Calcolo termico dell'impianto di riscaldamento: come eseguire correttamente il calcolo del carico sul sistema

Progettazione e calcolo termico dell'impianto di riscaldamento – fase obbligatoria nell'allestimento del riscaldamento domestico. Il compito principale delle attività di calcolo è la determinazione dei parametri ottimali della caldaia e del sistema di radiatori.

D'accordo, a prima vista può sembrare che l'esecuzione del calcolo termotecnico sia alla portata solo di un ingegnere. Tuttavia, non è così complicato. Conoscendo l'algoritmo delle operazioni, si riuscirà a eseguire autonomamente i calcoli necessari.

Nell'articolo viene descritto dettagliatamente l'ordine di calcolo e sono fornite tutte le formule necessarie. Per una migliore comprensione, abbiamo preparato un esempio di calcolo termico per una casa privata.

Calcolo termico del riscaldamento: ordine generale

Il classico calcolo termico del sistema di riscaldamento è un documento tecnico riepilogativo che include metodi di calcolo standard obbligatori per fasi.

Ma prima di studiare questi calcoli dei parametri principali, è necessario definire il concetto stesso del sistema di riscaldamento.

Il sistema di riscaldamento è caratterizzato da un'alimentazione forzata e da una rimozione involontaria del calore nell'ambiente.

I compiti principali del calcolo e della progettazione del sistema di riscaldamento:

• determinare nel modo più affidabile le perdite di calore;
• determinare la quantità e le condizioni di utilizzo del fluido termovettore;
• selezionare con la massima precisione gli elementi di generazione, movimentazione e cessione del calore.

Nella costruzione di un sistema di riscaldamento è necessario inizialmente raccogliere vari dati sul locale/edificio in cui verrà utilizzato il sistema di riscaldamento. Successivamente, eseguire il calcolo dei parametri termici del sistema e analizzare i risultati delle operazioni aritmetiche.

Sulla base dei dati ottenuti, vengono selezionati i componenti del sistema di riscaldamento, seguiti dall'acquisto, dall'installazione e dalla messa in servizio.

Il riscaldamento – è un sistema multicomponente per garantire il regime di temperatura approvato nell'ambiente/edificio. Costituisce una parte separata del complesso di comunicazioni di un ambiente abitativo moderno.

È interessante notare che la suddetta metodologia di calcolo termico consente di calcolare in modo abbastanza accurato un gran numero di grandezze che descrivono specificamente il futuro sistema di riscaldamento.

A seguito del calcolo termico, saranno disponibili le seguenti informazioni:

• il numero di perdite di calore, la potenza della caldaia;
• la quantità e il tipo di radiatori termici per ogni stanza singolarmente;
• le caratteristiche idrauliche della tubazione;
• volume, velocità del fluido termovettore, potenza della pompa di calore.

Il calcolo termico – non è uno schizzo teorico, ma risultati abbastanza precisi e motivati, che si raccomanda di utilizzare nella pratica durante la selezione dei componenti del sistema di riscaldamento.

Norme dei regimi termici degli ambienti

Prima di eseguire qualsiasi calcolo dei parametri del sistema, è necessario, come minimo, conoscere l'ordine dei risultati attesi e avere a disposizione le caratteristiche standardizzate di alcune grandezze tabulari che devono essere inserite nelle formule o a cui fare riferimento.

Eseguendo i calcoli dei parametri con tali costanti, si può essere certi dell'affidabilità del parametro dinamico o costante desiderato del sistema.

Per ambienti di vario utilizzo esistono standard di riferimento per i regimi di temperatura degli ambienti residenziali e non residenziali. Queste norme sono sancite nei cosiddetti GOST.

Per il sistema di riscaldamento, uno di questi parametri globali è la temperatura ambiente, che deve essere costante indipendentemente dal periodo dell'anno e dalle condizioni ambientali.

