Výpočet topného systému rodinného domu: pravidla a příklady výpočtu

Vytápění rodinného domu je nezbytným prvkem komfortního bydlení. Souhlasíte, že k zařízení topného systému je třeba přistupovat pečlivě, protože chyby budou drahé. Ale nikdy jste se podobnými výpočty nezabývali a nevíte, jak je správně provádět?

Pomůžeme vám – v našem článku podrobně probereme, jak se provádí výpočet topného systému rodinného domu pro efektivní doplnění tepelných ztrát v zimních měsících.

Uvedeme konkrétní příklady, doplníme materiál článku názornými fotografiemi a užitečnými video radami, stejně jako aktuálními tabulkami s ukazateli a koeficienty potřebnými pro výpočty.

Tepelné ztráty rodinného domu

Budova ztrácí teplo kvůli rozdílu teplot vzduchu uvnitř a vně domu. Tepelné ztráty jsou tím vyšší, čím větší je plocha obvodových konstrukcí budovy (oken, střechy, stěn, základů).

Také ztráty tepelné energie souvisí s materiály obvodových konstrukcí a jejich rozměry. Například tepelné ztráty tenkých stěn jsou větší než u tlustých.

Efektivní výpočet vytápění pro rodinný dům musí brát v úvahu materiály použité při stavbě obvodových konstrukcí.

Například při stejné tloušťce stěny ze dřeva a cihel vedou teplo s různou intenzitou – tepelné ztráty dřevěnými konstrukcemi jsou pomalejší. Některé materiály propouštějí teplo lépe (kov, cihla, beton), jiné hůře (dřevo, minerální vlna, polystyren).

Atmosféra uvnitř obytné budovy je nepřímo spojena s venkovním vzdušným prostředím. Stěny, okenní a dveřní otvory, střecha a základy v zimě předávají teplo z domu ven a na oplátku přinášejí chlad. Na ně připadá 70–90 % celkových tepelných ztrát domu.

Stěny, střecha, okna a dveře – vše propouští teplo v zimě ven. Termovizní kamera názorně ukáže úniky tepla

Trvalý únik tepelné energie během topné sezóny nastává také ventilací a kanalizací.

Při výpočtu tepelných ztrát stavby pro individuální bydlení se tato data obvykle neberou v úvahu. Ale zahrnutí ztrát tepla kanalizačním a ventilačním systémem do celkového tepelného výpočtu domu je přesto správné řešení.

Výrazně snížit úniky tepla procházející stavebními konstrukcemi, dveřními/okenními otvory dokáže správně navržený systém tepelné izolace.

Provést výpočet autonomního topného okruhu venkovského domu bez posouzení tepelných ztrát jeho obvodových konstrukcí není možné. Přesněji, nepodaří se určit výkon topného kotle dostatečný pro vytápění domu v nejkrutějších mrazech.

Analýza skutečné spotřeby tepelné energie přes stěny umožní porovnat náklady na zařízení kotle a palivo s náklady na tepelnou izolaci obvodových konstrukcí.

Čím je dům energeticky účinnější, tj. čím méně tepelné energie ztrácí v zimních měsících, tím nižší jsou náklady na nákup paliva.

Pro správný výpočet systému vytápění bude zapotřebí součinitel tepelné vodivosti běžných stavebních materiálů.

Tabulka hodnot součinitele tepelné vodivosti různých stavebních materiálů nejčastěji používaných při stavbě

Výpočet tepelných ztrát stěnami

Na příkladu fiktivního dvoupatrového domu vypočítáme tepelné ztráty jeho stěnovými konstrukcemi.

Výchozí údaje:

• čtvercová „krabice" s fasádními stěnami šířky 12 m a výšky 7 m;
• ve stěnách 16 otvorů, plocha každého 2,5 m²;
• materiál fasádních stěn – plná keramická cihla;
• tloušťka stěny – 2 cihly.

Dále provedeme výpočet skupiny ukazatelů, z nichž se skládá celková hodnota tepelných ztrát stěnami.

