Как рассчитать мощность газового котла отопления: правила и пример расчета

Перед проектированием отопительной системы, монтажом обогревательного оборудования важно подобрать газовый котел, способный генерировать необходимое количество тепла для помещения.  Поэтому важно выбрать устройство такой мощности, чтобы его производительность была максимально высокой, а ресурс — большим. О том, как рассчитать мощность газового котла с высокой точностью и учетом определенных параметров, можно узнать ниже.

Содержание статьи:

• Типичные ошибки при выборе котла
• Что такое теплопотери помещения?
• Формулы для расчета теплопотерь
• Пример расчета тепловых потерь
  • Вычисление тепловых потерь стен
  • Расчет тепловых потерь окон
  • Определение теплопотерь дверей
  • Вычисление теплового сопротивления пола
  • Расчет теплопотерь через потолок
  • Определение теплопотерь с учетом инфильтрации
• Расчет мощности котла
• Видео-пример расчета программой Valtec

Типичные ошибки при выборе котла

Правильный расчет мощности газового котла позволит не только сэкономить на расходных материалах, но и повысит КПД прибора. Оборудование, теплоотдача которого превышает реальные потребности в тепле, будет работать неэффективно, когда как недостаточно мощное устройство не сможет обогреть помещение должным образом.

Существует современное автоматизированное оборудование, которое самостоятельно регулирует подачу газа, что избавляет от нецелесообразных расходов. Но если такой котел выполняет свою работу на пределе возможностей, то уменьшаются сроки его эксплуатации, снижается КПД, быстрее изнашиваются детали, образовывается конденсат. Поэтому возникает необходимость расчетов оптимальной мощности.

Мощность газового котла подбирается с учетом индивидуальных особенностей жилища. Верно подобранное оборудование будет работать максимально эффективно при минимальных затратах топлива

Бытует мнение, что мощность котла зависит исключительно от площади поверхности помещения, и для любого жилища оптимальным будет расчет 100 Вт на 1 кв.м. Поэтому, чтобы подобрать мощность котла, например, на дом 100 кв. м, потребуется оборудование, вырабатывающее 100*10=10000 Вт или 10 кВт.

Такие расчеты в корне неверны в связи с появлением новых отделочных материалов, усовершенствованных утеплителей, которые снижают необходимость приобретения оборудования высокой мощности.

Осуществить расчет мощности газового котла отопления можно двумя способами – вручную или с использованием специальной программы Valtec, которая предназначена для профессиональных высокоточных расчетов.

Необходимая мощность оборудования напрямую зависит от теплопотерь помещения. Узнав показатель теплопотерь, можно высчитать мощность газового котла или любого другого отопительного прибора.

Что такое теплопотери помещения?

Любое помещение имеет определенные теплопотери. Тепло выходит из стен, окон, полов, дверей, потолка, поэтому задача газового котла – компенсировать количество выходящего тепла и обеспечить определенную температуру в помещении. Для этого необходима определенная тепловая мощность.

Опытным путем установлено, что наибольшее количество тепла уходит через стены (до 70%). Через крышу и окна может выходить до 30% тепловой энергии, через систему вентиляции — до 40%. Наименьшие теплопотери у дверей (до 6%) и пола (до 15%)

На теплопотери дома влияют следующие факторы.

• Расположение дома. Каждый город имеет свои климатические особенности. В расчетах теплопотерь необходимо учитывать критическую отрицательную температуру, характерную для региона, а также среднюю температура и продолжительность отопительного сезона (для точных расчетов с использованием программы).
• Расположения стен относительно сторон света. Известно, что в северной стороне располагается роза ветров, поэтому теплопотери стены, находящейся в этой области, будут наибольшими. В зимнее время с западной, северной и восточной стороны дует с большой силой холодный ветер, поэтому теплопотери этих стен  будут выше.
• Площадь отапливаемого помещения. От размеров помещения, площади стен, потолков, окон, дверей зависит количество уходящего тепла.
• Теплотехника строительных конструкций. Любой материал имеет свой коэффициент теплового сопротивления и коэффициент теплоотдачи – способности пропускать через себя определенное количество тепла. Чтобы их узнать, необходимо воспользоваться табличными данными, а также применить определенные формулы. Информацию о составе стен, потолков, полов, их толщине можно найти в техническом плане жилья.
• Оконные и дверные проемы. Размер, модификация двери и стеклопакетов. Чем больше площадь оконных и дверных проемов, тем выше теплопотери. Важно учитывать характеристики установленных дверей и стеклопакетов при расчетах.
• Учет вентиляции. Вентиляция всегда существует в доме независимо от наличия искусственной вытяжки. Через открытые окна происходит проветривание помещения, движение воздуха создается при закрытии и открытии входных дверей, хождении людей из комнаты в комнату, что способствует уходу теплого воздуха из помещения, его циркуляции.

