Come calcolare la potenza di una caldaia a gas per riscaldamento: formule e esempio di calcolo

Prima di progettare un impianto di riscaldamento e installare l'apparecchiatura di riscaldamento, è importante selezionare una caldaia a gas in grado di generare la quantità di calore necessaria per l'ambiente. Pertanto, è importante scegliere un dispositivo con una potenza tale che la sua efficienza sia la più alta possibile e la sua durata – lunga.

Vi racconteremo come calcolare la potenza della caldaia a gas con elevata precisione tenendo conto di determinati parametri. Nell'articolo che presentiamo sono descritti in dettaglio tutti i tipi di perdite di calore attraverso aperture e strutture edilizie, e vengono fornite le formule per il loro calcolo. Un esempio concreto illustra le peculiarità dell'esecuzione dei calcoli.

Errori tipici nella scelta della caldaia

Un corretto calcolo della potenza della caldaia a gas permetterà non solo di risparmiare sui materiali di consumo, ma anche di aumentare l'efficienza dell'apparecchio. Un'apparecchiatura la cui resa termica supera le reali esigenze di calore funzionerà in modo inefficiente, mentre un dispositivo con potenza insufficiente non sarà in grado di riscaldare adeguatamente l'ambiente.

Esistono apparecchiature automatizzate moderne che regolano autonomamente l'erogazione del gas, eliminando spese inutili. Ma se tale caldaia lavora al limite delle proprie possibilità, la sua durata operativa si riduce.

Di conseguenza, l'efficienza dell'apparecchiatura diminuisce, i componenti si usurano più velocemente e si forma condensa. Pertanto, sorge la necessità di calcoli della potenza ottimale.

È opinione comune che la potenza della caldaia dipenda esclusivamente dalla superficie del locale, e per qualsiasi abitazione il calcolo ottimale sia 100 W per 1 mq. Pertanto, per scegliere la potenza della caldaia, ad esempio per una casa di 100 mq, è necessaria un'apparecchiatura che produca 100*10=10000 W o 10 kW.

Tali calcoli sono fondamentalmente errati a causa della comparsa di nuovi materiali di finitura e isolanti migliorati, che riducono la necessità di acquistare apparecchiature di elevata potenza.

La potenza della caldaia a gas viene scelta tenendo conto delle caratteristiche individuali dell'abitazione. Un'apparecchiatura correttamente selezionata funzionerà con la massima efficienza al minimo costo del carburante.

È possibile effettuare il calcolo della potenza della caldaia a gas di riscaldamento in due modi: manualmente o utilizzando il programma speciale Valtec, progettato per calcoli professionali di alta precisione.

La potenza necessaria dell'apparecchiatura dipende direttamente dalla dispersione termica del locale. Conoscendo il valore della dispersione termica, è possibile calcolare la potenza di una caldaia a gas o di qualsiasi altro apparecchio di riscaldamento.

Cosa sono le perdite di calore dell'ambiente?

Ogni locale presenta determinate dispersioni termiche. Il calore fuoriesce dalle pareti, dalle finestre, dai pavimenti, dalle porte, dal soffitto, quindi il compito della caldaia a gas è compensare la quantità di calore disperso e garantire una determinata temperatura nell'ambiente. Per questo è necessaria una certa potenza termica.

È stato stabilito empiricamente che la maggiore quantità di calore si disperde attraverso le pareti (fino al 70%). Attraverso il tetto e le finestre può disperdersi fino al 30% dell'energia termica, attraverso il sistema di ventilazione – fino al 40%. Le dispersioni termiche minori si verificano attraverso le porte (fino al 6%) e i pavimenti (fino al 15%).

I seguenti fattori influenzano la dispersione termica della casa.

