Определение расхода газа на отопление дома площадью 200 м²: анализ затрат при использовании баллонного и магистрального газа

Собственники коттеджей средней и большой площади должны внимательно планировать свои финансовые траты на содержание жилья. Поэтому нередко перед ними стоит задача рассчитать потребление газа для отопления дома площадью 200 м² или более. Уникальная архитектура часто не позволяет применять методы аналогий и использовать готовые расчеты.

Но не обязательно тратить деньги на решение данного вопроса. Все расчеты доступны для самостоятельного выполнения. Для этого потребуются знания определенных нормативных документов и базовые знания физики и геометрии.

Мы стремимся помочь вам разобраться с этой важной темой для домашних финансистов. Мы расскажем о необходимых формулах для расчетов и тех характеристиках, которые нужно учитывать для получения итоговых результатов. В нашем материале предложены примеры, на основе которых будет легче выполнить собственные расчеты.

Определение уровня теплопотерь

Чтобы произвести оценку потерь энергии, нужно учитывать климатические условия местности, теплопроводность используемых материалов и нормы вентиляции. Для того чтобы подсчитать необходимое количество газа, достаточно знать его теплотворность. Ключевым моментом в этом процессе является внимательность к деталям.

Отопительная система должна компенсировать тепловые потери, возникающие по двум главным причинам: утечка тепла через конструктивные элементы дома и приток холодного воздуха через систему вентиляции. Оба этих процесса можно охарактеризовать с помощью математических формул, позволяющих произвести необходимые расчеты самостоятельно.

Теплопроводность и термоустойчивость материалов

Любой строительный материал способен проводить тепло. Эффективность этого процесса определяется коэффициентом теплопроводности λ (Вт / (м × °C)). Чем ниже этот коэффициент, тем лучше защищено здание от промерзания в зимнее время.

Теплопроводность определяет величину расходов на отопление, что особенно важно для «холодных» регионов страны.

Тем не менее, разные конструкции могут быть сделаны или утеплены материалами различной толщины. Поэтому в ходе практических расчетов применяется коэффициент термоустойчивости:

R (м² × °C / Вт)

Этот коэффициент связан с теплопроводностью по следующей формуле:

R = h / λ,

где h – это толщина материала (м).

Пример. Рассчитаем коэффициент термоустойчивости для различных газобетонных блоков марки D700 с λ = 0.16:

• ширина 300 мм: R = 0.3 / 0.16 = 1.88;
• ширина 400 мм: R = 0.4 / 0.16 = 2.50.

Для изоляционных материалов и оконных рам возможно указание как коэффициента теплопроводности, так и термоустойчивости.

Если конструкция стен состоит из различных материалов, суммарный коэффициент термоустойчивости всех его слоев рассчитывается путем суммирования отдельных показателей.

Пример. Стена выполнена из газобетонных блоков (λ_b = 0.16), толщиной 300 мм. Снаружи она утеплена экструдированным пенополистиролом (λ_p = 0.03) толщиной 50 мм и изнутри отделана вагонкой (λ_v = 0.18), толщиной 20 мм.

Существует множество таблиц для различных климатических регионов, в которых указаны минимальные значения суммарного коэффициента термопередачи для периметра дома, однако они являются лишь рекомендациями.

Теперь можно рассчитать итоговый коэффициент термоустойчивости:

R = 0.3 / 0.16 + 0.05 / 0.03 + 0.02 / 0.18 = 1.88 + 1.66 + 0.11 = 3.65.

Слоями, которые в аспекте «теплосбережения» оказываются несущественными, можно пренебречь.

Расчет тепловых потерь через конструктивные элементы

Теплопотери Q (Вт) через однородные поверхности можно оценить следующим образом:

Q = S × dT / R,

• S – площадь анализируемой поверхности (м²);
• dT – разница температур между атмосферой внутри здания и снаружи (\°C);
• R – коэффициент термоустойчивости поверхности (м² * °C / Вт).

Чтобы вычислить общий показатель всех теплопотерь, необходимо выполнить следующие шаги:

1. определить участки с однородным коэффициентом теплопередачи;
2. высчитать их площади;
3. установить коэффициенты термоустойчивости;
4. провести расчет теплопотерь для каждого выделенного участка;
5. суммировать полученные значения.

Пример. Рассмотрим угловую комнату размером 3 × 4 метра на верхнем этаже с холодным чердаком. Высота потолка составляет 2.7 метра. В комнате имеются два окна размером 1 × 1.5 м.

