнет – причину нужно искать в утечках теплового ресурса. Расчетные данные будут поводом для обращения в управляющую компанию и инициации соответствующих действий с ее стороны.

Расчет теплопотерь на конкретном примереРасчет теплопотерь на конкретном примере

Зачем делать расчет теплопотерь?

Когда же делают расчет потерь тепла в доме? Расчет теплопотерь обязателен при проектировании систем отопления, систем вентиляции, воздушных отопительных систем. Расчетные температуры берут из нормативных документов. Значение внешней температуры воздуха отвечает температуре наружного воздуха наиболее холодной пятидневки. Внутреннюю температуру берут или ту, которую желаете, или из норм, для жилых помещений это 20+-2°С.

Исходными данными для расчета служат: внешняя и внутренняя температура воздуха, конструкция стен, пола, перекрытий, назначение каждого помещения, географическая зона строительства. Все тепловые потери на прямую зависят от термического сопротивления ограждающих конструкций, чем оно больше, тем меньше теплопотери.

Для обеспечения комфортных условий пребывания людей в помещении нужно чтобы было правдивым уравнение теплового баланса

Qп+ Qо+ Qс+ Qк= Qср+ Qос+ Qпр+ Qлюд,

где Qп–теплопотери через пол, Qо–теплопотери через окна, Qс–теплопотери через стену, Qк- теплопотери через крышу, Qср–теплопоступления от солнечной радиации, Qос–теплопоступления от отопительных систем, Qпр–теплопоступления от приборов, Qлюд–теплопоступления от людей.

На практике же, уравнение упрощается и все утраты компенсирует система отопления, независимо водяная или воздушная.

Физика теплотехнических процессов

Различные области физики имеют много схожего в описании явлений, которые ими изучаются. Так и в теплотехнике: принципы, описывающие термодинамические системы, наглядно перекликаются с основами электромагнетизма, гидродинамики и классической механики. В конце концов, речь идёт об описании одного и того же мира, поэтому не удивительно, что модели физических процессов характеризуются некоторыми общими чертами во многих областях исследований.

Суть тепловых явлений понять легко. Температура тела или степень его нагрева есть не что иное, как мера интенсивности колебаний элементарных частиц, из которых это тело состоит. Очевидно, что при столкновении двух частиц та, у которой энергетический уровень выше, будет передавать энергию частице с меньшей энергией, но никогда наоборот. Однако это не единственный путь обмена энергией, передача возможна также посредством квантов теплового излучения. При этом базовый принцип обязательно сохраняется: квант, излученный менее нагретым атомом, не в состоянии передать энергию более горячей элементарной частице. Он попросту отражается от неё и либо пропадает бесследно, либо передаёт свою энергию другому атому с меньшей энергией.

Термодинамика хороша тем, что происходящие в ней процессы абсолютно наглядны и могут интерпретироваться под видом различных моделей. Главное — соблюдать базовые постулаты, такие как закон передачи энергии и термодинамического равновесия. Так что если ваше представление соответствует этим правилам, вы легко поймёте методику теплотехнических расчётов от и до.

Примерное минимальное качество утепления наружных стен

Чтобы поддерживать теплый режим в помещениях (+20°C), надо вычислить мощность подходящего отопительного оборудования. Рассчитаем параметры дома с обычной конструкцией фасада (без вентиляционной прослойки) в Подмосковье с общей площадью наружных стен 360 м кв. Для этого региона средняя минимальная наружная температура по справочнику составляет -20°C. Вставим в калькулятор следующие значения для каждого слоя (материал/ толщина в см/ коэффициент теплопроводности):

  • бетон/ 20/ 2,1;
  • пенобетон плотностью 1000 кг на м куб./ 30/ 0,47;
  • пенополистирол/ 20/ 0,06.

В результате получим 3,9 кВт. Изменяя исходные параметры, можно сделать нужные корректировки.


Калькулятор для расчета тепловых потерь

Пользоваться специализированным программным обеспечением удобнее, чем последовательным вычислением с помощью формул. При выборе подходящего инструментария следует проверить используемую методику. Необходимо убедиться, что в исходных данных учитываются все значимые факторы. Полученное значение рекомендуется несколько увеличить, чтобы отопительное оборудование не работало с повышенными нагрузками.

Калькулятор расчета теплопотерь

Информация по назначению калькулятора

К алькулятор теплопотерь предназначен для расчета примерного количества тепла, теряемого помещением через ограждающие конструкции в единицу времени в самую холодную пятидневку выбранного населенного пункта (по актуализированной редакции СП 131.13330.2012).

