Toplinski proračun sustava grijanja: kako ispravno izračunati opterećenje sustava

Projektiranje i toplinski proračun sustava grijanja – obvezna je faza pri uređenju grijanja kuće. Glavni zadatak računskih mjera – određivanje optimalnih parametara kotla i sustava radijatora.

Složite se, na prvi pogled može se činiti da je provođenje toplinskotehničkog proračuna moguće samo inženjeru. Međutim, nije sve tako složeno. Poznavajući algoritam radnji, moći ćete samostalno izvršiti potrebne izračune.

U članku je detaljno opisan redoslijed proračuna i navedene su sve potrebne formule. Radi boljeg razumijevanja, pripremili smo primjer toplinskog izračuna za privatnu kuću.

Toplinski proračun grijanja: opći redoslijed

Klasični toplinski proračun sustava grijanja predstavlja zbirni tehnički dokument koji uključuje obvezne standardne metode izračuna korak po korak.

Ali prije proučavanja ovih izračuna osnovnih parametara, potrebno je odrediti se s pojmom samog sustava grijanja.

Sustav grijanja karakterizira prisilna opskrba i nevoljni odvod topline u prostoriji.

Glavni zadaci proračuna i projektiranja sustava grijanja:

• najpouzdanije odrediti toplinske gubitke;
• odrediti količinu i uvjete korištenja toplinskog medija;
• što točnije odabrati elemente generiranja, prijenosa i predaje topline.

Prilikom izgradnje sustava grijanja potrebno je prvo prikupiti razne podatke o prostoriji/zgradi u kojoj će se koristiti sustav grijanja. Zatim izvršiti proračun toplinskih parametara sustava i analizirati rezultate aritmetičkih operacija.

Na temelju dobivenih podataka odabiru se komponente sustava grijanja, nakon čega slijedi kupnja, ugradnja i puštanje u rad.

Grijanje – to je višekomponentni sustav za osiguranje propisanog temperaturnog režima u prostoriji/zgradi. Predstavlja zasebni dio kompleksa komunikacija modernog stambenog prostora.

Zanimljivo je da navedena metodologija toplinskog proračuna omogućuje prilično točan izračun velikog broja veličina koje konkretno opisuju budući sustav grijanja.

Kao rezultat toplinskog proračuna bit će dostupne sljedeće informacije:

• iznos toplinskih gubitaka, snaga kotla;
• količina i vrsta toplinskih radijatora za svaku sobu zasebno;
• hidrauličke karakteristike cjevovoda;
• volumen, brzina toplinskog medija, snaga toplinske crpke.

Toplinski proračun – to nisu teorijske skice, već sasvim točni i utemeljeni rezultati, koje se preporučuje koristiti u praksi prilikom izbora komponenti sustava grijanja.

Norme temperaturnih režima prostorija

Prije provođenja bilo kakvih proračuna parametara sustava potrebno je, u najmanju ruku, znati red očekivanih rezultata, a također imati na raspolaganju standardizirane karakteristike nekih tabličnih veličina koje je potrebno uvrstiti u formule ili se na njih orijentirati.

Nakon izvršenih izračuna parametara s takvim konstantama, može se biti uvjeren u pouzdanost traženog dinamičkog ili stalnog parametra sustava.

Za prostorije različite namjene postoje etaloni standardi temperaturnih režima stambenih i nestambenih prostorija. Te norme su utvrđene u tzv. GOST standardima.

Za sustav grijanja jedan od takvih globalnih parametara je temperatura prostorije, koja mora biti konstantna bez obzira na godišnje doba i uvjete okoliša.

Prema regulativi sanitarnih normi i pravila postoje razlike u temperaturi u odnosu na ljetnje i zimsko razdoblje godine. Za temperaturni režim prostorije u ljetnjoj sezoni odgovoran je sustav klima-uređaja, čiji je princip proračuna detaljno opisan u ovom članku.

