1.2 Методика розрахунку системи опалення

У холодний період року теплота в середині будинку втрачається через зовнішні огородження. Щоб в приміщеннях закладів ГРГ були комфортні умови для відпочинку або роботи, необхідно так розрахувати систему опалення, щоб максимально компенсувати втрати теплоти через огородження. Вибору конструкції цих огороджень та оцінці їх опору теплопередачі потрібно приділяти особливу увагу.

Так, огородження приймаються за умови забезпечення мінімальних затрат на будівництво та експлуатацію. Ці затрати включають вартість будівельних конструкцій, затрати на паливо та електроенергію при роботі системи опалення будинку.

В усьому світі застосовуються та постійно вдосконалюються різноманітні системи утеплення фасадів. Застосування теплоізоляційних матеріалів дозволяє зекономити теплову енергію на опалення, збільшити корисну площу будови шляхом зменшення товщини стін; зменшити витрати матеріалів на фундамент у зв'язку з полегшеною конструкцією; ефективно покращити теплоізоляцію стін існуючих будівель; підвищити комфорт у приміщеннях.

Комбінуючи ефективні утеплювачі з традиційними матеріалами, істотно не змінюючи товщини огороджень, вдається знизити втрати теплоти і значно зменшити витрати на опалення приміщень. Тому у сучасному будівництві застосовуються, як правило, комбіновані огородження, які складаються із різних матеріалів.

В якості теплоізоляційних матеріалів найчастіше використовують пінополістирольні чи мінераловатні плити. Вони мають при майже однакової теплопровідності багато відмінностей, які повинні бути враховані в процесі будівництва.

Так, пінополістирол має більшу міцність, ніж мінеральна вата, є негігроскопічним, тому під впливом вологи не втрачає теплоізоляційних властивостей, і вдвічі легший. Найчастіше плити з пінополістиролу застосовують для утеплення житлових будинків і в індивідуальній забудові, що пояснюється їх дешевизною (в 2,5 рази дешевші, ніж мінераловатні плити). Недоліками пінополістиролу є мала звукоізоляція, низька паропроникність, руйнування при температурі понад 80 °С.

Мінераловатні плити мають такі переваги: негорючість, високу паропроникність і хорошу звукоізоляцію. Для утеплення високих будинків (понад 8 поверхів), а також будинків підвищеної категорії небезпеки для людей (лікарні, школи, глядацькі зали тощо) слід використовувати систему з пінополістирольними плитами.

Мінеральна вата забезпечує вільне виведення водяної пари з приміщення назовні, стіни «дихають», не утворюється на поверхні стін пліснява, грибок, тоді як пінополістирол не пропускає водяну пару.

При проектуванні нових будинків та реконструкції існуючих шари з теплоізоляційних матеріалів слід розташовувати із зовнішньої сторони стіни. В цьому випадку збільшується температура внутрішньої поверхні стіни, точка роси виноситься за межі стіни, товща стіни зберігає теплоту.

На рис. 1.4 приведено приклад схеми системи опалення нижнього поверху готелю.

Для визначення втрат теплоти через огородження та подальшого розрахунку системи опалення, вихідні дані та результати розрахунку зводять до табл. 1.4.

Таблиця 1.4 - Розрахунок тепловтрат та підбір опалювальних приладів

Найменування приміщень

Найменування та орієнтація огороджень

Розміри огороджень, м

Площа огородження, м2

Розрахункова температура внутрішнього повітря, ºС

Розрахункова температура зовнішнього повітря, ºС

Різниця температур внутрішнього і зовнішнього повітря, ºС

Опір теплопередачі огородження , (м2∙ºС)/ Вт

Добавлені коефіцієнти

Тепловий потік через конструкції, що обгороджують, Вт

Втрати теплоти на нагрівання вентиляційного повітря, Вт

Розрахункова теплова потужність, Вт

Поверхня нагрівального приладу, м2

Кількість секцій радіаторів, шт.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

l*b

S

tв.п.

tз.п.

Δt

R0



Qa

Qв

Q

F0

n

У першу графу «Найменування приміщень» вносять дані, які характеризують приміщення за призначенням.