Д анные расчеты являются достаточно приблизительными, так как невозможно учесть абсолютно все факторы, влияющие на тепловые потери, а полученные результаты необходимо проверять экспериментально, для подтверждения расчетов. Ошибки в конструкции стен так же могут значительным образом повлиять на фактические теплопотери. Например, образование конденсата внутри стеновой конструкции может значительно увеличить теплопроводность теплоизолирующего материала в зимний период.

Т акже на общие теплопотери влияют разность наружной и внутренней температур, солнечная радиация, атмосферные осадки, ветра и другие факторы. Моделирование процессов тепловых потерь целого здания является актуальной проблемой. Зная теплопотери здания, можно переходить к выбору мощности и вариантов системы отопления.

Д ля снижения тепловых потерь здания необходимо использовать максимально эффективные теплоизоляционные материалы

Особенно стоит уделить внимание кровле, так как именно через нее наружу уходит наибольшее количество тепла из помещения. Для поддержания комфортного внутреннего микроклимата, а так же снижения финансовых затрат на отопление, необходимо соблюдать правильный баланс утепления всех ограждающих конструкций

Примерное минимальное качество утепления наружных стен

300 мм Дерево + 100 мм Полистирол/Каменная Вата

500 мм Газо- и пенобетон

300 мм Газо- и пенобетон + 100 мм Полистирол/Каменная Вата

400 мм Керамзитобетон + 100 мм Полистирол/Каменная Вата

250 мм Кирпич + 200 мм Полистирол/Каменная Вата

300 мм Дерево + 50 мм Полистирол/Каменная Вата

400 мм Газо- и пенобетон

300 мм Газо- и пенобетон + 50 мм Полистирол/Каменная Вата

200 мм Керамзитобетон + 100 мм Полистирол/Каменная Вата

250 мм Кирпич + 100 мм Полистирол/Каменная Вата

200 мм Газо- и пенобетон

100 мм Газо- и пенобетон + 120 мм Кирпич

300 мм Керамзитобетон

Общие сведения по результатам расчетов

  • Т еплопотери помещения – Общее количество тепла, измеряемое в Ваттах, которое теряет расчетное помещение в единицу времени через ограждающие конструкции.
  • У дельные теплопотери помещения – Теплопотери помещения отнесенные к его площади
  • Т емпература воздуха наиболее холодных суток
  • Т емпература воздуха наиболее холодной пятидневки
  • П родолжительность отопительного сезона
  • С редняя температура воздуха отопительного сезона

Калькулятор работает в тестовом режиме.

Грамотный расчет теплопотерь здания: калькулятор

Специальный калькулятор расчета теплопотерь здания учитывает соотношение площади окон относительно площади пола. Чем выше этот коэффициент, тем больший процент потерь тепла. Расчет проводится суммированием площади всех окон в комнате и определением их процентного соотношения относительно площади пола.

Для проведения корректных расчетов учитывается размер:

  • Стен;
  • Пола;
  • Потолка.

Кроме того, важным параметром считается тип здания и количество стен, которые выходят наружу. Все эти данные дают возможность калькулятору сделать наиболее точные расчеты, опираясь на дополнительные значения и параметры. Полученный результат поможет определиться с тем, нужна ли замена окон, дополнительное утепление, установка термостата на систему обогрева.

Теплопотери через ограждающие конструкции

Приведу пример расчета для внешних стен двухэтажного дома.

1) Вычисляем сопротивление теплопередаче стены, деля толщину материала на его коэффициент теплопроводности. Например, если стена построена из тёплой керамики толщиной 0,5 м с коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/(м×°C), то делим 0,5 на 0,16: 0,5 м / 0,16 Вт/(м×°C) = 3,125 м2×°C/Вт

Коэффициенты теплопроводности строительных материалов можно взять здесь.

2) Вычисляем общую площадь внешних стен. Приведу упрощённый пример квадратного дома: (10 м ширина × 7 м высота × 4 стороны ) — (16 окон × 2,5 м2) = 280 м2 — 40 м2 = 240 м2
3) Делим единицу на сопротивление теплопередаче, тем самым получая теплопотери с одного квадратного метра стены на один градус разницы температуры. 1 / 3,125 м2×°C/Вт = 0,32 Вт / м2×°C
4) Cчитаем теплопотери стен. Умножаем теплопотери с одного квадратного метра стены на площадь стен и на разницу температур внутри дома и снаружи. Например, если внутри +25°C, а снаружи –15°C, то разница 40°C. 0,32 Вт / м2×°C × 240 м2 × 40 °C = 3072 Вт

Вот это число и является теплопотерей стен. Измеряется теплопотеря в ваттах, т.е. это мощность теплопотери.

