Тепловая мощность: особенности и варианты расчета нагрузки на отопление

Грамотно спроектировать дом невозможно без теплотехнических расчетов. Они нужны для создания комфортных условий проживания в постройке, особенно в зимний период. Во время расчетов всегда определяется энергетическая характеристика – тепловая мощность. Она нужна для составления теплового баланса и определения КПД отопительной системы. Читайте и узнаете, что она представляет собой, влияющие факторы на ее расчет и варианты вычисления.

Комфорт в доме во многом зависит от мощности отопительных приборов Источник mvestnik.ru

Общие сведения

Для физического определения скорости, с которой осуществляется передача энергии или потребляется тепловая нагрузка, используется такое понятие, как мощность. Другими словами, она представляет собой важный параметр в виде определенного количества тепла. Такую тепловую энергию выделяет или потребляет какой-либо объект. К нему может относиться отдельно взятое оборудование, прибор, устройство или целое здание. При этом данный параметр учитывает выделяемое или потребляемое тепло за конкретный временной промежуток. В основном это один час.

Люди уже знают разные виды энергии. Она может быть механической, тепловой, химической. Еще существует энергия взрыва, полей, вакуума. Несмотря на разные ее виды, важной для человечества является именно тепловая энергия. В частности, она оказывает существенное влияние на комфорт в постройке. Поэтому перед началом строительства дома всегда выполняется расчет тепловой нагрузки на отопление здания. Ведь именно она «рождает» энергию тепла во времени.

На заметку! Все вопросы относительно получения, передачи и даже использования тепловой энергии рассматриваются в таком разделе науки, как теплотехника. При этом она является частью термодинамики. Это отдельный раздел физики об температурных изменениях разных систем.

Теплообмен возникает в результате внешнего воздействия, потому что оно изменяет внутреннюю энергию системы. В результате этого происходит потеря или приобретение определенного количества тепла. Другими словами, при взаимодействии системы с окружающей средой изменяется тепловая энергия. Для обозначения ее количества или просто тепла в системе СИ используются Джоули. Однако более распространенный вариант – это киловатт (кВт).

Важно! Только теплотехник способен правильно выполнить расчет тепловых нагрузок на отопление и горячее водоснабжение. Ведь специалист знает минимум размерность искомых величин, все формулы и имеет опыт их использования на практике. Поэтому он сможет безошибочно определить, например, количество необходимой энергии для нагрева конкретного объема воздуха, даже если его начальная температура имеет отрицательное значение.

На заметку! Исходя из определения, отраженного в ФЗ «О теплоснабжении», тепловая нагрузка – это количество тепла в единицу времени, которое принимает потребитель. Обычно такая энергия расходуется отопительной системой на нагрев объекта до заданной температуры. Существуют нормативные ее значения для разных помещений. Они были определены для самого холодного периода.

Знать расчетную тепловую нагрузку нужно, чтобы можно было безошибочно:

• Подобрать отопительное оборудование, которое будет эффективно выполнять свое назначение. К нему относится не только котел и радиаторы, но и трубы определенного диаметра.
• Выяснить количество тепловой энергии, которая будет поступать в помещения от установленных отопительных приборов или теплового контура здания с конкретными техническими характеристиками.
• Оценить количество необходимого тепла, требующегося для компенсации теплопотерь всего объекта и отдельных помещений. Потери тепла в основном происходят в доме через крышу, пол, стены, оконные конструкции, вентиляционную систему и дымоходный канал.

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Влияющие факторы на расчеты

Перед тем как найти тепловую мощность, определяют количество необходимого тепла на обогрев отдельного помещения или всего дома. При его расчете учитывают несколько важных факторов:

• Объем отапливаемого объекта.

Он позволит узнать, сколько нужно будет нагревать воздуха.

На заметку! Принято считать, что стандартная высота потолков не превышает 2,7 м. Однако на таком расстоянии от пола перекрытия монтировали в советское время. Если этот факт не учитывать, тогда можно воспользоваться упрощенным расчетом, основанным на площади. Сейчас высота потолка может быть больше, особенно в домах, построенных по индивидуально разработанным проектам.

• Климатическую зону.

Разница между уличной и комнатной температурой линейно связана с теплопотерями через наружные строительные конструкции дома. Так, для помещений с одинаковым утеплением и объемом количество необходимого тепла на отопление будет отличаться при разном их географическом расположении. Например, в Якутии его потребуется в 3 раза больше, чем в Ялте.

