Власники середніх і великих котеджів повинні планувати витрати на утримання житла. Тому часто виникає завдання обчислити, яка приходиться витрата газу на опалення будинку 200 м² або більшої площі. Оригінальна архітектура зазвичай не дає змоги скористатися методом аналогій і знайти вже готові розрахунки. Тим не менше, немає необхідності платити гроші за вирішення цього завдання. Всі обчислення можна зробити самостійно. Для цього знадобляться знання деяких нормативних актів, а також розуміння фізики і геометрії на шкільному рівні.
Ми допоможемо розібратися в цій насущний для домашнього економіста питанні. Підкажемо, за якими формулами виробляються обчислення, які характеристики треба знати для отримання результату. У представленій нами статті наведені приклади, на підставі яких простіше буде зробити власний розрахунок.
Знаходження величини втрати енергії
Для того щоб визначити кількість енергії, яку втрачає будинок, необхідно знати кліматичні особливості місцевості, теплопровідність матеріалів і норми вентиляції. А щоб розрахувати потрібний обсяг газу досить знати його теплотворність. Найголовніше на цій роботі — уважність до деталей.
Опалення будівлі повинно компенсувати втрати тепла, які відбуваються з двох основних причин: витоку тепла по периметру будинку і приплив холодного повітря через систему вентиляції. Обидва ці процесу описуються математичними формулами, за якими можна самостійно провести розрахунки.
Теплопровідність і термічний опір матеріалу
Будь-який матеріал може проводити тепло, це стосується і будівельних матеріалів. Інтенсивність передачі тепла виражається за допомогою коефіцієнта теплопровідності λ (Вт / (м × ° C)). Чим він нижчий, тим краще захищена взимку будова від промерзання.
Від теплопровідності матеріалу, з якого буде побудований будинок, залежать витрати на опалення.
Однак будови можуть бути складені або утеплені матеріалом різної товщини. Тому при практичних розрахунках використовують коефіцієнт опору теплопередачі:
R (м² × ° С / Вт)
Він пов’язаний з теплопровідністю наступною формулою:
R = h / λ,
де h – товщина матеріалу (м).
Приклад. Визначимо коефіцієнт опору теплопередачі різних по ширині газобетонних блоків марки D700 при λ = 0.16:
- ширина 300 мм: R = 0.3 / 0.16 = 1.88;
- ширина 400 мм: R = 0.4 / 0.16 = 2.50.
Для утеплювачів і віконних блоків може бути приведений як коефіцієнт теплопровідності, так і коефіцієнт опору теплопередачі.
Якщо захисна конструкція складається з декількох матеріалів, то при визначенні коефіцієнта опору теплопередачі всього «пирога» підсумовують коефіцієнти окремих його верств.
Приклад. Стіна побудована з газобетонних блоків ( λ b = 0.16), товщиною 300 мм. Зовні вона утеплена екструдованим пінополістиролом ( λ p = 0.03) товщиною 50 мм, а зсередини обшита вагонкою ( λ v = 0.18), товщиною 20 мм.
Цікаво! Існують таблиці для різних регіонів, в яких прописані мінімальні значення сумарного коефіцієнта теплопередачі для периметра будинку. Вони носять рекомендаційний характер.
Тепер можна розрахувати сумарний коефіцієнт опору теплопередачі:
R = 0.3 / 0.16 + 0.05 / 0.03 + 0.02 / 0.18 = 1.88 + 1.66 + 0.11 = 3.65.
Внеском шарів незначних по параметру «теплозбереження», можна знехтувати.
Розрахунок тепловитрат через огороджувальні конструкції
Тепловитрати Q (Вт) через однорідну поверхню можна розрахувати наступним чином:
Q = S × dT / R,
де:
S – площа розглянутої поверхні (м²);
dT – різниця температури між повітрям всередині і зовні приміщення (°С);
R – коефіцієнт опору теплопередачі поверхні (м²*°С/Вт).