Ukazatel odporu prostupu tepla

Abychom zjistili ukazatel odporu prostupu tepla pro fasádní stěnu, je třeba rozdělit tloušťku materiálu stěny jeho součinitelem tepelné vodivosti.

Pro řadu konstrukčních materiálů jsou údaje o součiniteli tepelné vodivosti uvedeny na obrázcích výše a níže.

Pro přesné výpočty bude potřeba součinitel tepelné vodivosti tepelně izolačních materiálů uvedených v tabulce, používaných ve stavebnictví

Naše podmíněná stěna je postavena z keramické plné cihly, jejíž součinitel tepelné vodivosti je 0,56 W/m·^°C. Její tloušťka s ohledem na zdění na cementovou maltu je 0,51 m. Vydělením tloušťky stěny součinitelem tepelné vodivosti cihly získáme odpor prostupu tepla stěny:

0,51 : 0,56 = 0,91 W/m^2×°C

Výsledek dělení zaokrouhlujeme na dvě desetinná místa, přesnější údaje o odporu prostupu tepla nejsou potřeba.

Plocha vnějších stěn

Protože je jako příklad vybrána čtvercová budova, plocha jejích stěn se určí vynásobením šířky výškou jedné stěny, poté počtem vnějších stěn:

12 · 7 · 4 = 336 m²

Takže známe plochu fasádních stěn. Ale co otvory oken a dveří, které dohromady zabírají 40 m2 (2,5·16=40 m²) fasádní stěny, je třeba je zohlednit?

Opravdu, jak správně vypočítat autonomní vytápění v dřevěném domě bez zohlednění odporu prostupu tepla okenních a dveřních konstrukcí.

Součinitel tepelné vodivosti tepelně izolačních materiálů používaných pro zateplení nosných stěn

Pokud je třeba vypočítat tepelné ztráty budovy velké plochy nebo teplého domu (energeticky účinného) – ano, zohlednění součinitelů prostupu tepla okenních rámů a vstupních dveří při výpočtu bude správné.

Avšak u nízkopodlažních staveb individuální bytové výstavby, postavených z tradičních materiálů, je přípustné zanedbat dveřní a okenní otvory. Tzn. neodečítat jejich plochu z celkové plochy fasádních stěn.

Celkové tepelné ztráty stěn

Zjistíme tepelné ztráty stěny na jeden čtvereční metr při rozdílu teplot vzduchu uvnitř a vně domu o jeden stupeň.

K tomu vydělíme jedničku odporem prostupu tepla stěny, vypočteným dříve:

1 : 0,91 = 1,09 W/m²·^°C

Známe-li tepelné ztráty na čtvereční metr obvodu vnějších stěn, můžeme určit tepelné ztráty při určitých venkovních teplotách.

Například, pokud je v místnostech chaty teplota +20 ^°C a venku -17 ^°C, rozdíl teplot bude 20+17=37 ^°C. V takové situaci budou celkové tepelné ztráty stěn našeho modelového domu:

0,91 · 336 · 37 = 11313 W,

Kde: 0,91 – odpor prostupu tepla čtverečního metru stěny; 336 – plocha fasádních stěn; 37 – rozdíl teplot v místnosti a venku.

Součinitel tepelné vodivosti tepelně izolačních materiálů používaných pro izolaci podlah/stěn, pro provedení suchého podlahového potěru a vyrovnání stěn

Přepočítáme získanou hodnotu tepelných ztrát na kilowatthodiny, jsou přehlednější pro následné výpočty výkonu topného systému.

Tepelné ztráty stěn v kilowatthodinách

Nejprve zjistíme, kolik tepelné energie unikne stěnami za jednu hodinu při rozdílu teplot 37 ^°C.

Připomínáme, že výpočet je proveden pro dům s konstrukčními charakteristikami, které byly zvoleny pro demonstrační účely:

11313 · 1 : 1000 = 11,313 kWh,

Kde: 11313 – hodnota tepelných ztrát získaná dříve; 1 – hodina; 1000 – počet wattů v kilowattu.