• Posizione della casa. Ogni città ha le proprie caratteristiche climatiche. Nei calcoli delle perdite di calore è necessario considerare la temperatura critica negativa tipica della regione, nonché la temperatura media e la durata della stagione di riscaldamento (per calcoli precisi utilizzando il programma).
• Posizione delle pareti rispetto ai punti cardinali. È noto che la rosa dei venti si trova a nord, quindi le perdite di calore della parete situata in questa zona saranno le maggiori. In inverno, da ovest, nord ed est soffia un forte vento freddo, pertanto le perdite di calore di queste pareti saranno più elevate.
• Superficie dell'ambiente riscaldato. La quantità di calore disperso dipende dalle dimensioni dell'ambiente, dalla superficie delle pareti, dei soffitti, delle finestre e delle porte.
• Termotecnica delle strutture edilizie. Ogni materiale ha un proprio coefficiente di resistenza termica e un coefficiente di trasmittanza termica – la capacità di lasciar passare una certa quantità di calore. Per conoscerli, è necessario utilizzare dati tabellari e applicare determinate formule. Le informazioni sulla composizione di pareti, soffitti, pavimenti e sul loro spessore si trovano nel piano tecnico dell'abitazione.
• Vani di finestre e porte. Dimensioni e tipo di porta e di vetrocamera. Maggiore è l'area dei vani di finestre e porte, maggiori sono le perdite di calore. È importante considerare le caratteristiche delle porte e dei vetrocamera installati nei calcoli.
• Considerazione della ventilazione. La ventilazione è sempre presente in casa indipendentemente dalla presenza di una cappa artificiale. Attraverso le finestre aperte avviene il ricambio d'aria, il movimento dell'aria è generato dall'apertura e chiusura delle porte d'ingresso e dal passaggio delle persone da una stanza all'altra, favorendo la fuoriuscita dell'aria calda e la sua circolazione.

Conoscendo i parametri sopra elencati, non solo è possibile calcolare le perdite di calore della casa e determinare la potenza della caldaia, ma anche individuare le aree che necessitano di un ulteriore isolamento.

Formule per il calcolo delle perdite di calore

Queste formule possono essere utilizzate per calcolare le perdite di calore non solo di una casa privata, ma anche di un appartamento. Prima di iniziare i calcoli, è necessario disegnare la pianta dell'ambiente, segnare la posizione delle pareti rispetto ai punti cardinali, indicare finestre e vani delle porte, nonché calcolare le dimensioni di ogni parete, finestra e vano della porta.

Per determinare le perdite di calore è necessario conoscere la struttura della parete e lo spessore dei materiali utilizzati. Nei calcoli si tengono conto la muratura e gli isolanti.

Per il calcolo delle perdite di calore si utilizzano due formule: con la prima si determina il valore della resistenza termica delle strutture di chiusura, con la seconda le perdite di calore.

Per determinare la resistenza termica si utilizza l'espressione:

R = B/K

Qui:

• R – il valore della resistenza termica delle strutture di chiusura, misurato in (m²*K)/W.
• K – coefficiente di conducibilità termica del materiale di cui è costituita la struttura di chiusura, misurato in W/(m*K).
• B – spessore del materiale, espresso in metri.

Il coefficiente di conducibilità termica K è un parametro tabellare, lo spessore B è tratto dal piano tecnico della casa.

Il coefficiente di conducibilità termica è un valore tabellare, dipende dalla densità e dalla composizione del materiale, può differire da quello tabellare, quindi è importante consultare la documentazione tecnica del materiale (+)

Viene inoltre utilizzata la formula di base per il calcolo della perdita di calore:

Q = L × S × dT/R

Nell'espressione:

• Q – perdita di calore, misurata in W.
• S – superficie delle strutture di chiusura (pareti, pavimenti, soffitti).
• dT – differenza tra la temperatura desiderata dell'ambiente interno e quella esterna, misurata e registrata in °C.
• R – valore della resistenza termica della struttura, m²•°C/W, che si ricava dalla formula precedente.
• L – coefficiente che dipende dall'orientamento delle pareti rispetto ai punti cardinali.

Avendo a disposizione le informazioni necessarie, è possibile calcolare manualmente la perdita di calore di un edificio.

Esempio di calcolo delle perdite termiche

A titolo di esempio, calcoliamo la perdita di calore di una casa con determinate caratteristiche.

Nell'immagine è rappresentata la pianta della casa per la quale calcoleremo la perdita di calore. Nella redazione di una pianta personalizzata, è importante determinare correttamente l'orientamento delle pareti rispetto ai punti cardinali, calcolare l'altezza, la larghezza e la lunghezza della struttura, nonché segnare le posizioni delle aperture di finestre e porte e le loro dimensioni (+).

