A fűtési rendszer hőszámítása: hogyan készítse el szakszerűen a rendszer terhelésének számítását

A fűtési rendszer tervezése és hőszámítása – kötelező lépés a ház fűtésének kialakítása során. A számítási tevékenységek fő feladata – a kazán és a radiátorrendszer optimális paramétereinek meghatározása.

Elismerhetjük, hogy első látásra úgy tűnhet, a hőtechnikai számítás elvégzése csak mérnök számára lehetséges. Azonban nem annyira bonyolult. Az eljárás menetének ismeretében saját maga is elvégezheti a szükséges számításokat.

A cikkben részletesen kifejtésre kerül a számítás menete, és minden szükséges képlet megtalálható. A jobb megértés érdekében elkészítettünk egy hőszámítási példát egy családi házra.

A fűtés hőszámítása: általános menet

A fűtési rendszer klasszikus hőszámítása egy összefoglaló műszaki dokumentum, amely a kötelező, lépésenkénti szabványos számítási módszereket tartalmazza.

Az alapvető paraméterek ezen számításainak tanulmányozása előtt azonban fontos tisztázni magának a fűtési rendszernek a fogalmát.

A fűtési rendszert a hő kényszerített betáplálása és akaratlan elvezetése jellemzi a helyiségben.

A fűtési rendszer számításának és tervezésének fő feladatai:

• a hőveszteségek legmegbízhatóbb meghatározása;
• a hőhordozó mennyiségének és felhasználási feltételeinek meghatározása;
• a hőtermelés, -szállítás és -leadás elemeinek lehető legpontosabb kiválasztása.

A fűtési rendszer építésekor először szükséges a helyiségre/épületre vonatkozó sokféle adat gyűjtése, ahol a fűtési rendszert használni fogják. Ezután el kell végezni a rendszer hőparamétereinek számítását, és elemezni kell a számtani műveletek eredményeit.

A kapott adatok alapján kiválasztják a fűtési rendszer alkatrészeit, majd beszerzik, telepítik és üzembe helyezik azokat.

A fűtés – egy többkomponensű rendszer, amely biztosítja a jóváhagyott hőmérsékleti rendszert a helyiségben/épületben. Ez a modern lakóhelyiség kommunikációs komplexumának különálló részét képezi.

Figyelemre méltó, hogy az említett hőszámítási módszerrel meglehetősen pontosan kiszámítható számos olyan mennyiség, amelyek pontosan leírják a jövőbeli fűtési rendszert.

A hőszámítás eredményeként a következő információk állnak rendelkezésre:

• a hőveszteségek mértéke, a kazán teljesítménye;
• a hősugárzók száma és típusa szobánként külön-külön;
• a csővezeték hidraulikai jellemzői;
• a hőhordozó térfogata, sebessége, a hőszivattyú teljesítménye.

A hőszámítás – nem elméleti vázlat, hanem teljesen pontos és megalapozott eredmény, amelyet a gyakorlatban ajánlott használni a fűtési rendszer alkatrészeinek kiválasztásakor.

Helyiségek hőmérsékleti normái

Bármilyen rendszerparaméter-számítás elvégzése előtt legalább ismerni kell a várt eredmények nagyságrendjét, valamint rendelkezni kell néhány táblázatos érték szabványosított jellemzőivel, amelyeket be kell helyettesíteni a képletekbe, vagy azokra kell támaszkodni.

Az ilyen konstansokkal végzett paraméterszámítások után biztosak lehetünk a rendszer keresett dinamikus vagy állandó paraméterének megbízhatóságában.

Különböző rendeltetésű helyiségek esetében léteznek referencia szabványok a lakó- és nem lakóhelyiségek hőmérsékleti rendjére. Ezeket a normákat az úgynevezett GOST szabványok rögzítik.

A fűtési rendszer egyik ilyen globális paramétere a helyiség hőmérséklete, amelynek az évszaktól és a környezeti feltételektől függetlenül állandónak kell lennie.

Az egészségügyi előírások és szabályok szerint különbségek vannak a hőmérsékletben a nyári és téli időszak között. A helyiség nyári hőmérsékletéért a légkondicionáló rendszer felelős, számításának elvét ez a cikk részletesen ismerteti.

