У чому вимірюється теплова енергія та як розрахувати її витрату

У холодну пору року система опалення є основним джерелом комфорту в житлі, а її розрахунок набуває особливого значення. Знання формул і того, в чому вимірюється теплова енергія, допоможе організувати якісне та економне обігрів у приватному будинку, а в багатоквартирному – підрахувати отримане тепло та запастися вагомими аргументами, які можна пред’явити тепломережі. Розбираємось, що ховається під терміном гігакалорія, як ця одиниця виміру використовується у розрахунках житла різного типу, як правильно розрахувати, скільки тепла йде на обігрів конкретного будинку чи квартири.

Опалювальна система – джерело комфорту Джерело ultra-term.ru

• Про одиниці виміру
• Тонкості розрахунків: багатоповерхівка
• Тонкості розрахунків: приватна садиба
• Лічильники тепла
  • Лічильник-крильчатка
  • Корисне відео
  • Лічильник із реєстратором перепадів
  • Корисне відео
  • Корисне відео

  Про одиниці виміру

  Основною одиницею вимірювання тепла є калорія; Нині вона вважається позасистемною одиницею. Так склалося історично: використовується кілька різновидів калорії, що вносить певну плутанину (згадати хоча б калорійність їжі).

  Оскільки в опалювальних системах теплоносієм зазвичай є вода, однією калорією позначають кількість тепла, здатне підігріти 1 грам води на 1°C (співвідношення діє для нормального атмосферного тиску).

  Для використання у розрахунках витрат тепла для обігріву ця величина надто маленька та незручна. Насправді використовують гігакалорію (Гкал), чи мільярд калорій, число з дев’ятьма нулями. Щоб зрозуміти порядок Гкал, що це в розрахунках опалення, краще перевести її в наочний вигляд: ресурсу 1 Гкал вистачить, щоб підігріти тисячу тонн води (те ж 9 нулів) на один градус.

  Якщо перефразувати, 1 гігакалорія здатна підігріти 1000 кубометрів води на 1°C або, якщо зробити найпростіший розрахунок, приблизно 16,7 кубометрів на 60°C. Такий порядок цифр можна використовувати практично, наприклад, щоб оцінити роботу лічильника ГВС.

  Вузол обліку теплової енергії Джерело sovintervod-vnt.ru

  У міжнародній системі СІ енергію (і тепло у тому числі) вимірюють у Джоулях (Дж), а Гкал вважається застарілим способом підрахунків. Тим не менш, вона має офіційне ходіння в Російській федерації при розрахунках у комунальних та приватних господарствах. Крім Гкал використовуються такі похідні одиниці:

  • Гкал/година (гігакалорія на годину). Як величина є еквівалентом теплової потужності. За її допомогою визначають, скільки теплової енергії вироблено (або використано) за одиницю часу.
  • Гігакалорія квадратний метр. Показує витрати теплової енергії на опалення будь-якої площі. На території РФ величину вводять «Правила обліку теплової енергії та теплоносія». Також вона використовується для розрахунків “Правилами надання комунальних послуг”.

  Існує поняття нормативу споживання тепла на місяць. Показник має різне значення у різних кліматичних зонах; середній за регіонами норматив становить 0,0342 Гкал/м2 (на місяць).

  Схема опалення та водопостачання житлового будинку Джерело moydom.ru

  Тонкості розрахунків: багатоповерхівка

  Тепло – субстанція невидима, але, незважаючи на те, що воно здатне після доставки в брухт буквально випаруватися на вулицю, існують надійні способи його підрахунку. Способи дещо відрізняються для багатоквартирних та приватних будинків.

  У багатоквартирних будинках рахунок споживачам виставляється на підставі підрахунків того, яка кількість тепла залишилася в будівлі. При цьому питання, в чому вимірюється опалення, отримує наочну відповідь: витрати у квитанціях зазначаються у Гкал.

  Однак центральне опалення в багатоповерхівках може функціонувати по-різному: без лічильника тепла або з ним, причому лічильник може бути квартирним або загальнобудинковим. Найпростіші розрахунки будуть у разі, якщо прилад обліку відсутній. Коли лічильника немає, витрату визначають за площею квартири, а плату за опалення розраховують двома способами:

  • Оплата провадиться лише в опалювальний період (помісячно). Необхідно перемножити три числа: площу квартири, тариф та норматив споживання комунальної послуги (на місяць).
  • Оплата цілий рік. Суму оплати (число, отримане у попередньому пункті) множать на кількість місяців опалювального періоду (наприклад, 7, з жовтня до квітня). Щоб дізнатися про розмір плати за місяць, отриману кількість ділять на 12.

