Тепловая энергия: единицы измерения и их правильное использование

Тепловая энергия — это система измерения теплоты, которая была изобретена и используется еще два столетия назад. Основным правилом работы с данной величиной было то, что тепловая энергия сохраняется и не может просто исчезнуть, но может перейти в другой вид энергии.

Существует несколько общепринятых единиц измерения тепловой энергии. В основном их используют в промышленных отраслях, таких как энергетика. Внизу описаны самые распространенные из них:

• Калория — единица измерения, не входящая в общую систему, но часто использующаяся для сравнения с другими параметрами. В основном исчисления производят в килокал, Мегакал, Гигакал;
• Тонна пара — одна из специфичных и самых редко используемых величин, с помощью которых измеряют количество энергии тепла в особо больших объемах. Одна единица «тонны пара» равняется количеству пара, который можно получить из 1 тонны воды;
• Джоуль — распространенная единица измерения из СИ, использующаяся для общего обозначения количества энергии в разных ее видах. Основными величинами являются кДж, МДж, ГДж;
• кВт на час (Квт х ч) — основная единица измерения электрической энергии, используемая в частности странами СНГ.

Любая единица измерения, входящая в систему СИ, имеет предназначение в определении суммарного количества того или иного вида энергии, такого как выделения тепла или электроэнергия. Время проведения измерения и количество не влияют на эти величины, почему можно их использовать как для потребляемой, так и для уже потребленной энергии. Кроме того, любая передача и прием, а также потери тоже исчисляются в таких величинах.

Что такое Гкал

Стоимость отопления важна для жителей многоэтажек с центральной подачей теплоносителя
Понятие гигакалория означает единицу измерения тепловой энергии в отоплении. Данная энергия в пределах помещения передается конвекционным способом от батарей на объекты, излучается в воздух. Калория представляет собой количество энергии, нужной, чтобы подогреть 1 г воды на 1 градус при атмосферном давлении.

Для расчетов тепловой энергии применяется другая единица – Гкал, равная 1 млрд калорий. В среднем расход тепла на 1 кв. м. в Гкал по РФ составляет 0,9342 Гкал/мес. Если перевести показатель в другие величины, 1 Гкал будет равна:

• 1162,2 кВт/ч;
• нагреву 1 тыс. тонн воды до +1 градуса.

Величина утверждена в 1995 году.

Особенности Гкал для жилых многоэтажек

Термостат позволяет контролировать поступление теплоносителя и температуру
Если многоквартирный тип зданий не оснащен общедомовым или индивидуальным счетчиком, тепловая энергия рассчитывается по площади помещений. Когда имеется прибор учета, горизонтальная или последовательная разводка трассы, жильцы самостоятельно определяют количество тепловой энергии. Для этого используются:

• Дросселирование радиаторов. При ограничении проходимости снижается температура, и уменьшаются энергозатраты.
• На обратке ставится общий термостат. Расход теплоносителя зависит от температуры в квартире. При малом расходе температура больше, при большом – меньше.

Индивидуальным счетчиком преимущественно оснащается квартира в новостройке.

Специфика Гкал для частного дома

Самым дешевым топливом в пересчете на гигакалории являются пеллеты
Материал, затрачиваемый на отопление, тариф определяет для частных построек. По усредненным данным, стоимость 1 Гкал равняется:

• газ – природный 3,3 тыс. руб, сжиженный 520 руб.;
• твердое топливо – уголь 550 руб., пеллеты 1,8 тыс. руб.;
• дизель – 3270 руб.;
• электричество – 4,3 тыс. руб.

Цена тепловой энергии зависит от того, в каком регионе находится частный дом.

Теплоемкость

Под теплоемкостью с данного вещества подразумевается число калорий, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1° С. Для нагревания g кг вещества, имеющего теплоемкость с, на t градусов, требуется g. с. t калорий

Теплоемкость различных веществ при 15° С

Теплоемкость не постоянна: с увеличением температуры она немного возрастает для всех тел, кроме ртути, для которой она убывает

Общие принципы вычислений

Как рассчитывается тепловая энергия, установлено ПП № 354. Вычислениями занимаются коммунальные предприятия, но их разрешено производить и самим жильцам. Определить потребление тепла можно после подсчета количества тепловой энергии, затрачиваемой на отопление за год. Данный период позволяет получить усредненный норматив, поскольку летом затраты меньше, а зимой – больше. Оплата согласно нормативу предусматривает равные затраты за отопительный период или календарный год.

