Обладатели коттеджей средней и большой площади должны учитывать затраты на содержание своего жилья. Поэтому нередко возникает необходимость рассчитать потребление газа для отопления дома площадью 200 м2 или больше. Оригинальный дизайн строения зачастую не позволяет использовать метод аналогий и находить уже существующие расчеты.
Тем не менее, нет нужды тратить денежные средства на решение этой задачи. Все расчеты можно выполнить самостоятельно. Для этого необходимы знания некоторых нормативных документов, а также осознание основ физики и геометрии на уровне школы.
Мы поможем вам разобраться в этом важном вопросе для домашнего экономиста. Подскажем, какие формулы использовать для расчетов и какие свойства следует учитывать для достижения результата. В представленном материале вы найдете примеры, которые упростят выполнение собственных расчетов.
Определение величины утрат энергии
Чтобы выяснить, сколько энергии теряет дом, нужно знать климатические условия региона, теплопроводимость материалов и нормы вентиляции. Для расчета необходимого объема газа достаточно знать его теплотворную способность. Главное в этом процессе – внимание к деталям.
Отопление строения должно компенсировать потери тепла, вызванные двумя основными факторами: утечками тепла по периметру строения и поступлением холодного воздуха через вентиляцию. Оба этих процесса описываются математическими формулами, по которым можно выполнить расчеты без помощи других.
Теплопроводность и термическое сопротивление материала
Любой материал способен проводить тепло. Интенсивность его передачи выражается буквально через коэффициент теплопроводности λ (Вт / (м × °C)). Чем ниже этот коэффициент, тем лучше конструкция защищена от вымерзания зимой.
Расходы на отопление зависят от теплопроводности материала, из которого построен дом. Это особенно актуально для «холодных» районов страны.
Однако здания могут быть построены или утеплены материалами разной толщины. Поэтому в практических расчетах используют коэффициент сопротивления теплопередаче:
R (м2 × °С / Вт)
Он связан с теплопроводностью следующей формулой:
R = h / λ,
где h – толщина материала (м).
Пример. Определим коэффициент сопротивления теплопередаче разных по ширине газобетонных блоков марки D700 при λ = 0.16:
Для утеплительных материалов и оконных блоков могут быть указаны как коэффициент теплопроводимости, так и коэффициент сопротивления теплопередаче.
Если ограждающая конструкция состоит из нескольких материалов, то при вычислении коэффициента сопротивления теплопередаче вообще всего «пирога» складывают коэффициенты отдельных его слоев.
Пример. Стена построена из газобетонных блоков (λb = 0.16) толщиной 300 мм. Снаружи она утеплена экструдированным пенополистиролом (λp = 0.03) шириной 50 мм, а изнутри обшита вагонкой (λv = 0.18) толщиной 20 мм.
Существуют таблицы для различных регионов, в которых указаны мин значения суммарного коэффициента теплопередачи для периметра здания. Эти данные являются рекомендательными.
Теперь можно вычислить суммарный коэффициент сопротивления теплопередаче:
R = 0.3 / 0.16 + 0.05 / 0.03 + 0.02 / 0.18 = 1.88 + 1.66 + 0.11 = 3.65.
К слоям, которые имеют маленькое значение по параметру «теплосбережение», можно не учитывать.
Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции
Теплопотери Q (Вт) буквально через однородную поверхность можно вычислить следующим образом:
Q = S × dT / R,
где:
Для определения общего показателя всех теплопотерь нужно выполнить следующие действия:
- выделить участки, которые однородны по коэффициенту сопротивления теплопередаче;
- вычислить их площади;
- найти показатели термического сопротивления;
- провести расчет теплопотерь для каждого из участков;
- суммировать полученные значения.
Пример. Угловая комната 3 × 4 метра на верхнем этаже с прохладным чердачным пространством. Чистовая высота потолка – 2.7 метра. Есть 2 окна, размерами 1 × 1.5 м.
Найдем теплоотдачи через периметр при температуре воздуха внутри «+25 °С «, а снаружи – «–15 °С»:
- Выделим однородные по коэффициенту сопротивления участки: потолок, стенка, окна.
- Площадь потолка Sп = 3 × 4 = 12 м2. Площадь окон Sо = 2 × (1 × 1.5) = 3 м2. Площадь стен Sс = (3 + 4) × 2.7 – Sо = 29.4 м2.