Зная вышеперечисленные параметры, можно не только вычислить тепловые потери дома и определить мощность котла, но и выявить места, нуждающиеся в дополнительном утеплении.

Формулы для расчета теплопотерь

Данные формулы можно использовать для расчета теплопотерь не только частного дома, но и квартиры. Перед началом вычислений необходимо изобразить план помещения, отметить расположение стен относительно сторон света, обозначить окна, дверные проемы,  а также вычислить размеры каждой стены, оконных и дверных проемов.

Для определения тепловых потерь необходимо знать строение стены, а также толщину используемых материалов. В расчетах учитывается кладка и утеплители

При расчете теплопотерь используются две формулы – с помощью первой определяют величину теплосопротивления ограждающих конструкций, с помощью второй – теплопотери.

Для определения теплосопротивления используют выражение:

Здесь:

• R – величина теплосопротивления ограждающих конструкций, измеряющееся в (м2*К)/Вт.
• K – коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлена ограждающая конструкция, измеряется в Вт/(м*K).
• В – толщина материала, записывающаяся в метрах.

Коэффициент тепловой проводимости K является табличным параметром, толщина B берется из технического плана дома.

Коэффициент тепловой проводимости является табличным значением, он зависит от плотности и состава материала, может отличаться от табличного, поэтому важно ознакомиться с технической документацией на материал (+)

Также используется основная формула расчета теплопотерь

В выражении:

• Q – теплопотери, измеряются в Вт.
• S – площадь ограждающих конструкций (стен, полов, потолков).
• dT – разность между желаемой температурой внутреннего помещения и внешней, измеряется и записывается в С.
• R – значение теплового сопротивления конструкции, м2•С/Вт, которое находится по формуле выше.
• L – коэффициент, зависящий от ориентированности стен относительно сторон света.

Имея под рукой необходимую информацию, можно вручную вычислить теплопотери того или иного здания.

Пример расчета тепловых потерь

В качестве примера высчитаем теплопотери дома, обладающего заданными характеристиками.

На рисунке изображен план дома, для которого мы будем рассчитывать теплопотери. При составлении индивидуального плана важно верно определить ориентацию стен относительно сторон света, вычислить высоту, ширину и длину конструкции, а также отметить места расположения оконных и дверных проемов, их размеры (+)

Исходя из плана, ширина конструкции составляет 10 м, длина — 12 м, высота потолков — 2.7 м, стены ориентированы на север, юг, восток и запад. В западной стене встроено 3 окна, два из них имеют габариты 1.5х1.7 м , одно — 0.6х0.3 м.

При расчетах кровли учитывается слой утеплителя, отделочный и кровельный материал. Паро- и гидроизоляционные пленки, не влияющие на тепловую изоляцию, не берутся во внимание

В южной стене встроены двери с габаритами 1.3х2 м, присутствует также небольшое окно 0.5х0.3 м. С восточной стороны располагаются два окна 2.1х1.5 м и одно 1.5х1.7 м.

Стены состоят из трех слоев:

• обшивка стен ДВП (изоплита) снаружи и изнутри —  1.2 см каждая, коэффициент — 0.05.
• стекловата, располагающейся между стенами, ее толщина 10 см и коэффициент — 0.043.

Тепловое сопротивление каждой из стен рассчитывается отдельно, т.к. учитывается расположение конструкции относительно сторон света, количество и площадь проемов. Результаты вычислений по стенам суммируются.

Пол многослойный, на всей площади выполнен по одной технологии, включает в себя:

• обрезанную доску шпунтованную, ее толщина 3.2 см, коэффициент теплопроводности — 0.15 .
• слой сухого выравнивания ДСП толщиной 10 см и коэффициентом 0.15.
• утеплитель – минеральную вату толщиной 5 см, коэффициент 0.039.

