Расход газа на отопление дома 200 м²: определение затрат при использовании магистрального и баллонного топлива

Владельцы средних и больших коттеджей должны планировать затраты на содержание жилья. Поэтому часто возникает задача вычислить расход газа на отопление дома 200 м² или большей площади. Оригинальная архитектура обычно не позволяет воспользоваться методом аналогий и найти уже готовые расчеты.

Тем не менее, нет необходимости платить деньги за решение этой задачи. Все вычисления можно сделать самостоятельно. Для этого понадобятся знания некоторых нормативных актов, а также понимание физики и геометрии на школьном уровне.

Мы поможем разобраться в этом насущном для домашнего экономиста вопросе. Подскажем, по каким формулам производятся вычисления, какие характеристики нужно знать для получения результата. В представленной нами статье приведены примеры, на основании которых проще будет сделать собственный расчет.

Нахождение величины потери энергии

Для того чтобы определить количество энергии, которую теряет дом, необходимо знать климатические особенности местности, теплопроводность материалов и нормы вентиляции. А чтобы рассчитать нужный объем газа достаточно знать его теплотворность. Самое главное в этой работе – внимательность к деталям.

Отопление здания должно компенсировать потери тепла, которые происходят по двум основным причинам: утечки тепла по периметру дома и приток холодного воздуха через систему вентиляции. Оба эти процесса описываются математическими формулами, по которым можно самостоятельно провести расчеты.

Теплопроводность и термическое сопротивление материала

Любой материал может проводить тепло. Интенсивность его передачи выражается посредством коэффициента теплопроводности λ (Вт / (м × °C)). Чем он ниже, тем лучше защищено зимой строение от промерзания.

От теплопроводности материала, из которого будет построен дом, зависят расходы на отопление. Особенно это важно для «холодных» регионов страны

Однако строения могут быть сложены или утеплены материалом различной толщины. Поэтому при практических расчетах используют коэффициент сопротивления теплопередаче:

R (м² × °С / Вт)

Он связан с теплопроводностью следующей формулой:

R = h / λ,

где h – толщина материала (м).

Пример. Определим коэффициент сопротивления теплопередаче разных по ширине газобетонных блоков марки D700 при λ = 0.16:

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

Для утеплительных материалов и оконных блоков может быть приведен как коэффициент теплопроводности, так и коэффициент сопротивления теплопередаче.

Если ограждающая конструкция состоит из нескольких материалов, то при определении коэффициента сопротивления теплопередаче всего «пирога» суммируют коэффициенты отдельных его слоев.

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

Существуют таблицы для различных регионов, в которых прописаны минимальные значения суммарного коэффициента теплопередачи для периметра дома. Они носят рекомендательный характер

Теперь можно рассчитать суммарный коэффициент сопротивления теплопередаче:

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

Вкладом слоев, которые малозначимы по параметру «теплосбережение», можно пренебречь.

Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции

Теплопотери Q (Вт) через однородную поверхность можно рассчитать следующим образом:

Q = S × dT / R,

где:

• S – площадь рассматриваемой поверхности (м²);
• dT – разница температуры между воздухом внутри и снаружи помещения (°С);
• R – коэффициент сопротивления теплопередаче поверхности (м² * °С / Вт).

Для определения суммарного показателя всех теплопотерь выполняют следующие действия:

1. выделяют участки, которые однородны по коэффициенту сопротивления теплопередаче;
2. высчитывают их площади;
3. определяют показатели термического сопротивления;
4. проводят расчет теплопотерь для каждого из участков;
5. суммируют полученные значения.

Пример. Угловая комната 3 × 4 метра на верхнем этаже с холодным чердачным помещением. Чистовая высота потолка – 2.7 метра. Есть 2 окна, размерами 1 × 1.5 м.