A sobna temperatura zraka u zimskom razdoblju osigurava se sustavom grijanja. Stoga su nam zanimljivi rasponi temperatura i njihova dopuštena odstupanja za zimsku sezonu.

U većini normativnih dokumenata navode se sljedeći temperaturni rasponi koji omogućuju osobi da udobno boravi u prostoriji.

Za nestambene prostore uredskog tipa površine do 100 m²:

• 22-24°C – optimalna temperatura zraka;
• 1°C – dopušteno kolebanje.

Za prostore uredskog tipa površine veće od 100 m² temperatura iznosi 21-23°C. Za nestambene prostore industrijskog tipa temperaturni rasponi se znatno razlikuju ovisno o namjeni prostora i utvrđenim normama zaštite na radu.

Ugodna temperatura prostorije za svaku je osobu “svoja”. Netko voli da u sobi bude vrlo toplo, a nekome je ugodno kad je u sobi hladno – sve je to prilično individualno.

Što se tiče stambenih prostora: stanova, privatnih kuća, imanja itd. postoje određeni temperaturni rasponi koji se mogu prilagođavati ovisno o željama stanara.

Ipak, za konkretne prostorije stana i kuće imamo:

• 20-22°C – dnevna soba, uključujući dječju, dopušteno odstupanje ±2°C –
• 19-21°C – kuhinja, WC, dopušteno odstupanje ±2°C;
• 24-26°C – kupaonica, tuš kabina, bazen, dopušteno odstupanje ±1°C;
• 16-18°C – hodnici, predsoblja, stubišta, ostave, dopušteno odstupanje +3°C

Važno je napomenuti da postoji još nekoliko osnovnih parametara koji utječu na temperaturu u prostoriji i koje treba uzeti u obzir pri proračunu sustava grijanja: vlažnost (40-60%), koncentracija kisika i ugljičnog dioksida u zraku (250:1), brzina kretanja zračnih masa (0.13-0.25 m/s) i slično.

Proračun gubitaka topline u kući

Prema drugom zakonu termodinamike (školska fizika) ne postoji spontani prijenos energije s manje zagrijanih na više zagrijane mini- ili makroobjekte. Poseban slučaj ovog zakona je “težnja” za postizanjem temperaturne ravnoteže između dviju termodinamičkih sustava.

Na primjer, prvi sustav – okoliš s temperaturom -20°C, drugi sustav – zgrada s unutarnjom temperaturom +20°C. Prema navedenom zakonu, ova dva sustava će težiti ravnoteži putem razmjene energije. To će se događati pomoću toplinskih gubitaka iz drugog sustava i hlađenja u prvom.

Nedvojbeno se može reći da temperatura okoliša ovisi o geografskoj širini na kojoj se nalazi privatna kuća. A temperaturna razlika utječe na količinu toplinskih gubitaka iz zgrade (+)

Pod gubicima topline podrazumijeva se nehotični izlazak topline (energije) iz nekog objekta (kuće, stana). Za običan stan ovaj proces nije toliko “uočljiv” u usporedbi s privatnom kućom, jer se stan nalazi unutar zgrade i “graniči” s drugim stanovima.

U privatnoj kući kroz vanjske zidove, pod, krov, prozore i vrata u većoj ili manjoj mjeri “odlazi” toplina.

Poznavajući veličinu gubitaka topline za najnepovoljnije vremenske uvjete i karakteristiku tih uvjeta, može se s velikom preciznošću izračunati snaga sustava grijanja.

Dakle, volumen gubitaka topline iz zgrade izračunava se sljedećom formulom:

Q=Q_pod+Q_zid+Q_prozor+Q_krov+Q_vrata+…+Q_i, gdje

Qi – volumen gubitaka topline od homogenog tipa ovojnice zgrade.

Svaka komponenta formule izračunava se po formuli:

Q=S*∆T/R, gdje

• Q – toplinski gubici, W;
• S – površina određenog tipa konstrukcije, m²;
• ∆T – razlika temperatura zraka okoliša i unutarnjeg prostora, °C;
• R – toplinski otpor određenog tipa konstrukcije, m²*°C/W.

