Как рассчитать теплопотери частного дома?

Теплопотери через ограждающие конструкции

Приведу пример расчета для внешних стен двухэтажного дома.

1) Вычисляем сопротивление теплопередаче стены, деля толщину материала на его коэффициент теплопроводности. Например, если стена построена из тёплой керамики толщиной 0,5 м с коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/(м×°C), то делим 0,5 на 0,16: 0,5 м / 0,16 Вт/(м×°C) = 3,125 м2×°C/Вт Коэффициенты теплопроводности строительных материалов можно взять здесь.

2) Вычисляем общую площадь внешних стен. Приведу упрощённый пример квадратного дома: (10 м ширина × 7 м высота × 4 стороны ) — (16 окон × 2,5 м2) = 280 м2 — 40 м2 = 240 м2

3) Делим единицу на сопротивление теплопередаче, тем самым получая теплопотери с одного квадратного метра стены на один градус разницы температуры. 1 / 3,125 м2×°C/Вт = 0,32 Вт / м2×°C

4) Cчитаем теплопотери стен. Умножаем теплопотери с одного квадратного метра стены на площадь стен и на разницу температур внутри дома и снаружи. Например, если внутри +25°C, а снаружи –15°C, то разница 40°C. 0,32 Вт / м2×°C × 240 м2 × 40 °C = 3072 Вт Вот это число и является теплопотерей стен. Измеряется теплопотеря в ваттах, т.е. это мощность теплопотери.

5) В киловатт-часах удобнее понимать смысл теплопотерь. За 1 час через наши стены при разнице температур в 40°C уходит тепловой энергии: 3072 Вт × 1 ч = 3,072 кВт×ч За 24 часа уходит энергии: 3072 Вт × 24 ч = 73,728 кВт×ч

Понятное дело, что за время отопительного периода погода разная, т.е. разница температур всё время меняется. Поэтому, чтобы вычислить теплопотери за весь отопительный период, нужно в пункте 4 умножать на среднюю разницу температур за все дни отопительного периода. Например, за 7 месяцев отопительного периода средняя разница температур в помещении и на улице была 28 градусов, значит теплопотери через стены за эти 7 месяцев в киловатт-часах:

0,32 Вт / м2×°C × 240 м2 × 28 °C × 7 мес × 30 дней × 24 ч = 10838016 Вт×ч = 10838 кВт×ч

Число вполне «осязаемое». Например, если бы отопление было электрическое, то можно посчитать сколько бы ушло денег на отопление, умножив полученное число на стоимость кВт×ч. Можно посчитать сколько ушло денег на отопление газом, вычислив стоимость кВт×ч энергии от газового котла. Для этого нужно знать стоимость газа, теплоту сгорания газа и КПД котла.

Кстати, в последнем вычислении вместо средней разницы температур, количества месяцев и дней (но не часов, часы оставляем), можно было использовать градусо-сутки отопительного периода — ГСОП, некоторая информация про ГСОП здесь. Можно найти уже посчитанные ГСОП для разных городов России и перемножать теплопотери с одного квадратного метра на площадь стен, на эти ГСОП и на 24 часа, получив теплопотери в кВт*ч.

Аналогично стенам нужно посчитать значения теплопотерь для окон, входной двери, крыши, фундамента. Потом всё просуммировать и получится значение теплопотерь через все ограждающие конструкции. Для окон, кстати, не нужно будет узнавать толщину и теплопроводность, обычно уже есть готовое посчитанное производителем сопротивление теплопередаче стеклопакета. Для пола (в случае плитного фундамента) разница температур не будет слишком большой, грунт под домом не такой холодный, как наружный воздух.

Дифференцированные схемы расчёта

Для правильных вычислений надо учитывать специфику типовых компонентов строений. Потери в стенах рассчитывают по общей площади с учетом сопротивления (теплового) каждого слоя. Внутри помещений поддерживают необходимую температуру. Проверяют несколько контрольных точек с учетом изменения сезонных, дневных и ночных внешних условий. Одновременно оценивают размещение точки росы. Следует не забывать о существенном влиянии ветровых нагрузок, особенностях режима проветривания. Над перекрытиями находятся верхние этажи, чердак. Соответственно, при общем одинаковом подходе некоторые негативные внешние воздействия можно исключить.