In base alla pianta, la larghezza della struttura è di 10 m, la lunghezza è di 12 m, l'altezza dei soffitti è di 2.7 m, le pareti sono orientate a nord, sud, est e ovest. Nella parete ovest sono inserite 3 finestre, due delle quali hanno dimensioni 1.5×1.7 m, una ha dimensioni 0.6×0.3 m.

Nei calcoli del tetto si considera lo strato isolante, il materiale di rivestimento e quello di copertura. Le membrane per barriera al vapore e impermeabilizzazione, che non influenzano l'isolamento termico, non vengono prese in considerazione

Nella parete sud sono inserite porte con dimensioni 1.3×2 m, è presente anche una piccola finestra di 0.5×0.3 m. Sul lato est si trovano due finestre di 2.1×1.5 m e una di 1.5×1.7 m.

Le pareti sono composte da tre strati:

• rivestimento delle pareti in fibra di legno (isoplita) all'esterno e all'interno – 1.2 cm ciascuno, coefficiente – 0.05.
• lana di vetro, situata tra le pareti, con spessore di 10 cm e coefficiente – 0.043.

La resistenza termica di ogni parete viene calcolata separatamente, poiché si tiene conto dell'orientamento della struttura rispetto ai punti cardinali, del numero e dell'area delle aperture. I risultati dei calcoli per le pareti vengono sommati.

Il pavimento è multistrato, realizzato su tutta la superficie con la stessa tecnica, comprende:

• tavola maschiata tagliata, il suo spessore è di 3,2 cm, coefficiente di conducibilità termica – 0,15.
• strato di livellamento a secco in truciolato di spessore 10 cm e coefficiente 0,15.
• isolante – lana minerale di spessore 5 cm, coefficiente 0,039.

Supponiamo che il pavimento non abbia portelli per il seminterrato o aperture simili che peggiorano la termotecnica. Di conseguenza, il calcolo viene eseguito per l'area di tutti i locali con un'unica formula.

I soffitti sono realizzati in:

• pannelli di legno di 4 cm con coefficiente 0,15.
• lana minerale di 15 cm, il suo coefficiente – 0,039.
• strato di barriera al vapore e impermeabilizzazione.

Supponiamo che anche il solaio del soffitto non abbia accesso al sottotetto sopra un locale residenziale o di servizio.

La casa si trova nell'oblast' di Brjansk, nella città di Brjansk, dove la temperatura critica negativa è di -26 gradi. È stato stabilito sperimentalmente che la temperatura del suolo è di +8 gradi. La temperatura desiderata nei locali è di +22 gradi.

Calcolo delle perdite termiche delle pareti

Per trovare la resistenza termica totale della parete, è necessario innanzitutto calcolare la resistenza termica di ogni suo strato.

Lo strato di lana di vetro ha uno spessore di 10 cm. Questo valore deve essere convertito in metri, cioè:

B = 10 × 0.01 = 0.1

Abbiamo ottenuto il valore B=0.1. Il coefficiente di conducibilità termica dell'isolamento è 0.043. Sostituiamo i dati nella formula della resistenza termica e otteniamo:

R_vetro=0.1/0.043=2.32

In modo analogo, calcoliamo la resistenza termica dell'isoplita:

R_isopl=0.012/0.05=0.24

La resistenza termica totale della parete sarà uguale alla somma della resistenza termica di ogni strato, considerando che abbiamo due strati di pannello di fibra di legno.

R=R_vetro+2×R_isopl=2.32+2×0.24=2.8

Determinata la resistenza termica totale della parete, si possono trovare le dispersioni termiche. Per ogni parete vengono calcolate separatamente. Calcoliamo Q per la parete nord.

I coefficienti aggiuntivi consentono di tenere conto nei calcoli delle peculiarità della dispersione termica delle pareti situate in diversi orientamenti.