Определим теплопотери по периметру при температуре внутри «+25 °C», а снаружи – «–15 °C»:

1. Обозначим участки с одинаковым коэффициентом сопротивления: потолок, стены и окна.
2. Площадь потолка S_п = 3 × 4 = 12 м². Площадь окон S_о = 2 × (1 × 1.5) = 3 м². Площадь стен S_с = (3 + 4) × 2.7 – S_о = 29.4 м².
3. Коэффициент термического сопротивления потолка складывается из значений перекрытия (доска толщиной 0.025 м), утеплителя (плиты минваты толщиной 0.10 м) и деревянного пола чердака (дерево и фанера общей толщиной 0.05 м): R_п = 0.025 / 0.18 + 0.1 / 0.037 + 0.05 / 0.18 = 3.12. Для окон значение берется из паспорта двухкамерного стеклопакета: R_о = 0.50. Для стены, как было показано в предыдущем примере: R_с = 3.65.
4. Q_п = 12 × 40 / 3.12 = 154 Вт. Q_о = 3 × 40 / 0.50 = 240 Вт. Q_с = 29.4 × 40 / 3.65 = 322 Вт.
5. Общие теплопотери в данной комнате через ограждающие конструкции составят Q = Q_п + Q_о + Q_с = 716 Вт.

Расчеты, выполненные по указанным формулам, дают хорошее приближение, при условии что используемые материалы соответствуют заявленным теплопроводным характеристикам, а также отсутствуют ошибки, которые могут возникнуть в процессе строительства. Стоит учитывать, что старение материалов и конструкции также может повлиять на результаты.

Типовые геометрические параметры стен и крыш

При определении теплопотерь в конструкции, как правило, ориентируются на внутренние линейные размеры (длину и высоту), а не на наружные. Это значит, что в расчетах учитывается площадь контакта теплого воздуха с материалом, а не холодного.

При расчете внутреннего периметра необходимо также принимать во внимание толщину межкомнатных перегородок. Задача значительно упрощается, если использовать план дома, который обычно имеет нарисованную масштабную сетку.

Например, если размеры дома составляют 8 × 10 метров, а толщина стен – 0.3 метра, то внутренний периметр P_внут = (9.4 + 7.4) × 2 = 33.6 м, а внешний P_внеш = (8 + 10) × 2 = 36 м.

Толщина межэтажного перекрытия варьируется от 0.20 до 0.30 м. Следовательно, высота двух этажей рассчитывается от пола первого этажа до потолка второго: H_внеш = 2.7 + 0.2 + 2.7 = 5.6 м. Если рассматривать только чистую высоту, то получится меньшее значение: H_внут = 2.7 + 2.7 = 5.4 м. В отличие от стен, межэтажное перекрытие не выполняет функции утепления, поэтому для расчетов используется H_внеш.

Для двухэтажных домов с общей площадью около 200 м² разница между внутренней и внешней площадью стен может колебаться от 6 до 9%. Параметры крыши и перекрытий также рассчитываются исходя из внутренних размеров.

Вычистить площадь стен для коттеджей с простой геометрией не составит труда, так как их элементы состоят из прямоугольных участков и фронтонов чердачных и мансардных помещений.

Фронтоны мансард и чердаков, как правило, имеют треугольную или симметричную форму, напоминая пятиугольник. Рассчитать их площадь обычно легко.

Для вычисления теплопотерь через крышу чаще всего достаточно воспользоваться формулами для нахождения площадей треугольников, трапеций и прямоугольников.

Наиболее распространенные формы крыш частных домов. Измеряя их параметры, важно помнить, что для расчетов нужно использовать внутренние размеры (без учета карнизных свесов).

При оценке площади уложенной кровли нежелательно принимать во внимание свесы, так как в расчетах они не учитываются. Кроме того, необходимо помнить, что некоторые материалы (например, толь или металлический профлист) могут перекрывать друг друга при укладке.

Согласно некоторым представлениям, расчет площади крыши может показаться сложной задачей. Тем не менее, внутренние геометрические параметры утепленной поверхности верхнего этажа могут быть гораздо проще.

Прямоугольной формы окна также легко учитывать в расчетах. Если стеклопакеты имеют какие-то особенности, их площадь можно узнать из технической документации.

Теплопотери через перекрытия и фундамент

Определение теплопотерь для пола на нижнем этаже, как и для стен и пола подвала, производится согласно правилам, изложенным в Приложении «E» СП 50.13330.2012. Это связано с тем, что теплопроводность грунта значительно ниже, чем в воздухе, поэтому его тоже можно рассматривать как материал с теплоизоляционными свойствами.

Тем не менее, грунты могут замерзать, поэтому пол делится на четыре зоны. Ширина первых трех зон равняется 2 метрам, а четвертая зона охватывает оставшуюся часть.

