Càlcul de l'escalfament d'aigua: fórmules, normes, exemples d'implementació

L'ús d'aigua com a refrigerant en un sistema de calefacció és una de les opcions més populars per proporcionar calor a casa durant l'estació de fred.Només cal dissenyar correctament i després instal·lar el sistema. En cas contrari, la calefacció serà ineficaç amb uns costos de combustible elevats, cosa que, veieu, és extremadament poc interessant als preus de l'energia actuals.

És impossible calcular de manera independent l'escalfament d'aigua (en endavant, WHE) sense utilitzar programes especialitzats, ja que els càlculs utilitzen expressions complexes, els valors de les quals no es poden determinar amb una calculadora convencional. En aquest article, analitzarem amb detall l'algorisme per realitzar càlculs, presentarem les fórmules utilitzades i analitzarem el progrés dels càlculs mitjançant un exemple concret.

Complementarem el material presentat amb taules amb valors i indicadors de referència que es necessiten a l'hora de realitzar càlculs, fotografies temàtiques i un vídeo que mostra un exemple clar de càlculs amb el programa.

Càlcul del balanç de calor d'una estructura d'habitatge

Per implementar una instal·lació de calefacció on l'aigua sigui el medi circulant, primer cal fer-ho precisa càlculs hidràulics.

A l'hora de desenvolupar i implementar qualsevol sistema de tipus de calefacció, és necessari conèixer el balanç de calor (d'ara endavant TB).Coneixent la potència tèrmica per mantenir la temperatura a l'habitació, podeu triar l'equip adequat i distribuir correctament la seva càrrega.

A l'hivern, l'habitació pateix determinades pèrdues de calor (d'ara endavant HL). La major part de l'energia surt a través d'elements de tancament i obertures de ventilació. Es produeixen despeses menors per infiltració, escalfament d'objectes, etc.

TP depèn de les capes que formen les estructures de tancament (d'ara endavant anomenades OK). Els materials de construcció moderns, en particular els materials d'aïllament, són baixos coeficient de conductivitat tèrmica (d'ara endavant, TC), a causa del qual es perd menys calor a través d'ells. Per a cases de la mateixa zona, però amb diferents estructures correctes, els costos de calor diferiran.

A més de determinar la TP, és important calcular la TB de la llar. L'indicador té en compte no només la quantitat d'energia que surt de l'habitació, sinó també la quantitat d'energia necessària per mantenir determinats nivells de temperatura a la casa.

Els resultats més precisos els proporcionen programes especialitzats desenvolupats per a constructors. Gràcies a ells, és possible tenir en compte més factors que influeixen en la TP.

La major quantitat de calor surt de l'habitació a través de les parets, el terra, el sostre, el mínim - a través de les portes, les obertures de les finestres

Amb una gran precisió, podeu calcular el TP d'una casa mitjançant fórmules.

Els costos totals de calefacció de la casa es calculen mitjançant l'equació:

Q = Q_D'acord +Q_v,

On Q_D'acord - la quantitat de calor que surt de l'habitació per OK; Q_v — Costos de ventilació tèrmica.

Les pèrdues de ventilació es tenen en compte si l'aire que entra a l'habitació té una temperatura més baixa.

Els càlculs solen tenir en compte els OK amb un costat mirant al carrer. Es tracta de les parets exteriors, terra, sostre, portes i finestres.

General TP Q_D'acord igual a la suma dels TP de cada OK, és a dir:

Q_D'acord = ∑Q_st +∑Q_d'acord +∑Q_dv +∑Q_ptl +∑Q_pl,

On:

• Q_st — valor TP de les parets;
• Q_d'acord — TP finestres;
• Q_dv — Portes TP;
  
• Q_ptl — sostre TP;
  
• Q_pl — Planta TP.

Si el terra o el sostre té una estructura diferent a tota l'àrea, el TP es calcula per a cada secció per separat.

Càlcul de la pèrdua de calor mitjançant OK

Per als càlculs necessitareu la informació següent:

• estructura de parets, materials utilitzats, el seu gruix, CT;
• temperatura exterior durant un hivern extremadament fred de cinc dies a la ciutat;
• àrea bé;
• orientació correcte;
• temperatura recomanada a la llar a l'hivern.

Per calcular TC cal trobar la resistència tèrmica total R_D'acord. Per fer-ho, cal conèixer la resistència tèrmica R₁, R₂, R₃,..., R_n cada capa està bé.

