Тепловой расчет приборов заключается в определении площади внешней нагревательной поверхности каждого отопительного прибора, обеспечивающей необходимый тепловой поток от теплоносителя в помещение. Расчет проводится при температуре теплоносителя, устанавливаемой для условий выбора тепловой мощности приборов. Для теплоносителя пара это температура насыщенного пара при заданном его давлении в приборе. Для теплоносителя воды - максимальная средняя температура воды в приборе, связанная с ее расходом.

Тепловая мощность прибора, т. е. его расчетная теплоотдача Qnp, определяется, как известно, теилопотребностью помещения за вычетом теплоотдачи теплопроводов, проложенных в этом помещении.
Площадь теплоотдающей поверхности зависит от принятого вида прибора, его расположения в помещении и схемы присоединения к трубам. Эти факторы отражаются на значении поверхностной плотности теплового потока прибора.

Если поверхностная плотность теплового потока прибора q_np , Вт/м² известна, то теплоотдача отопительного прибора Q, Вт, должна быть пропорциональна площади его нагревательной поверхности

Q_пр = q_пр*A_p.

Отсюда расчетная площадь А_р, м², отопительного прибора независимо от вида теплоносителя

A_p = Q_np/q_np,

где Q_np - требуемая теплоотдача прибора в рассматриваемое помещение.

Q_пp = Q_п - ?_тр*Q_тр;

Q_п - теплопотребность помещения, Вт; Q_тр - суммарная теплоотдача проложенных в пределах помещения нагретых труб стояка (ветви) и подводок, к которым непосредственно присоединен отопительный прибор, а также транзитного теплопровода, если он имеется в помещении, Вт; ?_тр - поправочный коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи теплопроводов, полезную для поддержания заданной температуры воздуха в помещении (?_тр составляет при прокладке труб: открытой - 0,9, скрытой в глухой борозде стены - 0,5, замоноличенной в тяжелый бетон - 1,8 (возрастание теплоотдачи обгоняется увеличением площади теплоотдающей поверхности)).
Суммарную теплоотдачу теплопроводов Q_тр, Вт, находят по формуле

Q_тр = ? k_тр*?*d_н*l*(t_г - t_в) ,

где k_тр, d_н, l - соответственно коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*°С), наружный диаметр, м, и длина, м, отдельных теплопроводов; t_г и t_в - соответственно температура теплоносителя и воздуха в помещении, °С.

Теплоотдачу теплопроводов можно определить приближенно по формуле

Q_тр = q_в*l_в + q_г*l_г

с использованием таблиц в справочной литературе, где даны значения q_в и q_г - теплоотдачи 1 м соответственно вертикально и горизонтально проложенных труб, Вт/м, определяемые исходя из их диаметра и разности температуры (t_г - t_в); l_в и l_г - длина соответственно вертикальных и горизонтальных теплопроводов в пределах помещения, м.

Ранее в СССР вычисления по формуле A_p = Q_np/q_np и измерение теплоотдающей поверхности всех отопительных приборов проводились в условных единицах площади - эквивалентных квадратных метрах (экм). Эквивалентным квадратным метром считали площадь нагревательной поверхности прибора с теплоотдачей 506 Вт (435 ккал/ч) при разности средней температуры теплоносителя и воздуха (t_г - t_в) = 64,5 °С и относительном расходе теплоносителя воды в приборе G_отн = l,0. Отопительным приборам, имеющим коэффициент теплопередачи выше, чем коэффициент теплопередачи эталонного радиатора (ранее выпускавшегося секционного радиатора типа Н-136), т. е. гладкотрубным приборам и панельным радиаторам, присваивалось измерение площади в экм, превышающих по величине их физическую площадь в м². Напротив, площадь теплотехнически малоэффективных приборов (конвекторов, ребристых труб) измерялась в экм, меньших по величине, чем их площадь в м². Двойное измерение площади отопительных приборов - в условных экм и физических м² - заменено в 1984 г. измерением площади нагревательной поверхности только в квадратных метрах.

После определения расчетной площади нагревательной поверхности прибора по каталогу приборов подбирается ближайший торговый его размер (число секций или марка панельного радиатора, длина конвектора, ребристой или гладкой трубы). При этом фактическая площадь принятого к установке прибора получается, как правило, больше расчетной (это заранее учитывается в теплоотдаче прибора и расходе теплоносителя введением среднестатистического повышающего коэффициента ?₁.

Длина секционных радиаторов зависит от числа секций, составляющих приборы.

