Výpočet kaloriféru: jak vypočítat výkon zařízení pro ohřev vzduchu pro vytápění

Kalorifery mají vysokou výkonnost, proto s jejich pomocí lze vytopit i velmi velké místnosti za poměrně krátkou dobu. Do prodeje přichází mnoho modelů těchto zařízení, pracujících na bázi různých teplonosných médií.

Pro výběr optimální varianty je potřebný výpočet kaloriferu, který lze provést jak ručně, tak pomocí online kalkulačky. S otázkou výpočtů vám pomůžeme se zorientovat – v tomto článku uvedeme příklad výpočtů, které budou potřeba při výběru vhodného zařízení pro ohřev vzduchu.

A také se podíváme na zvláštnosti konstrukce různých druhů kaloriferů, výhody a nevýhody topného systému s použitím těchto zařízení.

Výhody a nevýhody vytápění s kaloriferem

Systém vytápění domu, založený na přivádění vzduchu ohřátého na nastavenou teplotu přímo do domu, představuje zvláštní zájem pro majitele vlastního bydlení.

Taková konstrukce topného systému se skládá z následujících důležitých uzlů:

• kaloriferu, který vystupuje v roli generátoru tepla, ohřívajícího vzduch;
• kanálů (vzduchovodů), kterými proudí ohřáté vzduchové hmoty do domu;
• ventilátoru, který směřuje dobře ohřátý vzduch do celého objemu místnosti.

Výhod u systému tohoto typu je mnoho. Patří k nim vysoká účinnost, absence pomocných prvků pro výměnu tepla ve formě radiátorů, trubek, a možnost spojit jej s klimatizačním systémem, a malá setrvačnost, v důsledku čehož dochází k velmi rychlému ohřevu velkých objemů.

Pro mnoho majitelů domů je nevýhodou, že instalace systému je možná pouze současně s výstavbou samotného domu a poté již není možná jeho další modernizace.

Nevýhodou je také taková nuance, jako je povinné zajištění záložního napájení a potřeba pravidelné technické údržby.

Kalorifer je jednoduchý na instalaci a provoz, cenově dostupný, ale hlavně je účinným zařízením pro vytápění místnosti. Na fotografii je vodní kalorifer zabudovaný do systému.

Na našem webu jsou podrobnější materiály k uspořádání vzduchového vytápění v domě a chatě. Doporučujeme Vám se s nimi seznámit:

• Vzduchové vytápění vlastníma rukama: vše o vzduchových systémech vytápění
• Jak zařídit vzduchové vytápění venkovského domu: pravidla a schémata stavby
• Výpočet vzduchového vytápění: základní principy + příklad výpočtu

Klasifikace kaloriferů

Kalorifery se zahrnují do konstrukce topného systému pro ohřev vzduchu. Existují následující skupiny těchto zařízení podle druhu použitého teplonosného média: vodní, elektrické, parní, ohnivé.

Elektrická zařízení má smysl používat pro místnosti o ploše nejvýše 100 m². Pro budovy s většími plochami bude racionálnější volbou vodní kalorifery, které fungují pouze s tepelným zdrojem.

Nejoblíbenější jsou parní a vodní kalorifery. Jak první, tak druhé se podle tvaru povrchu dělí na 2 poddruhy: žebrované a hladkotrubkové. Žebrované kalorifery podle geometrie žeber bývají deskové a spirálovitě vinuté.

Výkon kaloriferů pracujících s takovým teplonosným médiem, jako je pára, se reguluje pomocí speciálních ventilů instalovaných na vstupní trubce.

Podle konstrukčního provedení mohou být tato zařízení jednocestná, kdy teplonosné médium v nich prochází trubkami v konstantním směru, a vícecestná, v jejichž krytech jsou přepážky, v důsledku čehož se směr pohybu teplonosného média neustále mění.

Do prodeje vstupují 4 modely vodních a parních kaloriferů, lišící se plochou ohřívací plochy:

• SM — nejmenší s jednou řadou trubek;
• M — malá se dvěma řadami trubek;
• S — střední s trubkami ve 3 řadách;
• B — velká, mající 4 řady trubek.

Vodní kalorifery v provozu vydrží velké teplotní výkyvy — 70-110⁰. Pro dobrou funkci kaloriferu tohoto typu musí být voda cirkulující v systému ohřátá maximálně na 180⁰. V teplém období může kalorifer plnit roli ventilátoru.

Konstrukce kaloriferů různých druhů

Topný vodní kalorifer se skládá z kovového tělesa, v něm umístěného výměníku tepla ve formě řady trubic a ventilátoru. Na čelní straně agregátu jsou vstupní hrdla, kterými se připojuje ke kotli nebo centrálnímu topnému systému.

