Calcul thermique d'un système de chauffage : comment calculer correctement la charge sur le système

La conception et le calcul thermique d'un système de chauffage sont une étape obligatoire lors de l'aménagement du chauffage d'une maison.La tâche principale des activités informatiques est de déterminer les paramètres optimaux du système de chaudière et de radiateur.

D'accord, à première vue, il peut sembler que seul un ingénieur peut effectuer des calculs d'ingénierie thermique. Cependant, tout n’est pas si compliqué. Connaissant l'algorithme des actions, vous pourrez effectuer de manière indépendante les calculs nécessaires.

L'article décrit en détail la procédure de calcul et fournit toutes les formules nécessaires. Pour une meilleure compréhension, nous avons préparé un exemple de calcul thermique pour une habitation privée.

Calcul thermique du chauffage : procédure générale

Le calcul thermique classique d'un système de chauffage est un document technique consolidé qui comprend des méthodes de calcul standard obligatoires étape par étape.

Mais avant d'étudier ces calculs des principaux paramètres, vous devez décider du concept du système de chauffage lui-même.

Le système de chauffage se caractérise par un apport forcé et une évacuation involontaire de chaleur dans la pièce.

Les principales tâches de calcul et de conception d'un système de chauffage :

• déterminer de la manière la plus fiable les pertes de chaleur ;
• déterminer la quantité et les conditions d'utilisation du liquide de refroidissement ;
• sélectionner le plus précisément possible les éléments de génération, de mouvement et de transfert de chaleur.

Lors de la construction systèmes de chauffage Il est nécessaire de collecter dans un premier temps diverses données sur la pièce/le bâtiment dans lequel le système de chauffage sera utilisé. Après avoir calculé les paramètres thermiques du système, analysez les résultats des opérations arithmétiques.

Sur la base des données obtenues, les composants du système de chauffage sont sélectionnés, suivis de l'achat, de l'installation et de la mise en service.

Le chauffage est un système à plusieurs composants permettant d'assurer un régime de température approuvé dans une pièce/un bâtiment.C'est une partie distincte du complexe de communication d'un local résidentiel moderne

Il est à noter que cette méthode de calcul thermique permet de calculer assez précisément un grand nombre de grandeurs décrivant spécifiquement le futur système de chauffage.

À la suite du calcul thermique, les informations suivantes seront disponibles :

• nombre de déperditions thermiques, puissance de la chaudière ;
• nombre et type de radiateurs thermiques pour chaque pièce séparément ;
• caractéristiques hydrauliques du pipeline ;
• volume, vitesse du liquide de refroidissement, puissance de la pompe à chaleur.

Les calculs thermiques ne sont pas des esquisses théoriques, mais plutôt des résultats précis et raisonnables qu'il est recommandé d'utiliser dans la pratique lors de la sélection des composants du système de chauffage.

Normes pour les conditions de température ambiante

Avant d'effectuer tout calcul des paramètres du système, il est nécessaire, au minimum, de connaître l'ordre des résultats attendus, ainsi que de disposer des caractéristiques standardisées de certaines valeurs tabulaires qui doivent être substituées dans des formules ou s'en inspirer. .

En calculant des paramètres avec de telles constantes, vous pouvez être sûr de la fiabilité du paramètre dynamique ou constant souhaité du système.

Pour les locaux à usages divers, il existe des normes de référence pour les conditions de température dans les locaux résidentiels et non résidentiels. Ces normes sont inscrites dans ce qu'on appelle les GOST

Pour un système de chauffage, l’un de ces paramètres globaux est la température ambiante, qui doit être constante quelles que soient la saison et les conditions environnementales.

Selon les réglementations, normes et règles sanitaires, il existe des différences de température par rapport aux périodes estivales et hivernales de l'année.Le système de climatisation est responsable du régime de température de la pièce pendant la saison estivale ; le principe de son calcul est décrit en détail dans Cet article.

Mais la température ambiante en hiver est assurée par le système de chauffage. Nous nous intéressons donc aux plages de température et à leurs tolérances d’écart pour la saison hivernale.