Схема вычислений зависит от нескольких факторов:

• оснащения дома измерителем тепловой энергии;
• возможность учета обогрева всех комнат индивидуальными приборами;
• календарное время внесения оплаты – зима или весь год.

Рассчитать для многоквартирного дома тепловую энергию сложнее, чем для частного. Это связано с наличием общих мест, жилых и нежилых помещений, правом собственности. Приняв во внимание зависимость теплоэнергии от габаритов комнаты, стоит руководствовать ПП № 354 и ПП № 306. В них отмечено распределение объема тепла, используемого домом в пропорциональной зависимости от площади квартир. Показания общего счетчика делятся на долевое соотношение жилья собственников.

Физический смысл норматива потребления отопления

Многоквартирные дома в законодательстве РФ, в том числе в целях расчета объема потребления теплоэнергии для отопления, рассматриваются как неделимые единицы. То есть МКД — это единый теплотехнический объект, потребляющий теплоэнергию для отопления входящих в его состав помещений. И именно общий объем потребленной всем домом теплоэнергии важен при расчетах исполнителя коммунальных услуг (ИКУ) с ресурсоснабжающей организацией (РСО).

Правила установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг, утвержденные ПП РФ от 23.05.2006 N306 (далее — Правила 306) с целью расчета норматива потребления коммунальной услуги по отоплению предусматривают сначала расчет количества тепловой энергии, необходимой для отопления многоквартирного дома или жилого дома в течение года (пункт 19 Приложения 1 к Правилам 306, формула 19). Год выбран в качестве периода, за который производится расчет, для дальнейшего получения усредненного значения норматива потребления теплоэнергии в месяц, поскольку в разные календарные месяцы потребление теплоэнергии на отопление будет, разумеется, разным, а оплата по нормативу предполагает одинаковый размер платы за отопление либо в течение отопительного периода, либо равномерно в течение календарного года, в зависимости от выбранного субъектом РФ способа оплаты отопления .

Поскольку многоквартирный дом состоит из совокупности жилых и нежилых помещений и мест общего пользования (общего имущества), при этом общее имущество на праве общедолевой собственности принадлежит собственникам отдельных помещений дома, весь объем тепловой энергии, поступающей в дом, потребляется именно собственниками помещений такого дома. Следовательно, и оплата теплоэнергии, потребленной на отопление, должна производиться собственниками помещений МКД. И тут возникает вопрос — каким образом распределить стоимость всего объема теплоэнергии, потребленной многоквартирным домом, между собственниками помещений этого МКД?

Руководствуясь вполне логичными выводами о том, что потребление теплоэнергии в каждом конкретном помещении зависит от размера такого помещения, Правительство РФ установило порядок распределения объема теплоэнергии, потребляемой всем домом, среди помещений такого дома пропорционально площади этих помещений. Такой порядок предусматривают как Правила 354 (распределение показаний общедомового прибора учета отопления пропорционально долям площадей помещений конкретных собственников в общей площади всех помещений дома в собственности), так и Правила 306 при установлении норматива потребления отопления.

Пункт 18 Приложения 1 к Правилам 306 устанавливает: «18. Норматив потребления коммунальной услуги по отоплению в жилых и нежилых помещениях (Гкал на 1 кв.м общей площади всех жилых и нежилых помещений в многоквартирном доме или жилого дома в месяц) определяется по следующей формуле (формула 18):

,

где: — количество тепловой энергии, потребляемой за один отопительный период многоквартирными домами, не оборудованными коллективными (общедомовыми) приборами учета тепловой энергии, или жилыми домами, не оборудованными индивидуальными приборами учета тепловой энергии (Гкал), определяемое по формуле 19; — общая площадь всех жилых и нежилых помещений в многоквартирных домах или общая площадь жилых домов (кв.м); — период, равный продолжительности отопительного периода (количество календарных месяцев, в том числе неполных, в отопительном периоде)».