Ventilátor je zpravidla umístěn v zadní části zařízení. Jeho úkolem je hnát vzduch přes výměník tepla.

Po ohřevu vzduch vstupuje zpět do místnosti přes mřížku umístěnou na přední straně kaloriferu.

Těleso je nejčastěji vyrobeno v obdélníkovém tvaru, ale existují modely určené pro ventilační kanály kruhového průřezu. Na přívodním potrubí jsou instalovány dvou- nebo třícestné ventily pro regulaci výkonu agregátu.

Ventilátor ofukuje trubice umístěné v tělese kaloriferu. Trubicemi proudí ohřátá voda z topného systému a ventilátor rovnoměrně rozvádí teplý vzduch po místnosti.

Kalorifery se liší také způsobem montáže – jsou stropní a nástěnné. Modely prvního typu jsou umístěny za podhledem, ven vyčnívá pouze mřížka. Nástěnná zařízení jsou oblíbenější.

Druh #1 – kalorifery s hladkými trubkami

Konstrukci s hladkými trubkami tvoří topné prvky ve formě dutých tenkých trubic o průměru 20 až 32 mm, umístěných ve vzdálenosti 0,5 cm od sebe. Protéká jimi teplonosné médium. Vzduch obtéká zahřáté povrchy trubic a ohřívá se pomocí konvektivní výměny tepla.

Trubice v ohřívači vzduchu jsou uspořádány v šachovnicovém nebo řadovém uspořádání. Jejich konce jsou přivařeny do kolektorů – horního a dolního. Teplonosné médium vstupuje do rozvodné skříňky přes vstupní hrdlo, poté prochází trubicemi, ohřívá je a vystupuje výstupním hrdlem ve formě kondenzátu nebo ochlazené vody.

Stabilnější přenos tepla zajišťují zařízení s šachovnicovým uspořádáním trubic, ale odpor vůči proudění vzduchu je zde vyšší. Je nutné provést výpočet výkonu agregátu, abychom znali skutečné možnosti zařízení.

Na vzduch jsou kladeny určité požadavky – nesmí obsahovat vlákna, suspendované částice nebo lepkavé látky. Přípustná prašnost je menší než 0,5 mg/m³. Vstupní teplota je minimálně 20 °C.

Jednocestný a třícestný kalorifer. 1 – vstupní hrdlo, kterým přichází teplonosné médium, 2 – rozvodná skříňka, 3 – trubka, 4 – výstupní hrdlo, 5 – přepážka

Tepelnětechnické vlastnosti hladkotrubkových kaloriferů nejsou příliš vysoké. Jejich použití je vhodné, pokud není požadován značný průtok vzduchu a jeho ohřev na vysokou teplotu.

Druh #2 – žebrované ohřívače vzduchu

Trubky žebrovaných zařízení mají žebrovaný povrch, a proto je jejich tepelný výkon větší. Při menším počtu trubek jsou jejich tepelnětechnické vlastnosti vyšší než u hladkotrubkových ohřívačů vzduchu.

Součástí lamelových kaloriferů jsou trubky s nasazenými lamelami – obdélníkovými nebo kruhovými.

První druh lamel se nasazuje na skupinu trubek. Tepelné médium prochází do rozdělovací skříně zařízení přes šroubení, ohřívá vzduch, který prochází značnou rychlostí kanály malého průměru, a poté vystupuje ze sběrné skříně přes šroubení.

Kalorifery tohoto druhu jsou kompaktní, snadné na údržbu a montáž.

Jednoprůchodová lamelová zařízení se označují: KFB, KFS, KVB, STD3009V, KZPP, K4PP, a víceprůchodová — KVB, K4VP, KZVP, KVS, KMS, STDZOJUG, KMB. Střední model má označení KFS, a velký — KFB.

Na trubky těchto kaloriferů se navíjí ocelová zvlněná páska o šířce 1 cm a tloušťce 0,4 mm. Tepelným médiem pro ně může být pára i voda.

Vodní kalorifery nelze připojovat kovoplastovými nebo polymerovými trubkami, protože nejsou dimenzovány na vysokou teplotu tepelného média. Jsou zapotřebí ocelové trubky, a nejlépe pozinkované, aby se eliminovala koroze.

První je vybavena třemi řadami trubek, druhá čtyřmi. Lamely středního modelu mají tloušťku 0,5 mm a rozměry 11,7 x 13,6 cm. Lamely velkého modelu stejné tloušťky a šířky se liší větší délkou – 17,5 cm.

Lamely jsou od sebe vzdáleny 0,5 cm a mají klikaté uspořádání, zatímco u modelů středního typu jsou lamely uspořádány v přímých řadách (koridorový princip).