• Качество теплоизоляционных материалов.

Используемый утеплитель влияет на теплопотери через строительные конструкции дома. Кроме того, учитывают количество и размеры окон, а также их исполнение. Ведь остекление может быть одно, двух- и даже трехкамерным. У каждого из вариантов свои теплопотери.

На расчет тепловой мощности системы отопления также влияет вид используемых радиаторов. Поэтому сначала нужно узнать теплоотдачу каждого прибора. При ее определении учитывают:

• Разницу температур теплоносителя и воздуха в помещении. Мощность радиатора возрастает с увеличением дельты.
• Площадь поверхности отопительного прибора. Ведь с ее увеличением растет количество тепла, которое отдает радиатор окружающей среде. Этот вид теплопередачи осуществляется инфракрасным излучением и благодаря прямому контакту нагретой поверхности с воздухом.

Важно! Производители для увеличения площади радиаторов изготавливают такие приборы с оребрением. Благодаря его наличию возрастает мощность батарей. При этом объем теплоносителя, протекающего через них, не меняется.

• Теплопроводность материала, из которого созданы радиаторы. С увеличением ее значения сильнее нагреваются края приборов с оребрением. Поэтому воздух в помещениях будет быстрее прогреваться.

Важно! Суммарная мощность отопительных радиаторов и теплоотдача труб системы в доме не должна быть меньше общих теплопотерь здания. Только при соблюдении этого условия удастся обеспечить комфортные условия проживания в постройке зимой.

Смотрите также: Каталог компаний, что специализируются на утеплении домов

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.

Варианты расчета нагрузки

Для обеспечения комфортных условий проживания путем создания нормативной температуры в помещениях недостаточно понимать, что тепловая мощность – это характеристика, которая позволяет связать отдаваемое и потребляемое тепло. Необходимо еще знать и уметь пользоваться популярными методами расчета нагрузки.

Чтобы узнать требуемый параметр (нагрузку), определяют общий расход теплоты. Количества этой энергии должно быть достаточным для нагрева дома (воздуха в помещениях) хотя бы до нормативной температуры. Для решения такой задачи выполняется расчет тепловых нагрузок на отопление одним из трех распространенных методов. Каждый из способов отличается сложностью. При этом полученные результаты будут иметь разную точность.

Расчет требуемого параметра выполняют:

• по потерям теплоты через наружные конструкции и затратам на нагрев воздуха, подаваемого через вентиляционную систему.

• по площади, когда высота потолков меньше 3 м;
• по объему, если перекрытия расположены от пола на расстоянии от 3 м;

На заметку! Сейчас широко используются различные онлайн-сервисы, позволяющие быстро выполнить расчет тепловой нагрузки на отопление здания, калькулятор на которых существенно упрощает весь процесс. Однако этот вариант требует проверки. Только так удастся точно вычислить количество тепловой энергии.

Теплотехники и проектировщики рассчитывают тепловую энергию в соответствии с правилами СНиП. Это сложная методика, применяющаяся профессионалами в этой области. Расчет выполняется при использовании различных справочных данных. Этот метод позволяет получить результат, у которого точность будет примерно 95%.

Расчеты по площади или объему – это более простые способы. Они основаны на использовании удельной тепловой характеристики. У таких вычислений достаточно простой алгоритм. Он не позволяет получить результат с точностью, как при вычислениях теплопотерь.

Расчет расходуемой теплоты по площади

Отопительная нагрузка рассчитывается приблизительно по очень простой методике следующим образом:

1. Сначала обмеряют периметр дома со стороны улицы и вычисляют его площадь. При наличии проекта данные берут из соответствующей документации.
2. Потом измеренный результат умножают на 100 Вт.
3. Затем подбирают котельный агрегат с учетом коэффициента запаса, который обычно составляет 1,2 или 1,3.

Однако лучше выполнить другой расчет. С его помощью будет вычислена более точная средняя тепловая мощность в ваттах, так как принимается во внимание расположение помещений, регион постройки дома и число окон.