- Коэффициент термического сопротивления потолка включает в себя показатель перекрытия (доска шириной 0.025 м), утеплителя (плиты минваты толщиной 0.10 м) и деревянного пола чердака (дерево и фанера с общей шириной 0.05 м): Rп = 0.025 / 0.18 + 0.1 / 0.037 + 0.05 / 0.18 = 3.12. Для окон значение берется из паспорта двухкамерного стеклопакета: Rо = 0.50. Для стены, построенной как в предыдущем примере: Rс = 3.65.
- Qп = 12 × 40 / 3.12 = 154 Вт. Qо = 3 × 40 / 0.50 = 240 Вт. Qс = 29.4 × 40 / 3.65 = 322 Вт.
- Общие теплоотдачи модельной комнаты через ограждающие конструкции Q = Qп + Qо + Qс = 716 Вт.
Вычисление по приведенным формулам предоставляет хорошее приближение при условии соответствия материала заявленным теплопроводным чертам и отсутствии ошибок, которые могут быть допущены в процессе строительства. Также возможной проблемой является старение материалов и конструкции дома в целом.
Типовая геометрия стенок и крыш
Линейные параметры (длина и высота) конструкции при определении теплопотерь следует брать внутренние, а не наружные. То есть при расчете теплоотдачи через материал учитывают площадь соприкосновения теплого, а не холодного воздуха.
При расчете внутреннего периметра нужно учитывать и толщину межкомнатных перегородок. Удобнее всего это сделать по плану дома, который обычно представлен на бумаге с масштабной сетью.
Таким образом, например, при размерах дома 8 × 10 метров и толщине стен 0.3 метра, внутренний периметр Pвнут = (9.4 + 7.4) × 2 = 33.6 м, а наружный Pвнеш = (8 + 10) × 2 = 36 м.
Межэтажное перекрытие обычно имеет толщину от 0.20 до 0.30 м. Поэтому высота двух этажей от пола первого до потолка второго извне составит Hвнеш = 2.7 + 0.2 + 2.7 = 5.6 м. Если же считать только чистовую высоту, то получится меньший показатель: Hвнут = 2.7 + 2.7 = 5.4 м. Межэтажное перекрытие, в отличие от стен, не делает функции утепления, поэтому для расчетов следует использовать Hвнеш.
Для двухэтажных домов площадью около 200 м2 разница меж площадью стен внутри и снаружи составляет от 6 до 9%. Аналогично по внутренним размерам учитываются геометрические характеристики крыши и перекрытий.
Расчет площади стен для простых по геометрии коттеджей не представляет сложности, так как их фрагменты состоят из прямоугольных участков и фронтонов чердачных и мансардных помещений.
Фронтоны мансард и чердаков в большинстве случаев имеют форму треугольника или симметричного пятиугольника. Высчитать их площадь довольно просто.
При расчете теплопотерь через крышу чаще всего достаточно применять формулы для нахождения площадей треугольника, прямоугольника и трапеции.
Более распространенные формы крыш частных домов. Измеряя их параметры, необходимо помнить, что в расчеты подставляют внутренние размеры (без карнизных свесов).
Площадь уложенной кровли нельзя использовать для определения теплопотерь, так как она включает свесы, которые не учитываются в формуле. За исключением того, часто материал (например, толь или профилированный оцинкованный лист) размещают с небольшим перехлестом.
Время от времени может показаться, что рассчитать площадь крыши довольно сложно. Однако внутри дома геометрия утепленного огораживания верхнего этажа может быть гораздо проще.
Прямоугольная форма окон также не вызывает затруднений при расчетах. Если же стеклопакеты имеют сложную форму, их площадь можно просто узнать из паспорта изделия, не вычисляя самостоятельно.
Теплопотери через пол и фундамент
Вычисление теплопотерь в грунт через пол нижнего этажа, как и буквально через стены и пол подвала, производится по правилам, указанным в Приложении «E» СП 50.13330.2012. Дело в том, что скорость распространения тепла в земле существенно ниже, чем в атмосфере, поэтому грунты можно условно считать утеплительным материалом.
Однако, поскольку грунт может вымерзать, пол делится на 4 зоны. Ширина первых трех зон составляет 2 метра, а в четвертую зону включают оставшуюся часть.
Зоны теплопотерь пола и цокольного этажа повторяют форму периметра фундамента. Главные теплопотери будут происходить через зону №1.
Для каждой зоны определяют коэффициент сопротивления теплопередаче, который добавляет грунт:
Если полы утеплены, то для нахождения общего коэффициента теплового сопротивления складывают значения утеплителя и грунта.