Рисунок 1.4 - Схема системи опалення нижнього поверху

Найменування та орієнтація огороджень заносяться в графу 2 наступними умовними позначками:

- пд. – південь, пн. – північ, сх. – схід, зх. – захід;

- з.с. - зовнішня стіна, в.с. – внутрішня стіна;

- о.в. - одинарне вікно, п.в. - подвійне вікно;

- пт. - перекриття горищне або безгорищне;

- пл. - підлога на ґрунті.

У третю графу «Розміри огородження» вносяться розміри для кожного огородження приміщення (стін, вікон, перекриття, підлоги), тобто його довжину (l) та ширину (b) в м. З урахуванням цього розраховують займану площу (S=l∙b) кожного огородження, отримані дані вносять до четвертої графи «Площа огородження», м².

«Розрахункова температура внутрішнього повітря» (t_в.п.) (п’ята графа табл. 1.4) приймається з додатку А, відповідно до норм проектування будинків в залежності від функціонального призначення приміщень, ºС.

«Розрахункова температура зовнішнього повітря» (t_з.п.) (шоста графа) приймається окремо для зовнішніх та внутрішніх стін:

- для зовнішніх стін згідно зі СНиП 2.04.05-91 клімат холодної пори року для різних населених пунктів характеризується двома розрахунковими категоріями параметрів зовнішнього повітря: А і Б. Для розрахунку систем опалення приміщень житлових, громадських і виробничих будинків у холодну пору року приймаються параметри категорії Б (додаток Б);

- для внутрішніх стін - температура повітря суміжного приміщення, якщо його температура більш ніж на 3ºС відрізняється від температури приміщення, для якого розраховуються тепловтрати, ºС.

Розрахунки для сьомої графи «Різниця температур внутрішнього і зовнішнього повітря» ºС знаходяться за формулою Δt=t_в.п.-t_з.п..

«Опір теплопередачі огородження» (R₀) (м²∙ºС)/Вт (восьма графа) визначається за формулою:

, (1.2)

де R_в – опір теплосприянню від внутрішнього повітря до внутрішньої поверхні огородження, R_в =0,155 (м²∙ºС)/Вт;

R_з – опір тепловіддачі від зовнішньої поверхні огородження до зовнішнього повітря R_з = 0,058 (м²∙ºС)/Вт;

R_n – розрахунковий опір теплопередачі даної конструкції.

Опір теплопередачі даної конструкції (R_п) визначається як сума опорів теплопередачі, послідовно розташованих однорідних шарів:

, (1.3)

де R₁, R₂, ..., R_к – термічний опір (опір теплопередачі) окремих шарів конструкції, що обгороджує, наприклад, штукатурки, цегляної кладки, керамічного облицювання і т.д.

, (1.4)

де δ₁, δ₂, δ_n, – товщина однорідного шару огородження (згідно завдання), м;

λ₁, λ₂, λ_n – коефіцієнт теплопровідності однорідного шару огородження Вт/м∙ºС (додатки Г-Е).

Для підлоги на ґрунті і стін, що розташовані нижче рівня землі, опір теплопередачі слід визначати по зонах (додаток Ж, З), що рівнобіжні зовнішнім стінам шириною 2 м за формулою:

, (1.5)

де R_c – опір теплопередачі, (м²∙ºС)/Вт (додаток Ж, З), приймається рівним 2,1 для I зони; 4,3 – для ІІ зони; 8,6 – для ІІІ зони; 14,2 для площі підлоги, що залишилася;

δ - товщина утеплюючого шару, м, що враховується при коефіцієнті теплопровідності λ ≤ утеплювача 1,2 Вт/м² (додаток В-Д).

Для визначення втрат теплоти через світлові прорізи (вікна, балконні двері, ліхтарі) використовують значення опору теплопередачі з додатку І.

«Добавлені коефіцієнти» (сьома графа табл. 1.4) представлені коефіцієнтами ∑β, які враховують додаткові втрати теплоти через зовнішні стіни, в залежності від швидкості вітру (в січні місяці для даного міста) та висотності будівель (табл. 1.5).