Для визначення сумарного показника всіх тепловтрат виконують такі дії:
- виділяють ділянки, які однорідні за коефіцієнтом опору теплопередачі;
- вираховують їх площі;
- визначають показники термічного опору;
- проводять розрахунок тепловитрат для кожного з ділянок;
- підсумовують отримані значення.
Приклад. Кутова кімната 3×4 м на верхньому поверсі з холодним горищним приміщенням. Чистова висота стелі – 2.7 м. Є два вікна, розмірами 1×1.5 м.
Знайдемо тепловитрати через периметр при температурі повітря всередині «+25 °С», а зовні – «-15 °С»:
- Виділимо однорідні за коефіцієнтом опору ділянки: стеля, стіна, вікна.
- Площа стелі S п = 3 × 4 = 12 м² . Площа вікон S про = 2 × (1 × 1.5) = 3 м² . Площа стін S з = (3 + 4) × 2.7 – S про = 29.4 м² .
- Коефіцієнт термічного опору стелі складається з показника перекриття (дошка товщиною 0.025 м), утеплювача (плити мінеральної вати товщиною 0.10 м) і дерев’яної підлоги горища (дерево і фанера із загальною товщиною 0.05 м): R п = 0.025 / 0.18 + 0.1 / 0.037 + 0.05 / 0.18 = 3.12. Для вікон значення беруть з паспорта двокамерного склопакета: R про = 0.50. Для стіни, складеної як в попередньому прикладі: R з = 3.65.
- Q п = 12 × 40 / 3.12 = 154 Вт. Q про = 3 × 40 / 0.50 = 240 Вт. Q з = 29.4 × 40 / 3.65 = 322 Вт.
- Загальні втрати тепла модельної кімнати через огороджувальні конструкції Q = Q п + Q про + Q з = 716 Вт.
Обчислення за наведеними формулами дає хороше наближення за умови відповідності матеріалу заявленим теплопровідним якостям і відсутності помилок, які можуть бути допущені при будівництві. Також проблемою може бути старіння матеріалів і конструкції будинку в цілому.
Типова геометрія стін і дахів
Лінійні параметри (протяжність і висоту) конструкції при визначенні тепловтрат прийнято брати внутрішні, а не зовнішні. Тобто при розрахунку тепловіддачі через матеріал враховують площу зіткнення теплого, а не холодного повітря.
Обраховуючи внутрішній периметр необхідно врахувати і товщину міжкімнатних перегородок. Найлегше це зробити за планом будинку, який зазвичай нанесений на папір з масштабною сіткою
Таким чином, наприклад, при габаритах будинку 8х10 метрів і товщині стіни 0.3 метра, внутрішній периметр P внут = (9.4 + 7.4) × 2 = 33.6 м, а зовнішній P зовн = (8 + 10) × 2 = 36 м.
Міжповерхове перекриття зазвичай має товщину від 0.20 до 0.30 м. Тому висота двох поверхів від підлоги першого до стелі другого ззовні буде дорівнює H зовн = 2.7 + 0.2 + 2.7 = 5.6 м. Якщо ж скласти тільки чистову висоту, то вийде менше значення: H внут = 2.7 + 2.7 = 5.4 м. Міжповерхове перекриття, на відміну від стін, не несе функції утеплення, тому для розрахунків потрібно брати H зовн .
Для двоповерхових будинків з розмірами близько 200 м² різниця між площею стін всередині і зовні становить від 6 до 9%. Аналогічно за внутрішніми розмірами враховують геометричні параметри даху і перекриттів.
Розрахунок площі стін для простих по геометрії котеджів елементарний, так як фрагменти складаються з прямокутних ділянок і фронтонів горищних і мансардних приміщень.
Фронтони мансард і горищ в більшості випадків мають форму трикутника або симетричного по вертикалі п’ятикутника. Розрахувати їх площу досить просто.
При обчисленні тепловтрат через дах в більшості випадків досить застосувати формули для знаходження площ трикутника, прямокутника і трапеції.