Методы расчета количества тепла

Формула расчета гигакалорий по площади помещения
Определить стоимость гигакалории тепла можно в зависимости от наличия учетного прибора. На территории РФ используется несколько схем.

Оплата без счетчиков на протяжении отопительного сезона

Вычисление основывается на том, какая площадь квартиры (жилые комнаты + подсобки) и производится по формуле:

P=SхNхT, где:

• P – сумма к оплате;
• S – величина площади квартиры или дома в м²;
• N – тепло, затрачиваемое за обогрев 1 квадрата за 1 месяц в Гкал/м²;
• T – тарифная стоимость 1 Гкал.

Пример. Энергопровайдер для однокомнатно квартиры в 36 квадратов поставляет тепло по 1,7 тыс. руб./Гкал. Потребительская норма – 0,025 Гкал/м². За 1 месяц услуги отопления составят: 36х0,025х1700=1530 руб.

Оплата без счетчика за весь год

Без учетного прибора изменяется и формула расчета P=Sx(NxK)xT, где:

• N – норма потребления тепловой энергии на 1 м2;
• Т – стоимость 1 Гкал;
• К – коэффициент периодичности оплаты (количество отопительных месяцев делится на количество календарных). Если причина для отсутствия учетного устройства не зафиксирована документально К увеличивается в 1, 5 раза.

Пример. Однокомнатная квартира имеет площадь 36 м2, тариф 1700 руб за Гкал и потребительскую норму – 0,025 Гкал/м². Изначально требуется вычислить коэффициент периодичности за 7 месяцев подачи тепла. К=7:12=0,583. Далее цифры подставляются в формулу 36х(0,025х0,583)х1700=892 руб.

Стоимость при наличии общедомового счетчика в зимнее время

Стоимость гигакалории зависит от вида топлива, которое используется для многоэтажки
Данный способ позволяет произвести подсчет цены за центральное отопление с общедомовым измерителем. Поскольку тепловую энергию поставляют для всего здания, для расчета ориентируется на площадь. Применяется формула P=VxS/SобщxT, где:

• P – месячная стоимость услуг;
• S – площадь отдельного жилого помещения;
• Sобщ – величина площади всех отапливаемых квартир;
• V – общие показания коллективного прибора учета за месяц;
• T – тарифная стоимость 1 Гкал.

Пример. Квадратура жилья собственника – 36 м2, всей многоэтажки – 5000 м2. Месячное потребление тепла – 130 Гкал, стоимость 1 Гкал в регионе – 1700 руб. Платеж за один месяц равняется 130 х 36 / 5000 х 1700 = 1591 руб.

Приборы учета есть во всех квартирах

Стоимость отопительных услуг по индивидуальному счетчику ниже на 30%
В зависимости от наличия коллективного счетчика на входе и личного прибора в каждой из квартир наблюдается изменение показаний, но тарифов на услуги отопления это не касается. Оплату разбивают между всеми собственниками по параметрам площади следующим образом:

1. Считают разницу теплозатрат на общедомовом и личном измерителях по формуле Vразн.=V- ∑Vпом.
2. Полученную цифру подставляют в формулу P=(Vпом.+VрxS/Sобщ.)xT.

Значения букв расшифровываются так:

• P – сумма к оплате;
• S – показатель площади отдельной квартиры;
• Sобщ. – общая величина площади всех квартир;
• V – коллективные теплозатраты;
• Vпом – индивидуальные теплозатраты;
• Vр – разница показаний индивидуального и домового приборов;
• T – тарифная стоимость 1 Гкал.

Пример. В однокомнатной квартире 36 м2 установлен индивидуальный счетчик, показавший 0,6. На домовом выбивается 130, отдельная группа приборов дала 118. Квадратура многоэтажки – 5000 м2. Месячные затраты тепла – 130 Гкал, оплата за 1 Гкал в регионе – 1700 руб. Сначала вычисляется разность показаний Vр = 130 — 118 = 12 Гкал, а потом – отдельный платеж P = (0,6 + 12 х 36 / 5000) х 1700 = 1166,88 руб.