Secondo il regolamento delle norme e regole sanitarie, ci sono differenze di temperatura tra il periodo estivo e quello invernale. La temperatura degli ambienti in estate è gestita dal sistema di climatizzazione, il cui principio di calcolo è descritto dettagliatamente in questo articolo.

La temperatura ambiente in inverno è garantita dal sistema di riscaldamento. Pertanto, ci interessano i range di temperatura e le loro tolleranze per la stagione invernale.

Nella maggior parte dei documenti normativi vengono specificati i seguenti range di temperatura, che consentono a una persona di stare comodamente in una stanza.

Per locali non residenziali di tipo ufficio con superficie fino a 100 m²:

• 22-24°C – temperatura ottimale dell'aria;
• 1°C – oscillazione consentita.

Per locali di tipo ufficio con superficie superiore a 100 m², la temperatura è di 21-23°C. Per i locali non residenziali di tipo industriale, i range di temperatura variano notevolmente in base alla destinazione d'uso del locale e alle norme di sicurezza sul lavoro stabilite.

La temperatura di comfort di un ambiente è “personale” per ognuno. C'è chi ama che la stanza sia molto calda, chi preferisce che sia fresca – è molto soggettivo.

Per quanto riguarda i locali residenziali: appartamenti, case private, ville, ecc., esistono determinati range di temperatura che possono essere regolati in base ai desideri degli occupanti.

Tuttavia, per i singoli ambienti di un appartamento o di una casa, abbiamo:

• 20-22°C – soggiorno, inclusa la camera dei bambini, tolleranza ±2°C –
• 19-21°C – cucina, toilette, tolleranza ±2°C;
• 24-26°C – bagno, doccia, piscina, tolleranza ±1°C;
• 16-18°C – corridoi, ingressi, scale, ripostigli, tolleranza +3°C

È importante notare che esistono altri parametri fondamentali che influenzano la temperatura ambiente e che devono essere considerati nel calcolo del sistema di riscaldamento: umidità (40-60%), concentrazione di ossigeno e anidride carbonica nell'aria (250:1), velocità di spostamento delle masse d'aria (0.13-0.25 m/s) ecc.

Calcolo delle perdite di calore in casa

Secondo il secondo principio della termodinamica (fisica scolastica), non esiste un trasferimento spontaneo di energia da oggetti meno caldi a oggetti più caldi, siano essi mini o macro. Un caso particolare di questa legge è la “tendenza” a creare un equilibrio termico tra due sistemi termodinamici.

Ad esempio, il primo sistema – l'ambiente esterno con una temperatura di -20°C, il secondo sistema – l'edificio con una temperatura interna di +20°C. Secondo la legge citata, questi due sistemi tenderanno a bilanciarsi tramite lo scambio di energia. Ciò avverrà attraverso le perdite di calore dal secondo sistema e il raffreddamento del primo.

Si può affermare inequivocabilmente che la temperatura ambiente dipende dalla latitudine in cui si trova la casa privata. E la differenza di temperatura influisce sulla quantità di dispersioni termiche dell'edificio (+).

Per perdite di calore si intende la fuoriuscita involontaria di calore (energia) da un oggetto (casa, appartamento). Per un appartamento normale, questo processo non è così “evidente” rispetto a una casa privata, poiché l'appartamento si trova all'interno dell'edificio e “confina” con altri appartamenti.

In una casa privata, il calore “fuoriesce” in una certa misura attraverso le pareti esterne, il pavimento, il tetto, le finestre e le porte.

Conoscendo l'entità delle perdite di calore per le condizioni meteorologiche più sfavorevoli e le caratteristiche di tali condizioni, è possibile calcolare con elevata precisione la potenza del sistema di riscaldamento.

Quindi, il volume delle dispersioni di calore dall'edificio viene calcolato con la seguente formula:

Q=Q_pavimento+Q_parete+Q_finestra+Q_tetto+Q_porta+…+Q_i, dove

Qi – l'entità delle perdite di calore da un tipo omogeneo di involucro edilizio.