Součinitel tepelné vodivosti stavebních materiálů používaných pro izolaci stěn a stropů

Pro výpočet tepelných ztrát za den vynásobíme získanou hodnotu tepelných ztrát za hodinu 24 hodinami:

11,313 · 24 = 271,512 kWh

Pro názornost zjistíme ztráty tepelné energie za celou topnou sezónu:

7 · 30 · 271,512 = 57017,52 kWh,

Kde: 7 – počet měsíců v topné sezóně; 30 – počet dní v měsíci; 271,512 – denní tepelné ztráty stěn.

Takže výpočtové tepelné ztráty domu s výše zvolenými charakteristikami obvodových konstrukcí činí 57017,52 kWh za sedm měsíců topné sezóny.

Zohlednění vlivu větrání rodinného domu

Výpočet ventilačních tepelných ztrát v topné sezóně provedeme jako příklad pro modelovou chatu čtvercového půdorysu se stěnou šířky 12 metrů a výšky 7 metrů.

Bez započtení nábytku a vnitřních stěn bude vnitřní objem vzduchu v této budově činit:

12 · 12 · 7 = 1008 m³³

Při teplotě vzduchu +20 ^°C (norma v topné sezóně) je jeho hustota 1,2047 kg/m³ a měrná tepelná kapacita 1,005 kJ/(kg·^°C).

Vypočítáme hmotnost vzduchu v domě:

1008 · 1,2047 = 1214,34 kg,

Kde: 1008 – objem vzduchu v domě; 1,2047 – hustota vzduchu při t +20 ^°C.

Tabulka s hodnotami součinitele tepelné vodivosti materiálů, které mohou být potřebné při provádění přesných výpočtů

Předpokládáme pětinásobnou výměnu objemu vzduchu v místnostech domu. Upozorňujeme, že přesná potřeba přiváděného objemu čerstvého vzduchu závisí na počtu obyvatel domu.

Při průměrném rozdílu teplot mezi domem a ulicí v topné sezóně, rovném 27 ^°C (20 ^°C vnitřní, -7 ^°C venkovní atmosféra) za den na ohřev přiváděného studeného vzduchu bude potřeba tepelné energie:

5 · 27 · 1214,34 · 1,005 = 164755,58 kJ,

Kde: 5 – počet výměn vzduchu v místnostech; 27 – rozdíl teplot vnitřní a venkovní atmosféry; 1214,34 – hustota vzduchu při t +20 ^°C; 1,005 – měrná tepelná kapacita vzduchu.

Převedeme kilojouly na kilowatthodiny, vydělíme hodnotu počtem kilojoulů v jedné kilowatthodině (3600):

164755,58 : 3600 = 45,76 kWh

Po zjištění nákladů na tepelnou energii na ohřev vzduchu v domě při jeho pětinásobné výměně pomocí přívodního větrání, lze vypočítat „vzduchové“ tepelné ztráty za sedmiměsíční topnou sezónu:

7 · 30 · 45,76 = 9609,6 kWh,

Kde: 7 – počet „vytápěných“ měsíců; 30 – průměrný počet dní v měsíci; 45,76 – denní náklady tepelné energie na ohřev přiváděného vzduchu.

Větrací (infiltrační) energetické náklady jsou nevyhnutelné, protože obnova vzduchu v místnostech domu je životně nezbytná.

Potřeby ohřevu vyměňované vzduchové atmosféry v domě je třeba vypočítat, sečíst s tepelnými ztrátami přes obvodové konstrukce a zohlednit při výběru topného kotle. Existuje ještě jeden druh tepelných energetických nákladů, poslední – kanalizační tepelné ztráty.

Náklady na energii pro přípravu TUV

Pokud v teplých měsících teče z kohoutku do domu studená voda, v topné sezóně je ledová, s teplotou ne vyšší než +5 ^°C. Koupání, mytí nádobí a praní není možné bez ohřevu vody.

Voda napouštěná do nádržky toalety přichází přes stěny do kontaktu s domácí atmosférou, přičemž odebírá trochu tepla. Co se stane s vodou ohřátou spalováním ne bezplatného paliva a spotřebovanou pro domácí potřeby? Vylévá se do kanalizace.