In base al progetto, la parete nord non ha aperture di finestre, la sua lunghezza è 10 m, l'altezza 2.7 m. Quindi l'area della parete S si calcola con la formula:

S_{parete nord}=10×2.7=27

Calcoliamo il parametro dT. È noto che la temperatura critica ambiente per Brjansk è -26 gradi, mentre la temperatura desiderata nei locali è +22 gradi. Quindi

dT=22-(-26)=48

Per il lato nord si tiene conto del coefficiente aggiuntivo L=1.1.

La tabella mostra i coefficienti di conducibilità termica di alcuni materiali utilizzati nella costruzione delle pareti. Come si vede, la lana minerale lascia passare la minima quantità di calore, mentre il cemento armato – la massima.

Dopo aver effettuato i calcoli preliminari, è possibile utilizzare la formula per calcolare le dispersioni termiche:

Q_{parete nord}=27×48×1.1/2.8=509 (W)

Calcoliamo le dispersioni termiche per la parete ovest. Dai dati, in essa sono inserite 3 finestre, due di esse hanno dimensioni 1.5×1.7 m e una – 0.6×0.3 m. Calcoliamo l'area.

S_{parete ovest1}=12×2.7=32.4.

Dall'area totale della parete ovest è necessario escludere l'area delle finestre, poiché le loro dispersioni termiche saranno diverse. Per farlo, occorre calcolare l'area.

S_finestra1=1.5×1.7=2.55

S_finestra2=0.6×0.4=0.24

Per i calcoli delle dispersioni termiche utilizzeremo l'area della parete senza considerare l'area delle finestre, ovvero:

S_{parete ovest}=32.4-2.55×2-0.24=25.6

Per il lato ovest il coefficiente addizionale è pari a 1.05. I dati ottenuti li inseriamo nella formula principale di calcolo delle dispersioni termiche.

Q_{parete ovest}=25.6×1.05×48/2.8=461.

Facciamo calcoli analoghi per il lato est. Qui si trovano 3 finestre, una ha dimensioni 1.5×1.7 m, le altre due – 2.1×1.5 m. Calcoliamo la loro area.

S_finestra3=1.5×1.7=2.55

S_finestra4=2.1×1.5=3.15

L'area della parete est è:

S_{parete est1}=12×2.7=32.4

Dall'area totale della parete sottraiamo i valori dell'area delle finestre:

S_{parete est}=32.4-2.55-2×3.15=23.55

Il coefficiente addizionale per la parete est è -1.05. In base ai dati, calcoliamo le dispersioni termiche della parete est.

Q_{parete est}=1.05×23.55×48/2.8=424

Sulla parete sud si trovano una porta con parametri 1.3×2 m e una finestra 0.5×0.3 m. Calcoliamo la loro area.

S_finestra5=0.5×0.3=0.15

S_porta=1.3×2=2.6

L'area della parete sud sarà:

S_{parete sud1}=10×2.7=27

Determiniamo l'area della parete senza considerare finestre e porte.

S_{parete sud}=27-2.6-0.15=24.25

Calcoliamo le dispersioni termiche della parete sud tenendo conto del coefficiente L=1.

Q_{parete sud}=1×24.25×48/2.80=416

Determinate le dispersioni termiche di ciascuna parete, si possono trovare le loro dispersioni termiche totali con la formula:

Q_pareti=Q_{parete sud}+Q_{parete est}+Q_{parete ovest}+Q_{parete nord}

Sostituendo i valori, otteniamo:

Q_pareti=509+461+424+416=1810 W

In totale, le dispersioni termiche delle pareti sono risultate pari a 1810 W all'ora.

Calcolo delle perdite termiche delle finestre

In totale nella casa ci sono 7 finestre, tre di esse hanno dimensioni 1.5×1.7 m, due – 2.1×1.5 m, una – 0.6×0.3 m e un'altra – 0.5×0.3 m.

Le finestre con dimensioni 1.5×1.7 m sono un profilo in PVC bicamerale con vetro I. Dalla documentazione tecnica si può apprendere che il loro R=0.53. Le finestre con dimensioni 2.1×1.5 m sono bicamerali con argon e vetro I, hanno resistenza termica R=0.75, le finestre 0.6×0.3 m e 0.5×0.3 – R=0.53.

L'area delle finestre è stata calcolata sopra.

