Пример теплового расчета

для частного дома из СИП панелей 

 (или что Вы получите за свои деньги и зачем Вам это нужно)

 

 Тепловой расчет, или расчет теплопотерь - это основа как для дальнейшего проектирования инженерных систем здания, так и для принятия решения по некоторым архитектурным и конструктивным узлам, еще на самой ранней стадии проектирования.

На данном примере я покажу, какие исходные данные нужны для расчета теплопотерь, основные этапы выполнения расчета и некоторые важные особенности, назначение и дальнейшее применение результатов теплового расчета.

 

Исходные данные и актуальные задачи

Итак, у нас имеется двухэтажный сип-панельный дом общей площадью 125м². Есть подробные конструктивные чертежи с габаритными размерами помещений, окон, дверей, высотой этажей, и т.п. Стены дома выполнены из СИП панелей 174мм. На внешней поверхности стен выполнена тепло-звуко изоляция минеральной ватой толщиной 50мм. С внутренней стороны, все наружные стены имеют покрытие из фольгированного-пенополиуритана 5мм. Решение по отделки окончательно не принято, поэтому в ходе расчетов слой чистовой отделки не учитывается, но учитывается, что ее наличие в будущем только улучшит тепловые характеристики помещений.  С наружи дом закрыт вентилируемым фасадом, с зазором между минеральной ватой 50мм.    

 

 Рис.1 Фасад дома

Дом установлен на винтовых сваях, на высоте 500 мм над уровнем грунта, основание пола 1го этажа выполнено из СИП 224мм. Межэтажное и чердачное перекрытие по балкам 50х200мм, утеплено слоем минеральной ваты. Крыша четырехскатная, с неэксплуатируемым холодным чердаком.        

Дом будет использовать круглогодично, но постоянно там будет проживать 1-2 человека, а в выходные и праздничные дни количество людей в доме может увеличивается до 6—8 человек. Таким образом, стоит задача иметь возможность постоянно отапливать помещения первого этажа, а помещения второго этажа обогревать только при необходимости. Для этого перекрытие между этажами выполнено утепленным, и предусмотрена возможность полного изоляции первого этажа от второго.  

                                                        

Рис.2 Планировка 1-го этажа                                  Рис.3 Планировка 2-го этажа          

 На данном этапе строительства требовалось:

• Окончательно выбрать какую систему отопления использовать для данного дома. Предварительно, предпочтение отдается водяной системе отопления с конвекторами, но допускается возможность рассмотреть применение электрических конвекторов.  
• Принять решение относительно того, достаточно ли будет использование электрического котла для круглогодичного отопления дома или же нужно будет позаботится о подключении газа и установки газового котла. 
• Выбрать основное оборудование – установочную мощность котла и марки отопительных приборов.

 

Определение площади ограждающих конструкций и их термического сопротивления

В первую очередь для выполнения теплового расчета нужно вычислить площади всех ограждающих конструкций, для этого необходимо: определить размеры стен, пола, потолка, дверных и оконных проемов, в квадратных метрах [м²].  Стены и перекрытия каркасного и СИП-панельного дома имеют неоднородную конструкцию, в них есть деревянные стойки, которые занимают всю толщину стены, и создают дополнительные мостики холода, влияние этих мостиков достаточно существенное, и им нельзя пренебрегать в расчетах.  Кроме того, выполняя тепловые расчеты я лишний раз убедился, что наличие на внутренней стене даже 5мм слоя подложки из вспененного полиуретана существенно снижает теплопотери через мостики холода, поэтому как теплотехник могу уверенно рекомендовать эту опцию при внутренней отделки СИП-домов.       

Далее для каждой ограждающей конструкции рассчитываются термическое сопротивление R [м^2 оС/Вт], для этой цели можно даже использовать он-лайн расчеты в интернете [гипер ссылка на сайт], и по справочным таблицам определяются коэффициенты теплоотдачи для внутренних и наружных поверхностей. Термическое сопротивление является очень наглядной характеристикой ограждающих конструкций здания, чем больше его значении, тем лучше теплоизоляция и соответственно тем меньше будут теплопотери дома.

