Как произвести расчет мощности газового котла отопления

Оборудование дома собственной котельной позволит обеспечить его автономной системой отопления, а при желании и горячей водой для кухни и ванной комнаты или душа. Если есть возможность подключения дома к газовому трубопроводу, оптимальным выбором будет установка в котельной газового котла. Учитывая невысокую стоимость газа в сравнении с другими источниками энергии, затраты на получение горячей воды можно значительно уменьшить.

Для того чтобы сделать правильный выбор основного элемента вашей котельной, необходимо сначала рассчитать мощность газового котла. Если в качестве резервного котла будет установлен электрический (многие предпочитают делать именно так), нужно будет произвести некоторые дополнительные расчеты. Кроме мощности котла придется рассчитать сечение проводов для его подключения и устройства защиты.

Мощность любых котлов отопления подсчитывается исходя из характеристик дома, который предполагается отапливать, при этом нужно учитывать:

• сколько этажей в доме;
• количество комнат на каждом этаже, их высота;
• наличие веранды и чердачного помещения;
• как устроена вентиляция;
• сколько и какой конструкции установлено окон, дверей;
• из какого материала построен сам дом;
• какой утеплитель используется для пола, стен и перекрытий.

Кроме этого учитывается пространственная ориентация дома, минимальные температуры региона и другие факторы. Чтобы произвести расчет мощности котла и теплопроизводительность системы отопления, нужно учесть максимальные теплопотери через все ограждающие конструкции здания, вентиляцию и т.д.

Как подсчитать теплопотери дома

Прежде чем производить расчет мощности газового котла, нужно внимательно изучить планировку дома, чтобы знать расположение и площадь его комнат, высоту потолков, применяемые материалы для утепления стен, перекрытий и крыши.

Отопление улицы в планы, конечно, не входит, но какие-то теплопотери неизбежны. Чтобы не тратить на отопление лишние киловатты, можно заранее позаботиться о качественном утеплении всего дома. В этом случае и мощность котлов отопления можно будет уменьшить.

Подробно вопрос о теплопотерях через ограждающие конструкции здания рассматривается в СНиП 23-02-2013, где можно найти необходимые таблицы и формулы для расчета теплопотерь через различные материалы. Экспериментальные данные можно найти в строительных справочниках.

Если мы хотим найти необходимую минимальную мощность котла отопления, можно пренебречь, например, влиянием ветров и направленностью стен на север или на юг. Для расчета теплопотери обозначим количество тепла, которое теряет 1 м² материала, как q, измеряемое в Вт/м². Разницу температур внутри (Tвн) и на улице (Tсн) обозначим dT = (Твн — Тсн), а сопротивление материала теплопередаче как R (°С*м²/Вт).

Сопротивление R = dT/q, или q = dT/R.

Это очень напоминает закон Ома (I = U/R, где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление участка цепи). Напряжение U — это разность потенциалов, в нашем случае — разность температур. Сила тока — количество заряда, а здесь — количество тепла.

Если провести аналогию дальше, стены, пол, окна можно представить как параллельные сопротивления, а многослойные конструкции с утеплителем — как последовательные. Остается найти в этой цепи «силу тока».

Некоторые значения теплопотерь для стен, пола и потолков из различных материалов можно найти в таблице на рис. 1.

Чтобы найти общее количество потерянного тепла, нужно рассчитать площадь каждой конструкции, то есть посчитать отдельно окна, стены и пр. Если речь идет о многослойных конструкциях, нужно найти (в справочниках) удельное сопротивление теплопередаче каждого слоя, сложить их, а затем найти теплопотери по всей площади с учетом общего сопротивления.

При расчетах используется температура самой холодной недели региона, где расположена постройка. Для каждой комнаты выбирают температуру по своим пожеланиям.

Пример вычислений для отдельной комнаты

В качестве примера найдем теплопотери отдельной комнаты. Ее характеристики примем такие:

• длина 4 м;
• ширина 5 м;
• высота 2,8 м;
• 2 наружные стены;
• материал стен — кирпич, толщина — 2 кирпича (или 0,54 м);
• 2 окна с двойными рамами;
• чердачное перекрытие;
• деревянные полы.

Данные возьмем в таблицах, рисунки 1 и 2. На рис. 2 — данные для окон и стеклопакетов различной конструкции. Комнату будем считать неоштукатуренной, без утеплителя на стенах. Проведем расчет мощности, которую следует взять у газового котла (или электрического) для компенсации этих потерь. Чтобы произвести расчет котла в полном объеме, нужно посчитать мощность для компенсации потерь тепла в каждой комнате.