Найдем теплопотери через периметр при температуре воздуха внутри «+25 °С «, а снаружи – «–15 °С»:

1. Выделим однородные по коэффициенту сопротивления участки: потолок, стена, 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 слагается из показателя перекрытия (доска толщиной 0.025 м), утеплителя (плиты минваты толщиной 0.10 м) и деревянного пола чердака (дерево и фанера с общей толщиной 0.05 м): R_п = 0.025 / 0.18 + 0.1 / 0.037 + 0.05 / 0.18 = 3.12. Для окон значение берут из паспорта двухкамерного стеклопакета: R_о = 0.50. Для стены, сложенной как 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 модельной комнаты через ограждающие конструкции Q = Q_п + Q_о + Q_с = 716 Вт.

Вычисление по приведенным формулам дает хорошее приближение при условии соответствия материала заявленным теплопроводным качествам и отсутствии ошибок, которые могут быть допущены при строительстве. Также проблемой может быть старение материалов и конструкции дома в целом.

Типовая геометрия стен и крыш

Линейные параметры (протяженность и высоту) конструкции при определении теплопотерь принято брать внутренние, а не внешние. То есть при расчете теплоотдачи через материал учитывают площадь соприкосновения теплого, а не холодного воздуха.

Обсчитывая внутренний периметр необходимо учесть и толщину межкомнатных перегородок. Легче всего это сделать по плану дома, который обычно нанесен на бумагу с масштабной сеткой

Таким образом, например, при габаритах дома 8 × 10 метров и толщине стены 0.3 метра, внутренний периметр P_внут = (9.4 + 7.4) × 2 = 33.6 м, а внешний P_внеш = (8 + 10) × 2 = 36 м.

Межэтажное перекрытие обычно имеет толщину от 0.20 до 0.30 м. Поэтому высота двух этажей от пола первого до потолка второго извне будет равна H_внеш = 2.7 + 0.2 + 2.7 = 5.6 м. Если же сложить только чистовую высоту, то получится меньшее значение: H_внут = 2.7 + 2.7 = 5.4 м. Межэтажное перекрытие, в отличие от стен, не несет функции утепления, поэтому для расчетов нужно брать H_внеш.

Для двухэтажных домов с размерами около 200 м² разница между площадью стен внутри и снаружи составляет от 6 до 9%. Аналогично по внутренним размерам учитывают геометрические параметры крыши и перекрытий.

Расчет площади стен для простых по геометрии коттеджей элементарен, так как фрагменты состоят из прямоугольных участков и фронтонов чердачных и мансардных помещений.

Фронтоны мансард и чердаков в большинстве случаев имеют форму треугольника или симметричного по вертикали пятиугольника. Рассчитать их площадь достаточно просто

При вычислении теплопотерь через крышу в большинстве случаев достаточно применить формулы для нахождения площадей треугольника, прямоугольника и трапеции.

Наиболее популярные формы крыш частных домов. Измеряя их параметры, нужно помнить, что в расчеты подставляют внутренние размеры (без карнизных свесов)

Площадь уложенной кровли нельзя брать при определении теплопотерь, так как она идет и на свесы, которые не учитывают в формуле. Кроме того, часто материал (например, толь или профилированный оцинкованный лист) размещают с небольшим перехлестом.

Иногда кажется, что рассчитать площадь крыши достаточно сложно. Однако внутри дома геометрия утепленного ограждения верхнего этажа может быть намного проще

Прямоугольная геометрия окон также не вызывает проблем при расчетах. Если же стеклопакеты имеют сложную форму, то их площадь можно не вычислять, а узнать из паспорта изделия.

Теплопотери через пол и фундамент

Вычисление теплопотерь в грунт через пол нижнего этажа, как и через стены и пол подвала, считают по правилам, прописанным в Приложении «E» СП 50.13330.2012. Дело в том, что скорость распространения тепла в земле гораздо ниже, чем в атмосфере, поэтому грунты тоже можно условно отнести к утеплительному материалу.

Но так как им свойственно промерзание, то участок пола делят на 4 зоны. Ширина первых трех – 2 метра, а к четвертой относят оставшуюся часть.