  З приладами обліку регулювання у багатоповерхівках здійснюється двома способами:

  • Загальнобудинковий лічильник. На зворотній гілці встановлюється термостат. Його регулювання визначає витрату тепла: з похолоданням витрата зростає, з потеплінням – зменшується.
  • Квартирний. Застосовується дроселювання радіаторів опалення. На радіатори встановлюються терморегулятори, що утворюють додатковий опір на напірному трубопроводі. Зменшуючи прохідність, терморегулятор знижує температуру і, отже, витрата тепла.

  Теплові лічильники ставлять у будинках з горизонтальним розведенням, виконаним одним з двох способів: послідовна або колекторна система. Із загальнобудинковим приладом обліку плата за опалення проводиться за фактом, загальну суму витрат поділяють пропорційно до метражу квартир. Виходить справедливо: що більше площа житла, то виходить дорожче.

  Тепловий вузол багатоквартирного будинку із загальним обліком Джерело avant18.ru

  Розрахунок здійснюють наступним порядком:

  • Площа конкретної квартири ділять на загальну площу нежитлових, але опалюваних приміщень у будівлі.
  • Отримане число множать на обсяг тепла, витраченого для опалення будівлі, а потім на тариф, що діє. Вихідні дані доступні в компанії, що управляє (наприклад, на обігрів будинку потрібно 320 Гкал).

  У новобудовах завдання полегшується ще більше. У кожну квартиру заводиться пряма та зворотна труба, що дозволяє встановлювати лічильники тепла та регулювати його витрату за власним бажанням, найчастіше балансуючи між комфортом та економією.

  Тонкості розрахунків: приватна садиба

  Питання, що таке Гкал в опаленні і, як він вважається, виникає і у власників приватних будинків. Однак у розрахунків тепла у приватному секторі є свої особливості: власники можуть впливати на ціну однієї гігакалорії, обираючи те чи інше джерело тепла.

  Газовий котел у приватному будинку Джерело tehnoterm.kg

  У кожній місцевості є своє джерело вироблення тепла, з оптимальними цінами підключення та експлуатації. Найчастіше таким енергоресурсом стає газ, а теплоносієм у будинку – вода, але можливі й інші генератори тепла (або їх комбінації), наприклад, вугілля, дизель, дрова чи брикети. Електрична енергія – найдорожчий ресурс.

  Котел для будинку купується з урахуванням оптимального енергоресурсу та потужності самого обладнання. Щоб дізнатися, чи підходить агрегат для даного будинку, обчислюють найменше значення його потужності. Для цього загальну площу будинку (житлові та господарські приміщення) ділять на питому потужність котла.

  Після того, як котел вибраний, необхідно розрахувати систему опалення, тобто обчислити, які параметри має володіти обладнання, не тільки котел, але і насос, трубопровід, радіатори, запірно-розподільна арматура. Правильно виконаний розрахунок дозволить отримати систему, що забезпечує економну витрату енергоресурсів та якісне обігрів будинку.

  Елементи електричного контуру опалення Джерело ytimg.com

  Існує кілька методик розрахунку показників. Так як працююче опалення – система досить складна, всі вони в розрахунках використовують поправки, постійні величини та коефіцієнти. При цьому треба пам’ятати, що на розрахунки та вибір складових системи впливають такі навантаження, що мають різне походження:

  • Постійні. Ті, що діють цілий рік. До них належить гаряче водопостачання, а північних регіонах – опалення.
  • періодичні. Навантаження змінюється за сезонними змінами температури повітря, які накладаються на добові коливання (вдень і вночі).
  • Конвекційне теплове випромінювання. Сухе тепло, що продукується нагрівальними приладами, вимірять сухим термометром.
  • Облік навантаження від випаровування та конденсації; Процеси йдуть з тепловіддачею; приховане тепло можна визначити за допомогою вологого термометра.