Число секций радиаторов определяют по формуле

N = (A_p/a₁)(?₄/?₃),

где а₁ - площадь одной секции, м², типа радиатора, принятого к установке в помещении;
?₄ - поправочный коэффициент, учитывающий способ установки радиатора в помещении;
?₃ - поправочный коэффициент, учитывающий число секций в одном радиаторе (?₃ - 1,0 при А_р = 2,0 м²), который для радиаторов типа М-140 вычисляется по формуле

?₃ = 0,97 + 0,06 / А_р.

Секционные радиаторы проходят тепловые испытания при площади отопительного прибора около 2,0 м², т. е. в составе семи - восьми секций, поэтому полученное значение коэффициента теплопередачи справедливо только для радиаторов именно таких размеров. При меньшем числе секций коэффициент теплопередачи относительно повышается благодаря влиянию усиленного теплового потока крайних секций, торцы которых свободны для теплообмена излучением с помещением, поэтому размеры радиатора могут быть несколько сокращены. При большем числе секций влияние крайних секций на коэффициент теплопередачи уменьшается, и размеры радиатора должны быть несколько увеличены.

Для типов радиаторов с площадью одной секции 0,25 м² (в том числе для эталонного радиатора) коэффициент ?₃ определяют по формуле

?₃ = 0,92 + 0,16 /А_р.

Расчетное число секций по формуле (?₃ = 0,97 + 0,06 / А_р) редко получается целым. При выборе целого числа секций радиатора допускают уменьшение расчетной площади А_р не более чем на 5 % (но не более чем на 0,1 м²). Так поступают с целью ограничения отклонения от расчетной температуры в помещении (обычно приемлемо понижение на 1 °С в гражданских и на 2 °С в производственных зданиях). Поэтому, как правило, к установке принимают большее ближайшее число секций.

Если в наружной стене имеется подоконная ниша, то длина радиатора должна быть меньше ее длины, по крайней мере, на 400 мм при прямой подводке труб (600 мм - при подводке с уткой). Лишние секции выделяют в самостоятельный радиатор.

Длина стальных панельных радиаторов определяется размерами выпускаемых марок, а не получается в результате набора стандартных элементов, как при расчете секционных радиаторов. Для увеличения площади отопительного прибора, если это необходимо, отдельные марки одноблочных панельных радиаторов (например, типа РСВ или РСГ) могут объединяться в блоки, включающие две параллельно расположенные панели.

Если к установке предназначен панельный радиатор определенной площади а,, м2, то число таких радиаторов, размещаемых в помещении открыто,

N = A_p / a₁.

При применении двухрядных блоков их расчетную площадь А_р увеличивают, принимая соответственно пониженный коэффициент теплопередачи по сравнению с коэффициентом для однорядной установки радиатора.
Длина конвекторов с кожухом также определяется размерами выпускаемых полностью готовых приборов. Например, напольные конвекторы типа «Ритм» выпускаются с длиной кожуха 1000 и 1500 мм. Настенные конвекторы типов «Комфорт-20» и «Унивсрсал-20» различных марок отличаются по длине одна от другой на 100 мм (типа «Универсал-С» - на 50 мм).

Число элементов конвекторов без кожуха или ребристых труб в ярусе по вертикали и в ряду по горизонтали определяют по формуле

N = A_p / (n*a₁),

где n - число ярусов и рядов элементов, составляющих прибор; a₁ - площадь одного элемента конвектора или одной ребристой трубы принятой длины, м².

Предполагаемое число ярусов и рядов элементов, а также схему соединения их между собой следует заранее учитывать при определении расчетной площади отопительного прибора (с последующей проверкой).

Длина греющей трубы 1, м, в ярусе или в ряду гладкотрубного прибора составит

l = А_р*?₄ / (n*a₁),

где ?₄ - поправочный коэффициент, учитывающий наличие декоративного укрытия труб;
n - число ярусов или рядов греющих труб, составляющих прибор; а₁ - площадь 1 м открытой горизонтальной трубы принятого диаметра, м²/м.

При округлении дробного расчетного числа элементов или приборов до целого числа допустимо, как и для радиаторов, уменьшать А не более чем на 5 % (но не более чем на 0,1 м²).

Пример 1.

Определим число секций чугунного радиатора типа М-140А, устанавливаемого на верхнем этаже у наружной стены без ниши под подоконником (на расстоянии от него 40 мм) в помещении высотой 2,7 м при Q_n=1410 Вт и t_в=18 °С, если радиатор присоединяется к однотрубному проточно-регулируемому стояку D_y20 (с краном типа КРТ на подводке длиной 0,4 м) системы водяного отопления с верхней разводкой при t_г = 105 °С и расходе воды в стояке G_ст = 300 кг/ч. Вода в подающей магистрали охлаждается до рассматриваемого стояка на 2 °С.

