Расчет тепловых нагрузок на отопление, методика и формула расчета

Введение

Требования по определению тепловых нагрузок потребителей при разработке схем теплоснабжения отражены в следующих нормативных и законодательных актах:

— Федеральный Закон РФ от 27.07.2010 г. № 190-ФЗ ;

— приказ Министерства регионального развития РФ от 28.02.2009 г. № 610 ;

Договорные нагрузки, как правило, рассчитываются на основании проектных данных. Проектные нагрузки на отопление, в основном, зависят от расчётных параметров микроклимата помещений, расчётной температуры наружного воздуха в отопительный период (принимаемой равной температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 по 8. СП 131.13330.2012 ) и теплоизоляционных характеристик ограждающих конструкций. Проектные нагрузки на ГВС зависят от объёмов потребления горячей воды и её расчётной температуры.

За последние 20-30 лет многие из перечисленных выше параметров и характеристик неоднократно менялись. Менялись методики расчёта тепловых нагрузок, требования по тепловой защите ограждающих конструкций. В частности, в класс энергетической эффективности многоквартирных домов (МКД) определяется, исходя из сравнения (определение величины отклонения) фактических или расчётных (для вновь построенных, реконструированных и прошедших капитальный ремонт МКД) значений показателя удельного годового расхода энергетических ресурсов, отражающего удельный расход энергетических ресурсов на отопление, вентиляцию, ГВС и базовых значений показателя удельного расхода энергетических ресурсов в МКД. При этом фактические (расчётные) значения должны быть приведены к расчётным условиям для сопоставимости с базовыми значениями. Фактические значения показателя удельного годового расхода энергетических ресурсов определяются на основании показаний общедомовых приборов учёта.

Менялся и сам климат, в результате чего, например, для Санкт-Петербурга нормативная расчётная температура наружного воздуха за тридцать, с небольшим, лет повышена с –26 °С до –24 °С, расчётная длительность отопительного периода уменьшилась на 6 дней, а средняя температура отопительного периода увеличилась на 0,5 °С (с –1,8 до –1,3 °С).

Кроме указанных выше факторов, сами потребители тепловой энергии вносят вклад в энергосберегающие мероприятия, например, путём замены в квартирах деревянных окон на более герметичные – пластиковые.

Все эти изменения, в совокупности, способствуют тому, что фактическое теплопотребление и договорные тепловые нагрузки потребителей тепловой энергии отличаются.

Примеры разработанных Схем теплоснабжения ряда крупных населённых пунктов (например, Нижнего Новгорода) показали, что, если в качестве фактической нагрузки принимается договорная нагрузка (нагрузка, установленная в договорах теплоснабжения), это создаёт избыточный запас мощности теплоснабжающих организаций. Значительная доля нагрузки в этом случае оказывается невостребованной, но при этом сохраняются постоянные эксплуатационные расходы, что негативно отражается и на эффективности теплоснабжающих организаций (ТСО) и на потребителе тепловой энергии.

В Стратегии отмечено, что применяемая в настоящее время технология планирования систем теплоснабжения приводит к излишним инвестициям, созданию избыточной тепловой мощности во всех элементах энергосистем и сохранению низкого уровня эффективности всей российской энергетики.

Актуальность поднимаемой в статье темы обусловлена отсутствием в действующих нормативных и законодательных актах методов определения фактических тепловых нагрузок в расчётных элементах территориального деления при расчётных температурах наружного воздуха, проблемами согласования фактических тепловых нагрузок, применяемых для инвестиционного планирования в Схемах теплоснабжения с ТСО, а также последствиями неверного анализа тепловых нагрузок потребителей, установленных в договорах теплоснабжения.

Энергетическое обследование проектируемых режимов работы системы теплоснабжения

При проектировании система теплоснабжения ЗАО «Термотрон-завод» была рассчитана на максимальные нагрузки.

Система проектировалась на 28 потребителей тепла. Особенность системы теплоснабжения в том, что часть потребителей тепла от выхода котельной до главного корпуса завода. Далее потребитель тепла — главный корпус завода, и затем остальная часть потребителей располагается за главным корпусом завода. То есть главный корпус завода является внутренним теплопотребителем и транзитом подачи тепла для последней группы потребителей тепловой нагрузки.