Площа покладеної покрівлі не можна брати при визначенні тепловтрат, так як вона йде і на звіси, які не враховують у формулі. Крім того, часто матеріал (наприклад, толь або профільований оцинкований лист) розміщують з невеликим перетином.
Іноді здається, що розрахувати площа даху досить складно. Однак всередині будинку геометрія утепленої огорожі верхнього поверху може бути набагато простіше
Прямокутна геометрія вікон також не викликає проблем при розрахунках. Якщо ж склопакети мають складну форму, то їх площа краще не обчислювати, а дізнатися з паспорта вироби.
Тепловтрати через підлогу та фундамент
Обчислення тепловтрат в грунт через підлогу нижнього поверху, як і через стіни і підлогу підвалу, вважають за правилами, прописаним в Додатку “E” СП 50.13330.2012. Справа в тому, що швидкість поширення тепла в землі нижче, ніж в атмосфері, тому ґрунти теж можна умовно віднести до утеплювача.
Але так як їм властиво промерзання, то ділянку підлоги ділять на 4 зони. Ширина перших трьох — 2 метри, а до четвертої відносять решту.
Для кожної зони визначають коефіцієнт опору теплопередачі, який додає грунт:
- зона 1: R1 = 2.1;
- зона 2: R2 = 4.3;
- зона 3: R3 = 8.6;
- зона 4: R4 = 14.2.
Якщо підлоги утеплені , то для визначення загального коефіцієнта термічного опору складають показники утеплювача і грунту.
Приклад. Нехай у будинку із зовнішніми розмірами 10×8 м і товщиною стін 0,3 метра є цокольний поверх, глибиною 2.7 метра. Його стеля розташований на рівні землі. Потрібно розрахувати тепловтрати в грунт при внутрішній температурі повітря «+25 °С», а зовнішньої – «-15 °С».
Нехай стіни виконані з ФБС-блоків, товщиною 40 см ( λ ф = 1.69). Зсередини вони обшиті дошкою, товщиною 4 см ( λ д = 0.18). Підлога підвалу залита керамзитобетоном, товщиною 12 см ( λ до = 0.70). Тоді коефіцієнт термічного опору стін цоколя: R з = 0.4 / 1.69 + 0.04 / 0.18 = 0.46, а статі R п = 0.12 / 0.70 = 0.17.
Внутрішні розміри будинку будуть рівні 9.4 × 7.4 метра.
Обчислимо площі і коефіцієнти опору теплопередачі по зонам:
- Зона 1 йде тільки по стіні. Має периметр, рівний 33.6 м, а висоту – 2 м. Тому S 1 = 33.6 × 2 = 67.2. R з1 = R з + R 1 = 0.46 + 2.1 = 2.56.
- Зона 2 по стіні. Має периметр, рівний 33.6 м, а висоту – 0.7 м. Тому S 2 c = 33.6 × 0.7 = 23.52. R з2с = R з + R 2 = 0.46 + 4.3 = 4.76.
- Зона 2 по підлозі. S 2п = 9.4 × 7.4 – 6.8 × 4.8 = 36.92. R з2п = R п + R 2 = 0.17 + 4.3 = 4.47.
- Зона 3 йде тільки по підлозі. S 3 = 6.8 × 4.8 – 2.8 × 0.8 = 30.4. R з3 = R п + R 3 = 0.17 + 8.6 = 8.77.
- Зона 4 йде тільки по підлозі. S 4 = 2.8 × 0.8 = 2.24. R з4 = R п + R 4 = 0.17 + 14.2 = 14.37.
Тепловтрати цокольного поверху Q = ( S 1 / R з1 + S 2 c / R з2с + S 2п / R з2п + S 3 / R з3 + S 4 / R з4 ) × dT = (26.25 + 4.94 + 8.26 + 3.47 + 0.16 ) × 40 = 1723 Вт.
Облік неопалюваних приміщень
Часто при розрахунку тепловтрат виникає ситуація, коли в будинку є неопалюване, але утеплене приміщення. В цьому випадку перенесення енергії відбувається за два етапи. Розглянемо цю ситуацію на прикладі горища.