Ogni componente della formula viene calcolato con la formula:

Q=S*∆T/R, dove

• Q – dispersioni di calore, W;
• S – area di un particolare tipo di struttura, m²;
• ∆T – differenza di temperatura dell'aria ambiente e interna, °C;
• R – resistenza termica di un determinato tipo di struttura, m²*°C/W.

Si consiglia di prendere il valore della resistenza termica per i materiali realmente esistenti da tabelle ausiliarie.

Inoltre, la resistenza termica può essere ottenuta utilizzando la seguente relazione:

R=d/k, dove

• R – resistenza termica, (m²*K)/W;
• k – coefficiente di conducibilità termica del materiale, W/(m²*K);
• d – spessore di questo materiale, m.

Nelle vecchie case con strutture del tetto umide, le perdite di calore si verificano attraverso la parte superiore dell'edificio, ovvero il tetto e la soffitta. L'esecuzione di interventi di isolamento del soffitto o isolamento termico del tetto della mansarda risolve questo problema.

Se si isolano lo spazio della soffitta e il tetto, si possono ridurre significativamente le perdite di calore totali della casa.

Nella casa esistono ancora diversi tipi di perdite di calore attraverso fessure nelle strutture, sistema di ventilazione, cappa della cucina, apertura di finestre e porte. Ma non ha senso tener conto della loro entità, poiché costituiscono non più del 5% del totale delle principali dispersioni di calore.

Determinazione della potenza della caldaia

Per mantenere la differenza di temperatura tra l'ambiente esterno e la temperatura interna della casa, è necessario un sistema di riscaldamento autonomo che mantenga la temperatura desiderata in ogni stanza di una casa privata.

La base del sistema di riscaldamento sono i diversi tipi di caldaie: a combustibile liquido o solido, elettriche o a gas.

La caldaia – è l'unità centrale del sistema di riscaldamento che genera calore. La caratteristica principale della caldaia è la sua potenza, ovvero la velocità di conversione della quantità di calore per unità di tempo.

Effettuando i calcoli del carico termico per il riscaldamento si ottiene la potenza nominale richiesta della caldaia.

Per un normale appartamento con più stanze, la potenza della caldaia si calcola tramite l'area e la potenza specifica:

P_caldaia=(S_ambiente*P_specifica)/10, dove

• S_ambiente – l'area totale dell'ambiente riscaldato;
• P_specifica – la potenza specifica relativa alle condizioni climatiche.

Ma questa formula non tiene conto delle perdite di calore, che sono significative in una casa privata.

Esiste un'altra relazione che tiene conto di questo parametro:

P_caldaia=(Q_perdite*S)/100, dove

• P_caldaia – la potenza della caldaia;
• Q_perdite – le perdite di calore;
• S – l'area riscaldata.

La potenza calcolata della caldaia deve essere aumentata. Una riserva è necessaria se si prevede di utilizzare la caldaia per il riscaldamento dell'acqua per il bagno e la cucina.

Nella maggior parte degli impianti di riscaldamento delle case private si consiglia di utilizzare un vaso di espansione, in cui verrà conservata la riserva di fluido termovettore. Ogni casa privata necessita di acqua calda sanitaria

Per prevedere una riserva di potenza della caldaia, nell'ultima formula è necessario aggiungere un coefficiente di riserva K:

P_caldaia=(Q_perdite*S*K)/100, dove

K – sarà uguale a 1.25, cioè la potenza calcolata della caldaia sarà aumentata del 25%.

Pertanto, la potenza della caldaia consente di mantenere la temperatura aria normativa nelle stanze dell'edificio, nonché di disporre di un volume iniziale e aggiuntivo di acqua calda in casa.

Caratteristiche della scelta dei radiatori

I componenti standard per la fornitura di calore in un ambiente sono radiatori, pannelli, sistemi di pavimento riscaldato, convettori, ecc. I componenti più comuni del sistema di riscaldamento sono i radiatori.