Котельная проектировалась на паровые котлы ДКВР 20-13 в количестве 3 штук, работающие на природном газе, и водогрейные котлы ПТВМ-50 в количестве 2 штук.

Одним из важнейших этапов проектирования тепловых сетей являлось определение расчетных тепловых нагрузок.

Расчетный расход тепла на отопление каждого помещения можно определить двумя способами:

— из уравнения теплового баланса помещения;

— по удельной отопительной характеристике здания.

Проектные значения тепловых нагрузок производился по укрупненным показателям, исходя из объема зданий по фактуре .

Расчетный расход тепла на отопление i-го производственного помещения , кВт, определяется по формуле:

, (1)

где: — коэффициент учета района строительства предприятия:

(2)

где — удельная отопительная характеристика здания, Вт/(м3.К);

— объем здания, м3;

— расчетная температура воздуха в рабочей зоне, ;

— расчетная температура наружного воздуха для расчета отопительной нагрузки, для города Брянска составляет -24.

Определение расчетного расхода тепла на отопление для помещений предприятия производилось по удельной отопительной нагрузке (табл. 1).

Таблица 1Расходы тепла на отопление для всех помещений предприятия

ИТОГО ПО ЗАВОДУ:

Расчетный расход тепла на отопление ЗАО «Термотрон-завод» составляет:

Суммарные тепловыделения для всего предприятия составляют:

Расчетные теплопотери для завода определяются, как сумма расчетного расхода тепла на отопление всего предприятия и суммарных тепловыделений, и составляют:

Расчет годового расхода тепла на отопление

Так как предприятие ЗАО «Термотрон-завод» работало в 1 смену и с выходными днями, то годовой расход тепла на отопление определяется по формуле:

(3)

где: -средний расход тепла дежурного отопления за отопительный период, кВт (дежурное отопление обеспечивает температуру воздуха в помещении);

, — число рабочих и нерабочих часов за отопительный период соответственно. Число рабочих часов определяется перемножением продолжительности отопительного периода на коэффициент учета числа рабочих смен в сутках и числа рабочих дней в неделю.

Предприятие работает в одну смену с выходными.

(4)

Тогда

(5)

где: -средний расход тепла на отопление за отопительный период, определяемый по формуле:

. (6)

Вследствие не круглосуточной работы предприятия, рассчитывается нагрузка дежурного отопления для средней и расчетной температур наружного воздуха, по формуле:

; (7)

(8)

Тогда годовой расход тепла определяется:

График скорректированной отопительной нагрузки для средней и расчетной температур наружного воздуха:

; (9)

(10)

Определим температуру начала — конца отопительного периода

, (11)

Таким образом, принимаем температуру начала конца отопительного периода =8.

Пример простого расчета

Для строения со стандартными параметрами (высотой потолков, размерами комнат и хорошими теплоизоляционными характеристиками) можно применить простое соотношение параметров с поправкой на коэффициент, зависящий от региона.

Предположим, что жилой дом находится в Архангельской области, а его площадь — 170 кв. м. Тепловая нагрузка будет равна 17 * 1,6 = 27,2 кВт/ч.

Подобное определение тепловых нагрузок не учитывает многих важных факторов. Например, конструктивных особенностей строения, температуры, число стен, соотношение площадей стен и оконных проёмов и пр. Поэтому подобные расчеты не подходят для серьёзных проектов системы отопления.

Расчет потерь тепла по площади помещений

Первым методом расчета тепловой нагрузки системы отопления пользуются для укрупненного определения мощности системы отопления всего дома и общего понимания количества и типа радиаторов, а также мощности котельного оборудования. Так как метод не учитывает регион строительства (расчетную наружную температуру зимой), количество потерь тепла через фундаменты, крыши или нестандартное остекление, то количество потерь тепла, рассчитанное укрупненным методом исходя из площади помещения, может быть как больше, так и меньше фактических значений.

Источники теплопотерь здания

А при использовании современных теплоизоляционных материалов мощность котельного оборудования может быть определена с большим запасом. Таким образом, при устройстве систем отопления возникнет большой перерасход материалов и будет приобретено более дорогостоящее оборудование. Поддержание комфортной температуры в помещениях будет возможно только при условии, что будет установлена современная автоматика, которая не допустит перегрева помещений выше комфортных температур.