Пример. Рассмотрим дом с внешними размерами 10 × 8 м и толщиной стенок 0.3 метра, имеющий цокольный этаж глубиной 2.7 метра. Его потолок располагается на уровне земли. Нужно рассчитать теплопотери в грунт при внутренней температуре «+25 °С», а наружной – «–15 °С».
Пусть стены выполнены из ФБС-блоков, шириной 40 см (λф = 1.69). Изнутри они обшиты доской толщиной 4 см (λд = 0.18). Пол подвала залит керамзитобетоном, толщиной 12 см (λк = 0.70). Тогда коэффициент теплового сопротивления стен цоколя: Rс = 0.4 / 1.69 + 0.04 / 0.18 = 0.46, а пола Rп = 0.12 / 0.70 = 0.17.
Внутренние размеры дома составят 9.4 × 7.4 метра.
Схема разделения подвала на зоны для решаемой задачки. Вычисление площадей при такой простой геометрии сводится к определению сторон прямоугольников и их умножению.
Вычислим площади и коэффициенты сопротивления теплопередаче по зонам:
Теплопотери цокольного этажа Q = (S1 / Rз1 + S2c / Rз2с + S2п / Rз2п + S3 / Rз3 + S4 / Rз4) × dT = (26.25 + 4.94 + 8.26 + 3.47 + 0.16) × 40 = 1723 Вт.
Учет неотапливаемых помещений
Нередко при расчете теплопотерь возникает ситуация, когда в доме имеется неотапливаемое, но утепленное помещение. В таком случае передача энергии происходит в два шага. Рассмотрим этот случай на примере чердака.
В утепленном, но не обогреваемом чердачном помещении, в холодный период устанавливается температура выше, чем на улице. Это происходит из-за передачи тепла буквально через межэтажное перекрытие.
Основная проблема заключается в том, что площадь перекрытия между чердаком и верхним этажом отличается от площади крыши и фронтонов. В этом случае нужно воспользоваться условием баланса теплопередачи Q1 = Q2.
Его также можно записать следующим образом:
K1 × (T1 – T#) = K2 × (T# – T2),
где:
Из равенства теплопередачи определяем температуру, которая установится в прохладном помещении, зная значения в доме и на улице. T# = (K1 × T1 + K2 × T2) / (K1 + K2). После этого подставим значение в формулу и найдем теплоотдачи.
Пример. Пусть внутренний размер дома составляет 8 х 10 метров. Угол крыши – 30°. Температура воздуха в помещениях «+25 °С», а снаружи – «–15 °С «.
Коэффициент теплового сопротивления потолка рассчитываем как в примере, приведенном в разделе расчета теплопотерь через ограждающие конструкции: Rп = 3.65. Площадь перекрытия равна 80 м2, потому K1 = 80 / 3.65 = 21.92.
Площадь крыши S1 = (10 × 8) / cos(30) = 92.38. Коэффициент термического сопротивления считается с учетом толщины дерева (обрешетка и отделка – 50 мм) и минваты (10 см): R1 = 2.98.
Площадь окна для фронтона S2 = 1.5. Для обыденного двухкамерного стеклопакета термосопротивление R2 = 0.4. Площадь фронтона рассчитываем по формуле: S3 = 82 × tg(30) / 4 – S2 = 7.74. Коэффициент сопротивления теплопередаче такой же, как и у крыши: R3 = 2.98.
Теплопотеря через окна составляет значительную долю всех теплопотерь. Поэтому в регионах с холодными зимами стоит выбирать «теплые» стеклопакеты.
Рассчитаем коэффициент для крыши (не запамятывая, что количество фронтонов – два):
K2 = S1 / R1 + 2 × (S2 / R2 + S3 / R3) = 92.38 / 2.98 + 2 × (1.5 / 0.4 + 7.74 / 2.98) = 43.69.
Вычислим температуру воздуха в чердачном помещении:
T# = (21.92 × 25 + 43.69 × (–15)) / (21.92 + 43.69) = –1.64 °С.
Подставим полученное значение в любую из формул для расчета теплопотерь (при условии баланса они равны) и получим разыскиваемый результат:
Q1 = K1 × (T1 – T#) = 21.92 × (25 – (–1.64)) = 584 Вт.
Охлаждение через вентиляцию
Систему вентиляции устанавливают для поддержания нормального микроклимата в доме. Это приводит к притоку прохладного воздуха в помещение, что также необходимо учитывать при расчете теплопотерь.