5) В киловатт-часах удобнее понимать смысл теплопотерь. За 1 час через наши стены при разнице температур в 40°C уходит тепловой энергии: 3072 Вт × 1 ч = 3,072 кВт×ч

За 24 часа уходит энергии:

3072 Вт × 24 ч = 73,728 кВт×ч

Понятное дело, что за время отопительного периода погода разная, т.е. разница температур всё время меняется. Поэтому, чтобы вычислить теплопотери за весь отопительный период, нужно в пункте 4 умножать на среднюю разницу температур за все дни отопительного периода. Например, за 7 месяцев отопительного периода средняя разница температур в помещении и на улице была 28 градусов, значит теплопотери через стены за эти 7 месяцев в киловатт-часах:

0,32 Вт / м2×°C × 240 м2 × 28 °C × 7 мес × 30 дней × 24 ч = 10838016 Вт×ч = 10838 кВт×ч

Число вполне «осязаемое». Например, если бы отопление было электрическое, то можно посчитать сколько бы ушло денег на отопление, умножив полученное число на стоимость кВт×ч. Можно посчитать сколько ушло денег на отопление газом, вычислив стоимость кВт×ч энергии от газового котла. Для этого нужно знать стоимость газа, теплоту сгорания газа и КПД котла.

Кстати, в последнем вычислении вместо средней разницы температур, количества месяцев и дней (но не часов, часы оставляем), можно было использовать градусо-сутки отопительного периода — ГСОП, некоторая информация про ГСОП здесь. Можно найти уже посчитанные ГСОП для разных городов России и перемножать теплопотери с одного квадратного метра на площадь стен, на эти ГСОП и на 24 часа, получив теплопотери в кВт*ч.

Аналогично стенам нужно посчитать значения теплопотерь для окон, входной двери, крыши, фундамента. Потом всё просуммировать и получится значение теплопотерь через все ограждающие конструкции. Для окон, кстати, не нужно будет узнавать толщину и теплопроводность, обычно уже есть готовое посчитанное производителем сопротивление теплопередаче стеклопакета. Для пола (в случае плитного фундамента) разница температур не будет слишком большой, грунт под домом не такой холодный, как наружный воздух.

Замечания и выводы.

Теплопотери здания через пол и стены в грунт, полученные по двум различным методикам существенно разнятся. По алгоритму А.Г. Сотникова значение QΣ=16,146 КВт, что почти в 5 раз больше, чем значение по общепринятому «зональному» алгоритму — QΣ=3,353 КВт!

Дело  в том, что приведенное термическое сопротивление грунта между заглубленными стенами и наружным воздухом R27=0,122 м2·°С/Вт явно мало и навряд ли соответствует действительности. А это значит, что условная толщина грунта δусл определяется не совсем корректно!

К тому же «голый» железобетон стен, выбранный мной в примере — это тоже совсем нереальный для нашего времени вариант.

Внимательный читатель статьи А.Г. Сотникова найдет целый ряд ошибок, скорее не авторских, а возникших при наборе текста. То в формуле (3) появляется множитель 2 у λ, то в дальнейшем исчезает. В примере при расчете R17 нет после единицы знака деления. В том же примере при расчете потерь тепла через стены подземной части здания площадь зачем-то делится на 2 в формуле, но потом не делится при записи значений… Что это за неутепленные стены и пол в примере с Rст=Rпл=2 м2·°С/Вт? Их толщина должна быть в таком случае минимум 2,4 м! А если стены и пол утепленные, то, вроде, некорректно сравнивать эти теплопотери с вариантом расчета по зонам для неутепленного пола.

Но самый главный вопрос автору (или редакции журнала) касается формулы (3) и графика:

R27усл/(2*λгр)=К(cos((hH)*(π/2)))/К(sin((hH)*(π/2)))

Насчет вопроса, относительно присутствия множителя 2 у λгр было уже сказано выше.

Я поделил полные эллиптические интегралы друг на друга. В итоге получилось, что на графике в статье показана функция при λгр=1:

 δусл= (½)*К(cos((hH)*(π/2)))/К(sin((hH)*(π/2)))

Но математически правильно должно быть:

δусл= 2*К(cos((hH)*(π/2)))/К(sin((hH)*(π/2)))

или, если множитель 2 у λгр не нужен:

δусл= 1*К(cos((hH)*(π/2)))/К(sin((hH)*(π/2)))

Это означает, что график для определения δусл выдает ошибочные заниженные в 2 или в 4 раза значения…

Выходит пока всем ничего другого не остается, как продолжать не то «считать», не то «определять» теплопотери через пол и стены в грунт по зонам? Другого достойного метода за 80 лет не придумали. Или придумали, но не доработали?!

Прошу уважающих труд автора  скачивать файл с программами расчетов после подписки на анонсы статей!

Ссылка на скачивание файла:

teplopoteri-cherez-pol-i-steny-v-grunt (xls 80,5KB)

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий