Tepelný výpočet topného systému: jak správně provést výpočet zatížení systému

Projektování a tepelný výpočet topného systému – povinná etapa při zařizování vytápění domu. Hlavním úkolem výpočetních opatření – stanovení optimálních parametrů kotle a soustavy radiátorů.

Souhlasíte, na první pohled se může zdát, že provedení tepelně technického výpočtu je v silách pouze inženýra. Není to však tak složité. Při znalosti postupu je možné provést potřebné výpočty samostatně.

V článku je podrobně popsán postup výpočtu a uvedeny všechny potřebné vzorce. Pro lepší pochopení jsme připravili příklad tepelného výpočtu pro rodinný dům.

Tepelný výpočet vytápění: obecný postup

Klasický tepelný výpočet otopné soustavy představuje souhrnný technický dokument, který zahrnuje povinné postupové standardní metody výpočtů.

Ale před studiem těchto výpočtů základních parametrů je třeba si ujasnit samotný pojem otopné soustavy.

Topný systém je charakterizován nuceným přívodem a samovolným odvodem tepla v místnosti.

Hlavní úkoly výpočtu a projektování topného systému:

• co nejspolehlivěji určit tepelné ztráty;
• určit množství a podmínky použití teplonosné látky;
• co nejpřesněji vybrat prvky generace, přenosu a předávání tepla.

Při stavbě systému vytápění je nejprve nutné shromáždit různé údaje o místnosti/budově, kde bude systém vytápění používán. Poté provést výpočet tepelných parametrů systému a analyzovat výsledky aritmetických operací.

Na základě získaných údajů se vybírají komponenty systému vytápění s následným nákupem, instalací a uvedením do provozu.

Vytápění – je vícekomponentní systém zajišťující schválený teplotní režim v místnosti/budově. Představuje samostatnou část komplexu komunikací moderní obytné místnosti.

Je pozoruhodné, že uvedená metodika tepelného výpočtu umožňuje poměrně přesně vypočítat velké množství veličin, které konkrétně popisují budoucí systém vytápění.

Výsledkem tepelného výpočtu bude k dispozici následující informace:

• počet tepelných ztrát, výkon kotle;
• množství a typ tepelných radiátorů pro každou místnost zvlášť;
• hydraulické charakteristiky potrubí;
• objem, rychlost teplonosné látky, výkon tepelného čerpadla.

Tepelný výpočet – to nejsou teoretické nákresy, ale zcela přesné a odůvodněné výsledky, které se doporučuje používat v praxi při výběru komponentů systému vytápění.

Normy teplotních režimů místností

Před prováděním jakýchkoli výpočtů parametrů systému je nutné znát alespoň řád očekávaných výsledků a mít k dispozici standardizované charakteristiky některých tabulkových veličin, které je třeba dosazovat do vzorců nebo se jimi řídit.

Po provedení výpočtů parametrů s takovými konstantami lze mít jistotu ve spolehlivost hledaného dynamického nebo konstantního parametru systému.

Pro místnosti různého účelu existují referenční normy teplotních režimů obytných a neobytných místností. Tyto normy jsou zakotveny v tzv. normách GOST.

Pro systém vytápění je jedním z takových globálních parametrů teplota místnosti, která musí být konstantní bez ohledu na roční období a podmínky prostředí.

Podle předpisu hygienických norem a pravidel existují rozdíly v teplotě vzhledem k letnímu a zimnímu období roku. Za teplotní režim místnosti v letní sezóně odpovídá klimatizační systém, princip jeho výpočtu je podrobně popsán v tomto článku.

Avšak pokojová teplota vzduchu v zimním období je zajišťována systémem vytápění. Proto nás zajímají rozsahy teplot a jejich tolerance odchylek pro zimní sezónu.

Většina normativních dokumentů uvádí následující teplotní rozsahy, které umožňují člověku pohodlný pobyt v místnosti.

Pro nebytové prostory kancelářského typu o ploše do 100 m²:

• 22-24°C – optimální teplota vzduchu;
• 1°C – přípustné kolísání.

Pro kancelářské prostory o ploše nad 100 m² je teplota 21-23°C. U nebytových prostor průmyslového typu se teplotní rozsahy výrazně liší v závislosti na účelu místnosti a platných normách ochrany práce.

Teplota pohodlí v místnosti je pro každého “vlastní”. Někdo má rád, když je v místnosti velmi teplo, jinému vyhovuje chladno – to je vše dosti individuální.

Co se týče obytných prostor: bytů, rodinných domů, usedlostí atd., existují určité teplotní rozsahy, které lze upravit podle přání obyvatel.

A přesto pro konkrétní místnosti bytu a domu máme:

• 20-22°C – obytná místnost včetně dětského pokoje, tolerance ±2°C –
• 19-21°C – kuchyně, toaleta, tolerance ±2°C;
• 24-26°C – koupelna, sprcha, bazén, tolerance ±1°C;
• 16-18°C – chodby, předsíně, schodiště, komory, tolerance +3°C

Je důležité poznamenat, že existuje několik dalších základních parametrů, které ovlivňují teplotu v místnosti a na které je třeba se zaměřit při výpočtu topného systému: vlhkost (40-60%), koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého ve vzduchu (250:1), rychlost pohybu vzdušných hmot (0,13-0,25 m/s) apod.

Výpočet tepelných ztrát v domě

Podle druhého zákona termodynamiky (školní fyzika) neexistuje samovolný přenos energie z méně zahřátých na více zahřáté mini- nebo makroobjekty. Zvláštním případem tohoto zákona je “snaha” o vytvoření teplotní rovnováhy mezi dvěma termodynamickými systémy.

Například, první systém – životní prostředí s teplotou -20°C, druhý systém – budova s vnitřní teplotou +20°C. Podle uvedeného zákona se tyto dva systémy budou snažit vyrovnat prostřednictvím výměny energie. K tomu dojde pomocí tepelných ztrát z druhého systému a ochlazování v prvním.

Lze jednoznačně říci, že teplota životního prostředí závisí na zeměpisné šířce, na níž se rodinný dům nachází. A rozdíl teplot ovlivňuje množství úniků tepla z budovy (+).

Tepelnými ztrátami se rozumí nechtěný únik tepla (energie) z určitého objektu (domu, bytu). U běžného bytu není tento proces tak “patrný” ve srovnání s rodinným domem, protože byt se nachází uvnitř budovy a “sousedí” s ostatními byty.

V rodinném domě přes vnější stěny, podlahu, střechu, okna a dveře v různé míře “uniká” teplo.

Pokud známe velikost tepelných ztrát pro nejnepříznivější povětrnostní podmínky a charakteristiku těchto podmínek, můžeme s vysokou přesností vypočítat výkon topného systému.

Objem úniků tepla z budovy se tedy vypočítá podle následujícího vzorce:

Q=Q_podlaha+Q_stěna+Q_okno+Q_střecha+Q_dveře+…+Q_i, kde

Qi – objem tepelných ztrát od homogenního typu obálky budovy.

Každá složka vzorce se vypočítá podle vzorce:

Q=S*∆T/R, kde

• Q – tepelné úniky, W;
• S – plocha konkrétního typu konstrukce, m²;
• ∆T – rozdíl teplot okolního vzduchu a vnitřního prostoru, °C;
• R – tepelný odpor určitého typu konstrukce, m²*°C/W.

Samotnou hodnotu tepelného odporu pro skutečně existující materiály doporučujeme přebírat z pomocných tabulek.

Kromě toho lze tepelný odpor získat pomocí následujícího vztahu:

R=d/k, kde

• R – tepelný odpor, (m²*K)/W;
• k – součinitel tepelné vodivosti materiálu, W/(m²*K);
• d – tloušťka tohoto materiálu, m.

Ve starých domech s promočenou střešní konstrukcí dochází k únikům tepla horní částí stavby, konkrétně střechou a půdou. Provedením opatření zateplení stropu nebo tepelná izolace mansardové střechy tento problém řeší.

Pokud zateplíme půdní prostor a střechu, celkové tepelné ztráty domu lze výrazně snížit.

V domě existuje několik dalších druhů tepelných ztrát skrz štěrbiny v konstrukcích, ventilační systém, kuchyňskou digestoř, otevírání oken a dveří. Nemá však smysl je zohledňovat, protože tvoří ne více než 5 % z celkového počtu hlavních úniků tepla.

Stanovení výkonu kotle

Pro udržení rozdílu teplot mezi okolním prostředím a teplotou uvnitř domu je zapotřebí autonomní topný systém, který udržuje požadovanou teplotu v každé místnosti rodinného domu.

Základem topného systému jsou různé druhy kotlů: kotle na kapalná nebo tuhá paliva, elektrické nebo plynové.

Kotel je ústřední uzel topného systému, který generuje teplo. Hlavní charakteristikou kotle je jeho výkon, konkrétně rychlost přeměny množství tepla za jednotku času.

Provedením výpočtů tepelné zátěže na vytápění získáme požadovaný jmenovitý výkon kotle.

Pro běžný vícepokojový byt se výkon kotle vypočítá přes plochu a měrný výkon:

P_kotle = (S_místnosti * P_měrná) / 10, kde

• S_místnosti – celková plocha vytápěné místnosti;
• P_měrná – měrný výkon vzhledem ke klimatickým podmínkám.

Tento vzorec však nezohledňuje tepelné ztráty, kterých je v rodinném domě dostatek.

Existuje jiný vztah, který tento parametr zohledňuje:

P_kotle = (Q_ztrát * S) / 100, kde

• P_kotle – výkon kotle;
• Q_ztrát – tepelné ztráty;
• S – vytápěná plocha.

Vypočtený výkon kotle je třeba navýšit. Rezerva je potřebná, pokud se plánuje použití kotle k ohřevu vody pro koupelnu a kuchyň.

U většiny topných systémů rodinných domů se doporučuje používat expanzní nádobu, ve které bude uložena zásoba topného média. Každý rodinný dům potřebuje zásobování teplou vodou.

Aby se zajistila rezerva výkonu kotle, je třeba do posledního vzorce přidat koeficient rezervy K:

P_kotle = (Q_ztrát * S * K) / 100, kde

K – bude roven 1,25, to znamená, že vypočtený výkon kotle bude zvýšen o 25 %.

Výkon kotle tedy umožňuje udržovat normovou teplotu vzduchu v místnostech budovy a také mít počáteční a dodatečný objem teplé vody v domě.

Zvláštnosti výběru radiátorů

Standardními komponenty zajištění tepla v místnosti jsou radiátory, panely, systémy „podlahové vytápění“, konvektory atd. Nejrozšířenějšími součástmi topného systému jsou radiátory.

Tepelný radiátor je speciální dutá konstrukce modulárního typu ze slitiny s vysokým odvodem tepla. Vyrábí se z oceli, hliníku, litiny, keramiky a dalších slitin. Princip činnosti topného radiátoru spočívá ve vyzařování energie z topného média do prostoru místnosti prostřednictvím „lopatek“.

Hliníkový a bimetalový topný radiátor nahradil masivní litinové radiátory. Jednoduchost výroby, vysoký odvod tepla, úspěšný design a konstrukce učinily tento výrobek populárním a rozšířeným nástrojem pro vyzařování tepla v místnosti.

Existuje několik metod výpočtu topných radiátorů v místnosti. Níže uvedený seznam způsobů je seřazen v pořadí zvyšující se přesnosti výpočtů.

Možnosti výpočtů:

1. Podle plochy. N=(S*100)/C, kde N – počet sekcí, S – plocha místnosti (m²), C – tepelný výkon jedné sekce radiátoru (W, převzato z technického listu nebo certifikátu výrobku), 100 W – množství tepelného toku potřebného k ohřevu 1 m² (empirická hodnota). Vyvstává otázka: jakým způsobem zohlednit výšku stropu místnosti?
2. Podle objemu. N=(S*H*41)/C, kde N, S, C – obdobně. H – výška místnosti, 41 W – množství tepelného toku potřebného k ohřevu 1 m³ (empirická hodnota).
3. Podle koeficientů. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, kde N, S, C a 100 – obdobně. k1 – zohlednění počtu komor v izolačním dvojsklu okna místnosti, k2 – tepelná izolace stěn, k3 – poměr plochy oken k ploše místnosti, k4 – průměrná mínusová teplota v nejchladnějším zimním týdnu, k5 – počet vnějších stěn místnosti (které vedou ven), k6 – typ místnosti nad touto místností, k7 – výška stropu.

Toto je maximálně přesná varianta výpočtu počtu sekcí. Samozřejmě, že zaokrouhlování desetinných výsledků výpočtů se vždy provádí k následujícímu celému číslu.

Hydraulický výpočet vodovodu

Bezpochyby „obraz“ výpočtu tepla pro vytápění nemůže být úplný bez výpočtu takových charakteristik, jako je objem a rychlost teplonosné látky. Ve většině případů je teplonosnou látkou běžná voda v kapalném nebo plynném skupenství.

Skutečný objem teplonosné látky se doporučuje vypočítat součtem všech dutin v topném systému. Při použití jednookruhového kotle – to je optimální varianta. Při použití dvouokruhových kotlů v topném systému je nutné zohlednit spotřebu teplé vody pro hygienické a jiné domácí účely.

Výpočet objemu vody ohřívané dvouokruhovým kotlem pro zajištění obyvatel teplou vodou a ohřev teplonosné látky se provádí sečtením vnitřního objemu topného okruhu a reálných potřeb uživatelů na ohřátou vodu.

Objem teplé vody v otopné soustavě se vypočítá podle vzorce:

W=k*P, kde

• W – objem teplonosné látky;
• P – výkon otopného kotle;
• k – koeficient výkonu (množství litrů na jednotku výkonu, rovná se 13.5, rozsah – 10-15 l).

V konečném důsledku výsledný vzorec vypadá takto:

W = 13.5*P

Rychlost teplonosné látky – závěrečné dynamické hodnocení otopné soustavy, které charakterizuje rychlost cirkulace kapaliny v soustavě.

Tato veličina pomáhá posoudit typ a průměr potrubí:

V=(0.86*P*μ)/∆T, kde

• P – výkon kotle;
• μ – účinnost kotle;
• ∆T – rozdíl teplot mezi přiváděnou vodou a vodou ve vratném okruhu.

Použitím výše uvedených metod hydraulického výpočtu získáte skutečné parametry, které jsou “základem” budoucího topného systému.

Příklad tepelného výpočtu

Jako příklad tepelného výpočtu máme k dispozici běžný 1-podlažní dům se čtyřmi obytnými místnostmi, kuchyní, koupelnou, “zimní zahradou” a pomocnými místnostmi.

Základ z monolitické železobetonové desky (20 cm), vnější stěny – beton (25 cm) s omítkou, střecha – stropy z dřevěných trámů, krytina – plechová taška a minerální vlna (10 cm)

Označíme výchozí parametry domu potřebné pro provedení výpočtů.

Rozměry budovy:

• výška podlaží – 3 m;
• malé okno v přední a zadní části budovy 1470*1420 mm;
• velké okno fasády 2080*1420 mm;
• vstupní dveře 2000*900 mm;
• dveře zadní části (východ na terasu) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Celková šířka stavby 9.5 m², délka 16 m². Vytápěny budou pouze obytné místnosti (4 ks), koupelna a kuchyně.

Pro přesný výpočet tepelných ztrát na stěnách je nutné z plochy vnějších stěn odečíst plochu všech oken a dveří – jedná se o zcela odlišný typ materiálu s vlastním tepelným odporem.

Začínáme výpočtem ploch homogenních materiálů:

• plocha podlahy – 152 m²;
• plocha střechy – 180 m², s ohledem na výšku podkroví 1.3 m a šířku vaznice – 4 m;
• plocha oken – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• plocha dveří – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

Plocha vnějších stěn bude rovna 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Přecházíme k výpočtu tepelných ztrát na každém materiálu:

• Q_podl=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_stř=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_okn=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_dveř=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

A také Q_stěn je ekvivalentní 136.38*40*0.25/0.3=4546. Součet všech tepelných ztrát bude činit 19628.4 W.

Nakonec vypočítáme výkon kotle: P_kotle=Q_ztr*S_{vyt_míst}*K/100=19628.4*(10.4+10.4+13.5+27.9+14.1+7.4)*1.25/100=19628.4*83.7*1.25/100=20536.2=21 kW.

Výpočet počtu sekcí radiátorů provedeme pro jednu z místností. Pro všechny ostatní jsou výpočty obdobné. Například rohová místnost (vlevo, dolní roh schématu) plocha 10.4 m2.

Tedy, N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10.4*1.0*1.0*0.9*1.3*1.2*1.0*1.05)/180=8.5176=9.

Pro tuto místnost je potřeba 9 sekcí topného radiátoru s tepelným výkonem 180 W.

Přecházíme k výpočtu množství teplonosného média v systému – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Tedy, rychlost teplonosného média bude: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

V důsledku toho bude celkový oběh celého objemu teplonosné látky v systému ekvivalentní 2,87krát za hodinu.

Výběr článků o tepelném výpočtu vám pomůže určit přesné parametry prvků topného systému:

1. Výpočet topného systému rodinného domu: pravidla a příklady výpočtu
2. Tepelnětechnický výpočet budovy: specifika a vzorce pro provádění výpočtů + praktické příklady

Závěry a užitečné video k tématu

Jednoduchý výpočet topného systému pro rodinný dům je uveden v následujícím přehledu:

Všechny nuance a obecně uznávané metody výpočtu tepelných ztrát budovy jsou uvedeny níže:

Další varianta výpočtu úniků tepla v typickém rodinném domě:

Toto video pojednává o vlastnostech cirkulace energetického nosiče pro vytápění obydlí:

Tepelný výpočet topného systému má individuální charakter, je nutné jej provádět kvalifikovaně a pečlivě. Čím přesněji budou výpočty provedeny, tím méně budou muset majitelé venkovského domu v průběhu provozu přeplatit.

Máte zkušenosti s prováděním tepelného výpočtu topného systému? Nebo máte dotazy k tématu? Podělte se prosím o svůj názor a zanechte komentáře. Blok zpětné vazby je umístěn níže.