К сведению. Специалисты рекомендуют делать небольшой запас (добавить ≈10%) при выборе уровня влажности и температуры в комнате. Такой подход поможет учесть экстремальные условия (потребности) в процессе эксплуатации.

Расчетные параметры для оконных (дверных) блоков приводят производители в сопроводительной документации. Для повышения точности следует учитывать изоляционные характеристики откосов, узлов примыкания рам к стенам.

Пол в центральной части теплее, по сравнению с периметром. Влияние оказывают вентилируемый подвал, дополнительная изоляция фундамента. Применяют зонирование, которое учитывает особенности отдельных площадей.

Методика расчета теплопотерь помещений и порядок его выполнения

Схема утепление входных дверей.

Все потери помещениями различных типов тепла складываются из теплопотерь, происходящих через разнообразные ограждающие конструкции, например, стены, окна, перегородки, перекрытия или полы, и из расходования тепла на процесс нагревания воздуха, который попадает внутрь здания через неплотно защищенные сооружения, присутствующие в конструкции данного рассматриваемого помещения. Иногда в некоторых промышленных зданиях случаются и другие варианты возможной потери тепла, природу которых можно связать только с практической деятельностью предприятия и условиями, в которых происходит непосредственная деятельность этой организации.

При этом не обязательно учитывать потери тепла, которые осуществляются через внутренние конструкции, если разность их температуры с температурой в соседних помещениях не превышает 3 градусов по Цельсию.
Как рассчитать теплопотери здания сквозь ограждающие конструкции?

Формулы расчета теплопотерь.

Для этой цели существует следующая формула: Qогр = F (tвн – tнБ) (1 + Σ β ) n / Rо

В которой, tнБ – это температура воздуха снаружи, измеряемая градусами по Цельсию;

tвн – температура внутри помещения, мера измерения которой тоже – градус по Цельсию;

далее за F принимается площадь всех защитных сооружений, в квадратных метрах;

n – коэффициент, учитывающий положение ограждений или защитных сооружений внутри здания, то есть положение внешней поверхности этих объектов по отношению к наружному воздуху;

под β подразумеваются добавочные теплопотери, рассчитанные в некоторых долях от основных потерь тепла;

Rо – это сопротивление процессу передачи тепла, измеряемое в отношении произведения кв. метров на градусы по Цельсию к Вт.

Сопротивление обычно тоже находится по формуле Rо = 1/ αв + Σ ( δі / λі ) + 1/ αн + Rв.п. Здесь за αв берется коэффициент восприятия тепла внутренней поверхностью имеющихся ограждений, мера измерения этого компонента – отношение Вт к произведению метра в квадрате на градус по Цельсию;

λі – это расчетный коэффициент теплопроводности для используемого материала одного слоя конструкции;

δі – толщина одного слоя материала;

αн – коэффициент отдачи тепла ограждением;

Rв.n – термосопротивление внутри воздушной замкнутой прослойки;

Коэффициенты αн и αв в некоторых случаях имеют постоянные значения, как и значение λі, которое указано в специальных справочниках;

δі – величина, которую назначают дополнительно, согласно заданию, и определить ее можно только по чертежам конструкций ограждений;

Коэффициенты восприятия тепла αв для внутренней поверхности стен, полов и потолков равна 8,7 кв.м׺С/Вт. Обозначаемый символом αн коэффициент теплоотдачи наружных стен и перекрытий, над которыми нет чердака, равен 23. В случае же с имеющимися в конструкции здания чердаками и подвалами этот коэффициент снижается практически вдвое, равняясь таким образом, 12 кв.м׺С/Вт.