Проводя расчет мощности для разных комнат, следует помнить, что комфортная температура в спальне, гостиной или, например, ванной может несколько отличаться, как и температура снаружи. Но в этих приблизительных расчетах примем температуру на улице -30°C, а в комнате — +20°C.

Из таблицы берем значение теплопотери окна, равное 216 Вт при q = 135 Вт/м². Теперь посчитаем его площадь, она нужна для последующих расчетов: S_окна = 216 (Вт)/135 (Вт/м²) = 1,6 м². Значит, 2 окна имеют площадь 3,2 м².

Считаем площадь 2 наружных стен без окон: S_стены= 2,8 м × (4+5) м — 2 × S_окна = 2,8 × (4+5) м² — 3,2 м² = 22 м².

Площадь пола примем равной площади потолка: S_пола = S_{потолка} = 20 м².

Разницу температур найти просто: dT = 20 — (-30) = 50°С. Теперь можно найти удельную потерю тепла для стен, пола и потолка: q_i = dT/R_i. Из таблиц (рис. 1 и 2) находим нужные нам данные:

• R_окна = 0,37;
• R_стены = 0,405;
• R_пола = 1,85;
• R_{потолка} = 1,43.

Отсюда получим теплопотери на 1 м² поверхности:

• q_окна = 50/0,37 = 135,135, округлим до 135 Вт/м²;
• q_стены = 50/0,405 = 123,456, округлим до 124 Вт/м²;
• q_пола = 50/1,85 = 27,027, округлим до 27 Вт/м²;
• q_{потолка} = 50/1,43 = 34,965, округлим до 35 Вт/м².

Теперь можем найти потери для всей площади каждого ограждения, обозначим их Q_i = q_i × S_i:

• Q_окна = q_окна × S_окна = 135 Вт/м² × 3,2 м² = 432 Вт;
• Q_стены = q_стены × S_стены = 124 Вт/м² × 22 м² = 2728 Вт;
• Q_пола = q_пола × S_пола = 27 Вт/м² × 20 м² = 540 Вт;
• Q_{потолка} = q_{потолка} × S_{потолка} = 35 Вт/м² × 20 м² = 700 Вт.

Всего Q = 4400 Вт, такие потери тепла будут у данной комнаты, и основная их часть приходится на стены.

Утепление комнаты

Как показывают расчеты, на отопление взятой для примера комнаты (без утеплителя) для поддержания температуры +20°C требуется взять 4,4 кВт от всей мощности газового котла. Теперь добавим на стены утеплитель, например, штукатурку слоем от 2 до 3 см, такие данные есть в таблице на рис. 1.

Сопротивление теплопередаче для штукатурки R = 0,035. Вспомним сравнение с электрической цепью. Чтобы найти общее сопротивление оштукатуренной стены, производим расчет, как при последовательном соединении, то есть складываем сопротивления. Теперь R_стены = 0,405 + 0,035 = 0,44.

Находим новое значение q_стены =50/0,44 = 113,63(63), округлим до 114 Вт/м². Или для всей стены Q_стены = q_стены × S_стены = 114 Вт/м² × 22 м² = 2508 Вт. Без штукатурки было 2728 Вт, значит, 220 Вт отопительной мощности можно сэкономить, просто оштукатурив стену с одной стороны.

Добавим теперь на стену лист гипсокартона, а под него кладем пенопласт, сопротивление материалов возьмем из справочника:

• R_{гипсокартона} = 0,21;
• R_{пенопласта} = 0,04 — 0,045, пусть будет 0,04.

Пересчитаем общее сопротивление: Rстены = 0,405 + 0,035 + 0,21 + 0,04 = 0,44 + 0,25 = 0,69.

Тогда q_стены = 72,463, или 73 Вт/м², отсюда Q_стены = 1606 Вт. Получается, что теперь на мощности отопления сэкономлено еще 902 Вт, а по сравнению с неоштукатуренной стеной — 1122 Вт.

/youtu.be/CeX3uvPxRQY

Теперь возьмем окна-стеклопакеты. Стекла толщиной 4 мм. Его обозначение в таблице выглядит так: 4-Ar6-4-Ar6-4К, потери составят 133 Вт против 216 Вт обычного окна. Учитывая, что имеется 2 окна общей площадью 3,2 м², то Q_окна = 133 × 2 = 266 Вт против 432 Вт старого окна. Сэкономлено еще 166 Вт, итого — 1288 Вт.

Тогда общая теплопотеря составит 4400 — 1288 = 3112 Вт.

Что еще необходимо учитывать

Итак, произведен приблизительный расчет мощности, необходимой для отопления одной комнаты. Но при этом не учтено расположение комнаты относительно сторон света и розы ветров. Не учитывалось, на каком этаже расположена комната, вентиляция, в том числе инфильтрация, и теплопотери через двери на улицу.