Factor R_n calculada per la fórmula:

Rn = B/k,

En la fórmula: B — gruix de la capa correcte en mm, k — TAC de cada capa.

La R total es pot determinar amb l'expressió:

R = ∑R_n

Els fabricants de portes i finestres solen indicar el coeficient R a la fitxa del producte, de manera que no cal calcular-lo per separat.

La resistència tèrmica de les finestres no es pot calcular, ja que la fitxa tècnica ja conté la informació necessària, la qual cosa simplifica el càlcul de la resistència tèrmica

La fórmula general per calcular TP mitjançant OK és la següent:

Q_D'acord = ∑S × (t_vnt -t_nar) × R × l,

En l'expressió:

• S - zona bé, m²;
• t_vnt - temperatura ambient desitjada;
• t_nar - temperatura de l'aire exterior;
• R — coeficient de resistència, calculat per separat o extret de la fitxa del producte;
• l — un coeficient clarificador que té en compte l'orientació de les parets respecte a les direccions cardinals.

El càlcul de TB us permet seleccionar equips de la potència requerida, cosa que eliminarà la possibilitat de deficiència o excés de calor. El dèficit d'energia tèrmica es compensa augmentant el flux d'aire a través de la ventilació, l'excés - mitjançant la instal·lació d'equips de calefacció addicionals.

Costos tèrmics de la ventilació

La fórmula general per calcular la ventilació TP és la següent:

Q_v = 0,28 × L_n × pàg_vnt × c × (t_vnt -t_nar),

En una expressió, les variables tenen el significat següent:

• L_n — consum d'aire entrant;
• pàg_vnt — densitat de l'aire a una determinada temperatura a l'habitació;
• c - capacitat calorífica de l'aire;
• t_vnt - temperatura a la casa;
• t_nar - temperatura de l'aire exterior.

Si s'instal·la ventilació a l'edifici, el paràmetre L_n extretes de les especificacions tècniques del dispositiu. Si no hi ha ventilació, es pren una taxa de canvi d'aire específica estàndard de 3 m.³ a la una en punt.

En base a això, L_n calculada per la fórmula:

L_n = 3 × S_pl,

En expressió S_pl - superfície del sòl.

El 2% de totes les pèrdues de calor es deuen a la infiltració, el 18% a la ventilació. Si l'habitació està equipada amb un sistema de ventilació, els càlculs tenen en compte TP a través de la ventilació, però no tenen en compte la infiltració.

A continuació, cal calcular la densitat de l'aire p_vnt a una temperatura ambient determinada t_vnt.

Això es pot fer mitjançant la fórmula:

pàg_vnt = 353/(273+t_vnt),

Capacitat calorífica específica c = 1,0005.

Si la ventilació o la infiltració no està organitzada, o hi ha esquerdes o forats a les parets, el càlcul de TP a través dels forats s'ha de confiar a programes especials.

En el nostre altre article vam oferir detalls exemple de càlcul d'enginyeria tèrmica edificis amb exemples i fórmules concretes.

Exemple de càlcul del balanç de calor

Penseu en una casa de 2,5 m d'alçada, 6 m d'ample i 8 m de llarg, situada a la ciutat d'Okha, a la regió de Sakhalin, on un dia de 5 dies extremadament fred el termòmetre baixa a -29 graus.

Com a resultat de la mesura, es va determinar que la temperatura del sòl era de +5. La temperatura recomanada dins de l'estructura és de +21 graus.

La forma més còmoda de dibuixar un diagrama de la casa és en paper, indicant no només la longitud, l'amplada i l'alçada de l'edifici, sinó també l'orientació relativa als punts cardinals, així com la ubicació i les dimensions de les finestres i les portes.

Les parets de la casa en qüestió consisteixen en:

• gruix de maó B=0,51 m, CT k=0,64;
• llana mineral B=0,05 m, k=0,05;
• cara B=0,09 m, k=0,26.

En determinar k, és millor utilitzar les taules presentades al lloc web del fabricant o trobar informació a la fitxa del producte.

Coneixent la conductivitat tèrmica, podeu seleccionar els materials més efectius des del punt de vista de l'aïllament tèrmic. D'acord amb la taula anterior, el més recomanable és utilitzar taulers de llana mineral i poliestirè expandit a la construcció.

El sòl consta de les següents capes:

• Plaques OSB B=0,1 m, k=0,13;
• llana mineral B=0,05 m, k=0,047;
• soles de ciment B=0,05 m, k=0,58;
• poliestirè expandit B=0,06 m, k=0,043.