Samu vrijednost toplinskog otpora za stvarno postojeće materijale preporučuje se uzeti iz pomoćnih tablica.

Osim toga, toplinski otpor može se dobiti pomoću sljedećeg odnosa:

R=d/k, gdje

• R – toplinski otpor, (m²*K)/W;
• k – koeficijent toplinske vodljivosti materijala, W/(m²*K);
• d – debljina tog materijala, m.

U starim kućama s vlažnom krovnom konstrukcijom gubici topline događaju se kroz gornji dio zgrade, točnije kroz krov i tavan. Provođenje mjera za izolaciju stropa ili toplinsku izolaciju mansardnog krova rješava ovaj problem.

Ako se izolira tavanski prostor i krov, tada se ukupni gubici topline iz kuće mogu znatno smanjiti.

U kući postoji još nekoliko vrsta toplinskih gubitaka kroz pukotine u konstrukcijama, ventilacijski sustav, kuhinjsku napu, otvaranje prozora i vrata. No, uzimati u obzir njihov volumen nema smisla, jer oni čine ne više od 5% ukupnog broja glavnih gubitaka topline.

Određivanje snage kotla

Za održavanje razlike temperatura između okoliša i temperature unutar kuće potreban je autonomni sustav grijanja koji održava potrebnu temperaturu u svakoj prostoriji privatne kuće.

Osnovu sustava grijanja čine različite vrste kotlova: na tekuće ili kruto gorivo, električni ili plinski.

Kotao – to je središnji čvor sustava grijanja koji generira toplinu. Glavna karakteristika kotla je njegova snaga, točnije brzina pretvorbe količine topline po jedinici vremena.

Izračunom toplinskog opterećenja za grijanje dobiva se potrebna nazivna snaga kotla.

Za običan višesobni stan snaga kotla izračunava se putem površine i specifične snage:

P_kotla=(S_prostorije*P_specifična)/10, gdje

• S_prostorije – ukupna površina grijane prostorije;
• P_specifična – specifična snaga u odnosu na klimatske uvjete.

Ali ova formula ne uzima u obzir toplinske gubitke, kojih ima dovoljno u privatnoj kući.

Postoji drugi odnos koji uzima u obzir ovaj parametar:

P_kotla=(Q_gubitaka*S)/100, gdje

• P_kotla – snaga kotla;
• Q_gubitaka – gubici topline;
• S – grijana površina.

Izračunatu snagu kotla potrebno je povećati. Rezerva je potrebna ako se planira korištenje kotla za zagrijavanje vode za kupaonicu i kuhinju.

U većini sustava grijanja privatnih kuća preporučuje se obavezno koristiti ekspanzijsku posudu, u kojoj će se čuvati zaliha toplinskog nositelja. Svaka privatna kuća treba opskrbu toplom vodom.

Kako bi se predvidjela rezerva snage kotla, u posljednju formulu treba dodati faktor sigurnosti K:

P_kotla=(Q_gubitaka*S*K)/100, gdje

K – bit će jednak 1.25, to jest izračunata snaga kotla bit će povećana za 25%.

Dakle, snaga kotla omogućuje održavanje normativne temperature zraka u prostorijama zgrade, kao i početni i dodatni volumen tople vode u kući.

Značajke odabira radijatora

Standardne komponente za osiguranje topline u prostoriji su radijatori, paneli, sustavi “topli” pod, konvektori itd. Najrašireniji dijelovi sustava grijanja su radijatori.

Toplinski radijator – to je posebna šuplja konstrukcija modularnog tipa od legure s visokom toplinskom provodljivošću. Izrađuje se od čelika, aluminija, lijevanog željeza, keramike i drugih legura. Princip rada radijatora grijanja svodi se na zračenje energije od toplinskog nositelja u prostor prostorije kroz “latice”.