  Лічильники тепла

  Перед тим, як порахувати теплову енергію у Гкал, необхідно мати на руках практичну інформацію. Для розрахунку опалення на конкретній ділянці системи потрібні такі дані:

  • Температура робочого середовища (зазвичай це вода) на вході та виході.
  • Витрати води (при проході через опалювальні пристрої).

  Щоб виміряти температуру, використовують різні термометри: від побутового та спиртового, до електричного та інфрачервоного. Витрата робочого середовища зручно визначати за допомогою лічильника; Існує два типи пристроїв теплового обліку.

  Лічильник-крильчатка

  Механічний лічильник (інша назва – тахометричний) працює при температурах від +5 до +150 ° C, використовується і для опалювальних систем, для гарячого та холодного водопостачання. Пристрої поділяються на турбінні та гвинтові (за способом монтажу). Вони погано реагують на механічні домішки, тому в системі має бути фільтр грубої очистки. Лічильник-крильчатка працює за таким принципом:

  • Вода потрапляє всередину лічильника, де знаходиться крильчатка із встановленими на ній магнітами.
  • Крильчатка починає обертатися, причому кількість обертів прямо пропорційно кількості води, що протікає.
  • Обертання фіксується обліковим механізмом, який здатний обробляти інформацію, що надходить, і переводити кількість оборотів в об’єм протікає води.

  Незважаючи на простий пристрій, лічильники з крильчаткою зарекомендували себе як надійні прилади із досить низьким порогом спрацьовування. Крім того, агрегати комплектуються антимагнітним екраном, що перешкоджає спробам зовнішнього впливу на їхню роботу.

  Корисне відео

  Лічильник із реєстратором перепадів

  Дія приладу заснована на законі Бернуллі, що зв’язує швидкість потоку рідини та її тиск. У лічильнику шлях воді перегороджується спеціальною підпорною шайбою – диском із сталі із просвердленим отвором відомого діаметра.

  Коли витрата води змінюється, змінюється і перепад на шайбі, причому зміна відбувається за квадратичним законом: якщо витрата збільшується вдвічі, то на шайбі перепад зростає вчетверо. Якщо витрата, наприклад, скорочується в 3 рази, то тиск, що дроселюється, на шайбі знижується в 9 (3²) разів.

  Реєстраційний лічильник оснащується електронним вузлом, що дозволяє визначати температуру та витрату теплоносія, а також фактичну витрату тепла. Прилад можна підключати до комп’ютера та настроювати вручну.

  Різновиди електромагнітних теплолічильників Джерело energo-climat.com

  У приватних будинках система опалення найчастіше є відкритою, тобто працює від двоконтурного котла, що забезпечує господарство ще й гарячою водою. У двоконтурній системі для розрахунку Гкал на опалення ставлять два лічильники, на пряму трубу та на обратку. Різниця їх показань покаже витрати гарячої води для побутових потреб.

  Корисне відео

  Найпростіші методи обчислень

  У випадку, коли в системі немає теплового лічильника, застосовують приблизний розрахунок Гкал на опалення за допомогою формули за обсягом, що має вигляд Q=V(Т ₁ -Т ₂ )/1000. Використовуються такі значення змінних:

  • Q – споживане тепло (витрата).
  • V – обсяг гарячої води, що споживається, в домашньому господарстві вимірюється в кубометрах.
  • Т ₁ – вода на виході з котла (або на вході до системи); якщо використовують усереднене значення, беруть 60-65°C.
  • _Т2 – температура холодної води (на виході). Коли опалення працює, використовують показник +5°C, влітку +15°C.
  • Коефіцієнт 1000 дозволяє зробити результат наочним (переведення в гігакалорії).

  У закритому контурі витрати теплової енергії Q (не плутати з витратою води) вважають наступним чином: Q=V ₁ (Т ₁ -Т)-V ₂ (Т ₂ -Т). Розшифрування символів має такий вигляд:

  • V ₁ – витрата робочого середовища (води або пари) у прямій трубі, V ₂ – в обернені.
  • Т – температура холодного середовища. _Т1 – температура на вході, _Т2 – на виході.

  Для більш точних розрахунків системи опалення можна скористатися калькулятором онлайн. Такі інструменти пропонують можливість розрахунку радіаторів опалення, теплої підлоги, тепловтрат трубопроводу або приміщення, а також інші елементи системи.