No hi ha soterrani a la casa, i el pis té la mateixa estructura en tota la zona.

El sostre consta de capes:

• làmines de cartró guix B=0,025 m, k= 0,21;
• aïllament B=0,05 m, k=0,14;
• coberta B=0,05 m, k=0,043.

La casa només té 6 finestres de doble cambra amb vidre I i argó. A partir de la fitxa tècnica del producte se sap que R=0,7. Les finestres tenen unes dimensions d'1,1x1,4 m.

Les portes tenen unes dimensions d'1x2,2 m, R = 0,36.

Pas #1: càlcul de la pèrdua de calor de la paret

Els murs de tota la zona estan formats per tres capes. Primer, calculem la seva resistència tèrmica total.

Per què utilitzar la fórmula:

R = ∑R_n,

i l'expressió:

R_n = B/k

Tenint en compte la informació inicial, obtenim:

R_st = 0.51/0.64 + 0.05/0.05 + 0.09/0.26 = 0.79 +1 + 0.35 = 2.14

Un cop descobert R, podeu començar a calcular el TP de les parets nord, sud, est i oest.

Els coeficients addicionals tenen en compte les peculiaritats de la ubicació de les parets en relació amb les direccions cardinals. Normalment a la part nord durant el fred es forma una "rosa dels vents", com a resultat de la qual el TP d'aquest costat serà més alt que dels altres.

Calculem l'àrea de la paret nord:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

A continuació, substituint a la fórmula Q_D'acord = ∑S × (t_vnt -t_nar) × R × l i tenint en compte que l=1,1, obtenim:

Q_sev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354

Zona de la muralla sud S_yuch.st = S_sev.st = 20.

No hi ha finestres ni portes encastades a la paret, per tant, tenint en compte el coeficient l=1, obtenim el següent TP:

Q_yuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140

Per als murs de ponent i est, el coeficient és l=1,05. Per tant, podeu trobar l'àrea total d'aquestes parets, és a dir:

S_zap.st +S_vost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30

Hi ha 6 finestres i una porta incorporada a les parets. Calculem l'àrea total de finestres i portes S:

S_d'acord = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Definim parets S sense tenir en compte S finestres i portes:

S_vost+zap = 30 — 9.24 — 2.2 = 18.56

Calculem el TP total de les parets oriental i occidental:

Q_vost+zap =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085

Un cop rebuts els resultats, calculem la quantitat de calor que s'escapa a través de les parets:

Qst = Q_sev.st +Q_yuch.st +Q_vost+zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579

En total, la TP total de les parets és de 6 kW.

Pas #2: càlcul del TP de finestres i portes

Les finestres estan situades a les parets est i oest, de manera que a l'hora de calcular el coeficient és l=1,05. Se sap que l'estructura de totes les estructures és la mateixa i R = 0,7.

Utilitzant els valors d'àrea donats anteriorment, obtenim:

Q_d'acord = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340

Sabent que per a les portes R=0,36 i S=2,2, determinem el seu TP:

Q_dv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42

Com a resultat, 340 W de calor surten per les finestres i 42 W per les portes.

Pas #3: determinació del TP del terra i del sostre

Òbviament, l'àrea del sostre i del terra serà la mateixa, i es calcula de la següent manera:

S_pol = S_ptl = 6 × 8 = 48

Calculem la resistència tèrmica total del terra, tenint en compte la seva estructura.

R_pol = 0.1/0.13 + 0.05/0.047 + 0.05/0.58 + 0.06/0.043 = 0.77 + 1.06 + 0.17 + 1.40 = 3.4

Sabent que la temperatura del sòl t_nar=+5 i tenint en compte el coeficient l=1, calculem Q de la planta:

Q_pol = 48 × (21 — 5) × 1 × 3.4 = 2611

Arrodonint cap amunt, trobem que la pèrdua de calor del sòl és d'uns 3 kW.

En els càlculs de TP, cal tenir en compte les capes que afecten l'aïllament tèrmic, per exemple, formigó, taulers, maó, aïllament, etc.

Determinem la resistència tèrmica del sostre R_ptl i la seva Q:

• R_ptl = 0.025/0.21 + 0.05/0.14 + 0.05/0.043 = 0.12 + 0.71 + 0.35 = 1.18
• Q_ptl = 48 × (21 +29) × 1 × 1.18 = 2832

Es dedueix que gairebé 6 kW travessen el sostre i el terra.