В утепленому горищному приміщенні, яке не обігрівається, в холодний період часу встановлюється температура вище, ніж на вулиці. Це відбувається через передачу тепла по всій площині міжповерхового перекриття.
Основна проблема полягає в тому, що площа перекриття між горищем і верхнім поверхом відрізняється від площі даху і фронтонів. В цьому випадку необхідно скористатися умовою балансу теплопередачі Q1 = Q2 .
Його можна також записати в такий спосіб:
K1 × (T1 – T# ) = K2 × (T# – T2 ),
де:
- K 1 = S 1 / R 1 + … + S n / R n для перекриття між теплою частиною будинку і холодним приміщенням;
- K 2 = S 1 / R 1 + … + S n / R n для перекриття між холодним приміщенням і вулицею.
З рівності теплопередачі знаходимо температуру, яка встановиться в холодному приміщенні при відомих значеннях в будинку і на вулиці. T # = ( K 1 × T 1 + K 2 × T 2 ) / ( K 1 + K 2 ). Після цього підставимо значення в формулу і знайдемо тепловтрати.
Приклад. Нехай внутрішній розмір будинку 8х10 метрів. Кут даху – 30°. Температура повітря в приміщеннях «+25 °С», а зовні – «-15 °С».
Коефіцієнт термічного опору стелі розраховуємо як в прикладі, наведеному в розділі розрахунку тепловтрат через огороджувальні конструкції: R п = 3.65. Площа перекриття дорівнює 80 м² , тому K 1 = 80 / 3.65 = 21.92.
Площа даху S 1 = (10 × 8) / cos (30) = 92.38. Коефіцієнт термічного опору вважаємо, враховуючи товщину дерева (лати і обробка – 50 мм) і мінеральної вати (10 см): R 1 = 2.98.
Площа вікна для фронтону S 2 = 1.5. Для звичайного двокамерного склопакета термоопір R 2 = 0.4. Площа фронтону розрахуємо за формулою: S 3 = 8 2 × tg (30) / 4 – S 2 = 7.74. Коефіцієнт опору теплопередачі такої ж, як і у даху: R 3 = 2.98.
Розрахуємо коефіцієнт для даху (не забувши, що кількість фронтонів – два):
K 2 = S 1 / R 1 + 2 × ( S 2 / R 2 + S 3 / R 3 ) = 92.38 / 2.98 + 2 × (1.5 / 0.4 + 7.74 / 2.98 ) = 43.69 .
Обчислимо температуру повітря в горищному приміщенні:
T # = (21.92 × 25 + 43.69 × (-15)) / (21.92 + 43.69) = -1.64 ° С.
Підставами отримане значення в будь-яку з формул розрахунку тепловтрат (за умови балансу вони рівні) і отримаємо шуканий результат:
Q 1 = K 1 × ( T 1 – T # ) = 21.92 × (25 – (-1.64)) = 584 Вт.
Охолодження через вентиляцію
Систему вентиляції встановлюють для підтримки нормального мікроклімату в будинку. Це призводить до затоку холодного повітря в приміщення, що також необхідно враховувати при розрахунку тепловтрат.
Так як загальноприйнятою одиницею виміру тепловтрат служить ват, то теплоємність повітря c (кДж / кг × ° С) необхідно привести до розмірності “Вт × год / кг × ° С”. Для повітря на рівні моря можна прийняти значення c = 0.28 Вт × год / кг × ° С.
Так як обсяг вентиляції вимірюється в кубометрах на годину, то також необхідно знати щільність повітря q (кг / м³ ). При нормальному атмосферному тиску і середньої вологості це значення можна прийняти q = 1.30 кг / м³ .
Витрата енергії на компенсацію тепловтрат в результаті вентиляції можна розрахувати за наступною формулою:
Q = L × q × c × dT = 0.364 × L × dT,
де:
- L – витрата повітря (м³ / год);
- dT – різниця температури між кімнатним і надходять повітрям (° С).