A téli időszakban a szoba levegőjének hőmérsékletét viszont a fűtési rendszer biztosítja. Ezért számunkra a téli szezon hőmérsékleti tartományai és azok tűréshatárai érdekesek.

A legtöbb jogszabályi dokumentumban a következő hőmérsékleti tartományok vannak meghatározva, amelyek lehetővé teszik, hogy az ember kényelmesen tartózkodjon a szobában.

Legfeljebb 100 m² alapterületű, irodai jellegű nem lakóhelyiségek esetén:

• 22-24°C – az optimális levegőhőmérséklet;
• 1°C – a megengedett ingadozás.

A 100 m²-nél nagyobb alapterületű irodai jellegű helyiségek hőmérséklete 21-23°C. Az ipari jellegű nem lakóhelyiségek esetében a hőmérsékleti tartományok jelentősen eltérnek a helyiség rendeltetésétől és a megállapított munkavédelmi előírásoktól függően.

A szoba kényelmes hőmérséklete minden ember számára “saját”. Valaki szereti, ha nagyon meleg van a szobában, másnak az a kényelmes, ha hűvös van a szobában – ez mind nagyon egyéni.

Ami a lakóhelyiségeket illeti: lakások, magánházak, kúriák stb. esetében meghatározott hőmérsékleti tartományok léteznek, amelyek a lakók kívánságaitól függően módosíthatók.

A lakás és a ház egyes helyiségeire vonatkozóan az alábbiak érvényesek:

• 20-22°C – nappali, beleértve a gyerekszobát is, tűrés ±2°C –
• 19-21°C – konyha, WC, tűrés ±2°C;
• 24-26°C – fürdőszoba, zuhanyzó, medence, tűrés ±1°C;
• 16-18°C – folyosók, előszobák, lépcsőházak, tárolók, tűrés +3°C

Fontos megjegyezni, hogy van még néhány alapvető paraméter, amelyek befolyásolják a helyiség hőmérsékletét, és amelyeket figyelembe kell venni a fűtési rendszer számításánál: páratartalom (40-60%), oxigén- és szén-dioxid koncentráció a levegőben (250:1), légtömegek mozgási sebessége (0,13-0,25 m/s) stb.

A ház hőveszteségének számítása

A termodinamika második főtétele szerint (iskolai fizika) nem létezik spontán energiaátadás kevésbé felmelegedett tárgyaktól jobban felmelegedett mini- vagy makroobjektumok felé. E törvény egyik speciális esete a hőmérsékleti egyensúly megteremtésére való “törekvés” két termodinamikai rendszer között.

Például az első rendszer – a környezet -20°C hőmérséklettel, a második rendszer – az épület +20°C belső hőmérséklettel. Az említett törvény szerint ez a két rendszer energiaátadás útján fog egyensúlyra törekedni. Ez a második rendszer hővesztesége és az első rendszer hűlése révén fog bekövetkezni.

Egyértelműen kijelenthető, hogy a környezeti hőmérséklet attól a szélességi foktól függ, amelyen a magánház található. A hőmérséklet-különbség pedig befolyásolja az épületből történő hőszivárgás mértékét (+).

Hőveszteség alatt egy tárgyból (házból, lakásból) történő akaratlan hő- (energia-) távozást értünk. Egy átlagos lakás esetében ez a folyamat nem annyira “észrevehető”, mint egy családi háznál, mivel a lakás az épületen belül helyezkedik el, és “szomszédos” más lakásokkal.

Egy családi házban a külső falakon, a padlón, a tetőn, az ablakokon és az ajtókon keresztül valamilyen mértékben “távozik” a hő.

Ismerve a hőveszteség mértékét a legkedvezőtlenebb időjárási körülményekre és e körülmények jellemzőire, nagy pontossággal kiszámítható a fűtési rendszer teljesítménye.

Tehát az épület hőszivárgásának mértékét a következő képlettel számítjuk ki:

Q=Q_padló+Q_fal+Q_ablak+Q_tető+Q_ajtó+…+Q_i, ahol

Qi – az épületburkolat egy homogén típusának hőveszteség-mértéke.

