Kolik spotřebuje elektrické energie elektrický kotel: jak provést výpočty před nákupem

Použití elektřiny jako zdroje energie pro vytápění venkovského domu je atraktivní z mnoha důvodů: snadná dostupnost, rozšířenost, ekologičnost. Zároveň však hlavní překážkou používání elektrických kotlů zůstávají poměrně vysoké tarify.

I vy jste přemýšleli o vhodnosti instalace elektrokotle? Pojďme společně zjistit, kolik elektřiny spotřebuje elektrický kotel. K tomu použijeme pravidla pro provádění výpočtů a vzorce, které jsou uvedeny v našem článku.

Výpočty vám pomohou podrobně zjistit, kolik kW elektřiny budete muset měsíčně platit v případě použití elektrokotle k vytápění domu nebo bytu. Získané údaje vám umožní učinit konečné rozhodnutí ohledně koupě / nekoupě kotle.

Způsoby výpočtu výkonu elektrokotle

Lze rozlišit dvě základní metody výpočtu potřebného výkonu elektrického kotle. První je založena na vytápěné ploše, druhá na výpočtu tepelných ztrát obvodovými konstrukcemi.

Výpočet podle první varianty je velmi hrubý, je založen na jediném ukazateli – měrném výkonu. Měrný výkon je uveden v referenčních příručkách a závisí na regionu.

Výpočet podle druhé varianty je složitější, ale zohledňuje mnoho individuálních ukazatelů konkrétní budovy. Úplný tepelnětechnický výpočet budovy – je to poměrně složitý a pracný úkol. Dále bude uveden zjednodušený výpočet, který však má potřebnou přesnost.

Bez ohledu na metodu výpočtu, množství a kvalita shromážděných výchozích údajů přímo ovlivňují správné posouzení požadovaného výkonu elektrokotle.

Při poddimenzovaném výkonu bude zařízení neustále pracovat s maximálním zatížením, aniž by poskytovalo potřebný komfort bydlení. Při předimenzovaném výkonu dochází k neopodstatněně vysoké spotřebě elektrické energie a vysokým nákladům na topné zařízení.

Na rozdíl od jiných druhů paliv je elektrická energie – ekologicky bezpečná, poměrně čistá a jednoduchá varianta, ale je závislá na existenci nepřetržitě fungující elektrické sítě v regionu.

Postup výpočtu výkonu elektrického kotle

Dále podrobně prozkoumáme, jak vypočítat potřebný výkon kotle, aby zařízení plně plnilo svůj úkol vytápění domu.

Etapa #1 – sběr výchozích údajů pro výpočet

Pro provedení výpočtů budou potřeba následující informace o budově:

• S – plocha vytápěné místnosti.
• W_ud – měrný výkon.

Ukazatel měrného výkonu udává, kolik tepelné energie je potřeba na 1 m² za 1 hodinu.

Závisí na místních přírodních podmínkách, lze přijmout následující hodnoty:

• pro centrální část Ruska: 120 – 150 W/m²;
• pro jižní regiony: 70-90 W/m²;
• pro severní regiony: 150-200 W/m².

W_ud – teoretická veličina, která se používá hlavně pro velmi hrubé výpočty, protože neodráží skutečné tepelné ztráty budovy. Nezohledňuje plochu zasklení, počet dveří, materiál vnějších stěn, výšku stropů.

Přesný tepelně technický výpočet se provádí pomocí specializovaných programů s ohledem na mnoho faktorů. Pro naše účely takový výpočet není potřeba, vystačíme si s výpočtem tepelných ztrát vnějších obvodových konstrukcí.

Veličiny, které je třeba použít při výpočtech:

R – odpor prostupu tepla nebo součinitel tepelného odporu. Je to poměr rozdílu teplot na okrajích obvodové konstrukce k tepelnému toku procházejícímu touto konstrukcí. Má rozměr m²×°C/W.

Ve skutečnosti je vše jednoduché – R vyjadřuje schopnost materiálu zadržovat teplo.

Q – veličina udávající množství tepelného toku procházejícího 1 m² povrchu při teplotním rozdílu 1°C za 1 hodinu. To znamená, kolik tepelné energie ztrácí 1 m² obvodové konstrukce za hodinu při teplotním rozdílu 1 stupeň. Má rozměr W/m²×h.

Pro zde uvedené výpočty není rozdíl mezi kelviny a stupni Celsia, protože není důležitá absolutní teplota, ale pouze rozdíl.

Q_obšč – množství tepelného toku procházejícího plochou S obvodové konstrukce za hodinu. Má rozměr W/h.

P – výkon topného kotle. Vypočítá se jako požadovaná maximální hodnota výkonu topného zařízení při maximálním rozdílu teplot venkovního a vnitřního vzduchu. Jinými slovy dostatečný výkon kotle pro vytápění budovy v nejchladnějším období. Má rozměr W/h.

Účinnost – součinitel užitečného účinku topného kotle, bezrozměrná veličina udávající poměr získané energie k vynaložené energii. V dokumentaci zařízení se obvykle uvádí v procentech ze 100, např. 99%. Ve výpočtech se používá hodnota od 1, tj. 0,99.

∆T – ukazuje rozdíl teplot na dvou stranách obvodové konstrukce. Aby bylo jasnější, jak se rozdíl správně vypočítá, podívejte se na příklad. Pokud je venku: -30 °C a uvnitř +22 °C, pak ∆T = 22 – (-30) = 52 °C

Nebo také, ale v kelvinech: ∆T = 293 – 243 = 52 K

To znamená, že rozdíl bude vždy stejný pro stupně Celsia i Kelviny, proto lze pro výpočty použít referenční údaje v kelvinech bez korekcí.

d – tloušťka obvodové konstrukce v metrech.

k – součinitel tepelné vodivosti materiálu obvodové konstrukce, který se přebírá z referenčních příruček nebo SNiP II-3-79 «Stavební tepelná technika» (SNiP – stavební normy a pravidla). Má rozměr W/m×K nebo W/m×°C.

Následující seznam vzorců ukazuje vzájemný vztah veličin:

• R = d / k
• R = ∆T / Q
• Q = ∆T / R
• Q_celk = Q × S
• P = Q_celk / Úč.

U vícevrstvých konstrukcí se tepelný odpor R vypočítá pro každou vrstvu zvlášť a poté se sečte.

Někdy může být výpočet vícevrstvých konstrukcí příliš složitý, například při výpočtu tepelných ztrát okenního dvojskla.

Co je třeba zohlednit při výpočtu tepelného odporu pro okna:

• tloušťku skla;
• počet skel a vzduchových mezer mezi nimi;
• druh plynu mezi skly: inertní nebo vzduch;
• přítomnost tepelně izolačního povlaku okenního skla.

Lze však nalézt hotové hodnoty pro celou konstrukci buď u výrobce, nebo v referenční příručce. Na konci tohoto článku je uvedena tabulka pro dvojskla běžné konstrukce.

Etapa #2 – výpočet tepelných ztrát podlahy suterénu

Samostatně je třeba se zastavit u výpočtu tepelných ztrát podlahou budovy, protože půda poskytuje značný tepelný odpor.

Při výpočtech tepelných ztrát suterénu je třeba vzít v úvahu hloubku zanoření do země. Pokud dům stojí na úrovni terénu, považuje se hloubka zanoření rovna 0.

Podle obecně uznávané metody se plocha podlahy dělí na 4 zóny.

• 1. zóna – ustupuje se 2 m od vnější stěny ke středu podlahy po obvodu. V případě zanoření budovy se ustupuje od úrovně terénu k úrovni podlahy po svislé stěně. Pokud je stěna zanořena do země o 2 m, bude 1. zóna zcela na stěně.
• 2. zóna – ustupuje se 2 m po obvodu směrem ke středu od hranice 1. zóny.
• 3. zóna – ustupuje se o 2 m po obvodu směrem ke středu od hranice 2. zóny.
• 4. zóna – zbývající podlaha.

Pro každou zónu jsou z dosavadní praxe stanoveny své R:

• R1 = 2,1 m²×°C/W;
• R2 = 4,3 m²×°C/W;
• R3 = 8,6 m²×°C/W;
• R4 = 14,2 m²×°C/W.

Uvedené hodnoty R jsou platné pro podlahy bez povrchové úpravy. V případě zateplení se každé R zvyšuje o R izolačního materiálu.

Dodatečně pro podlahy uložené na trámy se R násobí koeficientem 1,18.

Zóna 1 má šířku 2 metry. Pokud je dům zahlouben, je třeba vzít výšku stěn v zemině, odečíst od 2 metrů a zbytek přenést na podlahu.

Etapa #3 – výpočet tepelných ztrát stropu

Nyní lze přistoupit k výpočtům.

Vzorec, který může sloužit k přibližnému odhadu výkonu elektrického kotle:

W=W_měr × S

Úkol: vypočítat potřebný výkon kotle v Moskvě, vytápěná plocha 150 m².

Při provádění výpočtů bereme v úvahu, že Moskva patří do centrálního regionu, tj. W_měr lze uvažovat hodnotu 130 W/m².

W_měr = 130 × 150 = 19500 Wh nebo 19,5 kWh

Tento údaj je natolik nepřesný, že nevyžaduje zohlednění účinnosti topného zařízení.

Nyní určíme tepelné ztráty přes 15 m² plochy stropu zatepleného minerální vatou. Tloušťka vrstvy tepelné izolace 150 mm, teplota venkovního vzduchu -30 °C, uvnitř budovy +22 °C po dobu 3 hodin.

Řešení: v tabulce najdeme součinitel tepelné vodivosti minerální vaty, k=0,036 W/m×°C. Tloušťku d je nutné uvádět v metrech.

Postup výpočtu je následující:

• R = 0,15 / 0,036 = 4,167 m²×°C/W
• ∆T = 22 – (-30) = 52 °C
• Q = 52 / 4,167 = 12,48 W/m²×h
• Q_celk = 12,48 × 15 = 187 Wh.

Vypočítali jsme, že tepelné ztráty stropem v našem příkladu činí 187 * 3 = 561 W.

Pro naše účely je zcela přijatelné zjednodušit výpočty tím, že budeme tepelné ztráty počítat pouze pro vnější konstrukce: stěny a stropy, bez ohledu na vnitřní příčky a dveře.

Kromě toho se lze obejít bez výpočtu tepelných ztrát větráním a kanalizací. Nebudeme brát v úvahu infiltraci a zatížení větrem. Závislost umístění budovy vůči světovým stranám a množství získaného slunečního záření.

Z obecných úvah lze vyvodit jeden závěr. Čím větší je objem budovy, tím menší jsou tepelné ztráty na 1 m². Vysvětlit to lze snadno, protože plocha stěn roste kvadraticky, zatímco objem kubicky. Koule má nejmenší tepelné ztráty.

V obvodových konstrukcích se berou v úvahu pouze uzavřené vzduchové vrstvy. Pokud má váš dům větranou fasádu, pak se taková vzduchová vrstva považuje za neuzavřenou a do výpočtu se nezahrnuje. Nezahrnují se všechny vrstvy, které předcházejí neuzavřené vzduchové vrstvě: fasádní obklady nebo kazety.

Uzavřené vzduchové vrstvy, například v izolačních dvojsklech, se zohledňují.

Všechny stěny domu jsou vnější. Půda není vytápěná, tepelný odpor střešních materiálů se do výpočtu nezahrnuje.

Etapa #4 – výpočet celkových tepelných ztrát chaty

Po teoretické části můžeme přistoupit k praktické.

Jako příklad vypočteme dům:

• rozměry vnějších stěn: 9×10 m;
• výška: 3 m;
• okno s izolačním dvojsklem 1,5×1,5 m: 4 ks;
• dveře dubové 2,1×0,9 m, tloušťka 50 mm;
• podlahy borovicové 28 mm, na extrudovaném polystyrenu tloušťky 30 mm, položené na trámech;
• strop sádrokarton 9 mm, na minerální vatě tloušťky 150 mm;
• materiál stěn: zdění ze 2 vápenopískových cihel, zateplení minerální vatou 50 mm;
• nejchladnější období –30 °C, výpočtová teplota uvnitř budovy 20 °C.

Provedeme přípravné výpočty potřebných ploch. Při výpočtu zón na podlaze uvažujeme nulové zahloubení stěn. Podlahová deska je položena na trámech.

• okna – 9 m²;
• dveře – 1,9 m²;
• stěny, minus okna a dveře – 103,1 m²;
• strop – 90 m²;
• plochy zón podlahy: S1 = 60 m², S2 = 18 m², S3 = 10 m², S4 = 2 m²;
• ΔT = 50 °C.

Dále podle referenčních příruček nebo tabulek uvedených na konci této kapitoly vybereme potřebné hodnoty součinitele tepelné vodivosti pro každý materiál. Doporučujeme se blíže seznámit s součinitelem tepelné vodivosti a jeho hodnotami pro nejoblíbenější stavební materiály.

Pro borovicové desky je třeba brát součinitel tepelné vodivosti podél vláken.

Celý výpočet je poměrně jednoduchý:

Krok č. 1: Výpočet tepelných ztrát nosnými stěnovými konstrukcemi zahrnuje tři úkony.

Vypočítáme součinitel tepelných ztrát stěn z cihelného zdiva: R_cih = d / k = 0,51 / 0,7 = 0,73 m²×°C/W.

Totéž pro izolaci stěn: R_iz = d / k = 0,05 / 0,043 = 1,16 m²×°C/W.

Tepelné ztráty 1 m² vnějších stěn: Q = ΔT/(R_cih + R_iz) = 50 / (0,73 + 1,16) = 26,46 m²×°C/W.

Celkové tepelné ztráty stěn budou: Q_st = Q×S = 26,46 × 103,1 = 2728 W/h.

Krok č. 2: Výpočet ztrát tepelné energie okny: Q_okn = 9 × 50 / 0,32 = 1406 W/h.

Krok č. 3: Výpočet úniků tepelné energie dubovými dveřmi: Q_dv = 1,9 × 50 / 0,23 = 413 W/h.

Krok č. 4: Ztráty tepla horním stropem – strop: Q_strop = 90 × 50 / (0,06 + 4,17) = 1064 W/h.

Krok č. 5: Vypočítáme R_iz pro podlahu rovněž v několika krocích.

Nejprve zjistíme součinitel tepelných ztrát izolace: R_iz = 0,16 + 0,83 = 0,99 m²×°C/W.

Poté přičteme R_iz ke každé zóně:

• R1 = 3,09 m²×°C/W; R2 = 5,29 m²×°C/W;
• R3 = 9,59 m²×°C/W; R4 = 15,19 m²×°C/W.

Krok č. 6: Jelikož je podlaha položena na trámy, násobíme koeficientem 1,18:

R1 = 3,64 m²×°C/W; R2 = 6,24 m²×°C/W;

R3 = 11,32 m²×°C/W; R4 = 17,92 m²×°C/W.

Krok č. 7: Vypočteme Q pro každou zónu:

Q1 = 60 × 50 / 3,64 = 824 W/h;

Q2 = 18 × 50 / 6,24 = 144 W/h;

Q3 = 10 × 50 / 11,32 = 44 W/h;

Q4 = 2 × 50 / 17,92 = 6 W/h.

Krok č. 8: Nyní lze vypočítat Q pro celou podlahu: Q_podlaha = 824 + 144 + 44 + 6 = 1018 W/h.

Krok č. 9: V důsledku námi provedených výpočtů lze označit souhrn celkových tepelných ztrát:

Q_celk = 2728 + 1406 + 413 + 1064 + 1018 = 6629 W/h.

Do výpočtu nebyly zahrnuty tepelné ztráty spojené s kanalizací a větráním. Abychom to příliš nekomplikovali, jednoduše přidáme 5% na uvedené úniky.

Samozřejmě je nutná rezerva, minimálně 10%.

Tedy konečné číslo tepelných ztrát uvedeného příkladového domu bude:

Q_celk = 6629 × 1,15 = 7623 W/h.

Q_celk ukazuje maximální tepelné ztráty domu při rozdílu teplot venkovního a vnitřního vzduchu 50 °C.

Pokud spočítáme podle první zjednodušené varianty pomocí W_měr, pak:

W_měr = 130 × 90 = 11700 W/h.

Je jasné, že druhý způsob výpočtu je sice podstatně složitější, ale dává reálnější číslo pro stavby s izolací. První způsob umožňuje získat zobecněnou hodnotu tepelných ztrát pro stavby s nízkým stupněm tepelné izolace nebo zcela bez ní.

V prvním případě bude kotel muset každou hodinu plně obnovovat ztráty tepelné energie, ke kterým dochází otvory, stropy, stěnami bez izolace.

V druhém případě je třeba topit jen jednou, dokud není dosaženo komfortní teploty. Poté bude kotel muset pouze obnovovat tepelné ztráty, jejichž velikost je výrazně nižší než v prvním případě.

Tabulka 1. Tepelná vodivost různých stavebních materiálů.

V tabulce jsou uvedeny součinitele tepelné vodivosti pro běžné stavební materiály

Tabulka 2. Tloušťka cementové spáry při různých typech zdění.

Při výpočtu tloušťky zdiva se uvažuje tloušťka spáry 10 mm. Kvůli cementovým spárám je tepelná vodivost zdiva o něco vyšší než samostatné cihly.

Tabulka 3. Tepelná vodivost různých typů desek z minerální vaty.

V tabulce jsou uvedeny hodnoty součinitele tepelné vodivosti pro různé minerální vlnité desky. Pro izolaci fasád se používá tuhá deska.

Tabulka 4. Tepelné ztráty oken různých konstrukcí.

Označení v tabulce: Ar – plnění dvojskel inertním plynem, K – vnější sklo má tepelně izolační povlak, tloušťka skla 4 mm, ostatní čísla označují mezeru mezi skly.

7,6 kW/h – to je vypočtený potřebný maximální výkon, který se spotřebuje na vytápění dobře izolované budovy. Elektrokotle však pro svůj provoz také potřebují určitý náboj pro vlastní napájení.