Исходные данные для расчета теплопотерь

Нормативная температура внутреннего воздуха в помещениях (Таблица Д.4 Приложения Д ДБН В.2.5-67:2013):

Жилые комнаты (спальня, гостинная, кабинет, кухня-столовая и т.п.) — 22±2°C
Нежилые комнаты (кухня, гардеробная, кладовая и т.п.) — 19,5±2°C
Ванная комната — 25±2°C

Нормативная температура наружного воздуха. Согласно п. 5.13 ДБН В.2.5-67:2013 наружную температуру следует принимать по ДСТУ-Н Б В.1.1-27 как температуру наружного воздуха для самой холодной пятидневки обеспеченностью 0,92. Температуру наружного воздуха в Киеве и области берем -22°C (столбец 18 таблицы 2 ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010)

Норма минимально допустимых значений сопротивления теплопередаче R_{Q min} для Киева берем из ДБН-В.2.6-31:2016 «Теплова Ізоляція будівель», п. 6.2 таблица 3, для Зоны I (Согласно Приложению Б Киев относится к зоне I). Они составляют:

наружные стены — 3,3 м2·К/Вт
окна — 0,75 м2·К/Вт
входные двери — 0,6 м2·К/Вт
потолок последнего этажа — 4,95 м2·К/Вт

Нормы по сопротивлению теплопередаче пола на грунте я не нашел, но в ДСТУ Б В.2.6-189:2013 в п.4.11 указано, что пол на грунте нужно утеплять минимальной толщиной 50 мм. Для расчетов приму, что пол утеплен экструдированным пенополистиролом плотностю 35 кг/м3 толщиной 50 мм.

По ДСТУ Б В.2.6-189:2013, приложение А, табл. А.1 в колонке 9 находим коэффициент теплопроводности λ экструдированного пенополитирола плотностю 35 кг/м3 для условий эксплуаутации Б. Этот показатель составляет 0,037 Вт/(м·К).

Согласно ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007, п. 6.4.3 Определяем, что R_зоны1 = 3,45 м2·К/Вт; R_зоны2 = 5,65 м2·К/Вт; R_зоны3 = 9,95 м2·К/Вт;

Расчет в Excel теплопотерь через пол и стены, примыкающие к грунту по общепринятой зональной методике В.Д. Мачинского.

Температура грунта под зданием зависит в первую очередь от теплопроводности и теплоемкости самого грунта и от температуры окружающего воздуха в данной местности в течение года. Так как температура наружного воздуха существенно различается в разных климатических зонах, то и грунт имеет разную температуру в разные периоды года на разных глубинах в различных районах.

Для упрощения решения сложной задачи определения теплопотерь через пол и стены подвала в грунт вот уже более 80 лет успешно применяется методика разбиения площади ограждающих конструкций на 4 зоны.

Каждая из четырех зон имеет свое фиксированное сопротивление теплопередаче в м2·°С/Вт:

R₁=2,1  R₂=4,3  R₃=8,6  R₄=14,2 

Зона 1 представляет собой полосу на полу (при отсутствии заглубления грунта под строением)  шириной 2 метра, отмеренную от внутренней поверхности наружных стен вдоль всего периметра или (в случае наличия подпола или подвала) полосу той же шириной, отмеренную вниз по внутренним поверхностям наружных стен от кромки грунта.

Зоны 2 и 3 имеют также ширину 2 метра и располагаются за зоной 1 ближе к центру здания.

Зона 4 занимает всю оставшуюся центральную площадь.

На рисунке, представленном чуть ниже зона 1 расположена полностью на стенах подвала, зона 2 – частично на стенах и частично на полу, зоны 3 и 4 полностью находятся на полу подвала.

Если здание узкое, то зон 4 и 3 (а иногда и 2) может просто не быть.

Площадь пола зоны 1 в углах учитывается при расчете дважды!

Если вся зона 1 располагается на вертикальных стенах, то площадь считается по факту без всяких добавок.

Если часть зоны 1 находится на стенах, а часть на полу, то только угловые части пола учитываются дважды.

Если вся зона 1 располагается на полу, то посчитанную площадь следует при расчете увеличить на 2×2х4=16 м2 (для дома прямоугольного в плане, т.е. с четырьмя углами).

Если заглубления строения в грунт нет, то это значит, что H=0.

Ниже представлен скриншот программы расчета в Excel теплопотерь через пол и заглубленные стены для прямоугольных в плане зданий.

Площади зон F₁, F₂, F₃, F₄ вычисляются по правилам обычной геометрии. Задача громоздкая, требует часто рисования эскиза. Программа существенно облегчает решение этой задачи.

