Расчет мощности котла отопления для дома

Владельцы частного жилья постепенно отказываются от печного отопления в пользу котлов с водяным контуром. Такая тенденция наблюдается и в газифицированных районах, и там, где основное топливо — дрова или уголь. На базе современного твердотопливного котла можно реализовать полноценную отопительную систему с радиаторами или теплым полом, автоматизированным регулированием температуры в помещениях и автономной работой.

Вполне законное желание сэкономить заставляет многих владельцев жилья отказаться от услуг проектных организаций: стоимость разработки технической документации на отопление сопоставима с ценой хорошего котла. Зачастую оборудование выбирается «на глаз» или «как у соседей», что приводит к трудно исправимым ошибкам. Чтобы в любую погоду в доме был комфортный тепловой режим, необходимо рассчитать мощность котла в привязке к системе отопления. Стоит сразу же отметить, что избыточная или недостаточная производительность по теплу — это серьезные ошибки, которых лучше не допускать.

Порядок расчета

Вероятнее всего, вы уже сталкивались с принципом расчета мощности котла отопления по площади дома. Некоторые источники рекомендуют выбирать его по простому соотношению 1 к 10. Имеется ввиду, что для обогрева 10 м² достаточно 1 кВт тепловой энергии. Эта формула подходит только для приблизительной оценки требуемой производительности теплогенератора. Она не учитывает климатических особенностей местности, высоты потолков помещения, теплопроводности фасадных стен и крыши.

Расчет системы отопления и мощности котла, в котором будут учтены все факторы, состоит из нескольких этапов:

1. Расчет теплопотерь здания.
2. Выбор основного и резервного топлива.
3. Расчет теплоотдачи отопительных приборов — радиаторов и/или теплого пола.
4. Выбор схемы отопления, циркуляционного насоса, труб, расчет гидравлического сопротивления системы.
5. Выбор отопительного котла.
6. Определение объема теплоносителя и расширительного бака.

По такому алгоритму рассчитывают мощность системы отопления и котла все проектные организации. И практика показывает, что он дает правильные результаты.

Считаем теплопотери

Это самый важный этап расчета мощности отопительного котла. В нем нет ничего сложного для понимания, но много арифметики и работы со справочными материалами.

Теплопотерями называется количество теплоты, которое здание теряет через ограждающие конструкции. Основные источники теплопотерь:

• стены;
• кровля — для верхнего этажа;
• пол — для первого этажа;
• двери;
• окна.

А если говорить точно, то расчет теплопотерь помещения выполняется для любой ограждающей конструкции, если температура за ней ниже на 3 °C и более.

При более точных расчетах также учитывают:

• Инфильтрацию холодного воздуха — того, что поступает с приточной вентиляцией.
• Ориентацию ограждающих конструкций по сторонам света. Северные фасадные стены теряют тепла на 5 — 10 % больше, чем южные.
• Наличие тепловыделяющего оборудования в помещении.

Расчеты начинают с вычисления площадей всех ограждающих конструкций (F). Замеры высоты и ширины проводят с наружной стороны помещения (от угла до угла). Также нужны значения сопротивления теплопередаче (R) для всех материалов. Их можно рассчитывают по формуле:

где ? — толщина слоя в метрах, а ? — коэффициент теплопроводности в Вт/[м·°С]. Последний можно найти в своде правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (Приложение Т). Сопротивление теплопередаче оконных систем и специализированных теплоизолирующих материалов нужно запрашивать у производителей. Если конструкция стены состоит из нескольких слоев (сделан утепляющий «пирог»), суммируют значения R для каждого слоя.

Теплопотери рассчитывают по формуле:

?t – это разница внутренней и наружной температур в самые холодные дни года. В итоге нужно вычислить суммарные теплопотери каждого помещения и всего здания.