Ohřívače vzduchu s označením STD mají 5 čísel (5, 7, 8, 9, 14). U kaloriferů STD4009V je tepelným médiem pára, u STD3010G voda. Montáž prvních se provádí s vertikální orientací trubek, druhých s horizontální.

Druh #3 – bimetalické kalorifery s žebrováním

V topných systémech s ohřevem vzduchu se často používají modely bimetalových kaloriferů KP3-SK, KP4-SK, KSk – 3 a 4 se zvláštním typem žebrování – spirálově válcovaným. Tepelným médiem pro kalorifery KP3-SK, KP4-SK je horká voda s nejvyšším tlakem 1,2 MPa a maximální teplotou 180 °C.

Pro provoz dvou dalších ohřívačů vzduchu je nutná pára se stejným pracovním tlakem jako u prvních, ale s poněkud vyšší teplotou – 190 °C. Výrobci povinně provádějí přejímací zkoušky. Zařízení se testují i na těsnost.

Výměník tepla kaloriferu KSK se skládá z trubek, které jsou vyrobeny z oceli a mají hliníková žebra. Spojují je trubkové mřížky.

Existují 2 řady bimetalických kaloriferů – KSK3, KPZ, které mají 3 řady trubek, patří ke středním, a KSK4, KP4 se 4 řadami trubek – k velkým modelům. Složkami těchto přístrojů jsou bimetalické výměníkové prvky, boční kryty, trubkové mřížky, kryty s přepážkami.

Výměníkový prvek představuje 2 trubky – vnitřní o průměru 1,6 cm, vyrobenou z oceli a nasazenou na ni hliníkovou vnější s žebrováním. Příčný interval mezi teplosměnnými trubkami je 4,15 cm a podélný – 3,6 cm.

Pravidla výpočtů a výběru vhodného agregátu

Při navrhování systému vytápění s jedním nebo skupinou kaloriferů, stejně jako při provádění výpočtů, je třeba dodržovat řadu pravidel. Podívejme se na ně podrobněji ve fotogalerii níže.

Výpočet vodního kaloriferu

Pro výpočet výkonu vodního nebo parního kaloriferu jsou potřebné následující vstupní parametry:

1. Výkon systému nebo jinými slovy – množství vzduchu přepravovaného za hodinu. Jednotka objemového průtoku – m³/h, hmotnostního kg/h. Smluvené označení – L.
2. Počáteční nebo venkovní teplota – t_ven.
3. Konečná teplota vzduchu – t_kon.
4. Hustota a měrná tepelná kapacita vzduchu při určité teplotě – údaje se berou z tabulek.

Nejprve se vypočítá plocha průřezu čelní strany ohřívače vzduchu. Po zjištění této hodnoty se získají předběžné rozměry agregátu s rezervou.

Pro výpočet se používá vzorec:

Af = Lρ / 3600 (ϑρ),

Kde L – objemový průtok vzduchu nebo výkon v m³/h, ρ – hustota vzduchu venku měřená v kg/m³, ϑρ – hmotnostní rychlost vzduchu v uvažovaném průřezu, měřená v kg/(cm²).

Po získání tohoto parametru se pro další výpočty bere typická velikost kaloriferu, nejbližší rozměry. Při velké výsledné hodnotě plochy se paralelně instaluje několik stejných jednotek, jejichž plocha v součtu odpovídá získané hodnotě.

Kalorifery se nazývají nejen zařízení pro tepelnou výměnu, ale také chladiče vzduchu pracující na bázi studené vody, které jsou mnohem méně oblíbené.

Pro stanovení potřebného výkonu pro ohřev určitého objemu vzduchu je třeba zjistit celkový průtok ohřívaného vzduchu v kg za 1 hodinu podle vzorce:

G = L × p,

Kde p je hustota vzduchu při průměrné teplotě. Určuje se sečtením teplot na vstupu a výstupu z jednotky a následným vydělením dvěma. Hodnoty hustoty se berou z tabulky.

Z této tabulky lze získat údaje o hustotě a měrné tepelné kapacitě vzduchu při určité teplotě pro výpočet výkonu zařízení.

Nyní lze vypočítat spotřebu tepla pro ohřev vzduchu, k čemuž se používá následující vzorec:

Q (W) = G × c × (t kon. – t zač.),

Kde G – hmotnostní průtok vzduchu v kg/hod. Při výpočtu se zohledňuje také měrná tepelná kapacita vzduchu měřená v J/(kg × K). Závisí na teplotě vstupujícího vzduchu a její hodnoty jsou uvedeny v tabulce výše. Teplota na vstupu do zařízení a na výstupu z něj se označuje t zač. a t kon..