  Теплолічильник пломбується, як будь-яка система обліку енергоресурсів Джерело ecoteploiso.ru

  Корисне відео

  Висновок

  Питання, у чому вимірюється теплова енергія, виникає, коли потрібно розрахувати систему опалення. Розрахунок важливо зробити правильно, особливо для власників власного будинку. Якщо в результаті помилки ви придбаєте котел малої потужності, витрачатимете електрику для вторинного обігріву житла. Котел із надмірним запасом потужності також буде помилкою: працюючи в половину потужності, енергоресурсів він споживатиме практично стільки ж.

  Наочна одиниця для обчислення витрати тепла – гігакалорія. Витрати обчислюють різними методами, що залежить від типу житла, це багатоквартирний будинок або приватний. Методики підрахунку також різняться; вони залежать від особливостей системи, наявності та типу вимірювальних пристроїв.

  Коефіцієнт корисної дії (ККД) — формули і розрахунки

  Ефективність і тривалість роботи силового агрегату залежить від коефіцієнта корисної дії (ККД). При експлуатації двигун перетворює теплову енергію, яка утворюється в результаті згоряння палива, в механічну.

  Щоб знайти ККД, враховуються характеристики мотора. Формула коефіцієнта корисної дії у фізиці представлена у вигляді процентного відношення корисної роботи до загальної.

  Трактування поняття

  Електродвигун та інші механізми виконують певну роботу, яка називається корисною. Пристрій, функціонуючи, частково витрачає енергію. Для визначення ефективності роботи застосовується формула

  • А₁ – корисна роботу, яку виконує машина або мотор;
  • А₂ – загальний цикл роботи;
  • η – позначення ККД.

  Показник вимірюється у відсотках. Для знаходження коефіцієнта в математиці використовується наступна формула:

  • а — енергія або корисна робота;
  • Q — витрачена енергія.

  Щоб виразити значення у відсотках, ККД множиться на 100%. Дія не несе змістовного сенсу, оскільки 100% = 1. Для джерела струму ККД менше одиниці.

  У старших класах учні вирішують завдання, в яких потрібно знайти ККД теплових двигунів. Поняття трактується наступним чином: відношення виконаної роботи силового агрегату до енергії, отриманої від нагрівача. Розрахунок проводиться за наступною формулою:

  • Q₁-теплота, отримана від нагрівального елементу;
  • Q₂-теплота, віддана холодильній установці.

  Максимальне значення показника ККД характерне для циклічної машини. Вона оперує при заданих температурах нагрівального елементу (Т₁) і холодильника (Т₂). Вимірювання здійснюється за формулою:

  Щоб дізнатися ККД котла, який функціонує на органічному паливі, використовується нижча теплота згоряння.

  Плюс теплового насоса, як нагрівального приладу, полягає в можливості отримання більшої кількості енергії, ніж він може затратити на функціонування.

  Показник трансформації обчислюється шляхом ділення тепла конденсації на роботу, що витрачається на виконання даного процесу.

  Потужність різних пристроїв

  За статистикою, під час роботи приладу втрачається до 25% енергії. При функціонуванні двигуна внутрішнього згоряння паливо згорає частково. Невеликий відсоток вилітає в вихлопну трубу. При запуску бензиновий мотор гріє себе і складові елементи. На втрату йде до 35% від загальної потужності.

  При русі механізмів відбувається тертя. Для його ослаблення використовується мастило. Але воно нездатна повністю усунути явище, тому витрачається до 20% енергії.

  Приклад на автомобілі: якщо витрата становить 10 літрів палива на 100 км, на рух буде потрібно 2 л, а залишок, рівний 8 л — втрата.

  Якщо порівнювати ККД бензинового і дизельного моторів, корисна потужність першого механізму дорівнює 25%, а другого — 40%. Агрегати схожі між собою, але у них різні види сумішоутворення:

  Поршні бензинового мотора функціонують на високих температурах, тому потребують хорошого охолодження. Тепло, яке могло б перейти в механічну енергію, витрачається даремно, що сприяє зниженню ККД.

  У ланцюзі дизельного пристрою паливо запалюється в процесі стиснення. На основі даного фактора можна зробити висновок, що тиск в циліндрах високий, при цьому мотор екологічніше і менше першого аналога. Якщо перевірити ККД при низькому функціонуванні і великому об’ємі, то результат перевищить 50%.