Pas #4 - càlcul de la ventilació TP

La ventilació a l'habitació s'organitza i es calcula mitjançant la fórmula:

Q_v = 0,28 × L_n × pàg_vnt × c × (t_vnt -t_nar)

Segons les característiques tècniques, la transferència de calor específica és de 3 metres cúbics per hora, és a dir:

L_n = 3 × 48 = 144.

Per calcular la densitat fem servir la fórmula:

pàg_vnt = 353/(273+t_vnt).

La temperatura ambient estimada és de +21 graus.

La ventilació TP no es calcula si el sistema està equipat amb un dispositiu de calefacció d'aire

Substituint els valors coneguts, obtenim:

pàg_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Substituïm els nombres resultants a la fórmula anterior:

Q_v = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21  — 29) = 2431

Tenint en compte el TP de ventilació, la Q total de l'edifici serà:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

Convertint a kW, obtenim una pèrdua total de calor de 16 kW.

Característiques del càlcul de SVO

Després de trobar l'indicador TP, es procedeix al càlcul hidràulic (en endavant, GR).

A partir d'això, s'obté informació sobre els següents indicadors:

• el diàmetre òptim de les canonades, que, durant les caigudes de pressió, podran passar una quantitat determinada de refrigerant;
• flux de refrigerant en una zona determinada;
• velocitat de moviment de l'aigua;
• valor de resistivitat.

Abans de començar els càlculs, per simplificar els càlculs, dibuixeu un diagrama espacial del sistema, sobre el qual tots els seus elements estan disposats paral·lels entre si.

El diagrama mostra un sistema de calefacció amb cablejat aeri, el moviment del refrigerant és un carreró sense sortida

Considerem les principals etapes dels càlculs d'escalfament d'aigua.

GR de l'anell de circulació principal

El mètode de càlcul de GR es basa en el supòsit que les diferències de temperatura són les mateixes en totes les rampes i branques.

L'algorisme de càlcul és el següent:

1. En el diagrama mostrat, tenint en compte les pèrdues de calor, s'apliquen les càrregues tèrmiques que actuen sobre els dispositius de calefacció i les elevacions.
2. A partir del diagrama, es selecciona l'anell de circulació principal (d'ara endavant, MCC). La particularitat d'aquest anell és que en ell la pressió de circulació per unitat de longitud de l'anell pren el valor més baix.
3. La FCC es divideix en seccions amb consum de calor constant. Per a cada tram, indiqueu el nombre, la càrrega tèrmica, el diàmetre i la longitud.

En un sistema vertical de tipus monocanal, es pren com a circuit de circulació principal l'anell a través del qual passa l'aixeta més carregada durant el camí sense sortida o el moviment associat de l'aigua al llarg de la xarxa.Hem parlat amb més detall sobre enllaçar anells de circulació en un sistema d'un sol tub i escollir el principal en el següent article. Hem prestat especial atenció a l'ordre dels càlculs, utilitzant un exemple específic per a la claredat.

En els sistemes verticals de dues canonades, el fluid de circulació principal passa pel dispositiu de calefacció inferior, que té una càrrega màxima durant el carrer sense sortida o el moviment d'aigua associat.

En un sistema horitzontal d'un sol tub, el circuit de circulació principal hauria de tenir la pressió de circulació més baixa i una unitat de longitud de l'anell. Per a sistemes amb circulació natural la situació és semblant.

Quan es desenvolupen barres verticals d'un sistema vertical d'un sol tub, es consideren com un únic circuit les barreres de flux regulat, que incorporen components unificats. En el cas d'elevadores amb trams de tancament, es realitza la separació tenint en compte la distribució de l'aigua a la canonada de cada unitat d'instrument.

El consum d'aigua en una zona determinada es calcula mitjançant la fórmula:

G_kont = (3,6 × Q_kont × β₁ × β₂)/((t_r -t₀) × c)

En l'expressió, els caràcters alfabètics prenen els significats següents:

• Q_kont — càrrega tèrmica del circuit;
• β_1, β₂ — coeficients tabulars addicionals tenint en compte la transferència de calor a l'habitació;
• c — capacitat calorífica de l'aigua, igual a 4.187;
• t_r - temperatura de l'aigua a la línia de subministrament;
• t₀ — temperatura de l'aigua a la línia de retorn.

Un cop determinat el diàmetre i la quantitat d'aigua, cal esbrinar la velocitat del seu moviment i el valor de la resistència específica R. Tots els càlculs es realitzen de manera més convenient mitjançant programes especials.