Средняя температура воды в приборе:

t_ср = (105 - 2) - 0,5*1410*1,06*1,02*3,6 / (4,187*300) = 100,8 °С.

Плотность теплового потока радиатора при ?t_ср = 100,8 - 18 = 82,8 °С (изменение расхода воды в радиаторе от 360 до 300 кг/ч практически ни влияет на q_np)

Q_пр = 650(82,8 / 70)1+0,3 = 809 Вт/м2.

Теплоотдача вертикальных (1в = 2,7 - 0,5 = 2,2 м) и горизонтальных (1г = 0,8 м) труб Dy20 по формуле Q_тр = q_в*l_в + q_г*l_г

Q_тр = 93*2,2 + 115*0,8 = 296 Вт.

Расчетная площадь радиатора по формулам A_p = Q_np/q_np  и  Q_пp = Q_п - ?_тр*Q_тр

А_р = (1410 - 0,9*296) / 809 = 1,41 м².

Расчетное число секций радиатора М-140А по формуле при площади одной секции 0,254 м² (?4=1,05, ?3 = 0,97 + 0,06 / 1,41= 1,01 по формуле ?₃ = 0,97 + 0,06 / А_р)

N = (1,41 / 0,254)*(1,05 / 1,01) = 5,8 секции.

Принимаем к установке 6 секций.

Пример 2.

Определим марку открыто устанавливаемого настенного конвектора с кожухом типа КН-20к «Универсал-20» малой глубины по условиям примера 4.1 (однотрубный стояк - проточный, т. е. без крана у прибора).

Средняя температура воды в приборе:

tcp = (105 - 2) - 0,5*1410*1,04*1,02*3,6 / (4,187*300) = 100,9 °С.

Номинальная плотность теплового потока для конвектора «Универсал-20» составляет 357 Вт/м². В нашем случае ?t_cp= 100,9 -18 = 82,9 °С (больше 70 °С) и Gnp=300 кг/ч (меньше 360 кг/ч). Поэтому пересчитываем значение плотности теплового потока конвектора по формуле q_пр = q_ном(?t_ср / 70)¹⁺ⁿ (G_пр / 360)^p

q_np = 357(82,9 / 70)1+0,3(300 / 360)0,07 = 439 Вт/м².

Теплоотдача вертикальных (l_в=2,7 м) и горизонтальных (1_г-=0,8 м) труб D_y20 по формуле Q_тр = q_в*l_в + q_г*l_г

Q_тр = 93*2,7 + 115*0,8 = 343 Вт.

Расчетная площадь конвектора по формулам A_p = Q_np/q_np и Q_пp = Q_п - ?_тр*Q_тр
А_р =(1410 - 0,9*343) / 439 = 2,51 м².

Принимаем к установке один концевой конвектор «Универсал-20» с кожухом малой глубины марки КН 230-0,918к площадью 2,57 м² (длина кожуха 845 мм, монтажный номер У5).

Пример 3.

Определим длину и число ребристых чугунных труб, устанавливаемых открыто в два яруса, в системе парового отопления, если избыточное давление пара в приборе 0,02 МПа
(t_нac= 104,25 °С), t_в=15 °С, Q_п = 6500 Вт, Q_тр = 350 Вт.

Разность температуры по формуле ?t_н = t_нас - t_в;

?t_н = 104,25- 15 = 89,25 °С.

Плотность теплового потока отопительного прибора получим при коэффициенте теплопередачи ребристых чугунных труб, установленных одна над другой, к=5,8 Вт/(м2-°С):

q_np = k_np*?t_н = 5,8-89,25 = 518 Вт/м².

Расчетная площадь прибора из ребристых труб по формуле A_p = Q_np/q_np

А_р = (6500 - 0,9*350) / 518 = 11,9 м².

Число ребристых труб в одном ярусе, задаваясь длиной выпускаемых труб 1,5 м, имеющих площадь нагревательной поверхности 3,0 м², получим по формуле N = A_p / (n*a₁)

N= 11,9/(2*3,0) = 2 шт.

Принимаем к установке в каждом ярусе по две последовательно соединенных чугунных ребристых трубы длиной 1,5 м. Общая площадь нагревательной поверхности отопительного прибора из четырех ребристых труб

А = 3,0*2*2 = 12,0 м².