Требования к объему вентиляции указаны в нескольких нормативных документах. При проектировании внутренний системы коттеджа в первую очередь нужно учитывать требования §7 СНиП 41-01-2003 и §4 СанПиН 2.1.2.2645-10.
Так как общепринятой единицей измерения теплопотерь является ватт, теплоемкость воздуха c (кДж / кг ×°С) необходимо привести к размерности «Вт × ч / кг × °С». Для воздуха на уровне моря можно принять значение c = 0.28 Вт × ч / кг ×°С.
Так как объем вентиляции измеряется в кубометрах в час, нужно также знать плотность воздуха q (кг / м3). При нормальном атмосферном давлении и средней влажности это значение можно принять q = 1.30 кг / м3.
Бытовая вентиляционная установка с рекуператором. Заявленный объем, который она пропускает, предоставляется с маленькой погрешностью. Поэтому точно высчитывать плотность и теплоемкость воздуха до сотых долей нет смысла.
Расход энергии на компенсацию теплопотерь в итоге вентиляции можно рассчитать по следующей формуле:
Q = L × q × c × dT = 0.364 × L × dT,
где:
Если холодный воздух поступает в дом напрямую, то:
dT = T1 – T2,
где:
Но для больших объектов в систему вентиляции обычно интегрируют рекуператор (теплообменник). Он позволяет значительно сэкономить энергоресурсы, так как частичный разогрев поступающего воздуха происходит за счет температуры выходящего потока.
Эффективность таких устройств измеряется в их КПД k (%). В этом случае предшествующая формула примет вид:
dT = (T1 – T2) × (1 – k / 100).
Расчет расхода газа
Зная общие теплопотери, можно просто вычислить необходимый расход природного или сжиженного газа для отопления дома площадью 200 м2.
На количество выделяемой энергии, за исключением объема топлива, влияет его теплота сгорания. Для газа этот показатель зависит от влажности и химического состава подаваемой консистенции. Различают высшую (Hh) и низшую (Hl) теплотворность.
Низшая теплота сгорания у пропана ниже, чем у бутана. Поэтому, чтобы точно найти теплотворность сжиженного газа, необходимо знать процентное соотношение этих компонентов в подаваемой к котлу консистенции.
Чтобы вычислить объем топлива, которого будет достаточно для отопления, в формулу подставляют значение низшей теплотворности, которое можно просто узнать у поставщика газа. Стандартная единица измерения теплотворности – «мДж / м3» или «мДж / кг». Однако так как единицы измерения мощности котлов и теплопотерь работают с ваттами, а не джоулями, нужно провести преобразование, учитывая, что 1 мДж = 278 Вт × ч.
Если значение низшей теплотворности смеси неизвестно, допустимо использовать последующие усредненные данные:
Еще один важный показатель для расчетов – КПД котла K. Обычно он измеряется в процентах. Окончательная формула расхода газа за период времени E (ч) имеет последующий вид:
V = Q × E / (Hl × K / 100).
Период, когда включается централизованное отопление в домах, определяется по среднесуточной температуре воздуха.
Если на протяжении последних 5-ти дней она не превышает «+ 8 °С», то согласно Постановлению Правительства РФ № 307 от 13.05.2006, подача тепла в дом должна быть обеспечена. Для личных домов с автономным отоплением также пользуются этими значениями при расчете потребления топлива.
Точные данные о кол-ве дней с температурой не выше «+ 8 °С» для региона, где расположен коттедж, можно узнать в местном отделении Гидрометцентра.
Если дом находится вблизи к крупному населенному пункту, проще воспользоваться таблицей 1. СНиП 23-01-99 (столбец № 11). Умножив это значение на 24 (часа в 24 часа), мы получим параметр E из уравнения расчета расхода газа.
По климатическим данным из таблицы 1 СНиП 23-01-99 строительные организации проводят расчеты для определения теплопотерь построек.
Если объем притока воздуха и температура в помещениях будут постоянными (или с небольшими колебаниями), то теплопотери как буквально через ограждающие конструкции, так и из-за вентиляции будут прямо пропорциональны температуре наружного воздуха.
Таким образом, за параметр T2 в расчетах теплопотерь можно взять значение из столбца № 12 таблицы 1 СНиП 23-01-99.
Пример для коттеджа на 200 м2
Рассчитаем расход газа для коттеджа, размещенного вблизи г. Ростов-на-Дону. Продолжительность отопительного периода: E = 171 × 24 = 4104 ч. Средняя температура на улице T2 = – 0.6 °С. Желательная температура в доме: T1 = 24 °С.