A képlet minden egyes összetevőjét a következő képlettel számítjuk ki:

Q=S*∆T/R, ahol

• Q – hőszivárgás, W;
• S – egy adott szerkezettípus felülete, m²;
• ∆T – a környezeti levegő és a helyiség belső levegője közötti hőmérsékletkülönbség, °C;
• R – egy meghatározott szerkezettípus hőellenállása, m²*°C/W.

A ténylegesen létező anyagok hőellenállásának értékét ajánlott segédtáblázatokból venni.

Ezenkívül a hőellenállás a következő összefüggéssel is meghatározható:

R=d/k, ahol

• R – hőellenállás, (m²*K)/W;
• k – az anyag hővezetési tényezője, W/(m²*K);
• d – ennek az anyagnak a vastagsága, m.

Régi, elnedvesedett tetőszerkezetű házakban a hőszivárgás az épület felső részén, nevezetesen a tetőn és a padláson keresztül történik. A mennyezet szigetelésére vagy a manzárdtető hőszigetelésére irányuló intézkedések megoldják ezt a problémát.

Ha a padlástér és a tető szigetelését elvégzik, a ház teljes hővesztesége jelentősen csökkenthető.

A házban további hőveszteség-típusok is léteznek a szerkezetek réseiben, a szellőzőrendszeren, a konyhai elszívón, az ablakok és ajtók nyitogatásán keresztül. Ezek mértékének figyelembevétele azonban nem indokolt, mivel nem tesznek ki többet a fő hőszivárgások összmennyiségének 5%-ánál.

A kazán teljesítményének meghatározása

A környezet és a ház belső hőmérséklete közötti különbség fenntartásához autonóm fűtési rendszerre van szükség, amely a családi ház minden helyiségében biztosítja a kívánt hőmérsékletet.

A fűtési rendszer alapját a különböző kazántípusok képezik: folyékony vagy szilárd tüzelésű, elektromos vagy gázüzemű kazánok.

A kazán a fűtési rendszer központi egysége, amely hőt termel. A kazán fő jellemzője a teljesítménye, azaz a hőmennyiség egységnyi idő alatti átalakításának sebessége.

A fűtési hőterhelés kiszámítása után megkapjuk a kazán szükséges névleges teljesítményét.

Egy átlagos, többszobás lakásban a kazán teljesítményét a terület és a fajlagos teljesítmény alapján számítják ki:

P_kazán=(S_helyiség*P_fajlagos)/10, ahol

• S_helyiség – a fűtött helyiség teljes területe;
• P_fajlagos – fajlagos teljesítmény az éghajlati viszonyok függvényében.

Ez a képlet azonban nem veszi figyelembe a hőveszteségeket, amelyek egy családi házban bőven előfordulnak.

Van egy másik összefüggés, amely ezt a paramétert is figyelembe veszi:

P_kazán=(Q_veszteség*S)/100, ahol

• P_kazán – a kazán teljesítménye;
• Q_veszteség – hőveszteség;
• S – fűtött terület.

A kazán számított teljesítményét meg kell növelni. Tartalékra van szükség, ha a kazánt a fürdőszoba és a konyha melegvíz-ellátására is kívánják használni.

A magánházak fűtési rendszereinek többségében javasolt tágulási tartályt használni, amelyben a hőhordozó tartalékát tárolják. Minden magánháznak szüksége van melegvíz-ellátásra.

Annak érdekében, hogy a kazán teljesítménytartalékát biztosítsuk, az utolsó képlethez hozzá kell adni a K tartaléktényezőt:

P_kazán=(Q_veszteség*S*K)/100, ahol

K – értéke 1,25 lesz, vagyis a kazán számított teljesítménye 25%-kal nő.

Így a kazán teljesítménye lehetővé teszi az épület helyiségeiben az előírt levegőhőmérséklet fenntartását, valamint a kezdeti és kiegészítő melegvíz-mennyiség biztosítását a házban.

A radiátorok kiválasztásának jellemzői

A helyiség hőellátásának szokásos összetevői a radiátorok, panelek, “padlófűtés” rendszerek, konvektorok stb. A fűtési rendszer leggyakoribb elemei a radiátorok.