Зоны теплопотерь пола и цокольного этажа повторяют форму периметра фундамента. Основные теплопотери будут идти через зону №1

Для каждой зоны определяют коэффициент сопротивления теплопередаче, который добавляет грунт:

• зона 1: R₁ = 2.1;
• зона 2: R₂ = 4.3;
• зона 3: R₃ = 8.6;
• зона 4: R₄ = 14.2.

Если полы утеплены, то для определения общего коэффициента термического сопротивления складывают показатели утеплителя и грунта.

Пример. Пусть у дома с внешними размерами 10 × 8 м и толщиной стен 0.3 метра есть цокольный этаж, глубиной 2.7 метра. Его потолок расположен на уровне земли. Нужно рассчитать теплопотери в грунт при внутренней температуре воздуха «+25 °С», а наружной – «–15 °С».

Пусть стены выполнены из ФБС-блоков, толщиной 40 см (λ_ф = 1.69). Изнутри они обшиты доской, толщиной 4 см (λ_д = 0.18). Пол подвала залит керамзитобетоном, толщиной 12 см (λ_к = 0.70). Тогда коэффициент термического сопротивления стен цоколя: R_с = 0.4 / 1.69 + 0.04 / 0.18 = 0.46, а пола R_п = 0.12 / 0.70 = 0.17.

Внутренние размеры дома будут равны 9.4 × 7.4 метра.

Схема разделения подвала на зоны для решаемой задачи. Вычисление площадей при такой простой геометрии сводится к определению сторон прямоугольников и их умножения

Вычислим площади и коэффициенты сопротивления теплопередаче по зонам:

• Зона 1 идет только по стене. Имеет периметр, равный 33.6 м, а высоту – 2 м. Поэтому S₁ = 33.6 × 2 = 67.2. R_з1 = R_с + R₁ = 0.46 + 2.1 = 2.56.
• Зона 2 по стене. Имеет периметр, равный 33.6 м, а высоту – 0.7 м. Поэтому S_2c = 33.6 × 0.7 = 23.52. R_з2с = R_с + R₂ = 0.46 + 4.3 = 4.76.
• Зона 2 по полу. S_2п = 9.4 × 7.4 – 6.8 × 4.8 = 36.92. R_з2п = R_п + R₂ = 0.17 + 4.3 = 4.47.
• Зона 3 идет только по полу. S₃ = 6.8 × 4.8 – 2.8 × 0.8 = 30.4. R_з3 = R_п + R₃ = 0.17 + 8.6 = 8.77.
• Зона 4 идет только по полу. S₄ = 2.8 × 0.8 = 2.24. R_з4 = R_п + R₄ = 0.17 + 14.2 = 14.37.

Теплопотери цокольного этажа Q = (S₁ / R_з1 + S_2c / R_з2с + S_2п / R_з2п + S₃ / R_з3 + S₄ / R_з4) × dT = (26.25 + 4.94 + 8.26 + 3.47 + 0.16) × 40 = 1723 Вт.

Учет неотапливаемых помещений

Часто при расчете теплопотерь возникает ситуация, когда в доме есть неотапливаемое, но утепленное помещение. В этом случае перенос энергии происходит за два этапа. Рассмотрим эту ситуацию на примере чердака.

В утепленном, но не обогреваемом чердачном помещении, в холодный период времени устанавливается температура выше, чем на улице. Это происходит по причине передачи тепла через межэтажное перекрытие

Основная проблема заключается в том, что площадь перекрытия между чердаком и верхним этажом отличается от площади крыши и фронтонов. В этом случае необходимо воспользоваться условием баланса теплопередачи Q₁ = Q₂.

Его можно также записать следующим способом:

K₁ × (T₁ – T_#) = K₂ × (T_# – T₂),

где:

• K₁ = S₁ / R₁ + … + S_n / R_n для перекрытия между теплой частью дома и холодным помещением;
• K₂ = S₁ / R₁ + … + S_n / R_n для перекрытия между холодным помещением и улицей.