Допустим, что ухудшающих теплотехнику люков в подвал и подобных отверстий пол не имеет. Следовательно, расчет производится для площади всех помещений по единой формуле.

Потолки выполнены из:

• деревянных щитов 4 см с коэффициентом 0.15.
• минеральной ваты 15 см, ее коэффициент — 0.039.
• паро-, гидроизоляционного слоя.

Предположим, что у потолочного перекрытия тоже нет выхода на чердак над жилым или хозяйственным помещением.

Дом располагается в Брянской области, в городе Брянск, где критическая отрицательная температура составляет -26 градусов. Опытным путем установлено, что температура земли составляет +8 градусов. Желаемая температура в помещении + 22 градуса.

Вычисление тепловых потерь стен

Чтобы найти общее тепловое сопротивление стены, сперва необходимо вычислить тепловое сопротивление каждого ее слоя.

Слой стекловаты имеет толщину 10 см. Эту величину необходимо перевести в метры, то есть

Получили значение В=0.1. Коэффициент теплопроводности теплоизоляции – 0.043. Подставляем данные в формулу теплового сопротивления и получим:

Rстекл=0.1/0.043=2.32

По аналогичному примеру, рассчитаем сопротивление к теплу изоплиты:

Rизопл=0.012/0.05=0.24

Общее тепловое сопротивление стены будет равно сумме теплового сопротивления каждого слоя, учитывая, что слоя ДВП у нас два.

R=Rстекл+2*Rизопл=2.32+2*0.24=2.8

Определив общее тепловое сопротивление стены, можно найти тепловые потери. Для каждой стены они высчитываются отдельно. Рассчитаем Q для северной стены.

Добавочные коэффициенты позволяют учесть в расчетах особенности теплопотери стен, располагающихся в разных сторонах света

Исходя из плана, северная стена не имеет оконных отверстий, ее длина – 10 м, высота – 2.7 м. Тогда площадь стены S вычисляется по формуле:

Sсев.стен=10*2.7=27

Рассчитаем параметр dT. Известно, что критическая температура окружающей для Брянска — -26 градусов, а желаемая температура в помещении — +22 градуса. Тогда

dT=22-(-26)=48

Для северной стороны учитывается добавочный коэффициент L=1.1.

В таблице приведены коэффициенты теплопроводности некоторых материалов, которые используются при возведении стен. Как видим, минеральная вата пропускает через себя минимальное количество тепла, железобетон — максимальное

Сделав предварительные расчеты, можно использовать формулу для расчета теплопотерь:

Qсев.стены=27*48*1.1/2.8=509 (Вт)

Рассчитаем теплопотери для западной стены. Исходя из данных, в нее встроено 3 окна, два из них имеют габариты 1.5х1.7 м и одно — 0.6х0.3 м. Высчитаем площадь.

Sзап.стены1=12*2.7=32.4.

Из общей площади западной стены необходимо исключить площадь окон, ведь их теплопотери будут другими. Для этого нужно рассчитать площадь.

Sокн1=1.5*1.7=2.55

Sокн2=0.6*0.4=0.24

Для расчетов теплопотерь будем использовать площадь стены без учета площади окон, то есть:

Sзап.стены=32.4-2.55*2-0.24=25.6

Для западной стороны добавочный коэффициент равен 1.05. Полученные данные подставляем в основную формулу расчета теплопотерь.

Qзап.стены=25.6*1.05*48/2.8=461.

Аналогичные расчеты делаем для восточной стороны. Здесь располагаются 3 окна, одно имеет габариты 1.5х1.7 м, два других – 2.1х1.5 м. Вычисляем их площадь.

Sокн3=1.5*1.7=2.55

Sокн4=2.1*1.5=3.15

Площадь восточной стены равна:

Sвост.стены1=12*2.7=32.4

Из общей площади стены вычитаем значения площади окон:

Sвост.стены=32.4-2.55-2*3.15=23.55

Добавочный коэффициент для восточной стены -1.05. Исходя из данных, вычисляем тепловые потери восточной стены.

Qвост.стены=1.05*23.55*48/2.8=424

На южной стене располагается дверь с параметрами 1.3х2 м и окно 0.5х0.3 м. Высчитываем их площадь.

