Сколько потребляет электроэнергии электрический котел: правила расчетов

Использование электричества в качестве источника энергии для отопления загородного дома привлекательно по многим причинам: легкодоступность, распространенность, экологичность. Вместе с тем самым главным препятствием использования электрических котлов остаются довольно высокие тарифы. По этой причине целесообразность применения зависит в первую очередь от того, сколько потребляет электроэнергии электрический котел.

Содержание статьи:

Два способа проведения расчетов
Сбор исходных данных для расчета
Расчет теплопотерь пола цокольного этажа
Варианты расчета мощности электрического котла
- Допущения и упрощения при расчете
- Пример расчета теплопотерь коттеджа
- Расчет затрат на электроэнергию
- Количество требующих отопления дней
Видео о расчете и выборе электрокотлов

Два способа проведения расчетов

Можно выделить две основные методики расчета необходимой мощности электрического котла. Первая основана на отапливаемой площади, вторая на расчете теплопотерь через ограждающие конструкции.

Расчет по первому варианту очень грубый, основан на единственном показателе — удельной мощности. Удельная мощность приведена в справочниках и зависит от региона.

Расчет по второму варианту сложнее, но учитывает множество индивидуальных показателей конкретного здания. Полный теплотехнический расчет здания — задача достаточно сложная и кропотливая. Далее будет рассмотрен упрощенный расчет, тем не менее обладающий необходимой точностью.

Независимо от методики расчета, количество и качество собранных исходных данных напрямую влияют на правильную оценку требуемой мощности электрокотла.

При заниженной мощности оборудование будет постоянно работать с максимальной нагрузкой, не обеспечивая нужного комфорта проживания. При завышенной мощности – неоправданно большое потребление электроэнергии высокая стоимость отопительного оборудования.

В отличие от других видов топлива, электроэнергия — это экологически безопасный, довольно чистый и простой вариант, но привязанный к наличию бесперебойно действующей электросети в регионе

Сбор исходных данных для расчета

Для проведения расчетов понадобятся следующие сведения о здании:

S – площадь отапливаемого помещения.

Wуд – удельная мощность. Этот показатель показывает сколько необходимо тепловой энергии на 1 м2 в 1 час. Зависит от местных природных условий, можно принять следующие значения:

для центральной части России: 120 – 150 Вт/м2;
для южных регионов: 70-90 Вт/м2;
для северных регионов: 150-200 Вт/м2.

Wуд – величина теоретическая применяется в основном для очень грубых расчетов, потому что не отражает реальных теплопотерь здания. Не учитывает площадь остекления, количество дверей, материал наружных стен, высоту потолков.

Точный теплотехнический расчет производится при помощи специализированных программ с учетом множества факторов. Для наших целей такой расчет не нужен, вполне можно обойтись обсчетом теплопотерь наружных ограждающих конструкций.

Величины, которые нужно задействовать в расчетах:

R – сопротивление теплопередачи или коэффициент теплосопротивления. Это отношение разности температур по краям ограждающей конструкции к тепловому потоку, проходящему через эту конструкцию. Имеет размерность м2 ? ?С/Вт.

На самом деле все просто – R выражает способность материала задерживать тепло.

Q – величина, показывающая количество теплового потока проходящего через 1 м2 поверхности при разности температуры в 1?С за 1час. То есть показывает сколько теряет тепловой энергии 1 м2 ограждающей конструкции в час при перепаде температуры в 1 градус. Имеет размерность Вт/м2 ? ч. Для приведенных здесь расчетов разницы между кельвинами и градусами по Цельсию нет, поскольку важна не абсолютная температура, а только разница.

Qобщ – количество теплового потока проходящее через площадь S ограждающей конструкции в час. Имеет размерность Вт/ч.

P – мощность отопительного котла. Вычисляется как требуемая максимальная величина мощности отопительного оборудования при максимальной разнице температуры наружного и внутреннего воздуха. Другими словами достаточная мощность котла для обогрева здания в самый холодный сезон. Имеет размерность Вт/ч.

КПД – коэффициент полезного действия отопительного котла, безразмерная величина показывающая отношение полученной энергии к затраченной энергии. В документации на оборудование обычно приводится в процентах от 100 например 99%. В расчетах применяется величина от 1 т.е. 0,99.

?T – показывает разность температуры с двух сторон ограждающей конструкции. Чтобы было понятнее, как правильно вычисляется разница посмотрите пример. Если снаружи: -30С, а внутри +22С?, то

?T = 22-(-30)=52С?