  Асинхронні механізми

  Розшифровка терміна “асинхронність” – розбіжність за часом. Поняття використовується в багатьох сучасних машинах, які є електричними і здатні перетворювати відповідну енергію в механічну. Плюси асинхронних механізмів:

  • просте виготовлення;
  • низька ціна;
  • надійність;
  • незначні експлуатаційні витрати.

  Щоб розрахувати ККД, використовується формула:

  Для розрахунку Р ₁ і Р ₂ застосовуються загальні дані втрати енергії в обмотках мотора. У більшості агрегатів показник знаходиться в межах 80-90%. Для швидкого розрахунку використовується онлайн-ресурс або особистий калькулятор.

  Для перевірки можливого ККД у мотора зовнішнього згоряння, який функціонує від різних джерел тепла, використовується силовий агрегат Стірлінга. Він представлений у вигляді теплової машини з робочим тілом у вигляді рідини або газу. Речовина рухається по замкнутому об’єму.

  Принцип його функціонування заснований на поступовому нагріванні і охолодженні об’єкта шляхом вилучення енергії з тиску. Подібний механізм застосовується на косметичному апараті і сучасному підводному човні.

  Його працездатність спостерігається при будь-якій температурі. Він не потребує додаткової системи для запуску. Його ККД можливо розширити до 70%, на відміну від стандартного мотора.

  Значення показника ККД

  У 1824 році інженер Карно дав визначення ККД ідеального двигуна, коли коефіцієнт дорівнює 100%. Для трактування поняття була створена спеціальна машина з наступною формулою:

  Для розрахунку максимального показника застосовується рівняння ККД_макс= (T1-T2)/T1 * 100%. У двох прикладах T1 вказує на температуру нагрівача, а T2 – температуру холодильника.

  На практиці для досягнення 100% коефіцієнта потрібно прирівняти температуру охолоджувача до нуля. Подібне явище неможливо, оскільки T1 вище температури повітря.

  Процедура підвищення ККД джерела струму або силового агрегату вважається важливим технічним завданням. Теоретично проблема вирішується шляхом зниження тертя елементів двигуна і зменшення тепловтрати. У дизельному моторі подібне досягається турбонаддувом. В такому випадку ККД зростає до 50%.

  Потужність стандартного двигуна збільшується наступними способами:

  • підключення до системи багатоциліндрового агрегату;
  • застосування спеціального палива;
  • заміна деяких деталей;
  • перенесення місця спалювання бензину.

  ККД залежить від типу і конструкції мотора. Сучасні вчені стверджують, що майбутнє за електродвигунами.

  На практиці робота, яку здійснює будь-який пристрій, перевищує корисну, оскільки певна її частина виконується проти тертя. Якщо використовується рухливий блок, відбувається додаткова робота: підіймається блок з мотузкою, при цьому долаються сили тертя в блоці.

  Рішення прикладів

  Задача 1 . Поїзд на швидкості 54 км/год розвиває потужність 720 кВт. Потрібно обчислити силу тяги силових агрегатів.

  Рішення : щоб знайти потужність, використовується формула N=F * V. Якщо перевести швидкість в одиницю СІ, вийде 15 м/с. Підставивши дані в рівняння, отримуємо, що F дорівнює 48 kH.

  Завдання 2 . Маса транспортного засобу складає 2200 кг. Машина, піднімаючись в гору під ухилом в 0,018, проходить відстань 100 м. Швидкість розвивається до 32,4 км/год, а коефіцієнт тертя відповідає 0,04. Потрібно визначити середню потужність авто при русі.

  Рішення: обчислюється середня швидкість — v/2. Щоб визначити силу тяги мотора, виконується малюнок, на якому показуються сили, що впливають на машину:

  • тяжкість – mg;
  • реакція опори – N;
  • тертя – Ftr;
  • тяга – Ф.

  Перша величина обчислюється за другим законом Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для прискорення використовується рівняння a=v2/2s. Якщо підставити останні значення і скористатися cos, вийде середня потужність. Оскільки прискорення вважається постійною величиною і дорівнює 9,8 м/с², тому v= 9 м/с. Підставивши дані в першу формулу, вийде: N= 9,5 kBt.

  При вирішенні складних завдань з фізики рекомендується перевірити відповідність наданих в умовах одиниць виміру з міжнародними стандартами. Якщо вони відрізняються, необхідно перевести дані з урахуванням СІ.