Общие потери тепла в окружающий грунт определяются по формуле в КВт:

Q_Σ=((F₁+F_1у)/R₁+F₂R₂+F₃R₃+F₄R₄)*(t_вр-t_нр)/1000

Пользователю необходимо лишь заполнить в таблице Excel значениями первые 5 строчек и считать внизу результат.

Для определения тепловых потерь в грунт помещений площади зон придется считать вручную и затем подставлять в вышеприведенную формулу.

На следующем скриншоте показан в качестве примера расчет в Excel теплопотерь через пол и заглубленные стены для правого нижнего (по рисунку) помещения подвала.

Сумма потерь тепла в грунт каждым помещением равна общим тепловым потерям в грунт всего здания!

На рисунке ниже показаны упрощенные схемы типовых конструкций полов и стен.

Пол и стены считаются неутепленными, если коэффициенты теплопроводности материалов (λ_i), из которых они состоят, больше 1,2 Вт/(м·°С).

Если пол и/или стены утеплены, то есть содержат в составе слои с λ<1,2 Вт/(м·°С), то сопротивление рассчитывают для каждой зоны отдельно по формуле:

R_{утепл i}=R_{неутепл i}+Σ(δ_j/λ_j)

Здесь δ_j – толщина слоя утеплителя в метрах.

Для полов на лагах сопротивление теплопередаче вычисляют также для каждой зоны, но по другой формуле:

R_{на лагах i}=1,18*(R_{неутепл i}+Σ(δ_j/λ_j))

Этапы расчета

Рассчитать параметры отопления дома необходимо в несколько этапов:

• расчет теплопотерь дома;
• подбор температурного режима;
• подбор отопительных радиаторов по мощности;
• гидравлический расчет системы;
• выбор котла.

Таблица поможет вам понять, какой мощности радиатор нужен для вашего помещения.

Расчет теплопотерь

Теплотехническая часть расчета выполняется на базе следующих исходных данных:

• удельная теплопроводность всех материалов, используемых при строительстве частного дома;
• геометрические размеры всех элементов здания.

Тепловая нагрузка на отопительную систему в данном случае определяется по формуле: Мк = 1,2 х Тп, где

Тп — суммарные теплопотери постройки;

Мк — мощность котла;

1,2 — коэффициент запаса (20%).

При индивидуальной застройке расчет отопления можно произвести по упрощенной методике: суммарную площадь помещений (включая коридоры и прочие нежилые помещения) умножить на удельную климатическую мощность, и полученное произведение разделить на 10.

Значение удельной климатической мощности зависит от места строительства и равняется:

• для центральных районов России — 1,2 — 1,5 кВт;
• для юга страны — 0,7 — 0,9 кВт;
• для севера — 1,5 — 2,0 кВт.

Упрощенная методика позволяет рассчитать отопление, не прибегая к дорогостоящей помощи проектных организаций.

Температурный режим и подбор радиаторов

Режим определяется исходя из температуры теплоносителя (чаще всего им является вода) на выходе из отопительного котла, воды, возвращенной в котел, а также температуры воздуха внутри помещений.

Оптимальным режимом, согласно европейским нормам, является соотношение 75/65/20.

Для подбора отопительных радиаторов до их монтажа следует предварительно рассчитать объем каждого помещения. Для каждого региона нашей страны установлено необходимое количество тепловой энергии на один кубометр помещения. Например, для европейской части страны этот показатель равен 40 Вт.

Для определения количества тепла для конкретного помещения, надо ее удельную величину умножить на кубатуру и полученный результат увеличить на 20% (умножить на 1,2). На основании полученной цифры рассчитывается необходимое количество отопительных приборов. Производитель указывает их мощность.

К примеру, каждое ребро стандартного алюминиевого радиатора имеет мощность 150 Вт (при температуре теплоносителя 70°С). Чтобы определить нужное количество радиаторов, надо величину необходимой тепловой энергии разделить на мощность одного отопительного элемента.

Гидравлический расчет

Для гидравлического расчета существуют специальные программы.