Применение повышающего коэффициента

На основании ПП № 603 плата за отопление в 1,5 раза больше начисляется при отсутствии ремонта счетчика в течении 2 месяцев, его краже или повреждении. Повышающий коэффициент также устанавливается, если домовладельцы не передают показания прибора или дважды не пустили к нему специалистов по проверке техсостояния. Самостоятельно посчитать повышающий коэффициент можно по формуле P=Sх1,5 NхT.

Формула расчета тепловой энергии (за 1 кв. метр)

Точная формула расчета тепловой энергии за отопление берется в соотношении 100 Вт на 1 квадрат. В процессе вычислений она принимает вид:

Q = (S × 100) × a × b× c × d × e × f × g × h × i × j × k × l × m.

Латинскими литерами обозначаются поправочные коэффициенты:

• а – количество стен в помещении. Для внутренней комнаты он равен 0.8, для одной внешней конструкции – 1, для двух – 1.2, для трех – 1,4.
• b – расположение внешних стен по сторонам света. Если комната выходит на север или восток – 1.1, на юг или запад – 1.
• c – отношение помещения к розе ветров. Дом с надветренной стороны – 1.2, с подветренной – 1, параллельно ветру – 1.1.
• d – климатические условия региона. Указан в таблице.

• e – утепление стеновой поверхности. Для конструкций без утепления – 1.27, с двумя кирпичами и минимальной теплоизоляцией – 1, хорошее утепление – 0.85.
• f – высота потолков. Указан в таблице.

• g – особенности теплоизоляции пола. Для подвалов и цоколей – 1.4, с утеплением по грунту – 1.2, при наличии отапливаемой комнаты внизу – 1.
• h – особенности верхнего помещения. Если вверху холодное горище – 1, чердак с утеплением – 0.9, отапливаемая комната – 0.8.
• i – конструктивные особенности оконных проемов. При наличии двойного остекления – 1.27, однокамерных стеклопакетов – 1, двухкамерного или трехкамерного стекла с аргоновым газом – 0.85.
• j – общие параметры площади остекления. Высчитывается по формуле х = ∑Sок / Sп, где ∑Sок – общий для всех окон показатель, Sп – квадратура комнаты.
• k – наличие и тип входного проема. Комната без двери -1, с одной створкой на улицу или лоджию – 1.3, с двумя створками на улицу или лоджию – 1.7.
• l – схема подсоединения батарей. Указан в таблице

• m – специфика монтажа радиаторов. Указан в таблице.

Перед тем, как использовать формулу, составьте схему с данными по всем коэффициентам.

Скрытая теплота плавления

Скрытая теплота плавления какого-либо вещества есть число больших калорий, затрачиваемое для превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое без повышения температуры. То же самое количество тепла освобождается при отвердевании расплавленного вещества

Скрытые теплоты плавления различных веществ

Учетные приборы для домов и квартир

Специальный прибор позволяет точно подсчитывать тарифы за водоснабжение, электричество, газ и тепло. Пользователям разрешается устанавливать теплосчетчик для фиксации расходов тепловой энергии. Устройство производит измерение в Гкал/ч, кВт/ч и кДж/ч. На сегодняшний день популярны.

Крыльчатые счетчики

Крыльчатый счетчик эффективно работает при температуре ниже 22 градусов
Счетчик имеет вид механизма с перпендикулярным расположением оси вращения. Модель характеризуется низкой чувствительностью, что позволяет точно измерять тепловые затраты. Регуляторы подходят для помещений с хорошей теплоизоляцией, температурными показателями в +26 градусов. Крыльчатый аппарат при функциях корректировки температуры до +22 градусов считает минимум Гкал.

Преимущества:

• недорогая стоимость;
• запитка от батареек;
• простота использования;
• точность замеров.

Минусы:

• риск поломок вследствие гидроудара;
• быстрый износ механизма;
• повышение давления в системе;
• при заклинивании крыльчатки водопоток не пропускается.