A hőradiátor egy speciális, moduláris típusú üreges szerkezet, amely nagy hőleadó képességű ötvözetből készül. Acélból, alumíniumból, öntöttvasból, kerámiából és más ötvözetekből készül. A fűtőradiátor működési elve az, hogy a hőhordozó energiáját a “bordák” segítségével sugározza a helyiség terébe.

Az alumínium és bimetál fűtőradiátorok felváltották a nehéz öntöttvas radiátorokat. A gyártás egyszerűsége, a magas hőleadás, a sikeres kialakítás és a dizájn ezt a terméket a helyiség hősugárzásának népszerű és elterjedt eszközévé tették.

Több módszer is létezik a helyiség fűtőradiátorainak kiszámítására. Az alábbi módszerek listája a számítási pontosság növekvő sorrendjében van rendezve.

Számítási változatok:

1. Terület alapján. N=(S*100)/C, ahol N – a szekciók száma, S – a helyiség területe (m²), C – egy radiátorszekció hőleadása (W, a termék műszaki adatlapjából vagy tanúsítványából), 100 W – az a hőáram mennyiség, amely 1 m² fűtéséhez szükséges (empirikus érték). Felmerül a kérdés: hogyan vegyük figyelembe a szoba belmagasságát?
2. Térfogat alapján. N=(S*H*41)/C, ahol N, S, C – hasonlóan. H – a helyiség magassága, 41 W – az a hőáram mennyiség, amely 1 m³ fűtéséhez szükséges (empirikus érték).
3. Együtthatók alapján. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, ahol N, S, C és 100 – hasonlóan. k1 – a szoba ablakának hőszigetelő üvegezésében lévő kamrák számának figyelembevétele, k2 – a falak hőszigetelése, k3 – az ablakfelület és a helyiség területének aránya, k4 – az átlagos mínusz hőmérséklet a tél leghidegebb hetében, k5 – a szoba külső falainak száma (amelyek az utcára néznek), k6 – a feletti helyiség típusa, k7 – a belmagasság.

Ez a legpontosabb változata a szekciók számának kiszámításának. Természetesen a törteredmények kerekítése mindig a következő egész számra történik.

Vízellátás hidraulikai számítása

Kétségtelen, hogy a fűtési hőszámítás “képe” nem lehet teljes a hőhordozó térfogatának és sebességének kiszámítása nélkül. A legtöbb esetben a hőhordozó közönséges víz, folyékony vagy gáznemű halmazállapotban.

A hőhordozó valós térfogatát a fűtési rendszer összes üregének összegzésével javasolt kiszámítani. Egykörös kazán használata esetén ez az optimális megoldás. Kétkörös kazánok alkalmazásakor a fűtési rendszerben figyelembe kell venni a meleg víz fogyasztását higiéniai és egyéb háztartási célokra.

A kétkörös kazán által a lakók meleg vízzel való ellátására és a hőhordozó felmelegítésére szolgáló víz térfogatának kiszámítása a fűtési kör belső térfogatának és a felhasználók meleg víz iránti valós igényeinek összegzésével történik.

A fűtési rendszerben lévő meleg víz térfogatát a következő képlettel számítják ki:

W=k*P, ahol

• W – a hőhordozó térfogata;
• P – a fűtőkazán teljesítménye;
• k – teljesítménytényező (a literek száma egységnyi teljesítményre, értéke 13,5, tartomány: 10-15 l).

Végeredményben a végső képlet a következő:

W = 13,5*P

A hőhordozó sebessége – a fűtési rendszer záró dinamikus értékelése, amely a folyadék keringési sebességét jellemzi a rendszerben.

Ez az érték segít a csővezeték típusának és átmérőjének értékelésében:

V=(0,86*P*μ)/ΔT, ahol

• P – a kazán teljesítménye;
• μ – a kazán hatásfoka;
• ΔT – a hőmérsékletkülönbség a betáplált víz és a visszatérő körben lévő víz között.