По данным производителей, для установленных в доме окон термическое сопротивление Rокна=0,67[м^2 оС/Вт], а для входной уличной утепленной двери Rдвери =1,04[м^2 оС/Вт]. Кстати, обратите внимание на достаточно высокое термическое сопротивление двери, как показала дальнейшая эксплуатация дома, одной такой двери оказывается вполне достаточно, для того чтобы она не промерзала и не покрывалась инеем изнутри даже при температуре на улице -30^оС. Изначально, в прихожей планировалось установка двух дверей именно по соображению тепло- эффективности, но в процессе эксплуатации дома, выяснилось, что вторая дверь если и нужна, то только для эстетической функции.   

 

Выбор расчетных температур воздуха

Следующий важный параметр, который нужно задать при расчете теплопотерь – расчетные значения температуры наружного и внутреннего воздуха. Согласно нормам, расчетное значение температуры внутреннего воздуха для жилого дома зимой может быть +18^оС, но очень вероятно, что Вам будет не совсем комфортно, холодной зимой приходить в дом, температура в котором будет всего +18^оС, поверьте это достаточно холодно.  Но что делать, если Ваша система спроектирована только по ГОСТам и СНиПам, холодной январской ночью претензии предъявить будет некому. Поэтому для внутренней расчетной температуру воздуха я бы рекомендовал принять +22^оС, а для себя и своих друзей не менее +24^оС.  Да, возможно в этом случае система отопления будет на пару процентов дороже, но, когда результат «оптимизации» Вам не понравится, просто доплатить к готовой системе отопления эти два процента уже не получится.  

Теперь нужно выбрать расчетную температуру для наружного воздуха. Традиционно в отечественной практике проектирования для расчетов отопления принимается средняя температура наиболее холодной пятидневки, или температура по «параметрам Б». Я полностью согласен с данной практикой, и рекомендую ей следовать без сомнений. Однако, температура наиболее холодной пятидневки - это статистическая величина, и на моей памяти она уже была -26^оС, потом -28^оС, потом опять -26^оС.  Дало в том, что чем выше будет эта температура, тем дешевле будут капитальные затраты на системы отопления в целом по стране. Но «частный дом» и «в целом по стране» это два разных понятия, хотя СНиП один. Поэтому не сомневайтесь, и для Москвы и области принимайте расчетную температуру наружного воздуха -28^оС.    

 

А еще можно услышать такое мнение, особенно на стадии тендера и выбора поставщика и подрядчика, что холодная пятидневка - это всего 5 дней, мол давайте рассчитывать на среднюю температуру в январе, а это уже все -10^оС, и можно будет прилично сэкономить, хотя после некоторых раздумий добавляют, что -10^оС, это все же маловато, а вот -20^оС, точно достаточно.  Ни, что можно на это сказать…, в кирпичном доме, стены которого прогреваются и потом остывают две недели, возможно такой подход и будет хоть как-то оправдан, да и конденсат на окнах можно будет потерпеть, но только не в каркасном, не в СИП панельном доме. Современные дома быстро прогреваются и быстро остывают, и поэтому завышать расчетные параметры наружного воздуха для них очень неправильно. При наружной температуре воздуха -20^оС и выключенном отоплении, среднестатистический сип-панельный дом остынет до 0^оС, за одни сутки, это очень быстро по сравнению с массивным кирпичным домом с кладкой в два кирпича, который будет остывать неделю, не меньше. Таким образом, чем меньше тепловая инерция дома, способность дома аккумулировать тепло, тем точнее должна быть рассчитана система отопления, и тем динамичнее она должна работать в процессе эксплуатации.  

В этой связи добавлю несколько слов относительно вопроса использования воздушных тепловых насосов в качестве основной системы для отопления дома. Дело в том, что воздушные тепловые насосы по-настоящему эффективно работают только при температурах зимнего наружного воздуха до -15^оС -20^оС. Поэтому если у вас массивный каменный дом, и для Вас и Вашей семьи приемлемо периодическое снижение внутренний температуры воздуха до +18^оС и ниже, тепловой насос может будь приемлемым для Вас решением, но не для легкого каркасного или сип-панельного дома.