Из равенства теплопередачи находим температуру, которая установится в холодном помещении при известных значениях в доме и на улице. T_# = (K₁ × T₁ + K₂ × T₂) / (K₁ + K₂). После этого подставим значение в формулу и найдем теплопотери.

Пример. Пусть внутренний размер дома 8 х 10 метров. Угол крыши – 30°. Температура воздуха в помещениях «+25 °С», а снаружи – «–15 °С «.

Коэффициент термического сопротивления потолка рассчитываем как в примере, приведенном в разделе расчета теплопотерь через ограждающие конструкции: R_п = 3.65. Площадь перекрытия равна 80 м², поэтому K₁ = 80 / 3.65 = 21.92.

Площадь крыши S₁ = (10 × 8) / cos(30) = 92.38. Коэффициент термического сопротивления считаем, учитывая толщину дерева (обрешетка и отделка – 50 мм) и минваты (10 см): R₁ = 2.98.

Площадь окна для фронтона S₂ = 1.5. Для обыкновенного двухкамерного стеклопакета термосопротивление R₂ = 0.4. Площадь фронтона рассчитаем по формуле: S₃ = 8² × tg(30) / 4 – S₂ = 7.74. Коэффициент сопротивления теплопередаче такой же, как и у крыши: R₃ = 2.98.

Теплоотдача через окна составляет значительную часть всех потерь энергии. Поэтому в регионах с холодными зимами следует выбирать «теплые» стеклопакеты

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

K₂ = S₁ / R₁ + 2 × (S₂ / R₂ + S₃ / R₃) = 92.38 / 2.98 + 2 × (1.5 / 0.4 + 7.74 / 2.98) = 43.69.

Вычислим температуру воздуха в чердачном помещении:

T_# = (21.92 × 25 + 43.69 × (–15)) / (21.92 + 43.69) = –1.64 °С.

Подставим полученное значение в любую из формул расчета теплопотерь (при условии баланса они равны) и получим искомый результат:

Q₁ = K₁ × (T₁ – T_#) = 21.92 × (25 – (–1.64)) = 584 Вт.

Охлаждение через вентиляцию

Систему вентиляции устанавливают для поддержания нормального микроклимата в доме. Это приводит к затоку холодного воздуха в помещение, что также необходимо учитывать при расчете теплопотерь.

Требования к объему вентиляции прописаны в нескольких нормативных документах. При проектировании внутридомовой системы коттеджа прежде всего нужно учитывать требования §7 СНиП 41-01-2003 и §4 СанПиН 2.1.2.2645-10.

Так как общепринятой единицей измерения теплопотерь служит ватт, то теплоемкость воздуха c (кДж / кг ×°С) необходимо привести к размерности «Вт × ч / кг × °С». Для воздуха на уровне моря можно принять значение c = 0.28 Вт × ч / кг ×°С.

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

Бытовая вентиляционная установка с рекуператором. Заявленный объем, который она пропускает, дается с небольшой погрешностью. Поэтому точно высчитывать плотность и теплоемкость воздуха на местности до сотых долей не имеет смысла

Расход энергии на компенсацию теплопотерь в результате вентиляции можно рассчитать по следующей формуле:

Q = L × q × c × dT = 0.364 × L × dT,

где:

• L – расход воздуха (м³ / ч);
• dT – разница температуры между комнатным и поступающим воздухом (°С).

Если холодный воздух поступает в дом напрямую, то:

dT = T₁ – T₂,

где:

• T₁ – температура внутри помещения;
• T₂ – температура на улице.

Но для больших объектов в систему вентиляции обычно интегрируют рекуператор (теплообменник). Он позволяет значительно сэкономить энергоресурсы, так как частичный нагрев поступающего воздуха происходит за счет температуры выходящего потока.

Эффективность таких устройств измеряется в их КПД k (%). В этом случае предыдущая формула примет вид:

dT = (T₁ – T₂) × (1 – k / 100).