Если высота комнат не превышает 3 м, тогда сначала вычисляется их суммарная площадь. Потом полученное значение умножается на коэффициент, который учитывает климатические условия региона постройки здания. Он равен единице, когда дом расположен в зоне с умеренным климатом. При этом для южных регионов страны этот коэффициент составляет 0,7, а для северных широт его величина равна 1,5-2.

На следующем этапе учитывается удельная тепловая характеристика. При расчете по площади она составляет:

• для комнаты, у которой одна уличная стена и одно окно или такие конструкции совершенно отсутствуют – 100 Вт/м²;
• для углового помещения с одной оконной конструкцией – 120 Вт/м²;
• для угловой комнаты с двумя световыми проемами – 130 Вт/м².

После выбора подходящей удельной тепловой характеристики она умножается на результат произведения суммарной площади помещений и так называемого климатического коэффициента. В ходе таких вычислений получается более точный результат. Рассчитанное значение позволяет оценить количество требуемой теплоты на нагрев наружного холодного воздуха, который попадает в дом за счет инфильтрации и сквозь строительные проемы.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку.

Видео описание

Об особенностях подбора котла и зависимости его мощности от различных характеристик дома рассказывает специалист в видео:

Алгоритм расчета количества теплоты с учетом теплопотерь

Вычисление мощности отопительной системы согласно СНиП – это самый точный метод расчета. Он позволяет подобрать эффективное оборудование для обогрева помещений. Расчет тепловой мощности осуществляется в следующей последовательности:

• Измеряется площадь перекрытия, пола, всех наружных стен, оконных конструкций в каждом помещении.
• Вычисляются теплопотери через каждое ограждение дома, которое контактирует с улицей.
• Определяется количество тепла, расходуемого на нагрев воздуха, поступающего из системы вентиляции.
• Складываются все ранее полученные значения тепловой энергии.

Важно! Если расчет по тепловым нагрузкам выполняется для двухэтажного дома, тогда при вычислениях не учитываются межэтажные перекрытия, потому что они не контактируют с окружающей средой.

Тепловые потери через наружные строительные конструкции постройки – это количество тепла, которое «улетучивается» на улицу. При этом значение для каждого материала будет разным, потому что они отличаются теплопроводностью и толщиной.

На заметку! При вычислении площади наружных стен не учитывается квадратура оконных проемов. Ведь через светопрозрачные конструкции всегда теряется больше тепла. Поэтому для них выполняется отдельный расчет.

Когда замеряется ширина помещений, тогда к значению прибавляется половина толщины межкомнатных перегородок. Еще необходимо не забывать про наружный угол. Обязательно учитывается его размер. При измерении считают полную площадь каждой ограждающей строительной конструкции дома. Ведь через всю ее поверхность происходит потеря тепла.

Суть теплового закона

Закон электромагнитной индукции — формула

Упомянутые выше ученые (Джоуль Ленц) практически одновременно (1841-1842 гг.) установили зависимость нагрева от силы тока. Для наглядного эксперимента можно использовать следующий комплект:

• проводник размещают в емкости с водой;
• термометром будет измеряться изменение температуры жидкости при подключении цепи к источнику электропитания;
• с помощью вольтметра и амперметра уточняют напряжение и ток в контрольных точках.

Аналогичный опыт можно воспроизвести в емкости с раствором соли, который обладает определенной проводимостью

По закону Ома ток (I) можно определить через напряжение (U) и электрическое сопротивление (R):

I= U/R.

Выполняемую работу (A) записать следующим образом:

A = I * U * t = I * (I*R) * t = (U/R) * U * t = I2*R*t = (U2/R) * t.

Здесь t обозначает соответствующий интервал времени.

На этом этапе следует вспомнить первый закон термодинамики, который определяет сохранение энергии в замкнутой системе. Этот постулат позволяет описывать рассматриваемое явление с помощью созданной формулы. Подразумевается равенство количества тепла (Q) выполненной работе (A). Итоговое выражение (закон Ленца):

Q = I2*R*t = (U2/R) * t = I * U * t.

Суть явления объясняется столкновением заряженных частиц с молекулами проводника. Если образец – твердый материал, речь идет об электронах и компонентах кристаллической решетки, соответственно.