Зоны теплопотерь для пола и цокольного этажа повторяют форму периметра фундамента. Основные потери тепла происходят через зону №1.

Для каждой зоны определяют коэффициенты термоустойчивости, которые добавляет грунт:

Когда полы были утеплены, для вычисления общего коэффициента термического сопротивления необходимо объединить параметры утеплителя и земли.

Иллюстрация. Рассмотрим дом с наружными размерами 10 на 8 метров и стенами толщиной 0.3 метра, имеющий цокольный этаж глубиной 2.7 метра. Его потолок находится на уровне грунта. Нам нужно подсчитать теплопотери в землю при температуре воздуха внутри «+25 °C» и снаружи «–15 °C».

Допустим, стены построены из ФБС-блоков, толщина которых составляет 40 см (λ_ф = 1.69). Изнутри они обшиты деревянными панелями толщиной 4 см (λ_д = 0.18). Пол подвала выполнен из керамзитобетона толщиной 12 см (λ_к = 0.70). Раз вычисление термического сопротивления стен цоколя будет таким: R_с = 0.4 / 1.69 + 0.04 / 0.18 = 0.46, а для пола: R_п = 0.12 / 0.70 = 0.17.

Внутренние пропорции дома составят 9.4 на 7.4 метра.

Схема разделения подвала на зоны для данной задачи. Вычисление площадей в столь простой геометрии требует лишь определения длин сторон прямоугольников и их перемножения.

Теперь давайте подсчитаем площади и коэффициенты сопротивления теплопередаче по зонам:

Учет холодных помещений

В процессе расчета теплопотерь часто встречается ситуация, когда присутствует утепленное, но не отапливаемое помещение. В подобном случае теплообмен происходит в два этапа. Рассмотрим этот процесс на примере чердака.

В утепленном, но не отапливаемом помещении чердака в холодное время года температура выше, чем снаружи. Это объясняется передачей тепла через перекрытие между этажами.

Основная сложность заключается в том, что площадь перекрытия между чердаком и верхним этажом отличается от площади крыши и фронтонов. Поэтому необходимо использовать условие теплового баланса Q₁ = Q₂.

Это можно выразить и иным способом:

Из равенства теплопередачи мы находим температуру, которая установится в неотапливаемом помещении с известными показателями внутри дома и на улице. T_# = (K₁ × T₁ + K₂ × T₂) / (K₁ + K₂). После этого подставляем полученное значение в формулу и определяем теплопотери.

Иллюстрация. Пусть внутренние габариты дома составляют 8 на 10 метров. Угол наклона крыши равен 30°. Температура воздуха в помещениях – «+25 °C», а снаружи она составляет «–15 °C».

Коэффициент термического сопротивления потолка рассчитывая как в предыдущем примере, указанном в разделе о теплопотерях через ограждение: R_п = 3.65. Площадь перекрытия составляет 80 м², по этой причине K₁ = 80 / 3.65 = 21.92.

Площадь крыши S₁ = (10 × 8) / cos(30) = 92.38. Коэффициент термического сопротивления рассчитывается с учетом толщины древесины (обрешетка и отделка – 50 мм) и минваты (10 см): R₁ = 2.98.

Площадь окна во фронтоне S₂ = 1.5. Для стандартного двухкамерного стеклопакета термосопротивление R₂ = 0.4. Площадь фронтона можно рассчитать по формуле: S₃ = (8² × tg(30)) / 4 – S₂ = 7.74. Коэффициент сопротивления теплопередаче остается тем же, что и у крыши: R₃ = 2.98.

Теплоотдача через окна составляет значительную долю всех потерь энергии. Поэтому в районах с холодными зимами настоятельно рекомендуется использовать «теплые» стеклопакеты.

Рассчитаем коэффициент для крыши (не забывая, что фронтонов – два):

Теперь найдем температуру воздуха в чердачном пространстве:

Подставим найденное значение в любую из формул расчета теплопотерь (при условии равновесия они будут равны) и получим желаемый результат:

Потери через вентиляцию

Системы вентиляции устанавливаются с целью поддержания комфортного микроклимата в жилище. Это ведет к забору холодного воздуха, что также должно приниматься во внимание при оценке теплопотерь.

Требования к объему вентиляции прописаны в ряде нормативных документов. При проектировании системы вентиляции в коттеджах необходимо руководствоваться, в первую очередь, требованиями §7 СНиП 41-01-2003 и §4 СанПиН 2.1.2.2645-10.