GR anell de circulació secundària

Després del GR de l'anell principal, es determina la pressió a l'anell de circulació petit format a través dels seus eixos més propers, tenint en compte que les pèrdues de pressió no poden diferir en més d'un 15% en un circuit sense sortida i en no més d'un 5% en un circuit de pas.

Si és impossible correlacionar la pèrdua de pressió, instal·leu una rentadora de l'accelerador, el diàmetre de la qual es calcula mitjançant mètodes de programari.

Càlcul de bateries de radiadors

Tornem al plànol de la casa anterior. Mitjançant els càlculs, es va revelar que es necessitaran 16 kW d'energia per mantenir l'equilibri tèrmic. La casa en qüestió té 6 habitacions amb diferents finalitats: una sala d'estar, un bany, una cuina, un dormitori, un passadís i un rebedor.

A partir de les dimensions de l'estructura, podeu calcular el volum V:

V=6×8×2,5=120 m³

A continuació, heu de trobar la quantitat de potència tèrmica per m³. Per fer-ho, s'ha de dividir Q pel volum trobat, és a dir:

P=16000/120=133 W per m³

A continuació, heu de determinar quanta potència de calefacció es necessita per a una habitació. Al diagrama, l'àrea de cada habitació ja s'ha calculat.

Determinem el volum:

• bany – 4.19×2.5=10.47;
• sala d'estar – 13.83×2.5=34.58;
• cuina – 9.43×2.5=23.58;
• dormitori – 10.33×2.5=25.83;
• passadís – 4.10×2.5=10.25;
• passadís – 5.8×2.5=14.5.

Els càlculs també han de tenir en compte les habitacions en què no hi ha radiadors de calefacció, per exemple, un passadís.

El passadís s'escalfa de manera passiva; la calor hi fluirà a causa de la circulació d'aire tèrmic quan la gent es mou, a través de les portes, etc.

Determinem la quantitat de calor necessària per a cada habitació multiplicant el volum de l'habitació per l'índex R.

Aconseguim la potència necessària:

• per al bany — 10,47×133=1392 W;
• per sala d'estar — 34,58×133=4599 W;
• per a cuina — 23,58×133=3136 W;
• per al dormitori — 25,83×133=3435 W;
• pel passadís — 10,25×133=1363 W;
• pel passadís — 14,5×133=1889 W.

Comencem a calcular les bateries dels radiadors. Utilitzarem radiadors d'alumini, l'alçada dels quals és de 60 cm, la potència a una temperatura de 70 és de 150 W.

Calculem el nombre necessari de bateries del radiador:

• bany — 1392/150=10;
• sala d'estar — 4599/150=31;
• cuina — 3136/150=21;
• dormitori — 3435/150=23;
• passadís — 1889/150=13.

Total requerit: 10+31+21+23+13=98 bateries del radiador.

També tenim altres articles al nostre lloc web en què vam examinar detalladament el procediment per realitzar càlculs tèrmics d'un sistema de calefacció, càlculs pas a pas de la potència dels radiadors i les canonades de calefacció. I si el vostre sistema requereix terres climatitzats, haureu de realitzar càlculs addicionals.

Tots aquests problemes es tracten amb més detall als nostres articles següents:

• Càlcul tèrmic d'un sistema de calefacció: com calcular correctament la càrrega del sistema
• Càlcul de radiadors de calefacció: com calcular el nombre necessari i la potència de les bateries
• Càlcul del volum de canonades: principis de càlcul i regles per fer càlculs en litres i metres cúbics
• Com calcular un sòl escalfat utilitzant un sistema d'aigua com a exemple
• Càlcul de canonades per a sòls climatitzats: tipus de canonades, mètodes i pas de col·locació + càlcul del cabal

Conclusions i vídeo útil sobre el tema

Al vídeo podeu veure un exemple de càlcul de l'escalfament d'aigua, que es realitza mitjançant el programa Valtec:

Els càlculs hidràulics es realitzen millor mitjançant programes especials que garanteixen una gran precisió dels càlculs i tenen en compte tots els matisos del disseny..

Estàs especialitzat en calcular sistemes de calefacció utilitzant aigua com a refrigerant i vols complementar el nostre article amb fórmules útils i compartir secrets professionals?

O potser voleu centrar-vos en càlculs addicionals o assenyalar imprecisions en els nostres càlculs? Si us plau, escriviu els vostres comentaris i recomanacions al bloc de sota de l'article.