Тепловий потік через конструкції, що обгороджують, Q_a, Вт, розраховується для кожного елемента конструкції, що обгороджує приміщення (стін, вікон, покриття) та розраховані дані вносяться до десятої графи табл. 1.4, визначається з виразу:

Таблиця 1.5 - Додаткові втрати теплоти β

Чинник, яким обумовлені додаткові втрати теплоти	Обгороджування, при розрахунку яких враховуються додаткові втрати	β
Швидкість вітру:
Вітер з швидкістю* до 5 м/с	Орієнтовані на напрями, звідки дує вітер в січні з повторюваністю* не менше 15% (додаток К)	0,05
Вітер із швидкістю* 5 м/с і більш		0,10
Висотність будівель:
Будівлі заввишки 10 -15 поверхів	Обгороджування 1-го і 2-го поверхів	0,10
	Обгороджування 3-го поверху	0,05
Будівлі заввишки 16 поверхів і вище	Обгороджування 1-го і 2-го поверхів	0,20
	Обгороджування 3-го поверху	0,15
	Обгороджування 4-го поверху	0,10

* швидкість в січні згідно СНиП 2.01.01-82

, (1.6)

де R₀ – опір теплопередачі конструкції, що обгороджує (восьма графа табл. 1.4), (м²∙ºС)/Вт;

S – розрахункова площа конструкції, що обгороджує (четверта графа табл. 1.4), м²;

Δt – різниця температур внутрішнього і зовнішнього повітря (сьома графа табл. 1.4), ºС;

∑β – сума коефіцієнтів, що враховує додаткові втрати теплоти (дев’ята графа табл. 1.4);

п – коефіцієнт, прийнятий у залежності від положення зовнішньої поверхні конструкції що обгороджує, до зовнішнього повітря (табл. 1.6).

Втрати теплоти на нагрівання вентиляційного повітря (одинадцята графа табл. 1.4), Q_в, Вт визначаються для кожного опалювального приміщення, що має одне або більшу кількість вікон або балконних дверей у зовнішніх стінах.

Таблиця 1.6 - Коефіцієнт зменшення розрахункової різниці температур n

Види огородження	Величина коефіцієнта
Зовнішні стіни, безгорищні покриття та перекриття над проїздами	1,0
Горищні перекриття та безгорищні покриття з вентильованими продухами	0,9
Перекриття над холодними підвалами, розташованими вище рівня землі	0,75
Перекриття над неопалюваними підвалами при наявності вікон у їхніх зовнішніх стінах	0,6
Те ж, за відсутності вікон	0,4

Втрати Q_в розраховуються виходячи з необхідності забезпечення підігріву опалювальними приладами зовнішнього повітря в обсязі однократного повітрообміну за годину з виразу:

, (1.7)

де S_п - площа підлоги приміщення, м²;

h – висота приміщення від підлоги до стелі, м;

Δt – різниця температур внутрішнього і зовнішнього повітря (сьома графа табл. 1.4), ºС.

Приміщення, в яких обсяг витяжки вентиляції перевищує однократний повітрообмін в годину (додаток А), повинні, як правило, проектуватися з припливною вентиляцією підігрітим повітрям. При обґрунтуванні допускається забезпечувати підігрів зовнішнього повітря опалювальними приладами в окремих приміщеннях при обсязі вентиляційного повітря, що не перевищує двох обмінів у годину.

У приміщеннях, для яких нормами проектування будинків встановлений обсяг витяжки менш однократного повітрообміну в годину, величину Q_в слід розраховувати як витрату теплоти на нагрівання повітря в обсязі нормованого повітрообміну від температури t_з до температури t_в.

Втрати теплоти Q_в на нагрівання зовнішнього повітря, що проникає у вхідні вестибюлі (холи) і сходові клітки через зовнішні двері, які відкриваються в холодний період року, при відсутності повітряно-теплових завіс, необхідно розраховувати за формулою:

, (1.8)

де В - коефіцієнт, що враховує кількість вхідних тамбурів. При одному тамбурі (дві двері) В = 1,0; при двох тамбурах (три двері) В = 0,6;

H - висота будинку, м;

Р - кількість людей, що знаходяться в будинку, чол.;

Δt – різниця температур внутрішнього і зовнішнього повітря (сьома графа табл. 1.4), ºС.