La plupart des documents réglementaires stipulent les plages de température suivantes qui permettent à une personne de rester confortablement dans la pièce.

Pour les locaux de bureaux non résidentiels d'une superficie allant jusqu'à 100 m²:

• 22-24°C — température de l'air optimale ;
• 1°C — fluctuation admissible.

Pour les locaux de bureaux d'une superficie supérieure à 100 m² la température est de 21-23°C. Pour les locaux industriels non résidentiels, les plages de température varient considérablement en fonction de la destination de la pièce et des normes établies en matière de protection du travail.

Chaque personne a sa propre température ambiante confortable. Certaines personnes aiment qu'il fasse très chaud dans la pièce, d'autres se sentent à l'aise lorsque la pièce est fraîche - tout est très individuel

Quant aux locaux d'habitation : appartements, maisons particulières, domaines, etc., il existe certaines plages de température qui peuvent être ajustées en fonction des souhaits des habitants.

Et pourtant, pour des locaux spécifiques d'un appartement et d'une maison nous avons :

• 20-22°С - séjour, incluant chambre d'enfants, tolérance ±2°С -
• 19-21°С — cuisine, toilettes, tolérance ±2°С ;
• 24-26°C — salle de bain, douche, piscine, tolérance ±1°С ;
• 16-18°С — couloirs, dégagements, escaliers, débarras, tolérance +3°C

Il est important de noter qu'il existe plusieurs paramètres plus fondamentaux qui affectent la température dans la pièce et sur lesquels vous devez vous concentrer lors du calcul du système de chauffage : l'humidité (40-60 %), la concentration d'oxygène et de dioxyde de carbone dans l'air ( 250:1), vitesse de déplacement de l'air et masse (0,13-0,25 m/s), etc.

Calcul des déperditions de chaleur dans la maison

Selon la deuxième loi de la thermodynamique (physique scolaire), il n'y a pas de transfert spontané d'énergie depuis des mini- ou macro-objets moins chauffés vers des objets plus chauffés. Un cas particulier de cette loi est la « tentative » de créer un équilibre de température entre deux systèmes thermodynamiques.

Par exemple, le premier système est un environnement avec une température de -20°C, le deuxième système est un bâtiment avec une température interne de +20°C. Selon la loi ci-dessus, ces deux systèmes s’efforceront de s’équilibrer grâce à l’échange d’énergie. Cela se produira grâce aux pertes de chaleur du deuxième système et au refroidissement du premier.

On peut certainement dire que la température ambiante dépend de la latitude à laquelle se trouve la maison privée. Et la différence de température affecte la quantité de fuite de chaleur du bâtiment (+)

La perte de chaleur fait référence au dégagement involontaire de chaleur (énergie) d'un objet (maison, appartement). Pour un appartement ordinaire, ce processus n'est pas si « perceptible » par rapport à une maison privée, puisque l'appartement est situé à l'intérieur du bâtiment et « adjacent » à d'autres appartements.

Dans une maison privée, la chaleur s'échappe à un degré ou à un autre par les murs extérieurs, le sol, le toit, les fenêtres et les portes.

Connaissant l'ampleur des pertes de chaleur pour les conditions météorologiques les plus défavorables et les caractéristiques de ces conditions, il est possible de calculer la puissance du système de chauffage avec une grande précision.

Ainsi, le volume des fuites de chaleur du bâtiment est calculé à l'aide de la formule suivante :

Q=Q_sol+Q_mur+Q_fenêtre+Q_toit+Q_porte+…+Q_je, Où

Qi — le volume de perte de chaleur d'un type homogène d'enveloppe de bâtiment.

Chaque composant de la formule est calculé à l'aide de la formule :

Q=S*∆T/R, Où

• Q – fuite de chaleur, V ;
• S – superficie d'un type spécifique de structure, m². m;
• ∆T – différence entre les températures de l'air ambiant et intérieur, °C ;
• R. – résistance thermique d'un certain type de structure, m²*°C/O.

Il est recommandé de prendre la valeur même de la résistance thermique pour les matériaux réels existants à partir de tableaux auxiliaires.