Якщо холодне повітря надходить в будинок безпосередньо, то:
dT = T1 – T2 ,
де:
- T1 – температура всередині приміщення;
- T2 – температура на вулиці.
Але для великих об’єктів в систему вентиляції зазвичай інтегрують рекуператор (теплообмінник). Він дозволяє значно заощадити енергоресурси, так як частковий нагрів повітря, що поступає відбувається за рахунок температури вихідного потоку.
Ефективність таких пристроїв вимірюється в їх ККД k (%). В цьому випадку попередня формула набуде вигляду:
dT = (T 1 – T 2 ) × (1 – k / 100).
Розрахунок витрати газу
Знаючи сумарні тепловтрати , можна досить просто обчислити необхідний витрата природного або скрапленого газу для опалення будинку площею 200 м² .
На кількість енергії, що виділяється, крім обсягу палива, впливає його теплота згоряння. Для газу цей показник залежить від вологості і хімічного складу подається суміші. Розрізняють вищу ( H h ) і нижчу ( H l ) теплотворність.
Щоб розрахувати обсяг палива, якого гарантовано вистачить для опалення, в формулу підставляють значення нижчого теплотворення, яке можна отримати від постачальника газу. Стандартна одиниця виміру теплотворення – “мДж / м³ ” або “мДж / кг”. Але так як одиниці виміру і потужності котлів і тепловтрат оперують з ватами, а не джоулями, то необхідно виконати перетворення, враховуючи, що 1 мДж = 278 Вт × год.
Якщо значення нижчої теплотворення суміші невідомо, то допустимо взяти такі усереднені цифри:
- для природного газу H l = 9.3 кВт × год / м³;
- для зрідженого газу H l = 12.6 кВт × год / кг.
Ще один показник, необхідний для розрахунків — ККД котла K . Зазвичай його вимірюють в процентах. Остаточна формула витрати газу за період часу E (ч) має наступний вигляд:
V = Q × E / (H l × K / 100).
Період, коли включають централізоване опалення в будинках, визначають по середньодобовій температурі повітря.
Якщо протягом останніх п’яти днів вона не перевищує «+ 8 °С», подача тепла в будинок повинна бути забезпечена. Для приватних будинків з автономним обігрівом при розрахунку споживання палива також оперують цими цифрами.
Точні дані про кількість діб з температурою не вище «+ 8 °С» для місцевості, де побудований котедж, можна дізнатися в місцевому відділенні Гідрометцентру.
Якщо обсяг припливу повітря і температура всередині приміщень будуть постійними (або з незначними коливаннями), то тепловтрати і через огороджувальні конструкції і через вентиляції приміщень будуть прямо пропорційні температурі зовнішнього повітря.
Приклад для котеджу на 200 м²
Тривалість періоду опалення: E = 171 × 24 = 4104 год. Середня вулична температура T 2 = – 0.6 ° С. Бажана температура в будинку: T 1 = 24 ° С.
Двоповерховий котедж з неопалюваним гаражем. Загальна площа — близько 200 м². Стіни додатково не утеплені, що допустимо для клімату Херсонської області
Крок 1. Розрахуємо тепловтрати через периметр без урахування гаража.
Для цього виділимо однорідні ділянки:
- Вікна. Всього є 9 вікон розміром 1.6 × 1.8 м, одне вікно розміром 1.0 × 1.8 м і 2.5 круглих вікна площею 0.38 м² кожне. Загальна площа вікон: S вікна = 28.60 м² . За паспортом виробів R вікна = 0.55. Тоді Q вікна = 1279 Вт.
- Двері. Є 2 утеплені двері розміром 0.9 х 2.0 м. Їх площа: S двері = 3.6 м² . За паспортом виробу R двері = 1.45. Тоді Q двері = 61 Вт.