Aluminijski i bimetalni radijator grijanja zamijenili su masivne liveno-željezne baterije. Jednostavnost proizvodnje, visoka toplinska predaja, uspješna konstrukcija i dizajn učinili su ovaj proizvod popularnim i raširenim alatom za zračenje topline u prostoriji.

Postoji nekoliko metoda proračuna radijatora grijanja u sobi. Dolje navedeni popis načina poredan je redoslijedom povećanja točnosti izračuna.

Varijante izračuna:

1. Po površini. N=(S*100)/C, gdje N – broj sekcija, S – površina prostorije (m²), C – toplinska snaga jedne sekcije radijatora (W, uzima se iz tehničkog lista ili certifikata proizvoda), 100 W – količina toplinskog toka potrebna za zagrijavanje 1 m² (empirijska vrijednost). Postavlja se pitanje: kako uzeti u obzir visinu stropa prostorije?
2. Po volumenu. N=(S*H*41)/C, gdje N, S, C – analogno. H – visina prostorije, 41 W – količina toplinskog toka potrebna za zagrijavanje 1 m³ (empirijska vrijednost).
3. Po koeficijentima. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, gdje N, S, C i 100 – analogno. k1 – faktor broja komora u staklenom paketu prozora prostorije, k2 – toplinska izolacija zidova, k3 – omjer površine prozora prema površini prostorije, k4 – prosječna temperatura ispod nule u najhladnijem tjednu zime, k5 – broj vanjskih zidova prostorije (koji izlaze na ulicu), k6 – vrsta prostorije iznad, k7 – visina stropa.

Ovo je najpreciznija varijanta izračuna broja sekcija. Naravno, zaokruživanje decimalnih rezultata izračuna uvijek se vrši na sljedeći cijeli broj.

Hidraulički proračun vodoopskrbe

Naravno, “slika” izračuna topline za grijanje ne može biti potpuna bez izračuna karakteristika kao što su volumen i brzina toplinskog nosača. U većini slučajeva toplinski nosač je obična voda u tekućem ili plinovitom agregatnom stanju.

Stvarni volumen toplinskog nosača preporučuje se izračunati zbrajanjem svih šupljina u sustavu grijanja. Kod korištenja jednokružnog kotla to je optimalna varijanta. Kod primjene dvokružnih kotlova u sustavu grijanja potrebno je uzeti u obzir potrošnju tople vode za higijenske i druge kućanske potrebe.

Izračun volumena vode koju zagrijava dvokružni kotao za opskrbu stanara toplom vodom i zagrijavanje toplinskog nosača provodi se zbrajanjem unutarnjeg volumena kruga grijanja i stvarnih potreba korisnika za zagrijanom vodom.

Volumen tople vode u sustavu grijanja izračunava se prema formuli:

W=k*P, gdje

• W – volumen toplinskog nosača;
• P – snaga kotla za grijanje;
• k – koeficijent snage (broj litara po jedinici snage, iznosi 13,5, raspon – 10-15 l).

Konačna formula izgleda ovako:

W = 13.5*P

Brzina toplinskog nosača – završna dinamička procjena sustava grijanja koja karakterizira brzinu cirkulacije tekućine u sustavu.

Ova vrijednost pomaže u procjeni vrste i promjera cjevovoda:

V=(0.86*P*μ)/∆T, gdje

• P – snaga kotla;
• μ – učinkovitost kotla;
• ∆T – razlika temperatura između dovodne vode i vode u povratnom krugu.

Koristeći gore navedene metode hidrauličkog proračuna, dobit ćete stvarne parametre koji su “temelj” budućeg sustava grijanja.

Primjer toplinskog proračuna

Kao primjer toplinskog proračuna imamo običnu jednokatnicu s četiri stambene sobe, kuhinjom, kupaonicom, “zimskim vrtom” i pomoćnim prostorijama.

Temelj od monolitne armiranobetonske ploče (20 cm), vanjski zidovi – beton (25 cm) s žbukom, krov – međukatna konstrrukcija od drvenih greda, krovište – metalni crije i mineralna vuna (10 cm)

Označimo početne parametre kuće potrebne za provođenje izračuna.