Так как в качестве основной единицы измерения теплопотерь принято использовать ватт, теплоемкость воздуха c (кДж / кг ×°С) следует преобразовать в величину «Вт × ч / кг × °С». Для воздуха на уровне моря можно взять значение c = 0.28 Вт × ч / кг × °С.

Так как объем вентиляции измеряется в кубометрах в час, также важно знать плотность воздуха q (кг / м³). При нормальном атмосферном давлении и средней влажности это значение можно принять равным q = 1.30 кг / м³.

Бытовая вентиляционная установка с рекуператором. Указанный объем, который она может пропустить, имеет небольшую погрешность. Поэтому рассчитывать плотность и теплоемкость воздуха с высокой точностью нецелесообразно.

Энергия, необходимая для компенсации теплопотерь из-за вентиляции, может быть рассчитана по следующей формуле:

Q = L × q × c × dT = 0.364 × L × dT,

• L – объем воздуха (м³ / ч);
• dT – разница температуры между внутренним и поступающим воздухом (°C).

Если холодный воздух попадает в дом напрямую, то:

Однако для крупных объектов в систему вентиляции обычно интегрируют рекуператоры (теплообменники). Это значительно экономит энергоресурсы, так как частичный нагрев поступающего воздуха происходит за счет температуры выходящего потока.

Эффективность таких устройств определяется их КПД k (%). В этом случае предшествующая формула будет выглядеть следующим образом:

dT = (T₁ – T₂) × (1 – k / 100).

Расчет потребления газа

Узнав общие теплопотери, можно довольно легко определить необходимый расход природного или сжиженного газа для отопления дома площадью 200 м².

На количество выделяемой энергии, помимо объема топлива, влияет его теплота сгорания. Для газа этот параметр зависит от влажности и химического состава подаваемой смеси. Различают верхнюю (H_h) и нижнюю (H_l) теплоты сгорания.

Нижняя теплота сгорания у пропана ниже, чем у бутана. Поэтому для точного определения теплоты сгорания сжиженного газа нужно знать процентное содержание этих компонентов в смеси, подаваемой котлу.

Чтобы определить необходимый объем топлива для отопления, в формулу подставляются значения нижней теплоты сгорания, которые можно узнать у поставщика газа. Стандартными единицами измерения теплоты сгорания являются «мДж / м³» или «мДж / кг». Однако поскольку единицы измерения и мощности котлов, и теплопотерь оперируют с ваттами, необходимо произвести преобразование, с учетом того, что 1 мДж = 278 Вт × ч.

Если значение нижней теплоты сгорания смеси неизвестно, можно использовать следующие усредненные величины:

• для природного газа H_l = 9.3 кВт × ч / м³;
• для сжиженного газа H_l = 12.6 кВт × ч / кг.

Еще один важный параметр для расчетов – это КПД котла K. Обычно его выражают в процентах. Финальная формула расхода газа за определенный период времени E (ч) имеет следующий вид:

V = Q × E / (H_l × K / 100).

Период подключения централизованного отопления определяется по среднесуточной температуре воздуха.

Если температура на протяжении последних пяти дней не превышает «+ 8 °C», согласно Постановлению Правительства РФ № 307 от 13.05.2006, подача тепла в дом должна быть обеспечена. Для частных домов с автономным отоплением при расчете потребления топлива также опираются на эти значения.

Точные данные о количестве суток с температурой не выше «+ 8 °C» для региона, где расположен коттедж, можно получить в местном отделении Гидрометцентра.

Если дом расположен вблизи крупного населенного пункта, тогда проще воспользоваться таблицей 1 СНиП 23-01-99 (столбец № 11). Умножив это значение на 24 (количество часов в сутки), мы найдем параметр E для расчета расхода газа.

На основе климатических данных из таблицы 1 СНиП 23-01-99 строительные организации проводят расчеты теплопотерь зданий.

При постоянных (или с минимальными колебаниями) объемах притока воздуха и температуры в помещениях теплопотери как через ограждения, так и вследствие вентиляции будут прямо пропорциональны температуре воздуха за окном.

Таким образом, в качестве значения T₂ в формулах расчета теплопотерь можно использовать значение из столбца № 12 таблицы 1 СНиП 23-01-99.

Пример для коттеджа площадью 200 м²

Теперь рассчитаем расход газа для коттеджа вблизи г. Ростов-на-Дону. Длительность отопительного сезона: E = 171 × 24 = 4104 ч. Средняя уличная температура составит T₂ = – 0.6 °C. Комфортная температура в доме: T₁ = 24 °C.