- Глуха стіна. Ділянка “АБВГД”: 36.1 × 4.8 = 173.28 м². Ділянка “ДА”: 8.7 × 1.5 = 13.05 м². Ділянка “ДЕЖ”: 18.06 м². Площа фронтону даху: 8.7 × 5.4 / 2 = 23.49. Разом, площа глухої стіни: S стіна = 251.37 – S вікна – S двері = 219.17 м². Стіни складені з газобетону товщиною 40 см і пустотілої облицювальної цегли. R стіни = 2.50 + 0.63 = 3.13. Тоді Q стіни = 1723 Вт.
Сумарні тепловтрати через периметр:
Qпериметр = Q вікна + Q двері + Q стіни = 3063 Вт.
Крок 2. Обчислимо тепловтрати через дах.
Утеплювачем служить суцільне решетування (35 мм), мінвата (10 см) і вагонка (15 мм). R даху = 2.98. Площа даху над основним корпусом: 2 × 10 × 5.55 = 111 м², а над котельні: 2.7 × 4.47 = 12.07 м². Разом S даху = 123.07 м². Тоді Q даху = 1 016 Вт.
Крок 3. Розрахуємо тепловтрати через підлогу.
Опір теплопередачі надають дошки чорнового настилу і фанера під ламінат (5 см в сумі), а також базальтовий утеплювач (5 см). R статі = 1.72. Тоді тепловтрати через підлогу дорівнюватимуть:
Q підлогу = ( S 1 / ( R підлогу + 2.1) + S 2 / ( R підлогу + 4.3) + S 3 / ( R підлогу + 2.1)) × dT = 546 Вт.
Крок 4. Обчислимо тепловтрати через холодний гараж. Його підлога не утеплена.
З обігрівається будинку тепло проникає двома шляхами:
Через зовнішню стіну. S 1 = 28.71, R 1 = 3.13.
Через цегляну перегородку з котельнею. S 2 = 11.31, R 2 = 0.89.
Отримаємо K 1 = S 1 / R 1 + S 2 / R 2 = 21.88.
З гаража назовні тепло виходить наступним чином:
- Через вікно. S 1 = 0.38, R 1 = 0.55.
- Через ворота. S 2 = 6.25, R 2 = 1.05.
- Через стіну. S 3 = 19.68, R 3 = 3.13.
- Через дах. S 4 = 23.89, R 4 = 2.98.
- Через підлогу. Зона 1. S 5 = 17.50, R 5 = 2.1.
- Через підлогу. Зона 2. S 6 = 9.10, R 6 = 4.3.
Отримаємо K 2 = S 1 / R 1 + … + S 6 / R 6 = 31.40
Обчислимо температуру в гаражі за умови балансу передачі тепла: T # = 9.2 ° С. Тоді тепловтрати будуть рівні: Q гараж = 324 Вт.
Крок 5. Розрахуємо втрати тепла вентиляції.
Нехай вирахуваний об’єм вентиляції для такого котеджу з проживанням в ньому 6 осіб дорівнює 440 м³ / год. В системі встановлений рекуператор з ККД 50%. При таких умовах втрати тепла: Q вент = 1970 Вт.
Крок 6. Визначимо сумарні тепловтрати, склавши всі локальні значення: Q = 6919 Вт.
Крок 7. Обчислимо обсяг газу, необхідний для обігріву модельного будинку в зимовий період при ККД котла 92%:
- Природний газ. V = 3319 м³.
- Зріджений газ. V = 2450 кг.
Після розрахунків можна проаналізувати фінансові витрати на обігрів і доцільність вкладень, спрямованих на зменшення тепловтрат.
Висновки і корисне відео по темі
Теплопровідність і опір теплопередачі матеріалів. Правила розрахунку для стін, даху і підлоги:
Найбільш складна частина розрахунків по визначенню необхідного для опалення обсягу газу — знаходження тепловтрат об’єкта. Тут в першу чергу потрібно уважно поставитися до геометричних обчислень.
Якщо ж фінансові витрати на обігрів здадуться надмірними, то слід подумати над додатковим утепленням будинку. Тим більше що розрахунки тепловтрат добре показують структуру промерзання.