Dvouokruhový kotel s bojlerem nepřímého ohřevu, používaný jak pro ohřev teplonosné látky, tak pro dodávku teplé vody do pro ni vytvořeného okruhu

Uvažujme na příkladu. Tříčlenná rodina, předpokládáme, spotřebuje 17 m³ vody měsíčně. 1000 kg/m³ – hustota vody a 4,183 kJ/kg·^°C – její měrná tepelná kapacita.

Průměrná teplota ohřevu vody určené pro domácí potřeby nechť je +40 °C. Rozdíl průměrné teploty mezi studenou vodou vstupující do domu (+5 °C) a ohřátou v bojleru (+30 °C) tedy činí 25 °C.

Pro výpočet tepelných ztrát do kanalizace uvažujeme:

17 · 1000 · 25 · 4,183 = 1777775 kJ,

Kde: 17 – měsíční objem spotřeby vody; 1000 – hustota vody; 25 – rozdíl teplot studené a ohřáté vody; 4,183 – měrná tepelná kapacita vody;

Pro přepočet kilojoulů na srozumitelnější kilowatthodiny:

1777775 : 3600 = 493,82 kWh

Takto za sedmiměsíční topné období odchází do kanalizace tepelná energgie v objemu:

493,82 · 7 = 3456,74 kWh

Spotřeba tepelné energgie na ohřev vody pro hygiénické potřeby je malá ve srovnání s tepelnými ztrátami přes stěny a větrání. Ale i to jsou energetické náklady, které zatěžují topný kotel nebo bojler a způsobují spotřebu paliva.

Výpočet výkonu topného kotle

Kotel v rámci topného systému je určen ke kompenzaci tepelných ztrát budovy. A také, v případě dvouokruhové soustavy nebo při vybavení kotle bojlerem nepřímého ohřevu, k ohřívání vody pro hygienické potřeby.

Po vypočítání denních tepelných ztrát a spotřeby teplé vody „do kanalizace“ lze přesně určit potřebný výkon kotle pro rodinný dům určité plochy a charakteristik obvodových konstrukcí.

Jednokruhový kotel slouží pouze k ohřevu teplonosného média pro topný systém.

Pro stanovení výkonu kotle je třeba vypočítat tepelné ztráty domu přes fasádní stěny a na ohřev vyměňovaného vzduchu v interiéru místností.

Jsou zapotřebí údaje o tepelných ztrátách v kilowatthodinách za den – v případě modelového domu, vypočítaného jako příklad, to je:

271,512 + 45,76 = 317,272 kWh,

Kde: 271,512 – denní tepelné ztráty vnějšími stěnami; 45,76 – denní tepelné ztráty na ohřev přiváděného vzduchu.

Tudíž potřebný výkon kotle pro vytápění bude:

317,272 : 24 (hodin) = 13,22 kW

Avšak takový kotel bude pod trvale vysokým zatížením, které snižuje jeho životnost. A v obzvláště mrazivých dnech nebude vypočítaný výkon kotle dostatečný, protože při velkém teplotním rozdílu mezi vnitřním a venkovním vzduchem se prudce zvýší tepelné ztráty budovy.

Proto volit kotel podle průměrného výpočtu nákladů na tepelnou energii nemá smysl – s velkými mrazy si nemusí poradit.

Racionální bude zvýšit požadovaný výkon kotlového zařízení o 20%:

13,22 · 0,2 + 13,22 = 15,86 kW

Pro výpočet požadovaného výkonu druhého okruhu kotle, který ohřívá vodu na mytí nádobí, koupání atd., je třeba vydělit měsíční spotřebu tepla „kanalizačních“ tepelných ztrát počtem dní v měsíci a 24 hodinami:

493,82 : 30 : 24 = 0,68 kW

Podle výsledků výpočtů je optimální výkon kotle pro vzorový dům 15,86 kW pro topný okruh a 0,68 kW pro ohřívací okruh.

Výběr topných radiátorů

Tradičně se doporučuje volit výkon topného radiátoru podle plochy vytápěné místnosti, a to s 15-20% navýšením výkonové potřeby pro jistotu.

Na příkladu se podívejme, jak je správná metoda výběru radiátoru „10 m² plochy – 1,2 kW“.