Устройства крыльчатого типа подходят для снятия показаний, если используется небольшой объем воды.

Приборы с регистраторами скачков

Электронные приборы стоят дороже, но точнее считают гигакалории
Импульсный аппарат производит удаленное снятие показаний с 2-16 каналов, поэтому подходит для частного или многоквартирного дома. Учет и передача данных производится на ЖК-монитор, через разъемный интерфейс, на ноутбук или компьютер при помощи сетевого кабеля, через GSM-сеть.

Сценарий, по которому нужно измерить показания, задает пользователь. Ультразвуковые приборы могут подключаться к системе водо-, газоснабжения, являются частью АСКУЭ или совмещаются с системой «умный дом».

Преимущества:

• множество вариантов для общедомовых и частных измерений;
• возможность интеграции в несколько учетных систем;
• прочность за счет отсутствия подвижных узлов;
• красивый внешний вид и компактность;
• защита от пыли и влаги – счетчик можно поставить на кухне или на улице;
• прочный корпус;
• функции самодиагностики неполадок;
• обширная коммуникация;
• выполнение со съемным вычислительным блоком или без него;
• период между проверками – 6 лет, между заменами – 10 лет.

Минусы:

• высокая стоимость;
• коммуникационные возможности зависят от специфики выхода;
• затраты на приобретение расходомеров, датчиков давления, модулей ДУ для приборов базовой комплектации.

Для уличного применения подойдут модели с регистраторами перепадов, у которых уровень влагозащиты IP 68.

Нагрузки на ГВС, вентиляцию

Тепловой пункт
Свежий воздух необходим для жизнедеятельности человека, потому системы вентиляции и требуются. Однако, вентиляция значительно увеличивает теплопотери.

Компенсация потерь значительно увеличивает общую тепловую нагрузку. Учитывается на этапе проектирования, расчетов. Формула:

Q=qV(tн.-tв.)

V – общий объём здания по внешнему контуру,

t (н и в) – наружная, внутренняя температура воздуха;

q – удельная величина.

Формула для расчётов снабжения здания горячей водой:

Q=0,042rВ*∆T*P*G

∆T – разница температур воды;

P – количество потребителей (раковин);

В – отношение нагрузок по ГОСТу;

r – плотность воды.

Итоги всех подсчетов

В утепленном доме количество израсходованных гигакалорий будет меньше
При правильном использовании формулы расчета можно узнать количество израсходованных Гкал тепловой энергии. Информация поможет спланировать бюджет, уточнить итоговую сумму к оплате. На основании указанных выше формул можно сделать вывод о затратах гигакалорий на строение до 200 квадратов. Эта величина равна 3 Гкал в месяц. С учетом длительности отопительного сезона в большинстве областей РФ в 6 месяцев, легко определить примерный тепловой расход. Понадобится умножить 3 Гкал на 6 месяцев. Результат – 18 Гкал.

Затраты гигакалорий проще высчитать для частного дома по показателям индивидуального измерителя. Расчетный процесс для квартир осложняется наличием домового и личного счетчика. Однако, такая процедура реализуется самостоятельно без посещений специальных организаций.

Для расчета тепловой энергии применяются специальные математические формулы. В них подставляются максимально точные данные, а о самостоятельном подсчете информируются энергопровайдеры. При вычислениях можно применять онлайн-калькуляторы или обратиться к специалистам, которые произведут все операции, ориентируясь на показатели вашего помещения и тип счетчика.

Усадка

При затвердевании и остывании размеры металлов изменяются. Возникающие натяжения, вызываемые неравномерным охлаждением и неодинаковым распределением материала, увеличивают или уменьшают размеры с одной или другой стороны отливки

Определение [ править | править код ]

Количество теплоты входит в математическую формулировку первого начала термодинамики, которую можно записать как Q = A + Δ U . Здесь Δ U — изменение внутренней энергии системы, Q — количество теплоты, переданное системе, а A — работа, совершённая системой. Однако определение теплоты должно указывать способ её измерения безотносительно к первому началу. Так как теплота — это энергия переданная в ходе теплообмена, для измерения количества теплоты необходимо пробное калориметрическое тело. По изменению внутренней энергии пробного тела можно будет судить о количестве теплоты, переданном от системы пробному телу. Без использования пробного тела первое начало теряет смысл содержательного закона и превращается в бесполезное для расчётов определение количества теплоты.