S_finestra1=1.5×1.7=2.55

S_finestra2=0.6×0.4=0.24

S_finestra3=2.1×1.5=3.15

S_finestra4=0.5×0.3=0.15

È importante anche considerare l'orientamento delle finestre rispetto ai punti cardinali.

Di solito non è necessario calcolare la resistenza termica per le finestre, poiché questo parametro è indicato nella documentazione tecnica del prodotto.

Calcoliamo le perdite di calore delle finestre occidentali, considerando il coefficiente L=1.05. Sul lato si trovano 2 finestre con dimensioni 1.5×1.7 m e una con 0.6×0.3 m.

Q_fin1=2.55×1.05×48/0.53=243

Q_fin2=0.24×1.05×48/0.53=23

In totale, le perdite totali delle finestre occidentali sono

Q_ovest.fin=243×2+23=509

Sul lato sud si trova una finestra 0.5×0.3, il suo R=0.53. Calcoliamo la sua perdita di calore considerando il coefficiente 1.

Q_sud.fin=0.15*48×1/0.53=14

Sul lato est si trovano 2 finestre con dimensioni 2.1×1.5 e una finestra 1.5×1.7. Calcoliamo le perdite di calore considerando il coefficiente L=1.05.

Q_fin1=2.55×1.05×48/0.53=243

Q_fin3=3.15×1.05×48/075=212

Sommiamo le perdite di calore delle finestre orientali.

Q_est.fin=243+212×2=667.

Le perdite di calore totali delle finestre saranno:

Q_fin=Q_est.fin+Q_sud.fin+Q_ovest.fin=667+14+509=1190

In totale, attraverso le finestre escono 1190 W di energia termica.

Determinazione delle perdite termiche delle porte

Nella casa è prevista una porta, è integrata nella parete sud, ha dimensioni 1.3×2 m. Dai dati del passaporto, la conducibilità termica del materiale della porta è 0.14, il suo spessore – 0.05 m. Grazie a questi indicatori è possibile calcolare la resistenza termica della porta.

R_porta=0.05/0.14=0.36

Per i calcoli, sarà necessario calcolare la sua area.

S_porta=1.3×2=2.6

Dopo aver calcolato la resistenza termica e l'area, si possono trovare le perdite di calore. La porta si trova sul lato sud, quindi usiamo un coefficiente aggiuntivo di 1.

Q_porta=2.6×48×1/0.36=347.

In totale, attraverso la porta escono 347 W di calore.

Calcolo della resistenza termica del pavimento

Secondo la documentazione tecnica, il pavimento è multistrato, realizzato uniformemente su tutta l'area, ha dimensioni 10×12 m. Calcoliamo la sua area.

S_pavimento=10×12=210.

Il pavimento è composto da tavole, truciolato e isolante.

Dalla tabella si possono conoscere i coefficienti di conducibilità termica di alcuni materiali utilizzati per il rivestimento del pavimento. Questo parametro può anche essere indicato nella documentazione tecnica dei materiali e differire da quello della tabella.

La resistenza termica deve essere calcolata per ogni strato del pavimento separatamente.

R_tavole=0.032/0.15=0.21

R_truciolato=0.01/0.15= 0.07

R_isolante=0.05/0.039=1.28

La resistenza termica totale del pavimento è:

R_pavimento=R_tavole+R_truciolato+R_isolante=0.21+0.07+1.28=1.56

Considerando che in inverno la temperatura del terreno si mantiene a +8 gradi, la differenza di temperatura sarà:

dT=22-8=14

Utilizzando i calcoli preliminari, si possono trovare le perdite di calore della casa attraverso il pavimento.

Nel calcolo delle dispersioni termiche del pavimento si considerano i materiali che influenzano l'isolamento termico (+)

Nel calcolo delle dispersioni termiche del pavimento si tiene conto del coefficiente L=1.

Q_pavimento=210×14×1/1.56=1885

Le dispersioni termiche totali del pavimento sono 1885 W.