В результате мы имеем для расчета температуру внутреннего воздуха +24^оС, температуру наружного воздуха -28^оС, и расчетный перепад температур составит 52^оС.  Для сравнения, если бы мы руководствовались минимальными требованиями СНиП, расчетный перепад температур составил бы всего 44^оС (т.е. на 15%! Меньше), конечно система отопления получится дешевле, но реально ощутить целесообразность такой экономии можно будет только долгими зимними вечерами, когда дом будет уже построен и отделан, а жить в нем будет некомфортно. Выбранный для расчета температурный перепад является одной из самых характерных величин, поэтому даже если Вы решите проводить тендер на систему отопления «под-ключ», обязательно поинтересуйтесь, какой температурный был перепад выбран при подборе оборудования и расчете сметы, а лучше задайте его предварительно для всех участников тендера, теперь вы знаете как.  

 

Результаты теплового расчета

Итак, когда у нас есть площади ограждающих конструкций, их термические сопротивления и расчётный перепад температур несложно вычислить расчетные значения теплопотерь для каждого помещения. В данном случае слово «расчётные», означает то, что величины теплопотерь соответствуют расчетному перепаду температур, т.е. если расчетный перепад температур будет меньше, то и расчетные теплопотери будут меньше.     

В данном примере потребовалось выполнить два варианта теплового расчета. В первом случае рассчитывается работа системы отопления только для обогрева первого этажа. При этом считается, что второй этаж будет холодным, и соответственно помещения первого этажа будут иметь дополнительные теплопотери через межэтажное перекрытие. Во втором случае система отопления второго этажа работает, и дополнительных потерь в помещениях первого этажа не будет.  

* примечание, помещение обозначенное на плане 1-го этажа как «Бойлерная + С/У» в процессе строительство было разделено перегородкой на два помещения «Туалет» и «Котельная», что отражено в расчетах.  

 Результаты теплового расчета предоставляются заказчику в виде компактного и информативного отчета, содержащего всю основную информацию. В полном отчете приведена информация по каждой отдельной комнате, что позволяет принимать правильные решения по системе обогрева и выбору отдельных отопительных элементов – а это могут быть как водяные конвекторы и радиаторы, так и водяные теплые полы, или электрические теплые полы и электронагреватели. 

 

Рис.4 Отчет о результатах расчета теплопотерь

 Оценка результатов теплового расчета

Как видно из отчета, расчетные теплопотери всего дома составят 6.8 кВт. Теплопотери 1-го этажа 3.3 кВт и теплопотери второго этажа 3.5 кВт. При этом, в режиме эксплуатации только первого этаж, расчетные теплопотери составят 4.1 кВт. 

В отдельную колонку выделены теплопотери через окна. Согласно архитектурному решению во всех комнатах было предусмотрено несколько больших и светлых окон. Однако, как видно из отчета, даже несмотря на использование энергосберегающих окон с термическим сопротивлением Rокна=0,67[м^2 оС/Вт], в некоторых комнатах тепловые потери через окна составили до 50% от общих тепловых потерь.

Если бы данный тепловой расчет был бы выполнен до того, как началось строительство дома, заказчик предпочел бы скорректировать архитектурное решение, что позволило бы снизить суммарные теплопотери дома на 0,5-0,7 кВт. Кроме того, тепловой расчет так же показывает, что для эксплуатации данного дома в нашем климате хорошим решением были бы теплоизолирующие ставни, использование которых так же позволило бы сократить теплопотери примерно на 1 кВт.

А вот теплоизоляция ограждающих конструкций, стен, пола и потолка для этого дома более чем достаточна, и выполнять дополнительную теплоизоляцию, имея такие большие окна совершенно нецелесообразно.  Но несмотря на полученные результаты, удельные теплопотери дома составляют всего 54Вт на 1 м², это значительно превосходит результаты, которые можно получить на основании действующих строительных норм и позволяет считать дом энергоэффективным. Хотя, конечно, уменьшив площади остекления для данного дома можно было бы достичь показателя в 40 Вт/м² и ниже.        