Одним из затратных этапов строительства является монтаж трубопровода. Гидравлический расчет системы отопления частного дома нужен для определения диаметров труб, объема расширительного бака и правильного подбора циркуляционного насоса. Результатом гидравлического расчета являются следующие параметры:

• Расход теплоносителя в целом;
• Потери напора теплового носителя в системе;
• Потери напора от насоса (котла) до каждого отопительного прибора.

Как определить расход теплоносителя? Для этого необходимо перемножить его удельную теплоемкость (для воды этот показатель равен 4,19 кДж/кг*град.С) и разность температур на выходе и входе, затем суммарную мощность системы отопления разделить на полученный результат.

Диаметр трубы подбирается исходя из следующего условия: скорость воды в трубопроводе не должна превышать 1,5 м/с. В противном случае система будет шуметь. Но есть и ограничение нижнего предела скорости — 0,25 м/с. Монтаж трубопровода требует оценки данных параметров.

Если этим условием пренебречь, то может произойти завоздушивание труб. При правильно подобранных сечениях для функционирования системы отопления бывает достаточно циркуляционного насоса, встроенного в котел.

Потери напора для каждого участка рассчитываются как произведение удельной потери на трение (указывается производителем труб) и длины участка трубопровода. В заводских характеристиках они также указываются для каждого фитинга.

Выбор котла и немного экономики

Котел выбирается в зависимости от степени доступности того или иного вида топлива. Если к дому подведен газ, нет смысла приобретать твердотопливный или электрический. Если нужна организация горячего водоснабжения, то котел выбирают не по мощности отопления: в таких случаях выбирают монтаж двухконтурных устройств мощностью не менее 23 кВт. При меньшей производительности они обеспечат лишь одну точку водоразбора.

Теплопотери частного дома: цифры и факты

Чтобы сократить расходы на отопление и не волноваться о том, как поддерживать комфортную температуру у себя дома в любую погоду, необходимо утеплить жилье

Но перед тем как приступать к ремонту, важно знать источники теплопотерь, которые увеличивают энергопотребление зимой и «удаляют» из дома желанную прохладу в летнее время года

Источники теплопотерь в частном доме

Главными источниками потерь тепла в частном доме являются: вентиляционная система, крыша, окна, стены и пол. Больше всего энергии уходит через крышу (около 25—30%), места стыков стен/пола/фундамента (примерно 30%) и вентиляцию (20—25%). Меньше потерь тепла происходит через стены, пол и окна (в среднем по 10—15%). Правда, эти цифры актуальны, если ремонт был хорошим и проводился не позже, чем 8—15 лет назад. В остальных случаях теплопотери достигают огромных цифр:

• до 60—70% тепла уходит через крышу;
• до 40-55% в местах стыка фундамента и стен;
• около 30-60% энергии дом теряет через окна;
• примерно 35-45% тепла покидает помещение через пол, стены и вентиляцию.

В результате получаются чуть ли не катастрофические показатели. Но и эти цифры зависят от материалов, из которых изготовлены элементы дома. Например, стены из кирпича обладают превосходными теплоизоляционными свойствами. В большинстве случаев их толщина равна 40 см. Но для сокращения потерь тепла, необходимо увеличить толщину стен минимум до 50 см (для регионов, где зимой температура достигает 15—25 мороза).

Что утеплять в первую очередь

Примыкания являются основными мостиками холода, через которые тепло улетает из дома. К ним относятся: места стыков между полом и стенами, крышей и потолком, стенами и крышей, цоколем и полом.

Важно: чтобы определить утечки тепла в вашем доме, воспользуйтесь тепловизором

Избежать теплопотерь через окна можно, но эти конструкции должны быть прочными. Если в рамах есть щели, а деревянные доски уже частично прогнили, нужно срочно менять окна. Замените их на новые деревянные или пластиковые

Особое внимание уделите оконным и дверным откосам. Стоимость их утепления с лихвой окупится в холодное время года (а все благодаря снижению теплопотерь)

Если старые рамы еще в хорошем состоянии, проверьте, насколько хорошо они подогнаны и обязательно «посадите» стекла на герметик, наклейте уплотнитель (он должен быть толще зазора на 1—2 мм). В качестве дополнительной защиты можно заклеить щели скотчем.