Řekněme, že je třeba vybrat kalorifer s výkonem 10 000 m³/hod, aby ohříval vzduch na 20 °C při venkovní teplotě -30 °C. Tepelným médiem je voda, která má teplotu na vstupu do jednotky 95 °C a na výstupu 50 °C.

Hmotnostní průtok vzdušné hmoty: G = 10 000 m³/hod. × 1,318 kg/m³ = 13 180 kg/hod.

Hodnota hustoty: ρ = (-30 + 20) = -10, při dělení tohoto výsledku na polovinu jsme dostali -5. Z tabulky byla vybrána hustota odpovídající průměrné teplotě.

Dosazením získaného výsledku do vzorce získáme spotřebu tepla: Q = 13 180 / 3600 × 1013 × 20 – (-30) = 185 435 W. Zde 1013 představuje měrnou tepelnou kapacitu vybranou z tabulky při teplotě – 30 °C v J/(kg × K). K vypočtené hodnotě výkonu kaloriferu se přidává 10 až 15% rezerva.

Důvodem je, že tabulkové parametry se často liší od skutečných směrem dolů a tepelný výkon jednotky se v důsledku zanášení trubek časem snižuje. Překročení velikosti rezervy je nežádoucí.

Při výrazném zvětšení topné plochy může dojít k podchlazení a dokonce k rozmrazení při velkých mrazech.

U parního kaloriferu se teplonosné médium přivádí shora a voda vzniklá kondenzací odpadní páry se odvádí zespodu. Na fotografii je schéma zapojení parního kaloriferu.

Výkon parních kaloriferů se vypočítává stejným způsobem jako u vodních. Liší se pouze vzorec pro výpočet teplonosného média:

G = Q / r,

Kde r je měrné teplo uvolněné při kondenzaci páry, měřené v kJ/kg.

Výpočet elektrického kaloriferu

Výrobci v katalozích elektrických kaloriferů často uvádějí instalovaný výkon a průtok vzduchu, což výběr značně usnadňuje. Důležité je, aby parametry nebyly nižší, než je uvedeno v pasportu, jinak rychle selže.

Konstrukce kaloriferu zahrnuje několik speciálních elektrických topných těles, jejichž plocha je zvětšena díky lisovanému žebrování.

Výkon zařízení může být velmi velký, někdy i stovky kilowattů. Do 3,5 kW může být kalorifer napájen ze zásuvky 220 V, při vyšším napětí je nutné připojení samostatným kabelem přímo k rozvaděči. Pokud je potřeba použít kalorifer s výkonem nad 7 kW, je nutné napájení 380 V.

Tato zařízení mají malé rozměry a hmotnost, jsou zcela autonomní, nevyžadují přítomnost centralizovaného zásobování teplou vodou nebo párou.

Zásadní nevýhodou je nízký výkon, který je nedostatečný pro použití ve velkých prostorách. Druhou nevýhodou je vysoká spotřeba elektrické energie.

Z výpočtu kaloriferu vyplývá, že výsledkem použití zařízení je znatelná úspora energetických zdrojů. Někdy je tento agregát kombinován s rekuperátorem a pak se vzduch nasává nikoli zvenčí, ale z místnosti.

Abychom zjistili, jaký proud kalorifer odebírá, můžeme použít vzorec:

I = P /U,

Kde P je výkon, U je napájecí napětí.

Při jednofázovém připojení kaloriferu se U považuje za 220 V. Při třífázovém — 660 V.

Teplotu, na kterou kalorifer o daném výkonu ohřívá vzduchovou hmotu, určíme podle vzorce:

T =2.98 x P/ L,

Kde L – je výkon systému. Optimální hodnoty výkonu kaloriferu pro domácnost jsou od 1 do 5 kW, pro kanceláře od 5 do 50 kW.

Závěry a užitečné video k tématu

Jakou hustotu vzduchu použít při výpočtu, je popsáno v tomto videu:

Video o tom, jak funguje kalorifer v topném systému:

Při výběru určitého typu kaloriferu je třeba vycházet z hlediska účelnosti a provozních charakteristik domu.

Pro malé plochy bude elektrický kalorifer výhodnou koupí, ale pro vytápění velkého domu je lepší zvolit jinou možnost. V každém případě se neobejdete bez předběžného výpočtu.

Orientujete se dobře v problematice výběru a výpočtu kaloriferu? Možná byste se chtěli podělit o užitečná doporučení ohledně výběru ohřívače vzduchu nebo upozornit na chybu či nepřesnost ve výpočtech ve výše uvedeném materiálu? Zanechte svůj komentář pod tímto článkem – váš názor může být užitečný lidem, kteří vybírají vhodný kalorifer pro svůj domov.