Расчет расхода газа

Зная суммарные теплопотери, можно достаточно просто вычислить необходимый расход природного или сжиженного газа для отопления дома площадью 200 м².

На количество выделяемой энергии, кроме объема топлива, влияет его теплота сгорания. Для газа этот показатель зависит от влажности и химического состава подаваемой смеси. Различают высшую (H_h) и низшую (H_l) теплотворность.

Низшая теплота сгорания у пропана меньше чем у бутана. Поэтому, чтобы точно определить теплотворность сжиженного газа нужно знать процентное соотношение этих компонентов в подаваемой к котлу смеси

Чтобы рассчитать объем топлива, которого гарантированно хватит для отопления, в формулу подставляют значение низшей теплотворности, которое можно узнать у поставщика газа. Стандартная единица измерения теплотворности – «мДж / м³» или «мДж / кг». Но так как единицы измерения и мощности котлов и теплопотерь оперируют с ваттами, а не джоулями, то необходимо выполнить преобразование, учитывая, что 1 мДж = 278 Вт × ч.

Если значение низшей теплотворности смеси неизвестно, то допустимо взять следующие осредненные цифры:

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

Еще один показатель, необходимый для расчетов – КПД котла K. Обычно его измеряют в процентах. Окончательная формула расхода газа за период времени E (ч) имеет следующий вид:

V = Q × E / (H_l × K / 100).

Период, когда включают централизованное отопление в домах, определяют по среднесуточной температуре воздуха.

Если на протяжении последних пяти дней она не превышает «+ 8 °С», то согласно Постановлению Правительства РФ № 307 от 13.05.2006, подача тепла в дом должна быть обеспечена. Для частных домов с автономным обогревом при расчете потребления топлива также оперируют этими цифрами.

Точные данные о количестве суток с температурой не выше «+ 8 °С» для местности, где построен коттедж, можно узнать в местном отделении Гидрометцентра.

Если дом расположен близко к крупному населенному пункту, то проще воспользоваться табл. 1. СНиП 23-01-99 (столбец № 11). Умножив это значение на 24 (часа в сутки) мы получим параметр E из уравнения расчета расхода газа.

По климатическим данным из табл. 1 СНиП 23-01-99 проводят расчеты строительные организации для определения теплопотерь зданий

Если объем притока воздуха и температура внутри помещений будут постоянными (или с незначительными колебаниями), то теплопотери и через ограждающие конструкции и по причине вентиляции помещений будут прямо пропорциональны температуре наружного воздуха.

Поэтому за параметр T₂ в уравнениях расчета теплопотерь можно взять значение из столбца № 12 табл. 1. СНиП 23-01-99.

Пример для коттеджа на 200 м²

Рассчитаем расход газа для коттеджа возле г. Ростов-на-Дону. Продолжительность периода отопления: E = 171 × 24 = 4104 ч. Средняя уличная температура T₂ = – 0.6 °С. Желательная температура в доме: T₁ = 24 °С.

Двухэтажный коттедж с неотапливаемым гаражом. Общая площадь – около 200 м2. Стены дополнительно не утеплены, что допустимо для климата Ростовской области

Шаг 1. Рассчитаем теплопотери через периметр без учета гаража.

Для этого выделим однородные участки:

• Окна. Всего есть 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: S_окна = 28.60 м². По паспорту изделий R_окна = 0.55. Тогда Q_окна = 1279 Вт.
• Двери. Есть 2 утепленные двери размером 0.9 х 2.0 м. Их площадь: S_двери = 3.6 м². По паспорту изделия R_двери = 1.45. Тогда Q_двери = 61 Вт.
• Глухая стена. Участок «АБВГД»: 36.1 × 4.8 = 173.28 м². Участок «ДА»: 8.7 × 1.5 = 13.05 м². Участок «ДЕЖ»: 18.06 м². Площадь фронтона крыши: 8.7 × 5.4 / 2 = 23.49. Итого, площадь глухой стены: S_стена = 251.37 – S_окна – S_двери = 219.17 м². Стены сложены из газобетона толщиной 40 см и пустотелого облицовочного кирпича. R_стены = 2.50 + 0.63 = 3.13. Тогда Q_стены = 1723 Вт.