В худшем случае, мощность системы отопления может быть занижена и дом в самые холодные дни не будет прогрет.

Тем не менее, этим способом определения мощности систем отопления пользуются достаточно часто. Следует только понимать, в каких случаях такие укрупненные расчеты приближены к реальности.

Итак, формула для укрупненного определения количества теплопотерь выглядит следующим образом:

Q=S*100 Вт (150 Вт),

Q — требуемое количество тепла, необходимое для обогрева всего помещения, Вт

S — отапливаемая площадь помещения, м?

Значение 100-150 Ватт является удельным показателем количества тепловой энергии, приходящейся для обогрева 1 м?.

При использовании первого метода для укрупненного метода расчета тепловой мощности следует ориентироваться на следующие рекомендации:

• В случае, когда в расчетном помещении из наружных ограждающих конструкций имеются одно окно и одна наружная стена, а высота потолков менее трех метров, то на 1м2 отапливаемой площади приходится 100 Вт тепловой энергии.
• При расчете углового помещения с двумя оконными конструкциями или балконными блоками либо помещение высотой более трех метров, то в диапазон удельной тепловой энергии на 1 м2 составляет от 120 до 150 Вт.
• Если же прибор отопления в будущем планируется устанавливать под окном в нише либо декорировать защитными экранами, поверхность радиаторов и, следовательно, их мощность необходимо увеличить на 20-30%. Это обусловлено тем, что тепловая мощность радиаторов будет частично тратиться на прогрев дополнительных конструкций.

Основаниями для изменения (пересмотра или перерасчета) тепловой мощности помещений здания по инициативе потребителя могут являться:

1. Внедрение и проведение мероприятий, приводящих к снижению нагрузки на отопление, вентиляцию или ГВС, в том числе:

— капитальный ремонт жилого дома или административного здания;

— реконструкция внутренних инженерных сетей, приводящее к снижению потерь через изоляцию, утечки;

— увеличение тепловой защиты жилых домов и административных зданий;

— внедрение энергоэффективных мероприятий .

2. Показатели тепловой нагрузки каждой систем отопления, вентиляции, ГВС могут быть пересчитаны исходя из следующих методов:

1) по данным о тепловой нагрузке в договоре энергоснабжения;

2) по данным о тепловой нагрузке в технических условиях;

3) по данным коммерческих приборов учета тепловой энергии;

4) по проектным данным;

5) по данным разрешительных документов на подключение;

6) на основании данных технического учета при взаимном согласии потребителя и энергоснабжающей организации;

7) метода аналогов (дома, здания);

8) экспертного метода;

9) проектного метода.

Простые вычисления по площади

Вычислить величину батарей отопления для определенного помещения можно, ориентируясь на его площадь. Это самый простой способ – использовать сантехнические нормы, которые предписывают, что тепловой мощности 100 Вт в час нужно для обогрева 1 кв.м. Надо помнить, что этот метод используется для помещений, у которых потолки стандартной высоты (2,5-2,7 метра), а результат получается несколько завышенным. К тому же он не учитывает таких особенностей, как:

• число окон и тип стеклопакетов на них;
• количество в комнате наружных стен;
• толщина стен здания и из какого материала они состоят;
• тип и толщина использованного утеплителя;
• диапазон температур в данной климатической зоне.

Тепло, которое для обогрева комнаты должны давать радиаторы: площадь следует умножить на тепловую мощность (100 Вт). К примеру, для комнаты в 18 кв.м требуется такая мощность батареи отопления:

18 кв.м х 100 Вт = 1800 Вт

То есть, в час для обогрева 18-ти квадратных метров необходимо 1,8 кВт мощности. Этот результат надо поделить на количество тепла, которое в час выделяет секция отопительного радиатора. Если данные в его паспорте указывают, что это составляет 170 Вт, то следующий этап вычислений выглядит так:

1800 Вт / 170 Вт = 10,59

Это число надо округлить до целого (обычно округляется в большую сторону) – получится 11. То есть, чтобы в комнате температура в отопительный сезон была оптимальной, необходимо установить радиатор отопления с 11-ю секциями.

Такой метод подходит только для вычисления величины батареи в помещениях с центральным отоплением, где температура теплоносителя не выше 70 градусов Цельсия.