Dimenzije zgrade:

• visina kata – 3 m;
• mali prozor na pročelju i stražnjoj strani zgrade 1470*1420 mm;
• veliki prozor pročelja 2080*1420 mm;
• ulazna vrata 2000*900 mm;
• vrata stražnjeg di ela (izlaz na terasu) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Ukupna širina građevine je 9,5 m², duljina 16 m². Grijat će se samo stambene sobe (4 kom.), kupaonica i kuhinja.

Za točan izračun toplinskih gubitaka na zidovima, od površine vanjskih zidova treba oduzeti površinu svih prozora i vrta – to je sasvim druga vrst materijala s vlasitom toplinskim otporom.

Pčinjemo s izračunom površina homogenih materijala:

• površina poda – 152 m²;
• površina krova – 180 m², uzimajući u obzir visinu potkrovlja 1,3 m i širinu raspona – 4 m;
• površina prozora – 3*1,47*1,42+2,08*1,42=9,22 m²;
• površina vrata – 2*0,9+2*2*1,4=7,4 m².

Površina vanjskih zidova bit će 51*3-9,22-7,4=136,38 m².

Prelazimo na izračun toplinskih gubitaka za svaki materijal:

• Q_pod=S*∆T*k/d=152*20*0,2/1,7=357,65 W;
• Q_krov=180*40*0,1/0,05=14400 W;
• Q_prozor=9,22*40*0,36/0,5=265,54 W;
• Q_vrata=7,4*40*0,15/0,75=59,2 W;

Također, Q_zid jednako je 136,38*40*0,25/0,3=4546. Zbroj svih toplinskih gubitaka izest će 19628,4 W.

Na kraju izračunavamo snag kotla: P_kotla=Q_gubitaka*S_{grijanih_soba}*K/100=19628,4*(10,4+10,4+13,5+27,9+14,1+7,4)*1,25/100=19628,4*83,7*1,25/100=20536,2=21 kW.

Izračun broja sekcija radijatora provest ćemo za jednu od soba. Za sve ostale izračuni su analogni. Na primjer, kutna soba (lijevo, donji kut sheme) površine 10,4 m².

Dakle, N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10,4*1,0*1,0*0,9*1,3*1,2*1,0*1,05)/180=8,5176=9.

Za ovu sobu potrebno je 9 sekcija radijatora grijanja s toplinskom snagom od 180 W.

Prelazimo na izračun količine toplinskog medija u sustavu – W=13,5*P=13,5*21=283,5 l. Dakle, brzina toplinskog medija iznosit će: V=(0,86*P*μ)/∆T=(0,86*21000*0,9)/20=812,7 l.

Kao rezultat, puni obujam cirkulacije toplinskog nosača u sustavu bit će ekvivalentan 2,87 puta na sat.

Izbor članaka o toplinskom proračunu pomoći će vam da odredite točne parametre elemenata sustava grijanja:

1. Proračun sustava grijanja privatne kuće: pravila i primjeri izračuna
2. Toplinski proračun zgrade: specifičnost i formule izvođenja izračuna + praktični primjeri

Zaključci i koristan video na temu

Jednostavan proračun sustava grijanja za privatnu kuću prikazan je u sljedećem pregledu:

Sve suptilnosti i uobičajene metode izračuna toplinskih gubitaka zgrade prikazane su u nastavku:

Još jedna varijanta izračuna toplinskih gubitaka u tipičnoj privatnoj kući:

U ovom videu govori se o značjkama cirkulacije energenta za grijanje stana:

Toplinski proračun sustava grijana individualnog je karatera, potrebno ga je izvršiti stručno i pažljivo. Što su izračuni točniji, to će vlasnici kuće izvan grada manje preplaćivati tijekom rada.

Imate li iskustva u izvođenju toplinskog proračuna sustava grijanja? Ili imate pitanja o temi? Molimo podijelite svoje mišljenje i ostavite komentare. Blok za povratne informacije nalazi se ispod.