De plus, la résistance thermique peut être obtenue en utilisant la relation suivante :

R = j/k, Où

• R. – résistance thermique, (m²*K)/W ;
• k – coefficient de conductivité thermique du matériau, W/(m²*À);
• d – épaisseur de ce matériau, m.

Dans les maisons anciennes dont la toiture est humide, les fuites de chaleur se produisent par la partie supérieure du bâtiment, notamment par le toit et le grenier. Réaliser des activités sur isolation du plafond ou isolation thermique du toit du grenier résoudre ce problème.

Si vous isolez les combles et le toit, les pertes de chaleur globales de la maison peuvent être considérablement réduites.

Il existe plusieurs autres types de perte de chaleur dans la maison du fait des fissures dans les structures, des systèmes de ventilation, des hottes de cuisine et de l'ouverture des fenêtres et des portes. Mais cela n'a aucun sens de prendre en compte leur volume, puisqu'elles ne constituent pas plus de 5 % du nombre total des principales fuites de chaleur.

Détermination de la puissance de la chaudière

Pour maintenir la différence de température entre l'environnement et la température à l'intérieur de la maison, un système de chauffage autonome est nécessaire, qui maintient la température souhaitée dans chaque pièce d'une maison privée.

Le système de chauffage est basé sur différents types de chaudières: combustible liquide ou solide, électrique ou gaz.

Une chaudière est l'unité centrale d'un système de chauffage qui génère de la chaleur. La principale caractéristique d’une chaudière est sa puissance, à savoir le taux de conversion de la quantité de chaleur par unité de temps.

Après avoir calculé la charge de chauffage, nous obtenons la puissance nominale requise de la chaudière.

Pour un appartement multi-pièces ordinaire, la puissance de la chaudière est calculée en fonction de la surface et de la puissance spécifique :

R._Chaudière=(S_locaux*R_spécifique)/10, Où

• S_locaux — superficie totale de la pièce chauffée ;
• R._spécifique — puissance spécifique relative aux conditions climatiques.

Mais cette formule ne prend pas en compte les déperditions de chaleur, suffisantes dans une maison privée.

Il existe un autre ratio qui prend en compte ce paramètre :

R._Chaudière=(Q_pertes*S)/100, Où

• R._Chaudière — puissance de la chaudière ;
• Q_pertes - perte de chaleur;
• S - espace chauffé.

La puissance nominale de la chaudière doit être augmentée. La réserve est nécessaire si vous envisagez d'utiliser la chaudière pour chauffer l'eau de la salle de bain et de la cuisine.

Dans la plupart des systèmes de chauffage des maisons privées, il est recommandé d'utiliser un vase d'expansion dans lequel l'alimentation en liquide de refroidissement sera stockée. Chaque maison privée a besoin d’un approvisionnement en eau chaude

Afin de prévoir la réserve de puissance de la chaudière, le facteur de sécurité K doit être ajouté à la dernière formule :

R._Chaudière=(Q_pertes*S*K)/100, Où

À — sera égal à 1,25, c'est-à-dire que la puissance nominale de la chaudière sera augmentée de 25 %.

Ainsi, la puissance de la chaudière permet de maintenir la température de l'air standard dans les pièces du bâtiment, ainsi que de disposer d'un volume d'eau chaude initial et supplémentaire dans la maison.

Caractéristiques de la sélection des radiateurs

Les composants standards pour fournir de la chaleur dans une pièce sont les radiateurs, les panneaux, les systèmes de chauffage au sol, les convecteurs, etc.Les éléments les plus courants d’un système de chauffage sont les radiateurs.

Le radiateur thermique est une structure spéciale de type modulaire creuse constituée d'un alliage à haute dissipation thermique. Il est composé d'acier, d'aluminium, de fonte, de céramique et d'autres alliages. Le principe de fonctionnement d'un radiateur de chauffage se réduit au rayonnement de l'énergie du liquide de refroidissement dans l'espace de la pièce à travers les « pétales ».