Выбираем топливо

Самым выгодным с точки зрения экономии видом бытового топлива считается природный газ, но только если он уже подведен к дому. Часто проект газификации и его реализация не вписываются в бюджет владельца. В отсутствии газа очевидным выбором становится твердое топливо. Это самые распространенные источники энергии для бытового отопления, поэтому электричество, солярку, рапсовое масло и другую «экзотику» мы рассматривать не будем.

Между видом топлива и мощностью котла нет прямой связи, но особенности его горения оказывают влияние на работу отопительного контура. Из соображений эстетики и эффективности от гравитационных систем отопления типа «ленинградка» отказались. Вряд ли кто-то захочет, чтобы фасадные стены всех комнат были опоясаны двухдюймовыми металлическими трубами, когда можно поставить радиаторы и сделать аккуратную пластиковую разводку. Современные системы отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя имеют малый объем, но теплоотдачу радиаторов нужно согласовать с теплопроизводительностью топки.

Твердотопливный котел

Горение дров или угля нельзя остановить мгновенно, и это нужно учитывать при расчете объема теплоносителя. Вода или антифриз должны усвоить все тепло, которое выделяется при окислении топлива. По рекомендациям производителей, на каждый киловатт мощности твердотопливного котла в системе должно быть от 10 до 30 литров теплоносителя. При меньшем объеме жидкость в теплообменнике будет кипеть, а это приводит к постоянному срабатыванию клапана сброса избыточного давления и потере части теплоносителя.

Для согласования тепловыделения котла в периоды интенсивного горения топлива с потреблением тепла малообъемным отопительным контуром между ними устанавливают емкостной гидравлический разделитель. Это буферная емкость, или теплоаккумулятор, с функциями гидрострелки.

Газовый котел

При угрозе перегрева теплообменника в газовом котле автоматика перекроет клапан, и тепловыделение мгновенно прекратится. Поэтому запас теплоносителя здесь не нужен, и его максимальное количество определяется внутренним объемом труб и радиаторов. В некоторых случаях, например, в домах с временным проживанием, избыток воды в системе отрицательно влияет на скорость прогрева помещений.

Расчет теплоотдачи

Задача системы отопления — компенсировать теплопотери здания. Поэтому подбор радиаторов отопления выполняется на основании этих данных индивидуально для каждого помещения. Задача пользователя — определиться с производителем.

В качестве примера рассмотрим комнату с суммарными теплопотерями 1 кВт, которую будем обогревать секционным биметаллическим радиатором высотой 500 м. Находим в паспорте производителя мощность 1 секции. «Среднее» значение – 180 Вт. Делим теплопотери (1000 Вт) на мощность (180 Вт) и получаем количество секций 5,56. Округляем до ближайшего большего целого значения. Выходит, что для обогрева комнаты нужен шестисекционный радиатор.

Расчет водяного теплого пола может представлять сложности даже для опытного инженера-проектировщика, поскольку в нем нужно учитывать влияние нескольких постоянных и переменных:

• Расположение крупной мебели: шкафов, диванов, кресел. Укладывать трубу под ними смысла нет, поэтому, и площадь, которую они занимают, делают нерабочей.
• Максимальная температура поверхности. Для жилых комнат она составляет 27 – 29 °C, а для ванной и бассейна 33 °C.
• Температура теплоносителя. Обычно она не превышает 50 °C.
• Сопротивление теплопередаче стяжки и декоративного покрытия, которые находятся над теплым полом.
• Заданная температура воздуха в помещении.
• Диаметр трубы. Оптимальный диаметр составляет 16 или 20 мм.
• Шаг укладки.

Последний параметр влияет на теплоотдачу нелинейно.  Чтобы провести расчеты, нужно обратиться к технической документации производителя трубы и найти график зависимости удельного теплового потока от температуры теплоносителя при заданных характеристиках стяжки и покрытия.

Выбор схемы отопления и расчет гидравлического сопротивления системы

В качестве базовой схемы отопления обычно выбирают однотрубную или двухтрубную. Предлагаем подробнее рассмотреть их достоинства и недостатки.