Tepelný výkon radiátorů závisí na způsobu jejich připojení, což je nutné zohlednit při provádění výpočtů topného systému.

Výchozí údaje: rohový pokoj v prvním podlaží dvoupatrového rodinného domu; vnější stěna z dvouřadého zdiva z keramických cihel; šířka místnosti 3 m, délka 4 m, výška stropu 3 m.

Podle zjednodušeného schématu výběru se navrhuje vypočítat plochu místnosti, tedy:

3 (šířka) · 4 (délka) = 12 m²²

To znamená, že potřebný výkon topného radiátoru s 20% přirážkou vychází na 14,4 kW. Nyní spočítáme výkonové parametry topného radiátoru na základě tepelných ztrát místnosti.

Ve skutečnosti plocha místnosti ovlivňuje ztráty tepelné energie méně než plocha jejích stěn, které vycházejí jednou stranou ven z budovy (fasádních).

Proto budeme počítat právě plochu „venkovních“ stěn v místnosti:

3 (šířka) · 3 (výška) + 4 (délka) · 3 (výška) = 21 m²²

Když známe plochu stěn předávajících teplo „ven“, vypočítáme tepelné ztráty při rozdílu vnitřní a venkovní teploty 30^° (v domě +18 ^°C, venku -12 ^°C), a to rovnou v kilowatthodinách:

0,91 · 21 · 30 : 1000 = 0,57 kW,

Kde: 0,91 – odpor prostupu tepla m² vnitřních stěn vycházejících „ven“; 21 – plocha „venkovních“ stěn; 30 – rozdíl teplot uvnitř a vně domu; 1000 – počet wattů v kilowattu.

Podle stavebních norem jsou topná zařízení umístěna v místech s maximálními tepelnými ztrátami. Například radiátory se instalují pod okenní otvory, tepelná děla – nad vchodem do domu. V rohových místnostech se baterie instalují na slepé stěny, vystavené maximálnímu působení větru.

Ukazuje se, že pro kompenzaci tepelných ztrát přes fasádní stěny této konstrukce, při 30^° rozdílu teplot v domě a venku, stačí vytápění o výkonu 0,57 kWh. Zvýšíme potřebný výkon o 20, dokonce o 30 % – dostaneme 0,74 kWh.

Tedy skutečné potřeby výkonu vytápění mohou být výrazně nižší, než obchodní schéma „1,2 kW na metr čtvereční plochy místnosti“.

Navíc správný výpočet potřebných výkonů otopných těles umožní snížit objem teplonosné látky v otopné soustavě, což sníží zatížení kotle a náklady na palivo.

Závěry a užitečné video k tématu

Kam uniká teplo z domu – odpovědi poskytuje názorné video:

Ve videu je popsán postup výpočtu tepelných ztrát domu přes obvodové konstrukce. Pokud znáte tepelné ztráty, podaří se přesně vypočítat výkony otopné soustavy:

Podrobné video o principech výběru výkonových charakteristik kotle vytápění najdete níže:

Výroba tepla každoročně zdražuje – rostou ceny paliv. A tepla neustále není dost. Chovat se lhostejně k energetickým nákladům domu nelze – je to naprosto nevýhodné.

Na jedné straně každá nová topná sezóna stojí majitele domu stále více a více. Na druhé straně zateplení stěn, základů a střechy venkovského domu stojí nemalé peníze. Nicméně čím méně tepla unikne z budovy, tím levnější bude její vytápění.

Uchování tepla v místnostech domu je hlavním úkolem otopné soustavy v zimních měsících. Výběr výkonu topného kotle závisí na stavu domu a na kvalitě zateplení jeho obvodových konstrukcí. Princip „kilowatt na 10 metrů čtverečních plochy“ funguje u domu s průměrným stavem fasád, střechy a základů.

Počítali jste si sami otopnou soustavu pro svůj dům? Nebo jste si všimli nesouladu výpočtů uvedených v článku? Podělte se o své praktické zkušenosti nebo objem teoretických znalostí tím, že zanecháte komentář v bloku pod tímto článkem.