Un radiateur de chauffage en aluminium et bimétallique a remplacé les énormes batteries en fonte. La simplicité de production, le transfert de chaleur élevé, la conception et le design réussis ont fait de ce produit un instrument populaire et répandu pour rayonner la chaleur à l'intérieur

Il existe plusieurs méthodes calculs de radiateurs de chauffage dans la pièce. La liste des méthodes ci-dessous est triée par ordre croissant de précision de calcul.

Options de calcul :

1. Par zone. N=(S*100)/C, où N est le nombre de sections, S est la superficie de la pièce (m²), C - transfert de chaleur d'une section du radiateur (W, extrait du passeport ou du certificat du produit), 100 W - la quantité de flux de chaleur nécessaire pour chauffer 1 m² (valeur empirique). La question se pose : comment prendre en compte la hauteur du plafond de la pièce ?
2. Par volume. N=(S*H*41)/C, où N, S, C sont similaires. H - hauteur de la pièce, 41 W - quantité de flux de chaleur nécessaire pour chauffer 1 m³ (valeur empirique).
3. Par hasard. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, où N, S, C et 100 sont identiques. k1 - prise en compte du nombre de chambres dans une fenêtre à double vitrage d'une pièce, k2 - isolation thermique des murs, k3 - rapport entre la surface de la fenêtre et la surface de la pièce, k4 - température moyenne inférieure à zéro pendant la semaine la plus froide de l'hiver, k5 - nombre de murs extérieurs d'une pièce (qui « s'étendent » jusqu'à la rue), k6 - type de pièce au-dessus, k7 - hauteur sous plafond.

C'est l'option la plus précise pour calculer le nombre de sections. Naturellement, les résultats des calculs fractionnaires sont toujours arrondis au nombre entier suivant.

Calcul hydraulique de l'approvisionnement en eau

Bien entendu, le « tableau » du calcul de la chaleur pour le chauffage ne peut être complet sans calculer des caractéristiques telles que le volume et la vitesse du liquide de refroidissement. Dans la plupart des cas, le liquide de refroidissement est de l’eau ordinaire à l’état liquide ou gazeux.

Il est recommandé de calculer le volume réel de liquide de refroidissement en additionnant toutes les cavités du système de chauffage. Lorsque vous utilisez une chaudière à circuit unique, c'est la meilleure option. Lors de l'utilisation de chaudières à double circuit dans un système de chauffage, il est nécessaire de prendre en compte la consommation d'eau chaude à des fins hygiéniques et domestiques.

Le calcul du volume d'eau chauffée par une chaudière à double circuit pour fournir de l'eau chaude aux résidents et chauffer le liquide de refroidissement est effectué en additionnant le volume interne du circuit de chauffage et les besoins réels des utilisateurs en eau chauffée.

Le volume d'eau chaude dans le système de chauffage est calculé par la formule :

W=k*P, Où

• W — volume de liquide de refroidissement ;
• P. — puissance de la chaudière de chauffage ;
• k - facteur de puissance (nombre de litres par unité de puissance, égal à 13,5, plage - 10-15 litres).

En conséquence, la formule finale ressemble à ceci :

L = 13,5*P

La vitesse du liquide de refroidissement est l'évaluation dynamique finale d'un système de chauffage, qui caractérise le taux de circulation du fluide dans le système.

Cette valeur permet d'évaluer le type et le diamètre du pipeline :

V=(0,86*P*μ)/∆T, Où

• P. — puissance de la chaudière ;
• µ — efficacité de la chaudière ;
• ∆T - différence de température entre l'eau d'alimentation et l'eau de retour.

En utilisant les méthodes ci-dessus calcul hydraulique, il sera possible d'obtenir des paramètres réels qui constituent la « base » du futur système de chauffage.

Exemple de calcul thermique

A titre d'exemple de calcul thermique, nous avons une maison ordinaire à un étage avec quatre salons, une cuisine, une salle de bain, un « jardin d'hiver » et des buanderies.

La fondation est constituée d'une dalle monolithique en béton armé (20 cm), les murs extérieurs sont en béton (25 cm) avec plâtre, la toiture est constituée de poutres en bois, la toiture est en tuiles métalliques et laine minérale (10 cm)

Désignons les paramètres initiaux de la maison nécessaires aux calculs.