Un radiatore termico è una speciale struttura cava di tipo modulare in lega ad alta resa termica. È realizzato in acciaio, alluminio, ghisa, ceramica e altre leghe. Il principio di funzionamento del radiatore di riscaldamento consiste nell'emissione di energia dal fluido termovettore nello spazio dell'ambiente attraverso i 'petali'.

I radiatori di riscaldamento in alluminio e bimetallici hanno sostituito le massicce batterie in ghisa. La semplicità di produzione, l'elevata resa termica, la struttura e il design riusciti hanno reso questo prodotto uno strumento popolare e diffuso per l'irradiazione del calore negli ambienti.

Esistono diversi metodi per calcolare i radiatori del riscaldamento in una stanza. L'elenco dei metodi di seguito è ordinato in ordine crescente di precisione dei calcoli.

Opzioni di calcolo:

1. Per superficie. N=(S*100)/C, dove N – numero di sezioni, S – superficie del locale (m²), C – potenza termica di una sezione del radiatore (W, desunta dal certificato tecnico o dal certificato del prodotto), 100 W – quantità di flusso termico necessaria per riscaldare 1 m² (valore empirico). Sorge la domanda: come considerare l'altezza del soffitto della stanza?
2. Per volume. N=(S*H*41)/C, dove N, S, C – analogamente. H – altezza del locale, 41 W – quantità di flusso termico necessaria per riscaldare 1 m³ (valore empirico).
3. Per coefficienti. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, dove N, S, C e 100 – analogamente. k1 – considerazione del numero di camere nel vetrocamera della finestra della stanza, k2 – isolamento termico delle pareti, k3 – rapporto tra superficie delle finestre e superficie del locale, k4 – temperatura media negativa nella settimana più fredda dell'inverno, k5 – numero di pareti esterne della stanza (che “danno” sull'esterno), k6 – tipo di locale al di sopra, k7 – altezza del soffitto.

Questa è la variante più precisa per il calcolo del numero di sezioni. Naturalmente, i risultati frazionari dei calcoli vengono sempre arrotondati al numero intero successivo.

Calcolo idraulico dell'approvvigionamento idrico

Senza dubbio, il “quadro” del calcolo del calore per il riscaldamento non può essere completo senza il calcolo di caratteristiche come il volume e la velocità del fluido termovettore. Nella maggior parte dei casi, il fluido termovettore è l'acqua comune allo stato liquido o gassoso.

Il volume reale del fluido termovettore si consiglia di calcolare sommando tutte le cavità presenti nell'impianto di riscaldamento. Con l'uso di una caldaia monocircuito, questa è l'opzione ottimale. Con l'impiego di caldaie a doppio circuito nell'impianto di riscaldamento, è necessario considerare i consumi di acqua calda per scopi igienici e altri usi domestici.

Il calcolo del volume di acqua riscaldata dalla caldaia a doppio circuito per fornire acqua calda agli abitanti e riscaldare il fluido termovettore viene effettuato sommando il volume interno del circuito di riscaldamento e le reali esigenze degli utenti in acqua calda.

Il volume di acqua calda nell'impianto di riscaldamento si calcola con la formula:

W=k*P, dove

• W – volume del fluido termovettore;
• P – potenza della caldaia di riscaldamento;
• k – coefficiente di potenza (numero di litri per unità di potenza, pari a 13.5, intervallo – 10-15 litri).

Alla fine, la formula finale è la seguente:

W = 13.5*P

La velocità del fluido termovettore – valutazione dinamica finale dell'impianto di riscaldamento, che caratterizza la velocità di circolazione del liquido nel sistema.

Questo valore aiuta a valutare il tipo e il diametro della tubazione:

V=(0.86*P*μ)/∆T, dove

• P – potenza della caldaia;
• μ – rendimento della caldaia;
• ∆T – differenza di temperatura tra l'acqua di mandata e l'acqua del circuito di ritorno.

Utilizzando i metodi sopra descritti di calcolo idraulico, si otterranno parametri reali che costituiscono il “fondamento” del futuro sistema di riscaldamento.