Jak jste si všimli, špatně izolovaný dům nebo byt bude vyžadovat velké náklady na elektřinu pro vytápění. A to platí pro jakýkoli typ kotle. Správná izolace podlahy, stropu a stěn umožňuje výrazně snížit náklady.

Na našich webových stránkách jsou články o metodách izolace a pravidlech výběru tepelně izolačního materiálu. Doporučujeme vám se s nimi seznámit:

• Izolace rodinného domu zvenčí: populární technologie + přehled materiálů
• Izolace podlahy na trámech: materiály pro tepelnou izolaci + schémata izolace
• Zateplení střechy podkroví: podrobný návod na instalaci tepelné izolace v podkroví nízkopodlažního domu
• Druhy izolací pro vnitřní stěny domu: materiály pro zateplení a jejich vlastnosti
• Izolace stropu v soukromém domě: druhy používaných materiálů + jak správně vybrat
• Zateplení balkonu vlastníma rukama: oblíbené varianty a technologie zateplení balkonu zevnitř

Etapa #5 – výpočet nákladů na elektřinu

Pokud zjednodušíme technickou podstatu topného kotle, lze jej nazvat běžným převodníkem elektrické energie na její tepelný analog. Při práci na přeměně také spotřebovává určité množství energie. Tzn. kotel přijímá plnou jednotku elektřiny, ale na vytápění se dostává pouze 0,98 její části.

Pro získání přesného údaje o spotřebě elektřiny zkoumaným elektrickým topným kotlem je třeba jeho výkon (jmenovitý v prvním případě a vypočtený ve druhém) vydělit výrobcem udávanou hodnotou účinnosti.

Průměrná účinnost podobného zařízení je 98%. V důsledku toho bude hodnota spotřeby energie činit například pro vypočtenou variantu:

7,6 / 0,98 = 7,8 kW/h.

Zbývá vynásobit hodnotu místním tarifem. Poté vypočítat celkovou částku nákladů na elektrické vytápění a začít hledat způsoby, jak je snížit.

Například koupit dvoutarifní elektroměr, který umožňuje částečně platit podle nižších “nočních” tarifů. K tomu bude třeba vyměnit starý elektroměr za nový model. Postup a pravidla provedení výměny jsou podrobně popsána zde.

Další způsob, jak snížit náklady po výměně elektroměru – zařadit do topného okruhu tepelný akumulátor, aby se ukládala levná energie v noci a čerpala se ve dne.

Etapa #6 – výpočet sezónních nákladů na vytápění

Nyní, když jste si osvojili metodiku výpočtu budoucích tepelných ztrát, snadno budete moci odhadnout náklady na vytápění během celého topného období.

Podle SNiP 23-01-99 «Stavební klimatologie» ve sloupcích 13 a 14 najdeme pro Moskvu dobu trvání období s průměrnou teplotou pod 10 °C.

Pro Moskvu trvá takové období 231 dní a má průměrnou teplotu -2,2 °C. Pro výpočet Q_celk pro ΔT=22,2 °C není nutné provádět celý výpočet znovu.

Stačí odvodit Q_celk na 1 °C:

Q_celk = 7623 / 50 = 152,46 W/h

Odpovídajícím způsobem pro ΔT= 22,2 °C:

Q_celkem = 152,46 × 22,2 = 3385 W/h

Pro zjištění spotřebované elektřiny vynásobte topným obdobím:

Q = 3385 × 231 × 24 × 1,05 = 18766440 W = 18766 kW

Uvedený výpočet je zajímavý také tím, že umožňuje provést analýzu celé konstrukce domu z hlediska účinnosti použití izolace.

Probrali jsme zjednodušenou verzi výpočtů. Doporučujeme vám také se seznámit s úplným tepelným výpočtem budovy.

Závěry a užitečné video k tématu

Jak se vyhnout tepelným ztrátám přes základy:

Jak vypočítat tepelné ztráty online:

Použití elektrokotlů jako hlavního topného zařízení je velmi omezeno možnostmi elektrických sítí a cenou elektřiny.

Avšak jako doplňkový, například k kotli na tuhá paliva, mohou být velmi účinné a užitečné. Jsou schopny výrazně zkrátit dobu ohřevu topného systému nebo být použity jako hlavní kotel při nepříliš nízkých teplotách.

Používáte elektrický kotel pro vytápění? Řekněte nám, jakou metodou jste vypočítali potřebný výkon pro váš dům. Nebo si snad jen chcete koupit elektrokotel a máte otázky? Zeptejte se v komentářích k článku – pokusíme se vám pomoci.