Есть и более простой способ, который можно применять для обычных условий квартир панельных домов. В этом приблизительном расчете учитывается, что для обогрева 1,8 кв.м площади нужна одна секция. Другими словами, площадь помещения надо разделить на 1,8. Например, при площади 25 кв.м необходимо 14 частей:

25 кв.м / 1,8 кв.м = 13,89

Но такой метод расчета неприемлем для радиатора пониженной или повышенной мощности (когда средняя отдача одной секции варьируется в пределах от 120 до 200 Вт).

Расчет тепловой мощности системы отопления

Тепловая мощность системы отопления — это количество теплоты, которое необходимо выработать в доме для комфортной жизнедеятельности в холодное время года.

Теплотехнический расчет дома

Существует зависимость между общей площадью обогрева и мощностью котла. При этом, мощность котла должна быть больше или равняться мощности всех отопительных приборов (радиаторов). Стандартный теплотехнический расчет для жилых помещений следующий: 100 Вт мощности на 1 м² отапливаемой площади плюс 15 — 20 % запаса.

Расчет количества и мощности приборов отопления (радиаторов) необходимо проводить индивидуально для каждого помещения. Каждый радиатор имеет определенную тепловую мощность. В секционных радиаторах общая мощность складывается из мощности всех используемых секций.

В несложных отопительных системах приведенных способов расчета мощности бывает достаточно. Исключение — здания с нестандартной архитектурой, имеющие большие площади остекления, высокие потолки и другие источники дополнительных теплопотерь. В этом случае потребуется более детальный анализ и расчет с использованием повышающих коэффициентов.

Теплотехнический расчет с учетом тепловых потерь дома

Расчет тепловых потерь дома необходимо выполнять для каждого помещения в отдельности, с учетом окон, дверей и внешних стен.

Более детально для данных теплопотерь используют следующие данные:

• Толщину и материал стен, покрытий.
• Конструкцию и материал кровельного покрытия.
• Тип и материал фундамента.
• Тип остекления.
• Тип стяжек пола.

Для определения минимально необходимой мощности отопительной системы с учетом тепловых потерь можно воспользоваться следующей формулой:

Qт(кВт×ч) = V × ΔT × K ⁄ 860, где:

Qт — тепловая нагрузка на помещение.

V — объем обогреваемого помещения (ширина × длина × высота), м³.

ΔT — разница между температурой воздуха вне помещения и необходимой температурой внутри помещения, °C.

K — коэффициент тепловых потерь строения.

860 — перевод коэффициента в кВт×ч.

Коэффициент тепловых потерь строения K зависит от типа конструкции и изоляции помещения:

Разница между температурой воздуха вне помещения и необходимой температурой внутри помещения ΔT определяется исходя из конкретных погодных условий и требуемого уровня комфорта в доме. Например, если температура снаружи -20 °C, а внутри планируется +20 °C, то ΔT = 40 °C.

#image.jpgПодробно о каждом разделе

Оформление и переоформление договора с тепловыми сетями

Для заключения договора о поставке тепла городскими тепловыми сетями или оформления и устройства узла коммерческого учета тепла, тепловые сети ставят в известность владельца здания (помещений) о необходимости получения технических условий (ТУ) и/или о предоставлении и согласовании расчета тепловой нагрузки здания (помещений). Как дополнение могут потребовать наличие проекта на систему отопления и систему вентиляции .

Что такое расчет тепловых потерь и нагрузок здания

Тепловая нагрузка здания — это суммарная тепловая нагрузка на всех потребителей тепла в конкретном объекте.

Потребителями тепла могут выступать:

• система отопления (радиаторы, теплые полы, конвектора и т.п.) — компенсация тепловых потерь здания до заданного уровня подения температуры;
• система вентиляции — подогрев приточного воздуха, компенсация тепла выбрасываемого вытяжной системой (теплообменники, калориферы, фанкойлы и т.п.);
• технологические подогрев (например подогрев наружных блоков, рубашки мешалок или емкостей, оборудования и т.п.);
• горячее водоснабжение (ГВС) — бойлеры, различные теплообменники, водонагреватели и др. оборудование использующее в качестве источника тепла для подогрева ГВС теплоноситель центральной системы отопления.