A fent említett hidraulikai számítási módszerekkel valós paramétereket kaphatunk, amelyek a jövőbeli fűtési rendszer “alapját” képezik.

Példa a hőszámításra

A hőszámítás példájaként egy egyszintes ház áll rendelkezésre, négy lakószobával, konyhával, fürdőszobával, “téli kerttel” és mellékhelyiségekkel.

Az alap monolit vasbeton födémből (20 cm), a külső falak betonból (25 cm) vakolattal, a tető fa gerendákból készült födém, a tetőfedés fémcserép és ásványgyapot (10 cm).

Jelöljük meg a ház számításokhoz szükséges kiindulási paramétereit.

Az épület méretei:

• szintmagasság – 3 m;
• kis ablak az épület homlokzati és hátsó részén 1470*1420 mm;
• nagy homlokzati ablak 2080*1420 mm;
• bejárati ajtók 2000*900 mm;
• hátsó rész ajtói (kijárat a teraszra) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Az épület teljes szélessége 9.5 m², hossza 16 m². Csak a lakószobák (4 db), fürdőszoba és konyha lesznek fűtve.

A pontos hőveszteség-számításhoz a falak esetében a külső falak területéből ki kell vonni az összes ablak és ajtó területét – ezek teljesen más anyagtípusok, saját hőellenállással.

Kezdjük az egynemű anyagok területeinek számításával:

• padló területe – 152 m²;
• tető területe – 180 m², figyelembe véve a padlás magasságát 1.3 m és a szarufa szélességét – 4 m;
• ablakok területe – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• ajtók területe – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

A külső falak területe 51*3-9.22-7.4=136.38 m² lesz.

Térjünk át az egyes anyagok hőveszteségének számítására:

• Q_padló=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_tető=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_ablak=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_ajtó=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

Valamint Q_fal egyenlő 136.38*40*0.25/0.3=4546. Az összes hőveszteség összege 19628.4 W lesz.

Végül számítsuk ki a kazán teljesítményét: P_kazán=Q_veszteség*S_{fűtött_szobák}*K/100=19628.4*(10.4+10.4+13.5+27.9+14.1+7.4)*1.25/100=19628.4*83.7*1.25/100=20536.2=21 kW.

A radiátorszelvények számának kiszámítását az egyik szobára végezzük el. Az összes többinél a számítás hasonló. Például a sarokszoba (balra, az ábra alsó sarka) területe 10.4 m2.

Tehát N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10.4*1.0*1.0*0.9*1.3*1.2*1.0*1.05)/180=8.5176=9.

Ehhez a szobához 9 darab, 180 W hőleadású fűtőradiátorszelvény szükséges.

Térjünk át a hűtőfolyadék mennyiségének kiszámítására a rendszerben – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Tehát a hűtőfolyadék sebessége: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

Ennek eredményeképpen a rendszerben lévő teljes hőhordozó mennyiségének teljes körforgása óránként 2.87-szeresnek felel meg.

A hőszámítással kapcsolatos cikkek gyűjteménye segít meghatározni a fűtési rendszer elemeinek pontos paramétereit:

1. Családi ház fűtési rendszerének számítása: szabályok és számítási példák
2. Épület hőtechnikai számítása: a számítások sajátosságai és képletei + gyakorlati példák

Következtetések és hasznos vidéó a témából

Egy egyszerű fűtési rendszer számítása családi ház esetében a következő áttekintésben található:

Az épület hőveszteségének számításának minden finomsága és általánosan elfogadott módszerei alább láthatók:

Egy másik változat a hőszivárgás számítására egy tipikus családi házban:

Ebben a videóban a lakás fűtésére szolgáló energia hordozó keringésének sajátosságairól van szó:

A fűtési rendszer hőszámítása egyedi jellegű, azt szakszerűen és körültekintően kell elvégezni. Minél pontosabbak a számítások, annál kevesebbet kell túlfizetniük a külvárosi ház tulajdonosainak az üzemeltetés során.

Van tapasztalata a fűtési rendszer hőszámításának elvégzésében? Vagy maradtak kérdései a témával kapcsolatban? Kérem, ossza meg véleményét és hagyjon megjegyzéseket. A visszajelzési blokk alább található.