  

Предварительный выбор оборудования и решений для системы отопления на базе результатов теплового расчета 

Итак, мы получили расчетную тепловую нагрузку на обогрев дома 6.8 кВт, но это не значит, что мощность котла и отопительных приборов нужно выбирать именно на эти цифры. В интернете можно найти много информации о том, как нужно выбирать отопительный котел, и какой лучше выбрать. Я же как консультант только остановлюсь на самых важных деталях.  

Для частного дома нужно решить еще два вопроса. Во-первых, нужно решить, как будет осуществляется подогрев воды на горячее водоснабжение. Подогрев воды ГВС может быть выполнен за счет мощности основного отопительного котла или же отдельно, с помощью отдельных накопительных электронагревателей. В случае использование газового котла, подогрев ГВС как правило делают за счет мощности котла, а вот при наличии электрического водогрейного котла или электроотопления, подогрев воды ГВС бывает удобно сделать отдельно.   

Учет работы системы вентиляции

Во-вторых, нужно позаботится о подогреве воздуха для вентиляции дома. Кто-то может сказать: «о какой вентиляции! У меня же совсем небольшой домик, у меня нет никакой вентиляции.» Но дело в том, что вентиляция есть всегда, другой вопрос какая вентиляция, и как она реализована. Это может быть «дышащий дом» с сотней щелей по всем комнатам, это могут быть окна с форточками, это может быть вытяжная вентиляция с естественной тягой и т.д., но вентиляция есть всегда. Если человек находится в замкнутом помещении, в которое не поступает хотя бы 20м³/час, то будет происходить медленное отравление за счет избытка СО, выделяемого при дыхании.

Существует масса рекомендаций к выбору объемов вентилируемого воздуха, выбор системы вентиляции частного дома это тема для отдельной консультации [гиперссылка на раздел К ], поэтому приведу здесь самое «минимальное» и бюджетное решение, для самых экономных.

Итак, в целях максимальной экономии мы принимаем решение, что в помещениях дома в холодную зимнюю погоду будут находится всего два человека. И в теории им достаточно 2х20м³/час = 40 м³/час. Но это в теории, и чтобы просто выжить. На практике же существует масса факторов, которые обуславливают необходимость обеспечить хотя бы 60 м³/час на человека. Поэтому в нашем примере предусмотрим возможность подачу 120 м³/час свежего воздуха в любом режиме эксплуатации. Неважно как будет поступать этот воздух – допустим через форточку, важно то, что его также нужно подогреть от уличной температуры -28^оС до комнатной температуры +24^оС. И этот подогрев будет происходить за счет дополнительной нагрузки на систему отопления дома, т.е. за счет комнатных конвекторов и за счет основного котла отопления, поэтому их мощность требуется несколько увеличить. Для подогрева 120 м³/час свежего воздуха от -28 ^оС до +24^оС требуется порядка 2 кВт тепловой мощности. Вот так! Требуемая мощность на покрытие теплопотерь всего дома 6,8 кВт, а на полноценный подогрев 120 м³/час свежего воздуха, нужно еще 2 кВт. Итого 8,8 кВт, именно такой минимальной мощности нужен котел, и это без учета ГВС, но зато в этом случае в доме будет тепло, уютно и не душно даже самой холодной зимой. Дополнительную нагрузку так же нужно учесть при выборе отопительных приборов, как вариант ее можно распределить пропорционально между всеми помещениями дома. При выборе конкретных моделей водяных отопительных приборов необходимо учесть, какая температура воды будет использоваться в системе, и какая жидкость будет использоваться – обыкновенная вода или незамерзающая жидкость.                 