Пусть в системе, состоящей из двух тел X и Y , тело Y (пробное) заключено в жёсткую адиабатическую оболочку. Тогда оно не способно совершать макроскопическую работу, но может обмениваться энергией (то есть теплотой) с телом X . Предположим, что тело X также почти полностью заключено в адиабатическую, но не жёсткую оболочку, так что оно может совершать механическую работу, но обмениваться теплотой может лишь с Y . Количеством теплоты

, переданным телу X в некотором процессе, называется величина Q X = − Δ U Y =-Delta U_> , где Δ U Y > — изменение внутренней энергии тела Y . Согласно закону сохранения энергии, полная работа, выполненная системой, равна убыли полной внутренней энергии системы двух тел: A = − Δ U x − Δ U y -Delta U_> , где A — макроскопическая работа, совершенная телом X , что позволяет записать это соотношение в форме первого начала термодинамики: Q = A + Δ U x > .

Таким образом, вводимое в феноменологической термодинамике количество теплоты может быть измерено посредством калориметрического тела (об изменении внутренней энергии которого можно судить по показанию соответствующего макроскопического прибора). Из первого начала термодинамики следует корректность введённого определения количества теплоты, то есть независимость соответствующей величины от выбора пробного тела Y и способа теплообмена между телами. При таком определении количества теплоты первое начало становится содержательным законом, допускающим экспериментальную проверку, так как все три величины, входящие в выражение для первого начала, могут быть измерены независимо [3] .

Пример №1

Необходимо определить правильное количество секций для радиатора М140-А, который будет установлен в помещении, расположенном на верхнем этаже. При этом стена наружная, под подоконником ниша отсутствует. А расстояние от него до радиатора составляет всего 4 см. Высота помещения 2,7 м. Qn=1410 Вт, а tв=18 °С. Условия подключения радиатора: подсоединения к однотрубному стояку проточно-регулируемого типа (Dy20, кран КРТ с подводкой 0,4 м); разводка отопительной системы верхняя, tг = 105°С, а расход теплоносителя по стояку составляет Gст = 300 кг/ч. Разница температуры теплоносителя подающего стояка и рассматриваемого составляет 2°С.
Определяем средний показатель температуры в радиаторе:

tср = (105 — 2) — 0,5х1410х1,06х1,02х3,6 / (4,187х300) = 100,8 °С.

Опираясь на полученные данные, вычисляем плотность теплового потока:

tср = 100,8 — 18 = 82,8 °С

При этом следует отметить, что произошло незначительное изменение уровня расхода воды (360 до 300 кг/ч). Данный параметр практически никак не влияет на qnp.

Qпр =650(82,8/70)1+0,3=809Вт/м2.

Далее определяем уровень теплоотдачи горизонтально (1г = 0,8 м) и вертикально (1в = 2,7 — 0,5 = 2,2 м) расположенных труб. Для этого следует воспользоваться формулой Qтр =qвхlв + qгхlг.

Получаем:

Qтр = 93х2,2 + 115х0,8 = 296 Вт.

Рассчитываем площадь требуемого радиатора по формуле Ap = Qnp/qnp и Qпp = Qп — µ трхQтр:

Ар =(1410-0,9х296)/809=1,41м2.

Рассчитываем необходимое количество секций радиатора М140-А, учитывая, что площадь одной секции составляет 0,254 м2:

м2 (µ4=1,05, µ 3 = 0,97 + 0,06 / 1,41= 1,01, воспользуемся формулой µ 3 = 0,97 + 0,06 / Ар и определяем:

N=(1,41/0,254)х(1,05/1,01)=5,8. То есть, расчет потребления тепла на отопление показал, что в помещении для достижения максимально комфортной температуры следует установить радиатор, состоящий из 6 секций.