Видео описание

О необходимости выполнения точного расчета тепловых потерь рассказывает специалист в этом видеоматериале:

Расчет тепловых потерь через стены и крышу

Чтобы рассчитать тепло, которое теряет здание через конкретную строительную конструкцию, используется особая формула. Перед ее применением вычисляется площадь наружного ограждения постройки (A, м²), определяется нормативная температура внутри помещения и ее минимальное значение на улице за самый холодный пятидневный период в году для местности, где построен дом. В формуле также используется сопротивление передачи тепла строительной внешней конструкции. Этот параметр обычно обозначается буквой R и измеряется м²*℃/Вт.

Формулировка

Закон джоуля ленца формулировка словесно выглядит следующим образом: мощность тепла, которая выделяется в проводниковом элементе в момент протекания в нем электротока имеет пропорциональную зависимость умножения плотности электрополя на напряженность.

Его по-другому можно сформулировать так: энергия, протекая по проводнику, перемещает электрозаряд в электрополе. Так, электрополе совершает работу. Работа производится благодаря проводниковому нагреванию. Энергия превращается в тепло.

Однако, из-за чрезмерного проводникового нагрева при помощи тока и электрооборудования, может повредиться проводка и сами аппараты. Сильное перегревание опасно, когда есть короткое замыкание в проводах. Из-за этого проводники могут иметь большое токовое значение.

Что касается интегральной формы тонких проводников правило или уравнение Джоуля — Ленца звучит так: то тепло, которое выделяется за время в конкретном участке электроцепи, определяется квадратным произведением токовой силы на сопротивление участка.

Обратите внимание! Закон Джоуля-Ленца обладает достаточно общим характером, потому что не имеет зависимости от природы, силу которой генерирует электроток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Коротко о главном

Количество требуемого тепла всегда вычисляется, когда создается отопление. Ведь только так можно создать эффективную систему обогрева дома. С помощью этого параметра определяется скорость передачи тепловой энергии от отопительного оборудования и ее потребления конкретным объектом. Значение данной характеристики зависит от объема дома, климатической зоны его расположения, теплопроводности материалов, размеров радиаторов, внутренней и наружной температуры.

Необходимая тепловая энергия может быть вычислена упрощенным или точным методом. Способы по укрупненным данным подразумевают расчет по площади или по объему. Для более точного вычисления определяют общие теплопотери объекта через все наружные строительные конструкции. Дополнительно учитывается расходуемое тепло на вентиляцию.

Сколько стоит 1 квт электроэнергии в Казахстане 2020?

Оплата электроэнергии в зависимости от объёмов потребления и с использованием или без электрической плиты для населения выросла за месяц на 0,5-0,6%. Так, тарифы 1-го уровня увеличились на 0,5%, до 1146 тг за 100 кВт⋅ч для населения, не использующего электроплиты, и до 1129 тг за 100 кВт⋅ч — для использующего.

Интересные материалы:

Какие органы иннервирует вегетативная нервная система? Какие органы входят в правительство? Какие основные полезные вещества входят в состав молока? Какие отчеты сдает ИП на патенте с работниками? Какие отчеты сдает отдел кадров Украина? Какие отрасли экономики развиты в Ставропольском крае? Какие палочки были у героев Гарри Поттера? Какие памятники были созданы в 16 веке? Какие персональные данные нельзя разглашать? Какие подкасты слушать на русском?

Как определить и подобрать мощность

Данный параметр избирается от максимального значения силы заряженных частиц, которые будут протекать через проводник.

Для того чтобы подбирать тепловое рассеивание участков сопротивления для конкретных электроприборов, необходимо изучить параметры входного и выходного напряжения, а также силу электроцепи.

Важно! Необходимо понимать, что городские и промышленные цепи различаются по нагрузке и напряжению. Для бытовых используется 220V, для промышленных часто применяется значение в 380V.

Далее будет представлен стандартный ряд с графическим изображением мощностного отбора резистантов. Абсолютное большинство фабричных электроприборов оснащаются схемами, где указан конкретный диапазон элементов. Такие схемы незаменимы при ремонте и позволяют быстро подбирать необходимое.

Стандартный ряд мощностей и их обозначение на схемах

Вт	Условное обозначение на электросхемах
0,05 Вт
0,125 Вт
0,025 Вт
0,5 Вт
1 Вт
2 Вт
5 Вт

В качестве графических обозначений используются римские цифры и черточки, раскрывающие диапазон от 0,05 до 25

Важно! Очень важно запомнить то, что слабые устройства обозначается косыми линиями.