Для дома, приведенного в качестве примера, на базе теплового расчета были приняты следующие решения. Для обогрева туалета первого этажа используется электрический теплый пол, максимальной мощностью 100 Вт. Для круглогодичного обогрева первого этажа выбрана водяная система отопления с электрическим котлом, работающая на незамерзающей жидкости. Система ГВС выполнена отдельно, мощность котла должна быть 4,1 кВт + 2 кВт на вентиляцию. Вполне достаточно электрического котла мощностью 6 кВт, при этом есть понимание, что в случае выбора мощности котла с округлением в меньшую сторону, как в данном примере, в самые холодные дни в помещениях дома будет не +24^оС, а несколько ниже, например, +21^оС … +22^оС, но это допустимо для заказчика.  Для обогрева второго этажа во время эксплуатации предусматриваются электрические конвекторы, мощность которых выбирается на основании теплового расчета, с округлением в сторону большего типоразмера, что необходимо для подогрева вентиляционного воздуха.   

  

Оценка годовых затрат на отопление дома

Достоверные данные по среднемесячной температуре воздуха можно найти на различных интернет-сайтах, например тут.

Для оценки годовых затрат на отопление можно предложить несколько вариантов расчета, по среднесуточной температуре за месяц и по количеству часов стояния температуры за год. Второй вариант будет более точным, хотя он и несколько сложнее для понимания. Следует также учесть, что в данном упрощенном расчете не учитываются солнечные дни, когда затраты на отопление будут значительно ниже, особенно у домов с большой площадью остекления, за счет поступления тепла солнечной радиации. На выбор оборудования и системы отопления в нашей климатической зоне редкие солнечные дни не оказывают существенного влияния, поэтому можно считать эту погрешность приятным бонусом в статье затрат на эксплуатацию.    

Рис.5 Оценка годовых затрат на отопление

 

Пример оценки ежемесячных затрат на систему отопления по среднемесячным показателям наружной температуры воздуха приведен на рисунке. В данном примере рассмотрен вариант круглогодичной эксплуатации первого этажа жилого дома, а также выполнены два варианта оценки – для комфортного варианта и экономичного варианта эксплуатации. Как видно из расчетов, при комфортная эксплуатация системы обойдется примерно в 90 т.р. в год, в то время как экономичный вариант, при котором в помещениях поддерживается температура +18^оС, потребует 65 т.р. руб. в год.  Аналогичный расчета может быть сделан и для случая с использованием газового котла. Но в любом случае, рушение о том, какой котел использовать – газовый или электрический следует принимать с учетом того, что реальная стоимость подключения газа в московской области находится на уровне 500 000 рублей, кроме того нужно предусмотреть 10-12 тысяч на ежегодные проверки оборудования со стороны газовых служб.       

 

Заключение

В данной статье показано как выполняется тепловой расчет, для чего он нужен и как могут быть использованы его результаты:

• Тепловой расчет может оказаться очень полезен уже на этапе разработки архитектурного проекта дома, выборе типа окон, материала утеплителя для стен и перекрытий и т.п.
• Тепловой расчет необходим для обоснованного выбора концепции системы отопления.
• Тепловой расчет позволяет произвести предварительный выбор оборудования и оценить бюджет системы отопления еще до выполнения рабочего проектирования.
• Тепловой расчет позволяет оценить ежегодные затраты на отопление дома.

 Что касается дальнейшего проектирования и необходимости выполнять рабочий проект, то мое мнение такого, что рабочий проект все-таки нужен для более-менее крупной системы, со большим количеством гидравлических контуров, дополнительных насосов, совмещенной системы ГВС, и т.п., однако система отопления для небольшого объекта вполне может быть сделана на базе эскизного проекта с размещением оборудования и базового теплового расчета, приведенного в данной статье. А вот что действительно пригодится в процессе эксплуатации частного – это исполнительская документация с подробной спецификацией оборудования и материалов, актуальных мест размещения оборудования и фактических линий расположения трубопроводов и электрики, не забывайте запросить исполнительную документацию у вашего подрядчика, даже если это потребует дополнительных затрат, они окупятся в процессе эксплуатации, обслуживания и текущего ремонта.