Sокн5=0.5*0.3=0.15

Sдвер=1.3*2=2.6

Площадь южной стены будет равна:

Sюжн.стены1=10*2.7=27

Определяем площадь стены без учета окон и дверей.

Sюжн.стены=27-2.6-0.15=24.25

Вычисляем теплопотери южной стены с учетом коэффициента L=1.

Qюжн.стены=1*24.25*48/2.80=416

Определив теплопотери каждой из стен, можно найти их общие тепловые потери по формуле:

Qстен=Qюжн.стены+Qвост.стены+Qзап.стены+Qсев.стены

Подставив значения, получим:

Qстен=509+461+424+416=1810 Вт

В итоге потери тепла стен составили 1810 Вт в час.

Расчет тепловых потерь окон

Всего в доме 7 окон, три из них имеют габариты 1.5х1.7 м, два — 2.1х1.5 м, одно — 0.6х0.3 м и еще одно — 0.5х0.3 м.

Окна с габаритами 1.5х1.7 м представляет собой профиль ПВХ двухкамерный c И-стеклом. Из технической документации можно узнать, что его R=0.53. Окна с габаритами 2.1х1.5 м двухкамерные с аргоном и И-стеклом, имеют тепловое сопротивление R=0.75, окна 0.6х0.3 м и 0.5х0.3 — R=0.53.

Площадь окон была вычислена выше.

Sокн1=1.5*1.7=2.55

Sокн2=0.6*0.4=0.24

Sокн3=2.1*1.5=3.15

Sокн4=0.5*0.3=0.15

Также важно учитывать ориентацию окон относительно сторон света.

Обычно тепловое сопротивление для окон рассчитывать не нужно, данный параметр указан в технической документации к изделию

Рассчитаем тепловые потери западных окон, учитывая коэффициент L=1.05. На стороне располагаются 2 окна с габаритами 1.5х1.7 м и одно с 0.6х0.3 м.

Qокн1=2.55*1.05*48/0.53=243

Qокн2=0.24*1.05*48/0.53=23

Итого общие потери западных окон составляют

Qзап.окон=243*2+23=509

В южной стороне располагается окно 0.5х0.3, его R=0.53. Вычислим его теплопотери с учетом коэффициента 1.

Qюж.окон=0.15*48*1/0.53=14

На восточной сторон располагается 2 окна с габаритами 2.1х1.5 и одно окно 1.5х1.7. Рассчитаем тепловые потери с учетом коэффициента L=1.05.

Qокн1=2.55*1.05*48/0.53=243

Qокн3=3.15*1.05*48/075=212

Суммируем тепловые потери восточных окон.

Qвост.окон=243+212*2=667.

Общие теплопотери окон будут равны:

Qокон=Qвост.окон+Qюж.окон+Qзап.окон=667+14+509=1190

Итого через окна выходит 1190 Вт тепловой энергии.

Определение теплопотерь дверей

В доме предусмотрена одна дверь, она встроена в южную стену, имеет габариты 1.3х2 м. Исходя из паспортных данных, теплопроводность материала двери составляет 0.14, ее толщина — 0.05 м. Благодаря этим показателям можно вычислить тепловое сопротивление двери.

Rдвери=0.05/0.14=0.36

Для расчетов понадобиться вычислить ее площадь.

Sдвери=1.3*2=2.6

После расчета теплового сопротивления и площади можно найти теплопотери. Дверь располагается с южной стороны, поэтому используем дополнительный коэффициент 1.

Qдвери=2.6*48*1/0.36=347.

Итого, через дверь выходит 347 Вт тепла.

Вычисление теплового сопротивления пола

По технической документации, пол многослойные, по всей площади выполнен одинаково, имеет габариты 10х12 м. Вычислим его площадь.

Sпола=10*12=210.

В состав пола входят доски, ДСП и утеплитель.

Из таблицы можно узнать коэффициенты теплопроводности некоторых материалов, использующихся для покрытия пола. Данный параметр также может быть указан в технической документации материалов и отличаться от табличного

Тепловое сопротивление необходимо вычислить для каждого слоя пола отдельно.