Или тоже, но в кельвинах:

?T = 293 – 243 = 52К

То есть разница всегда будет одинаковой для градусов и кельвинов, поэтому для расчетов справочные данные в кельвинах могут применяться без поправок.

d – толщина ограждающей конструкции в метрах.

k – коэффициент теплопроводности материала ограждающей конструкции, который берется из справочников или СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника» (СНиП — строительные нормы и правила). Имеет размерность Вт/м?K или Вт/м??С.

Следующий список формул показывает взаимосвязь величин:

R = d / k
R= ?T/Q
Q = ?T/R
Qобщ = Q ? S
P = Qобщ / КПД

Для многослойных конструкций сопротивление теплопередаче R вычисляется для каждой конструкции отдельно и затем суммируется.

Иногда расчет многослойных конструкций может быть слишком громоздким, например при расчете теплопотерь оконного стеклопакета.

Что необходимо учесть при расчете сопротивления теплопередачи для окон:

толщину стекла;
количество стекол и воздушных зазоров между ними;
вид газа между стеклами: инертный или воздух;
наличие теплоизоляционного покрытия оконного стекла.

Однако можно найти готовые значения для всей конструкции либо у производителя, либо в справочнике, в конце этой статьи приведена таблица для стеклопакетов распространенной конструкции.

Расчет теплопотерь пола цокольного этажа

Отдельно необходимо остановится на расчете теплопотерь через пол здания, так как грунт оказывает значительное сопротивление теплопередаче.

При расчетах теплопотерь цокольного этажа нужно принимать во внимание заглубление в грунт. Если дом стоит на уровне земли, то заглубление принимается равным 0. По общепринятой методике площадь пола делится на 4 зоны.

1 зона — отступается 2м от наружной стены к центру пола по периметру. В случае заглубления здания, отступается от уровня земли до уровня пола по вертикальной стене. Если стена заглублена в грунт на 2м, то зона 1 будет полностью на стене.
2 зона – отступается по 2м по периметру к центру от границы 1 зоны.
3 зона – отступается по 2м по периметру к центру от границы 2 зоны.
4 зона – оставшийся пол.

Для каждой зоны из сложившейся практики установлены свои R:

R1 = 2,1 м2 ? ?С/Вт;
R2 = 4,3 м2 ? ?С/Вт;
R3 = 8,6 м2 ? ?С/Вт;
R4 = 14,2 м2 ? ?С/Вт.

Приведенные значения R справедливы для полов без покрытия. В случае утепления, каждое R увеличивается на R утеплителя.

Дополнительно для полов уложенных на лаги R умножается на коэффициент 1,18.

Зона 1 имеет ширину 2 метра. Если дом заглублен, то нужно взять высоту стен в грунте, отнять от 2 метров, а остаток перенести на пол

Варианты расчета мощности электрического котла

Теперь можно приступить к расчетам. Формула, которая может служить для приблизительной оценки мощности электрического котла:

W=Wуд ? S

Задача: рассчитать необходимую мощность котла в г. Москва, отапливаемая площадь 150м?.

При производстве расчетов учитываем, что Москва относится к центральному региону, т.е. Wуд можно принять равным 130 Вт/м2.

Wуд = 130 ? 150 = 19500Вт/ч или 19,5кВт/ч

Эта цифра настолько неточная, что не требует учета КПД отопительного оборудования.

Теперь определим теплопотери через 15м2 площади потолка, утепленного минеральной ватой. Толщина слоя теплоизоляции 150мм, температура наружного воздуха -30?С, внутри здания +22?С за 3 часа.

Решение: по таблице находим коэффициент теплопроводности минеральной ваты, k=0,036 Вт/м ? ?С. Толщину d необходимо брать в метрах. Порядок расчета такой:

R = 0,15 / 0,036 = 4,167 м2 ? °С/Вт

?T= 22 — (-30) = 52?С

Q= 52 / 4,167 = 12,48 Вт/м2 ?ч

Qобщ = 12,48 ? 15 = 187 Вт/ч.

Вычислили, что потери тепла через потолок составят в нашем примере 187 * 3 = 561Вт.

Допущения и упрощения при расчете

Для наших целей вполне допускается упростить расчеты, рассчитывая теплопотери только наружных конструкций: стен и потолков, не обращая внимание на внутренние перегородки и двери.

Кроме того, можно обойтись без расчета потерь тепла на вентиляцию и канализацию. Не будем принимать в расчет инфильтрацию и ветровую нагрузку. Зависимость расположения здания по сторонам света и количество получаемой солнечной радиации.