Calcolo delle perdite di calore attraverso il soffitto

Nel calcolo delle dispersioni termiche del soffitto si tiene conto dello strato di lana minerale e dei pannelli di legno. La barriera al vapore e l'impermeabilizzazione non partecipano al processo di isolamento termico, pertanto non vengono considerate. Per i calcoli sarà necessario trovare la resistenza termica dei pannelli di legno e dello strato di lana minerale. Utilizziamo i loro coefficienti di conducibilità termica e lo spessore.

R_pan.legno=0.04/0.15=0.27

R_lana.min.=0.05/0.039=1.28

La resistenza termica totale sarà uguale alla somma di R_pan.legno e R_lana.min..

R_tetto=0.27+1.28=1.55

L'area del soffitto è la stessa del pavimento.

S _soffitto = 120

Successivamente si esegue il calcolo delle dispersioni termiche del soffitto, tenendo conto del coefficiente L=1.

Q_soffitto=120×1×48/1.55=3717

In totale, attraverso il soffitto si disperdono 3717 W.

La tabella elenca gli isolanti più comuni per soffitti e i loro coefficienti di conducibilità termica. Il poliuretano espanso è l'isolante più efficace, la paglia ha il coefficiente di dispersione termica più elevato.

Per determinare le dispersioni termiche totali della casa, è necessario sommare le dispersioni termiche di pareti, finestre, porta, soffitto e pavimento.

Q_tot=1810+1190+347+1885+3717=8949 W

Per riscaldare la casa con i parametri indicati è necessaria una caldaia a gas che supporti una potenza di 8949 W o circa 10 kW.

Determinazione delle perdite di calore considerando l'infiltrazione

L'infiltrazione – un processo naturale di scambio termico con l'ambiente esterno, che avviene durante gli spostamenti delle persone in casa, all'apertura delle porte d'ingresso e delle finestre.

Per calcolare le perdite di calore per la ventilazione è possibile utilizzare la formula:

Q_inf=0.33×K×V×dT

Nell'espressione:

• K – il tasso di ricambio d'aria di progetto, per i soggiorni si utilizza un coefficiente di 0.3, per gli ambienti riscaldati – 0.8, per la cucina e il bagno – 1.
• V – il volume dell'ambiente, calcolato tenendo conto di altezza, lunghezza e larghezza.
• dT – la differenza di temperatura tra l'ambiente esterno e l'interno della casa.

Una formula simile può essere utilizzata se nell'ambiente è installata una ventilazione.

In presenza di ventilazione artificiale in casa, è necessario utilizzare la stessa formula dell'infiltrazione, ma sostituendo K con i parametri della cappa, e calcolare dT tenendo conto della temperatura dell'aria in ingresso.

Altezza dell'ambiente – 2.7 m, larghezza – 10 m, lunghezza – 12 m. Conoscendo questi dati, è possibile trovare il suo volume.

V=2.7 × 10 × 12=324

La differenza di temperatura sarà uguale a

dT=48

Come coefficiente K si assume il valore 0.3. Quindi

Q_inf=0.33×0.3×324×48=1540

Al parametro di calcolo totale Q è necessario aggiungere Q_inf. Di conseguenza

Q_obshch=1540+8949=10489.

Totale, tenendo conto dell'infiltrazione, le dispersioni termiche della casa saranno 10489 W o 10.49 kW.

Calcolo della potenza della caldaia

Nel calcolo della potenza della caldaia è necessario utilizzare un coefficiente di sicurezza di 1.2. Cioè la potenza sarà uguale a:

W = Q × k

Qui:

• Q – le dispersioni termiche dell'edificio.
• k – il coefficiente di sicurezza.

Nel nostro esempio, sostituiamo Q=9237 W e calcoliamo la potenza necessaria della caldaia.

W=10489×1.2=12587 W.

Tenendo conto del coefficiente di sicurezza, la potenza necessaria della caldaia per riscaldare una casa di 120 m² è circa 13 kW.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video-istruzione: come calcolare le dispersioni termiche della casa e la potenza della caldaia utilizzando il programma Valtec.

Un calcolo accurato delle dispersioni termiche e della potenza della caldaia a gas mediante formule o metodi software consente di determinare con elevata precisione i parametri necessari dell'apparecchiatura, consentendo di escludere spese ingiustificate per il carburante.

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