И помните, что основная функция окон в частном доме — вентиляция

Для хорошего здоровья человеку жизненно важно каждый день получать свежий воздух. Поэтому регулярно проветривайте помещение и, если у вас старые окна, не заклеивайте форточки

Крышу, стены и стыки необходимо тщательно утеплять. Оконные конструкции должны «пускать» в помещение воздух. Владельцам пластиковых окон проще: изделия герметичны и их легко ставить на проветривание.

Чердак и крыша — самые большие мостики холода. Здесь теплопотери составляют, чаще всего, около 50%. Причин для этого много:

Теплый воздух всегда поднимается к потолку, поэтому самый большой перепад температуры приходится на крышу

Если у нее нет надежной теплоизоляции, энергия покидает дом без каких-либо препятствий.
Проверьте целостность и толщину перекрытия на крыше, уделяя особое внимание местам примыкания к стенам (бывает так, что толщина утеплителя всего 8—10 см.).
Крыши часто протекают: если с потолка капает, это первый сигнал того, что утеплитель напитывается водой и намокает (в результате тепло уходит очень быстро).. Если правильно утеплить потолок и крышу, денежные вложения окупятся за 3—4 года!

Если правильно утеплить потолок и крышу, денежные вложения окупятся за 3—4 года!

Дополнительные источники неэффективного использования тепла

Вентиляция тоже требует внимания. Хорошо, если можно установить приточно-вытяжную вентиляцию с рекуперацией тепла (точечную для отдельных помещений или централизованную, для всего дома).

Котел, на первый взгляд, не имеет никакого отношения к теплопотерям. Зато напрямую влияет на количество денег, которое вы ежемесячно тратите на отопление. У старых котлов КПД составляет 60—80%, а если прибор давно не чистили, то 50—65%. Новый котел имеет высокие показатели КПД (около 90%), что позволит сократить потребление энергии (по 10—25 куб.м. на 1 кв.м. за весь отопительный сезон). Например, для одноэтажного дома площадью 100 кв.м., с деревянными окнами и шлакоблочными стенами толщиной 40 см, за отопительный сезон тратится около 3000 куб.м. газа.

Если утеплить помещение по минимуму (просто устранить главные источники теплопотерь на крыше, привести в порядок окна и места стыков), то расходы на отопление сократятся минимум на 25-30% (что снизит энергопотребление на 750-900 куб.м. за сезон).

Теплопотери пола

Холодный пол в доме – это беда. Теплопотери пола, относительно такого же показателя для стен, важнее примерно в 1,5 раза. И именно во столько же толщина утеплителя в полу должна быть больше толщины утеплителя в стенах.

Теплопотери пола становятся значимыми, когда под полом первого этажа у вас холодный цоколь или просто уличный воздух, например, при винтовых сваях.

Если в стены вы закладываете 200 мм базальтовой ваты или пенопласта, то в пол вам придется заложить 300 миллиметров настолько же эффективного утеплителя. Только в этом случае можно будет ходить по полу первого этажа босиком в любую, даже самую лютую, зиму.

Если же у вас под полом первого этажа отапливаемый подвал или хорошо утепленный цоколь с отлично утепленной широкой отмосткой, то утеплением пола первого этажа можно пренебречь.

Мало того, в такой подвал или цоколь стоит нагнетать нагретый воздух с первого этажа, а лучше со второго. А вот стены подвала, его плита должны быть утеплены максимально, чтобы не «обогревать» грунт. Конечно, постоянная температура грунта +4С, но это на глубине. А зимой вокруг стен подвала все те же -30С, как и на поверхности грунта.

Способы оценки теплопотерь дома

Примерные места утечек определяют съемкой термографической карты с помощью специализированного оборудования. Для действующего строения и нового дома можно сделать расчет. Профессионалы применяют сложные методики вычислений с учетом особенностей конвекционного нагрева, других факторов. Как правило, вполне достаточно использовать упрощенный калькулятор теплопотерь на специализированном сайте online.

Типовые методики расчета:

• по усредненным значениям для конкретного региона;
• суммирование теплопотерь основных элементов (стен, полов, кровли) с добавлением данных по дверным и оконным блокам, вентиляции;
• вычисление параметров каждого помещения.