Это двухэтажный коттедж с неотапливаемым гаражом. Общая площадь составляет около 200 м². Стены не требуют дополнительного утепления, что вполне допустимо для климата Ростовской области.

Шаг 1. Рассчитаем теплопотери через периметр без учета гаража.

Сначала выделим одинаковые участки:

• Окна. В здании всего 9 окон размером 1.6 × 1.8 м, одно окно размером 1.0 × 1.8 м и 2.5 круглых окна площадью 0.38 м² каждое. Общая площадь окон составит: S_окна = 28.60 м². Из паспорта изделий вижу, что R_окна = 0.55. Следовательно, Q_окна = 1279 Вт.
• Двери. В наличии имеются 2 утеплённые двери размером 0.9 х 2.0 м, что дает общую площадь: S_двери = 3.6 м². Согласно техническому паспорту, их сопротивление теплопередаче составляет R_двери = 1.45. Таким образом, потери тепла через двери составляют Q_двери = 61 Вт.
• Глухая стена. Для участка «АБВГД» вычисляем: 36.1 × 4.8 = 173.28 м², а для участка «ДА»: 8.7 × 1.5 = 13.05 м². Участок «ДЕЖ» составляет 18.06 м². Площадь фронтона крыши равна: 8.7 × 5.4 / 2 = 23.49 м². Таким образом, общая площадь глухой стены равняется: S_стена = 251.37 – S_окна – S_двери = 219.17 м². Стены построены из газобетона толщиной 40 см и пустотелого кирпича. Сопротивление теплопередаче R_стены составляет 3.13. Следовательно, теплопотери через стену равны Q_стены = 1723 Вт.

Общие теплопотери через внешние конструкции:

Шаг 2. Рассчитаем потери тепла через крышу.

В качестве утеплителя используются сплошная обрешетка (35 мм), минеральная вата (10 см) и вагонка (15 мм). Сопротивление теплопередаче крыши составляет R_крыши = 2.98. Площадь крыши над центральной частью составляет: 2 × 10 × 5.55 = 111 м², а над котельной: 2.7 × 4.47 = 12.07 м². В итоге S_крыши = 123.07 м². Потери тепла через крышу будут равны Q_крыши = 1016 Вт.

Шаг 3. Определим теплопотери через пол.

Для обогреваемого помещения и гаража необходимые расчеты следует выполнять отдельно. Площадь можно определить как с использованием математических формул, так и с помощью векторных редакторов, таких как Corel Draw.

Сопротивление теплопередаче создают доски чернового пола и фанера, лежащая под ламинатом (в сумме 5 см), а также базальтовый утеплитель (5 см). Таким образом, R_пола = 1.72. Расчитаем теплопотери через пол.

Шаг 4. Оценим потери тепла в холодном гараже, где пол не утеплён.

Тепло из дома в гараж распространяется двумя путями:

Тепло из гаража уходит наружу следующим образом:

Определим температуру в гараже, принимая во внимание баланс теплопередачи: T_# = 9.2 °C. Потери тепла составят: Q_гараж = 324 Вт.

Шаг 5. Вычислим потери тепла из-за вентиляции.

Предположим, что рассчитанный объем вентиляции для данного коттеджа, где проживают 6 человек, составляет 440 м³/час. Установленный рекуператор имеет КПД 50%. В таком случае потери тепла составят: Q_вент = 1970 Вт.

Шаг 6. Подсчитаем суммарные теплопотери, сложив все локальные значения: Q = 6919 Вт.

Шаг 7. Определим объем газа, необходимого для обогрева образцового дома в зимний период при КПД котла равном 92%:

• Природный газ. V = 3319 м³.
• Сжиженный газ. V = 2450 кг.

После завершения расчётов следует проанализировать финансовые затраты на обогрев и целесообразность вложений для сокращения теплопотерь.

Заключение и полезное видео по теме

Теплопроводность и сопротивление теплопередаче различных материалов. Правила для расчета стен, крыши и пола:

Наиболее трудоемкой частью расчетов для определения объема газа, необходимого для отопления, является установление теплопотерь обогреваемого помещения. На данном этапе требуется особенно внимательно подойти к вычислениям геометрических параметров.

Если финансовые затраты на отопление покажутся слишком велики, следует рассмотреть возможность дополнительного утепления здания. Тем более что расчеты теплопотерь четко показывают структуру промерзания.

Пожалуйста, оставляйте комментарии в специально отведённом блоке ниже, задавайте вопросы по неясным и интересным моментам, публикуйте фотографии по теме статьи. Делитесь своим опытом по проведению расчетов расходов на обогрев. Возможно, ваши рекомендации окажут значительную помощь другим посетителям сайта.