Из общих соображений можно сделать один вывод. Чем больше объем здания, тем меньше приходится теплопотерь на 1 м2. Объяснить это легко, так как площадь стен возрастает квадратично, а объем в кубе. Шар имеет наименьшие теплопотери.

В ограждающих конструкциях учитываются только замкнутые воздушные слои. Если у Вашего дома вентилируемый фасад, то такой воздушный слой считается не замкнутым, в расчет не берется. Не берутся все слои, которые следуют перед незамкнутым воздушным слоем: фасадная плитка или кассеты.

Замкнутые воздушные слои, например, в стеклопакетах учитываются.

Все стены дома являются наружными. Чердак не отапливаемый, теплосопротивление кровельных материалов в расчет не принимается

Пример расчета теплопотерь коттеджа

После теоретической части можно приступить к практической. Для примера рассчитаем дом:

размеры наружных стен: 9х10м;
высота: 3м;
окно со стеклопакетом 1,5 ? 1,5м: 4 шт;
дверь дубовая 2,1 ? 0,9м, толщина 50мм;
полы сосновые 28мм, поверх экструдированного пенопласта толщиной 30мм, уложены на лаги;
потолок ГКЛ 9мм, поверх минеральной ваты толщиной 150мм;
материал стен: кладка 2 силикатных кирпича, утепление минеральной ватой 50мм;
самый холодный период – 30?С, расчетная температура внутри здания 20?С.

Произведем подготовительные расчеты необходимых площадей. При расчете зон на полу, принимаем нулевое заглубление стен. Доска пола уложена лаги.

окна – 9м2;
дверь – 1,9м2;
стены, за минусом окон и двери – 103,1м2;
потолок — 90м2;
площади зон пола: S1 = 60м2, S2 = 18м2, S3 = 10 м2, S4 = 2м2;
?T = 50?C.

Далее по справочникам или по таблицам приведенным в конце этой главы, выбираем необходимые значения коэффициента теплопроводности для каждого материала. Для сосновых досок коэффициент нужно брать вдоль волокон.

Весь расчет достаточно прост:

Шаг №1: Расчет потерь тепла через несущие стеновые конструкции включает три действия.

Рассчитываем коэффициент теплопотерь стен кирпичной кладки.

Rкир = d / k = 0,51 / 0,7 = 0,73 м2 ? °С/Вт .

То же для утеплителя стен.

Rут = d / k = 0,05 / 0,043 = 1,16 м2 ? °С/Вт .

Теплопотери 1 м2 наружных стен.

Q = ?T/(Rкир + Rут) = 50 / (0,73 + 1,16) = 26,46 м2 ? °С/Вт

В итоге общие теплопотери стен составят:

Qст = Q?S = 26,46 ? 103,1 = 2728 Вт/ч.

Шаг №2: Вычисления потерь тепловой энергии через окна:

Qокн = 9 ? 50 / 0,32 = 1406Вт/ч.

Шаг № 3: Подсчет утечек тепловой энергии через дубовую дверь.

Qдв = 1,9 ? 50 / 0,23 = 413Вт/ч.

Шаг №4: Потери тепла через верхнее перекрытие — потолок.

Qпот = 90 ? 50 / (0,06 + 4,17) = 1064Вт/ч.

Шаг №5: Рассчитываем Rут для пола так же в несколько действий.

Rут= 0,16 + 0,83 = 0,99 м2 ? °С/Вт .

Затем прибавляем Rут к каждой зоне.

R1 = 3,09 м2 ? °С/Вт ; R2 = 5,29 м2 ? °С/Вт ;

R3 = 9,59 м2 ? °С/Вт ; R4 = 15,19 м2 ? °С/Вт .

Шаг №6: Так как пол уложен на лаги умножаем на коэффициент 1,18.

R1 = 3,64 м2 ? °С/Вт ; R2 = 6,24 м2 ? °С/Вт ;

R3 = 11,32 м2 ? °С/Вт ; R4 = 17,92 м2 ? °С/Вт .

Шаг №7: Вычислим Q для каждой зоны:

Q1 = 60 ? 50 / 3,64 = 824Вт/ч;

Q2 = 18 ? 50 / 6,24 = 144Вт/ч;

Q3 = 10 ? 50 / 11,32 = 44Вт/ч;

Q4 = 2 ? 50 / 17,92 = 6Вт/ч.

Шаг №8: Теперь можно вычислить Q для всего пола.

Qпол = 824 + 144 + 44 + 6 = 1018Вт/ч.

Шаг №9: В результате выполненных нами вычислений можно обозначить сумму общих потерь тепла.

Qобщ = 2728 + 1406 + 413 + 1064 + 1018 = 6629Вт/ч.