Инфильтрацией — естественным притоком воздуха в помещения через щели в дверях, окнах и прочие лазейки — обычно пренебрегают. По поводу вентиляции мнения неоднозначны, многое зависит от конструкции самой вентиляции и частоты обмена воздуха в помещении. По старым СНиП считалось, что полный обмен воздуха должен происходить ежечасно, а на каждый квадратный м площади приходится 3 м³ воздуха.

Но в действительности таким условиям соответствуют далеко не все помещения. Поэтому обычно на вентиляцию добавляют еще 40% от общего значения теплопотерь в ограждающих конструкциях.

При учете ориентации ограждающих конструкций в направлении север, северо-восток или северо-запад обычно добавляется 10% к существующим теплопотерям. На юг и юго-восток — 5%.

Примерно 15% составят теплопотери через фундамент, расположенный на мерзлом грунте. Стены и перегородки, за которыми находятся отапливаемые помещения, в расчет теплопотерь не входят, а если за стеной неотапливаемое помещение, вводят коэффициент 70% для коррекции результата, т.е. полученное значение умножают на 0,7.

/youtu.be/kb1rKp8PktI

Если котел будет работать еще и на обеспечение дома горячей водой, например, через бойлер, к его общей мощности добавляют дополнительно 25%.

Чтобы не делать многочисленные расчеты с использованием формул, коэффициентов, поправок и таблиц, обычно используют специальные программы для расчета теплопотерь в зданиях. Таких программ разработано довольно много:

• “Тепловые потери зданий” от ENLAB.RU;
• Herz OZC;
• ALLKLIMA и другие.

Многие программы для расчета построены на основе таблиц Excel, ведь основная сложность расчета — в большом количестве факторов, влияющих на потери тепла.

Программы производят вычисления по различным участкам площади с учетом многочисленных поправок для каждого участка. Считать это все вручную долго и тяжело, требует большого внимания, чтобы не допустить ошибок. Результат подсчета получается более точный, но дополнительной платы, как за работу профессионального конструктора, не требует.

Подключение резервной системы

Для отопления дома возможно использование электрического котла в качестве резервного. Выбор мощности таких котлов имеет более широкий диапазон. Если газовые котлы, как правило, имеют минимальную мощность более 10 кВт, мощность электрического котла можно выбрать, начиная от 4 кВт. Возможно, резервная система будет поддерживать лишь часть отопления или только подачу горячей воды.

Совместить два котла в одной системе можно, используя теплоаккумулирующие емкости или просто сделав переключение воды при помощи фитингов.

Выбор мощности электрического котла производится по той же схеме, что и газового, можно лишь произвести отдельный расчет для комнат, которые будут отапливаться по резервной схеме, если она не охватывает весь дом. Отдельных вычислений требует электрическая схема подключения, точнее — ток приборов защитного отключения и сечение проводов.

Выбор устройств защиты и автоматов производится исходя из характеристик выбранного кабеля. Устройства защитного отключения выбирают в зависимости от цели их применения (защиты от возгорания, от поражения электрическим током) и от количества используемых фаз.

/youtu.be/3bKgAB41k50

Электрические котлы до 12 кВт могут подключаться к однофазной сети, большей мощности — только к 3-фазной, кроме того, чтобы пользоваться котлом более 10 кВт, нужно получить разрешение Энергонадзора.

Для подключения электрокотла необходимо проложить отдельную проводку, соблюдая все требования техники безопасности, в том числе пожарной.

Несколько заключительных замечаний

После того как подсчитана необходимая мощность котла, включая отопление и обеспечение дома горячей водой, обычно добавляют к расчетным значениям запас прочности 10%, умножая полученный результат на 1,1. Если значение получается с десятичной дробью, мощность котла округляется в большую сторону.

Для оценки необходимой мощности часто используют упрощенную формулу, которая включает в себя удельную мощность котла — W_{удельная.} Ее принимают как среднестатистический коэффициент для коррекции мощности W_котла для определенного региона, учитывая его климатические особенности.

Формула имеет следующий вид: W_котла = W_{удельная} × S_дома , где S_дома — это площадь всего здания, включая подсобные помещения.

Эта формула не дает точного значения для выбора мощности котла, но позволяет определить, на какой агрегат стоит рассчитывать. Таблица значений этого коэффициента приведена на рис. 4. Иногда берут среднее значение из расчета 1 кВт на 10 м², но эта величина слишком приблизительна и требует более точных расчетов.

/youtu.be/fYAw_fKoX9Q

Не следует приобретать котел и с большим запасом мощности, так как его автоматика рассчитана на определенный режим работы. Нарушение проектных условий может приводить к сбоям и неполадкам в работе, преждевременному выходу из строя отдельных элементов оборудования.