#image.jpgРасчет тепловых нагрузок — это расчет всех потребителей тепла в пиковых нагрузках (к примеру для расчета тепловых потерь здания берется температура наружного воздуха — 22 гр.ц. а для ГВС — пиковая нагрузка потребления горячей воды по всем приборам, учитывая количество людей находящихся в здании).

Расчет тепловых потерь здания — инструмент для устройства эффективной теплоизоляции и экономичного энергосберегающего отопления здания! Детальный расчет тепловых потерь от ограждающих конструкций здания значительно снижает расходы на утепление т.к. позволяет максимально эффективно использовать ресурсы, заметно сокращая срок окупаемости самого мероприятия по утеплению здания, при этом сокращая расходы на отопление до 60%.

Уже на этапе проектирования дома или здания, а так же для подбора систем отопления, вентиляции, кондиционирования необходимо знать тепловые потери здания.

Расчет теплопотерь на вентиляцию мы часто используем в своей практике для расчета экономической целесообразности модернизации и автоматизации системы вентиляции / кондиционирования, т.к. расчет тепловых потерь на вентиляцию дает ясное представление о выгодах и сроке окупаемости вложенных в энергосберегающие мероприятия (автоматизация, использование рекуперации, утепления воздуховодов, частотных регуляторов) средств.

Расчет тепловых потерь здания

Это основа для грамотного подбора мощности отопительного оборудования (котла, бойлера) и отопительных приборов

Основные тепловые потери здания обычно приходятся на крышу, стены, окна и полы. Достаточно большая часть тепла покидает помещения через систему вентиляции .

Рис. 1 Теплопотери здания

Главные факторы влияющие на теплопотери в здании — разница температур в помещении и на улице (чем больше разница, тем больше телопотери) и теплоизоляционные свойства ограждающих конструкций (фундамент, стены, перекрытия, окна, кровля).

Рис.2 Тепловизионная съемка тепловых потерь здания

Материалы ограждающих конструкций препятствуют проникновению тепла помещений наружу зимой и проникновению жары в помещения летом, потому как подбираемые материалы должны обладать определенными теплоизоляционными свойствами, которые обозначают величиной, называемой — сопротивление теплопередаче.

Полученная величина покажет, каков будет реальный перепад температур при прохождении определенного количества тепла через 1м² конкретной ограждающей конструкции, а также сколько тепла уйдет через 1м² при определенном перепаде температур.

Выводы и решение проблем

Как видите, имеющиеся способы расчета тепловой нагрузки своими руками дают весьма существенные погрешности. К счастью, избыточная мощность котла не повредит:

• Газовые котлы на уменьшенной мощности работают практически без падения КПД, а конденсационные так и вовсе выходят на наиболее экономичный режим при неполной нагрузке.
• То же самое касается соляровых котлов.
• Электрическое нагревательное оборудование любого типа всегда имеет КПД, равный 100 процентам (разумеется, это не относится к тепловым насосам). Вспомните физику: вся мощность, не потраченная на совершения механической работы (то есть перемещения массы против вектора гравитации) в конечном счете, расходуется на нагрев.

Единственный тип котлов, для которых работа на мощности меньше номинальной противопоказана — твердотопливные. Регулировка мощности в них осуществляется довольно примитивным способом — ограничением притока воздуха в топку.

Что в результате?

1. При недостатке кислорода топливо сгорает не полностью. Образуется больше золы и сажи, которые загрязняют котел, дымоход и атмосферу.
2. Следствие неполного сгорания — падение КПД котла. Логично: ведь часто топлива покидает котел до того, как сгорела.

Ограничение мощности твердотопливного котла сказывается на его КПД.

Однако и здесь есть простой и изящный выход — включение в схему отопления теплоаккумулятора. Теплоизолированный бак емкостью до 3000 литров подключается между подающим и обратным трубопроводом, размыкая их; при этом формируется малый контур (между котлом и буферной емкостью) и большой (между емкостью и отопительными приборами).

Как работает такая схема?

• После растопки котел работает на номинальной мощности. При этом за счет естественной или принудительной циркуляции его теплообменник отдает тепло буферной емкости. После того, как топливо прогорело, циркуляция в малом контуре останавливается.
• Следующие несколько часов теплоноситель движется по большому контуру. Буферная емкость постепенно отдает накопленное тепло радиаторам или водяным теплым полам.

Простое решение сложной проблемы.