Визначення розрахункових теплових втрат Q₁, ведеться за формулою:

, (1.9)

де Q_a – тепловий потік через конструкції, що обгороджують, Вт;

Q_в – втрати теплоти на нагрівання вентиляційного повітря, Вт.

Величини Q_а і Q_в розраховуються для кожного опалювального приміщення.

Розрахункова теплова потужність системи опалення (дванадцята графа табл. 1.4) Q, Вт, визначається за формулою:

, (1.10)

де Q₁ - розрахункові теплові втрати, Вт;

b₁ - коефіцієнт, що враховує додатковий тепловий потік встановлених опалювальних приладів за рахунок округлення, b₁ приймають у межах 1,02…1,14;

b₂ – коефіцієнт, що враховує додаткові втрати теплоти опалювальними приладами, розташованими в зовнішніх огородженнях при відсутності теплозахисних екранів, приймається з табл. 1.7;

Q₂ – втрати теплоти трубопроводами, що проходять у неопалювальних приміщеннях, Вт. Втрати Q₂ не повинні перевищувати 4% від величини тепловтрат Q₁;

Q₃ – тепловий потік, що регулярно надходить від висвітлення, устаткування і людей, його слід враховувати в цілому на систему опалення будинку. Для житлових будинків величину Q₃ необхідно приймати з розрахунку 10 Вт на 1 м² загальної площі.

Таблиця 1.7 - Коефіцієнти (b₂), що враховують додаткові втрати теплоти опалювальними приладами, розташованими у зовнішніх огородженнях

Опалювальний прилад	Коефіцієнт b2 при встановленні приладу
	Біля зовнішньої стіни в будівлях		у засклення світлового пройму
	житлових і громадських	виробничих
Радіатор чавунний	1,010	1,02	1,07
Конвектор з кожухом	1,010	1,02	1,05
Конвектор без кожуху	1,015	1,03	1,07

При розрахунках теплової потужності систем опалення виробничих будинків, необхідно додатково враховувати витрати теплоти на нагрівання матеріалів, устаткування і транспортних засобів.

Розрахункову теплову потужність опалювального приладу, Q_пр, Вт, слід визначати за формулою:

, (1.11)

де, Q_a – тепловий потік через конструкції, що обгороджують, Вт;

Q_в – втрати теплоти на нагрівання вентиляційного повітря, Вт;

Q_вн – втрати теплоти, Вт, через внутрішні стіни, що відокремлюють приміщення, для якого розраховується теплова потужність опалювального приладу, від суміжного приміщення, у якому можливо експлуатаційне зниження температури при регулюванні. Величину Q_вн необхідно враховувати тільки при розрахунку теплової потужності опалювальних приладів, на підводках до яких проектуються автоматичні терморегулятори;

Q_т– тепловий потік, Вт, від неізольованих трубопроводів опалення, що прокладаються в приміщенні (слід враховувати тільки при розрахунку опалення всієї будівлі);

Q_эп- тепловий потік, Вт, що регулярно надходить у приміщення від електричних приладів, освітлення, технологічного обладнання, комунікацій, матеріалів і інших джерел теплоти. При розрахунку теплової потужності опалювальних приладів житлових, адміністративно-побутових та будинків закладів ресторанного господарства величину Q_эп враховувати не слід.

Величина побутових тепловиділень враховується для всього будинку в цілому при розрахунках теплової потужності системи опалення і загальної витрати теплоносія.

Теплота, загублена приміщенням, повинна компенсуватися нагрівальними приладами. Підбір і розрахунок нагрівальних приладів починається з визначення їхньої поверхні нагрівання в м² або в еквівалентних квадратних метрах (екм). За 1 екм приймається така площа поверхні нагрівального приладу, з якої в навколишнє середовище з температурою +18 ºС віддається 505 Вт при середній температурі теплоносія (90+75)/2 = 82,5 ºС.