Суммарные теплопотери через периметр:

Q_перим = Q_окна + Q_двери + Q_стены = 3063 Вт.

Шаг 2. Вычислим теплопотери через крышу.

Утеплителем служит сплошная обрешетка (35 мм), минвата (10 см) и вагонка (15 мм). R_крыши = 2.98. Площадь крыши над основным корпусом: 2 × 10 × 5.55 = 111 м², а над котельной: 2.7 × 4.47 = 12.07 м². Итого S_крыши = 123.07 м². Тогда Q_крыши = 1016 Вт.

Шаг 3. Рассчитаем теплопотери через пол.

Зоны для отапливаемого помещения и гаража нужно рассчитать отдельно. Площадь можно определить точно по математическим формулам, а можно и с применением векторных редакторов типа Corel Draw

Сопротивление теплопередаче оказывают доски чернового настила и фанера под ламинат (5 см в сумме), а также базальтовый утеплитель (5 см). R_пола = 1.72. Тогда теплопотери через пол будут равны:

Q_пол = (S₁ / (R_пол + 2.1) + S₂ / (R_пол + 4.3) + S₃ / (R_пол + 2.1)) × dT = 546 Вт.

Шаг 4. Вычислим теплопотери через холодный гараж. Его пол не утеплен.

Из обогреваемого дома тепло проникает двумя путями:

1. Через несущую стену. S₁ = 28.71, R₁ = 3.13.
2. Через кирпичную перегородку с котельной. S₂ = 11.31, R₂ = 0.89.

Получим K₁ = S₁ / R₁ + S₂ / R₂ = 21.88.

Из гаража наружу тепло выходит следующим образом:

1. Через окно. S₁ = 0.38, R₁ = 0.55.
2. Через ворота. S₂ = 6.25, R₂ = 1.05.
3. Через стену. S₃ = 19.68, R₃ = 3.13.
4. Через крышу. S₄ = 23.89, R₄ = 2.98.
5. Через пол. Зона 1. S₅ = 17.50, R₅ = 2.1.
6. Через пол. Зона 2. S₆ = 9.10, R₆ = 4.3.

Получим K₂ = S₁ / R₁ + … + S₆ / R₆ = 31.40

Вычислим температуру в гараже при условии баланса передачи тепла: T_# = 9.2 °С. Тогда теплопотери будут равны: Q_гараж = 324 Вт.

Шаг 5. Рассчитаем потери тепла в результате вентиляции.

Пусть высчитанный объем вентиляции для такого коттеджа с проживанием в нем 6 человек равен 440 м³/час. В системе установлен рекуператор с КПД 50%. При таких условиях потери тепла: Q_вент = 1970 Вт.

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

Шаг 7. Вычислим объем газа, необходимый для обогрева модельного дома в зимний период при КПД котла 92%:

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

После расчетов можно проанализировать финансовые затраты на обогрев и целесообразность вложений, направленных на уменьшение теплопотерь.

Выводы и полезное видео по теме

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

Наиболее сложная часть расчетов по определению необходимого для отопления объема газа – нахождение теплопотерь обогреваемого объекта. Здесь в первую очередь нужно внимательно отнестись к геометрическим вычислениям.

Если же финансовые затраты на обогрев покажутся чрезмерными, то следует подумать над дополнительным утеплением дома. Тем более что расчеты теплопотерь хорошо показывают структуру промерзания.

Оставляйте, пожалуйста, комментарии в расположенном ниже блоке, задавайте вопросы по неясным и заинтересовавшим моментам, размещайте фото по теме статьи. Поделитесь собственным опытом в проведении расчетов для выяснения расходов на отопление. Не исключено, что ваши советы очень помогут посетителям сайта.