Esempio di calcolo termico

Come esempio di calcolo termico, è disponibile una normale casa a 1 piano con quattro stanze da letto, cucina, bagno, “giardino d'inverno” e locali di servizio.

Fondazione in soletta monolitica di cemento armato (20 cm), pareti esterne – calcestruzzo (25 cm) con intonaco, tetto – solai in travi di legno, copertura – tegole metalliche e lana minerale (10 cm)

Indichiamo i parametri iniziali della casa, necessari per eseguire i calcoli.

Dimensioni dell'edificio:

• altezza del piano – 3 m;
• finestra piccola della parte anteriore e posteriore dell'edificio 1470*1420 mm;
• finestra grande della facciata 2080*1420 mm;
• porte d'ingresso 2000*900 mm;
• porte della parte posteriore (uscita sulla terrazza) 2000*1400 (700 + 700) mm.

Larghezza totale dell'edificio 9.5 m², lunghezza 16 m². Verranno riscaldate solo le stanze da letto (4), il bagno e la cucina.

Per un calcolo preciso delle dispersioni termiche sulle pareti, dall'area delle pareti esterne è necessario sottrarre l'area di tutte le finestre e porte – si tratta di un tipo di materiale completamente diverso con la propria resistenza termica

Iniziamo con il calcolo delle aree dei materiali omogenei:

• area del pavimento – 152 m²;
• area del tetto – 180 m², considerando l'altezza del sottotetto 1.3 m e la larghezza del colmo – 4 m;
• area delle finestre – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• area delle porte – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

L'area delle pareti esterne sarà pari a 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Passiamo al calcolo delle dispersioni termiche su ogni materiale:

• Q_pav=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_tetto=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_finestra=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_porta=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

Inoltre Q_parete equivale a 136.38*40*0.25/0.3=4546. La somma di tutte le dispersioni termiche sarà di 19628.4 W.

Infine calcoliamo la potenza della caldaia: P_caldaia=Q_perdite*S_{stanze_riscaldate}*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.

Eseguiamo il calcolo del numero di sezioni dei radiatori per una delle stanze. Per tutte le altre, i calcoli sono simili. Ad esempio, la stanza d'angolo (a sinistra, angolo inferiore dello schema) ha area 10.4 m2.

Quindi, 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.

Per questa stanza sono necessarie 9 sezioni del radiatore di riscaldamento con una potenza termica di 180 W.

Passiamo al calcolo della quantità di fluido termovettore nel sistema – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Quindi, la velocità del fluido termovettore sarà: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

Di conseguenza, il giro completo dell'intero volume del fluido termovettore nel sistema sarà equivalente a 2.87 volte all'ora.

Una selezione di articoli sul calcolo termico aiuterà a determinare i parametri esatti degli elementi del sistema di riscaldamento:

1. Calcolo del sistema di riscaldamento di una casa privata: regole ed esempi di calcolo
2. Calcolo termotecnico dell'edificio: specificità e formule per eseguire i calcoli + esempi pratici

Conclusioni e video utili sull'argomento

Un semplice calcolo del sistema di riscaldamento per una casa privata è presentato nella seguente panoramica:

Tutte le sottigliezze e le metodologie comunemente accettate per il calcolo delle perdite di calore dell'edificio sono mostrate di seguito:

Un'altra variante del calcolo delle dispersioni di calore in una tipica casa privata:

In questo video si parla delle peculiarità della circolazione del vettore energetico per il riscaldamento dell'abitazione:

Il calcolo termico del sistema di riscaldamento è di natura individuale, deve essere eseguito con competenza e attenzione. Più precisi saranno i calcoli, meno i proprietari di una casa di campagna dovranno pagare in eccesso durante l'esercizio.

Ha esperienza nell'esecuzione del calcolo termico di un sistema di riscaldamento? O ha domande sull'argomento? Per favore, condivida la sua opinione e lasci commenti. Il blocco di feedback si trova di seguito.