Rдосок=0.032/0.15=0.21

Rдсп=0.01/0.15= 0.07

Rутеплит=0.05/0.039=1.28

Общее теплосопротивления пола составляет:

Rпола=Rдосок+Rдсп+Rутеплит=0.21+0.07+1.28=1.56

Учитывая, что зимой температура земли держится на отметке +8 градусов, то разность температур будет равна:

dT=22-8=14

Используя предварительные расчеты, можно найти тепловые потери дома через пол.

При расчете тепловых потерь пола учитываются материалы, влияющие на тепловую изоляцию (+)

При расчете тепловых потерь пола принимаем во внимание коэффициент L=1.

Qпола=210*14*1/1.56=1885

Общие теплопотери пола составляют 1885 Вт.

Расчет теплопотерь через потолок

При расчете тепловых потерь потолка учитывается слой минеральной ваты и деревянные щиты. Паро-, гидроизоляция не участвует в процессе теплоизоляции, поэтому ее во внимание не берем. Для расчетов нам понадобиться найти тепловое сопротивление деревянных щитов и слоя минеральной ваты. Используем их коэффициенты теплопроводности и толщину.

Rдер.щит=0.04/0.15=0.27

Rмин.вата=0.05/0.039=1.28

Общее теплосопротивление будет равно сумме Rдер.щит и Rмин.вата.

Rкровли=0.27+1.28=1.55

Площадь потолка такая же, как и пола.

S потолка = 120

Далее производится подсчет тепловых потерь потолка, учитывая коэффициент L=1.

Qпотолка=120*1*48/1.55=3717

Итого через потолок уходит 3717 Вт.

В таблице приведены популярные утеплители для потолков и их коэффициенты тепловой проводимости. Пенополиуретан является наиболее эффективным утеплителем, солома имеет самый высокий коэффициент тепловых потерь

Чтобы определить общие теплопотери дома, необходимо сложить теплопотери стен, окон, двери, потолка и пола.

Qобщ=1810+1190+347+1885+3717=8949 Вт

Чтобы обогреть дом с указанными параметрами необходим газовый котел, поддерживающий мощность 8949 Вт или около 10 кВт.

Определение теплопотерь с учетом инфильтрации

Инфильтрация — естественный процесс теплообмена между внешней средой, который происходит во время движения людей по дому, при открытии входных дверей, окон.

Для расчета теплопотерь на вентиляцию можно использовать формулу:

Qинф=0.33*K*V*dT

В выражении:

• K — расчетная кратность воздухообмена, для жилых комнат используют коэффициент 0.3, для помещений с обогревом — 0.8, для кухни и санузла — 1.
• V — объем помещения, рассчитывается с учетом высоты, длины и ширины.
• dT — разница температур между окружающей средой и жилой дома.

Аналогичную формулу можно использовать в случае, если в помещении установлена вентиляция.

При наличии искусственной вентиляции в доме необходимо использовать ту же формулу, что и для инфильтрации, только подставить вместо К параметры вытяжки, а расчеты dT произвести с учетом температуры входящего воздуха

Высота помещения — 2.7 м, ширина — 10 м, длина — 12 м. Зная эти данные, можно найти его объем.

V=2.7х10х12=324

Разность температур будет равна

dT=48

В качестве коэффициента K берем показатель 0.3. Тогда

Qинф=0.33*0.3*324*48=1540

К общему расчетному показателю Q необходимо добавить Qинф. В итоге

Qобщ=1540+8949=10489.

Итого с учетом инфильтрации теплопотери дома составят 10489 Вт или 10.49 кВт.

Расчет мощности котла

При расчете мощности котла необходимо использовать коэффициент запаса 1.2. То есть мощность будет равна

Здесь:

• Q — теплопотери здания.
• k — коэффициент запаса.

В нашем примере подставим Q=9237 Вт и вычислим необходимую мощность котла.

W=10489*1.2=12587 Вт.

С учетом коэффициента запаса необходимая мощность котла для обогрева дома 120 м2 равна примерно 13 Вт.

Видео-пример расчета программой Valtec

В данном видео можно узнать, как рассчитать теплопотери дома и мощность котла с использованием программы Valtec.

Грамотный расчет теплопотерь и мощности газового котла по формулам или программными методам позволяет определить с высокой точностью необходимые параметры оборудования, что позволяет исключить необоснованные расходы на топливо.