Однотрубная схема

Такая схема применяется в одноэтажных частных домах и в квартирах с индивидуальным отоплением. Она отличается простотой в монтаже и сравнительно невысокой стоимостью. Радиаторы подключаются последовательно. Такая схема имеет два существенных недостатка:

• Падение температуры по пути следования теплоносителя. Каждый последующий радиатор будет холоднее предыдущего.
• Регулирование температуры в одном помещении приводит к изменениям во всех остальных комнатах.

Для нивелирования этих недостатков между входным и выходным патрубками каждого радиатора делают байпас, устанавливают термостатические клапана, балансировочные вентили и другую регулирующую арматуру. Это приводит к усложнению монтажной схемы и удорожанию системы.

Двухтрубная схема

Схема может использоваться в доме любой этажности. Она состоит из двух тупиковых труб – подающей и обратной. Радиаторы подключаются параллельно. Двухтрубная схема имеет следующие преимущества:

• Одинаковая температура на входе во все радиаторы.
• Возможность индивидуального регулирования комфортной температуры для помещений.
• Возможность отключить или заменить любой радиатор без слива всей системы и остановки котла.

На практике используются еще более сложные схемы, например, двухтрубная система радиаторного отопления и теплый пол. Они должны быть согласованы между собой по гидравлическим параметрам (через упомянутую выше гидрострелку). Кроме того, для контура теплого пола нужен смесительный узел, снижающий температуру теплоносителя.

Как рассчитать гидравлическое сопротивление?

Гидравлическое сопротивление, или падение напора системы, можно посчитать как сумму местных сопротивлений: прямых участков трубы, поворотов, тройников, вентилей, радиаторов и т.д. Кроме того, придется познакомиться с основами гидравлики и вооружиться справочной литературой.

Более простой, но не менее точный способ — использовать одну из программ для расчета инженерных систем. Существует условно бесплатное ПО с пробным периодом. Программами можно пользоваться в некоммерческих целях. У программ есть несколько важных преимуществ:

• Они позволяют визуализировать систему отопления, что снижает вероятность ошибки.
• После расчета можно вернуться в начало и внести любые изменения в проект. Результат будет пересчитан автоматически.
• Большинство программ сразу же выдают характеристики циркуляционного насоса (напор, производительность и мощность).

Выбор мощности отопительного котла

После всех проведенных расчетов мощность котла отопления для дома выбрать будет несложно. Она должна быть больше или равна сумме мощностей всех тепловых приборов (радиаторов, теплого пола). После этого достаточно открыть каталог производителя и найти подходящую модель.

Не стоит выбирать котел с большим запасом, радиаторы не будут успевать рассеять выработанную им тепловую энергию. При недостаточной мощности помещениям не будет хватать тепла.

Как определить объем теплоносителя?

В него входят:

• количество теплоносителя в теплообменнике (данные есть в паспорте на котел);
• внутренний объем всех секций радиаторов (информация указывается в документах производителя);
• содержание теплоносителя в трубах (считается как произведение длины трубы и площади ее поперечного сечения);
• объем теплоаккумулятора.

От количества теплоносителя в системе зависит требуемый объем расширительного бака. Он служит для компенсации теплового расширения. Если в качестве теплоносителя используется вода, то объем системы умножают на 0,1. Если в трубы залита незамерзающая жидкость, то умножают на 0,15.

На сайтах большинства производителей расширительных баков есть онлайн калькуляторы, которые учитывают начальное и максимальное давления, максимальную температуру нагрева, мощность котла. Но результаты работы калькулятора редко отличаются от предложенной выше упрощенной формуле расчета.

Мы сняли совместный видеоролик с участием ведущего инженера завода «Теплодар» и эксперта компании «Форнакс», в котором разобрали особенности расчета мощности твердотопливных котлов. Если у вас остались вопросы, вы можете задать их нашим сотрудникам по телефону.