В расчет не вошли теплопотери связанные с канализацией и вентиляцией. Чтобы не усложнять сверх меры просто добавим на перечисленные утечки 5%.

Разумеется необходим запас, минимум 10%.

Таким образом окончательная цифра теплопотерь приведенного в качестве примера дома составит:

Qобщ = 6629 ? 1,15 = 7623Вт/ч.

Qобщ показывает максимальные теплопотери дома при разнице температуры наружного и внутреннего воздуха 50?С.

Если посчитать по первому упрощенному варианту через Wуд то:

Wуд = 130 ? 90 = 11700Вт/ч.

Ясно, что второй вариант расчета пусть и значительнее сложнее, но дает более реальную цифру для построек с утеплением. Первый вариант позволяет получить обобщенное значение потерь тепла для строений с низкой степенью теплоизоляции или вовсе без нее.

В первом случае котлу придется каждый час по полной возобновлять потери тепловой энергии, происходящие через проемы, перекрытия, стены без изоляции. Во втором случае топить до достижения комфортного значения температуры надо только один раз. Затем котлу надо будет только восстанавливать теплопотери, величина которых существенно ниже первого варианта.

Таблица 1:

В таблице приведены коэффициенты теплопроводности для распространенных строительных материалов (+)

Таблица 2:

При расчете толщины кладки учитывается толщина шва 10мм. За счет цементных швов теплопроводность кладки несколько выше чем отдельного кирпича (+)

Таблица 3:

В таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для различных минераловатных плит. Для утепления фасадов применяется жесткая плита

Таблица 4:

Обозначения в таблице: Ar – заполнение стеклопакетов инертным газом, К – наружное стекло имеет теплозащитное покрытие, толщина стекла 4мм остальные цифры обозначают промежуток между стеклами (+)

7,6 кВт/ч – это расчетная необходимая максимальная мощность, которая расходуется на отопление хорошо утепленной постройки. Однако электрокотлам для работы тоже нужен некоторый заряд для собственного питания.

Расчет затрат на электроэнергию

Если упростить техническую сущность котла отопления, то назвать его можно обычным преобразователем электрической энергии в ее тепловой аналог. Выполняя работу по преобразованию, он тоже потребляет некоторое количество энергии. Т.е. котел получает полную единицу электроэнергии, а на отопление поступает только 0,98 ее часть.

Для получения точной цифры расхода электроэнергии исследуемым электрическим котлом отопления надо его мощность (номинальную в первом случае и расчетную во втором) разделить на заявленное производителем значение КПД. В среднем КПД подобного оборудования составляет 98%. В результате величина энергопотребления составит, к примеру для расчетного варианта:

7,6 / 0,98 = 7,8 кВт/ч.

Остается помножить значение на местный тариф. Затем вычислить общую сумму затрат на электроотопление и заняться поиском путей их сокращения. Например, купить двухтарифный счетчик, позволяющий частично производить оплату по более низким «ночным» тарифам. Можно включить в отопительный контур термоаккумклятор, чтобы запасаться дешевой энергией ночью, а расходовать ее днем.

Количество требующих отопления дней

Теперь, когда вы освоили методику расчета будущих теплопотерь, легко сможете оценить затраты на отопление в течение всего отопительного периода.

По СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» в столбцах 13 и 14 находим для Москвы продолжительность периода со средней температурой ниже 10?С. Для Москвы такой период длится 231 день и имеет среднюю температуру -2,2?С. Чтобы вычислить Qобщ для ?T=22,2?С, необязательно производить весь расчет заново. Достаточно вывести Qобщ на 1?С:

Qобщ = 7623 / 50 = 152,46 Вт/ч

Соответственно для ?T= 22,2?С:

Qобщ = 152,46 ? 22,2 = 3385Вт/ч

Для нахождения потребленной электроэнергии умножим на отопительный период:

Q = 3385 ? 231 ? 24 ? 1,05 = 18766440Вт = 18766кВт

Приведенный расчет интересен еще и тем, что позволяет провести анализ всей конструкции дома с точки зрения эффективности применения утепления.

Видео о расчете и выборе электрокотлов

Как избежать теплопотерь через фундамент:

Как рассчитать теплопотери онлайн:

Применение электрокотлов в качестве основного отопительного оборудования очень сильно ограничено возможностями электросетей и стоимостью электроэнергии. Однако в качестве дополнительного, например к твердотопливному котлу, могут быть весьма эффективны и полезны. Способны значительно сократить время на прогревание системы отопления или использоваться в качестве основного котла при не очень низких температурах.