Dimensions du bâtiment :

• hauteur du sol - 3 m;
• petite fenêtre à l'avant et à l'arrière du bâtiment 1470*1420 mm ;
• grande fenêtre de façade 2080*1420 mm ;
• portes d'entrée 2000*900 mm ;
• portes arrière (sortie sur la terrasse) 2000*1400 (700 + 700) mm.

La largeur totale du bâtiment est de 9,5 m², longueur 16 m². Seuls les salons (4 unités), une salle de bain et une cuisine seront chauffés.

Pour calculer avec précision les pertes de chaleur sur les murs, vous devez soustraire la surface de toutes les fenêtres et portes de la surface des murs extérieurs - il s'agit d'un type de matériau complètement différent avec sa propre résistance thermique

On commence par calculer les aires de matériaux homogènes :

• superficie au sol - 152 m²;
• surface de toit - 180 m² , en tenant compte de la hauteur des combles est de 1,3 m et de la largeur de la panne est de 4 m ;
• surface de la fenêtre - 3*1,47*1,42+2,08*1,42=9,22 m²;
• surface de la porte - 2*0,9+2*2*1,4=7,4 m².

La superficie des murs extérieurs sera de 51*3-9,22-7,4=136,38 m².

Passons au calcul des déperditions thermiques pour chaque matériau :

• Q_sol=S*∆T*k/d=152*20*0,2/1,7=357,65 W ;
• Q_toit=180*40*0,1/0,05=14 400 W ;
• Q_fenêtre=9,22*40*0,36/0,5=265,54 W ;
• Q_{des portes}=7,4*40*0,15/0,75=59,2 W ;

Et aussi Q_mur équivalent à 136,38*40*0,25/0,3=4546. La somme de toutes les pertes thermiques sera de 19628,4 W.

De ce fait, on calcule la puissance de la chaudière : P_Chaudière=Q_pertes*S_{chauffage_chambres}*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.

Nous calculerons le nombre de sections de radiateurs pour l'une des pièces. Pour tous les autres, les calculs sont similaires. Par exemple, une pièce d'angle (à gauche, coin inférieur du schéma) a une superficie de 10,4 m2.

Cela signifie 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.

Cette pièce nécessite 9 sections de radiateur de chauffage d'une puissance calorifique de 180 W.

Passons au calcul de la quantité de liquide de refroidissement dans le système - W=13,5*P=13,5*21=283,5 l. Cela signifie que la vitesse du liquide de refroidissement sera : V=(0,86*P*μ)/∆T=(0,86*21000*0,9)/20=812,7 l.

En conséquence, un renouvellement complet de tout le volume de liquide de refroidissement dans le système équivaudra à 2,87 fois par heure.

Une sélection d'articles sur les calculs thermiques vous aidera à déterminer les paramètres exacts des éléments du système de chauffage :

1. Calcul du système de chauffage d'une maison privée : règles et exemples de calcul
2. Calcul thermique d'un bâtiment : spécificités et formules pour réaliser les calculs + exemples pratiques

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Un calcul simple d'un système de chauffage pour une maison privée est présenté dans la revue suivante :

Toutes les subtilités et méthodes généralement admises pour calculer les déperditions thermiques d'un bâtiment sont présentées ci-dessous :

Une autre option pour calculer les fuites de chaleur dans une maison privée typique :

Cette vidéo décrit les caractéristiques de la circulation des vecteurs énergétiques pour chauffer une habitation :

Le calcul thermique d'un système de chauffage est de nature individuelle et doit être effectué avec compétence et soin. Plus les calculs sont effectués avec précision, moins les propriétaires d'une maison de campagne devront payer trop cher pendant l'exploitation.

Avez-vous de l'expérience dans la réalisation de calculs thermiques d'un système de chauffage ? Ou vous avez encore des questions sur le sujet ? S'il vous plaît partagez votre opinion et laissez des commentaires. Le bloc de commentaires se trouve ci-dessous.