Розрахунок поверхні нагрівальних приладів (тринадцята графа табл. 1.4), F₀, м², необхідної для опалення приміщення водяними системами опалення визначається за формулою:

, (1.12)

де Q – теплова потужність системи, Вт;

k – коефіцієнт теплопередачі приладу, Вт/(м²∙ºС), приймається з табл. 1.8;

t_ср.т – середня температура теплоносія, t_ср.т=(t_вх+t_вих)/2; t_ср.т=(90+75)/2 = 82,5 ºС;

t_в.п. - температура внутрішнього повітря, ºС;

β₁ – коефіцієнт_, що враховує спосіб установки радіатора (додаток Л);

β₂ – коефіцієнт, що враховує спосіб приєднання радіатора і витрати води (табл. 1.9);

β₃ – коефіцієнт, що враховує кількість секцій у радіаторі. При кількості секцій до 5 β₃=0,95, від 6 до 10 β₃=1,0, а при кількості секцій більш 10 β₃=1,05 більш 20 β₃=1,1.

Таблиця 1.8 - Коефіцієнти теплопередачі нагрівальних приладів, k, при відкритій установці

Тип нагрівального приладу	Різниця середньої температури води в приладі та температури повітря в приміщенні, в град.					Пар низького тиску
	40-50	50-60	60-70	70-80	>80
Радіатори чавунні
М-140	8,49	9,19	9,54	9,88	10,0	10,35
М-140-АО	8,25	8,84	9,19	9,54	9,65	10,0
М-90	8,95	9,77	10,1	10,5	10,58	10,93
РД-90	9,42	10,1	10,6	10,93	11,05	11,39
Панелі сталеві штамповані
МЗ-500	9,54	10,35	10,69	11,05	11,28	11,63
МЗ-300	10,1	10,93	11,39	11,74	11,86	12,21

Таблиця 1.9 - Поправочний коефіцієнт β₂

Схема підведення й відводу теплоносія	Значення коефіцієнта 2 при відносній витраті води
	1	2	3	4	5
З верху вниз Знизу вверх Знизу вниз	1,0 1,28 1,11	0,98 1,22 1,04	0,97 1,18 1,0	0,96 1,18 0,96	0,95 1,14 0,95

Кількість секцій радіаторів (чотирнадцята графа табл. 1.4), n, шт., число конвекторів або опалювальних труб, які складають один опалювальний прилад, визначають за формулою:

, (1.13)

де f_c – площа поверхні однієї секції, м², визначається з додатку М.

Під час проектування та експлуатації споруд закладів ресторанного господарства необхідно визначити орієнтувальні витрати теплоти на опалення будівлі за опалювальний період. Для розрахунку можна використовувати питому теплову характеристику будівлі q_о, яка становить годинну витрату теплоти на опалення 1м³ будівлі при 1^оС розрахункової різниці температур повітря. Річні витрати теплоти на опалення будівлі Q⁰_річ, кДж, необхідно розраховувати за формулою:

, (1.14)

де q₀ – питома теплова характеристика будівлі для опалення, кДж/(м³∙год.∙ºС). Для закладів ресторанного господарства q₀ залежить від об’єму будівлі, так для закладів з об’ємом до 5000 м³ q₀=1,47; з об’ємом до 10000 м³ q₀=1,38, більше 10000 м³ q₀=1,26;

V – об’єм будівлі, який визначається по зовнішньому обміру (підраховується від рівню землі), м³;

а – коефіцієнт, що враховує вплив різниці температур (t_в.сер- t_сер.з.о), значення коефіцієнту а надані в додатку Н;

t_в.сер – середня температура внутрішнього повітря приміщень, яка характерна для більшості приміщень будівлі (додаток А), ^оС;

t_{сер.з.о.} – середньодобова температура зовнішнього повітря за опалювальний період (додаток Б);

24 – тривалість роботи системи опалення на протязі доби, год.;

Т₀ – тривалість опалювального періоду, діб (додаток Б).