Розрахунок потужності кондиціонера

Методика розрахунку потужності кондиціонера

Калькулятор потужності кондиціонера визначає холодопродуктивність, необхідну для охолодження кімнати, і теплову потужність, необхідну для її обігріву. Розрахунок враховує розміри приміщення, зовнішні стіни, теплоізоляцію, скління, температурні умови та інші чинники, що впливають на теплове навантаження.

Для охолодження використовується розрахунок за площею з послідовними поправками відповідно до умов приміщення. Для обігріву обчислюються тепловтрати через огороджувальні конструкції та повітрообмін. Результати подаються у кВт і BTU/h та дають змогу оцінити необхідну потужність кондиціонера або спліт-системи.

Орієнтири та рекомендації

Геометрія приміщення та зовнішні стіни

Площа приміщення. Площу підлоги A у м² обчислюють за довжиною L та шириною B у метрах. Множення площі на висоту стелі H дає об'єм приміщення V у м³.

A = L × B

V = A × H

Зовнішні стіни. Враховуються лише стіни, що межують із зовнішнім повітрям. Їхня сумарна довжина P_ext визначається за вибраними сторонами прямокутного приміщення. За наявності чотирьох зовнішніх стін використовується повний периметр.

Pext = 2 × (L + B)

Загальну площу зовнішніх стін до віднімання прорізів обчислюють множенням їхньої сумарної довжини на висоту приміщення.

Aext = Pext × H

Якщо зовнішніх стін немає, їхня площа вважається нульовою. У такому випадку вікна та зовнішні двері не впливають на теплове навантаження. Для квадратної кімнати всі сторони мають однакову довжину, тому достатньо зазначити кількість зовнішніх стін.

Охолодження: базова потужність і висота стелі

Базова холодопродуктивність. Для попереднього підбору побутового кондиціонера часто використовують орієнтир 100 Вт на 1 м² площі підлоги. Це початкове значення, яке надалі коригується відповідно до фактичних умов.

Qbase = 100 × A

Наприклад, для приміщення площею 20 м² базова потужність становить 2000 Вт, або 2 кВт.

Поправка на висоту. За початкову висоту стелі приймається 2,4 м. За іншої висоти базова потужність змінюється пропорційно відношенню фактичної висоти до початкової.

Qheight = Qbase × H / 2.4

За висоти 3 м коефіцієнт становить 1,25, тому базова потужність збільшується на 25%. Ця залежність є спрощеним способом урахування об'єму приміщення.

Охолодження: температурна поправка

Різниця температур. Від зовнішньої температури віднімається бажана температура всередині. Якщо зовнішнє повітря холодніше за внутрішнє, для цієї поправки приймається різниця 0°C.

ΔT = max(0, Tout - Tin)

Температурний коефіцієнт. Початкова різниця температур становить 8°C, за якої коефіцієнт дорівнює 1,00. На кожен градус відхилення розрахункова потужність змінюється на 2,5%.

kT = 1 + 0.025 × (ΔT - 8)

Коефіцієнт обмежується діапазоном від 0,85 до 1,20. За різниці температур 2°C або менше застосовується 0,85, за 8°C - 1,00, а за 16°C і більше - 1,20.

Після врахування висоти й температурних умов отримують опорну холодопродуктивність, відносно якої обчислюються решта поправок.

Qref = Qbase × H / 2.4 × kT

Охолодження: зовнішні стіни та теплоізоляція

Частка зовнішніх стін. Площу зовнішніх стін порівнюють із сумарною площею всіх чотирьох стін приміщення. Отримана частка f показує, яка частина вертикальних огороджувальних конструкцій контактує із зовнішнім повітрям.

f = Aext / (2 × (L + B) × H)

За початковий випадок приймається частка зовнішніх стін 50%. Поправка на експозицію становить 20% опорної потужності на одиницю зміни цієї частки. Наприклад, за частки 100% потужність збільшується на 10%, а за відсутності зовнішніх стін зменшується на 10%.

Qexposure = Qref × 0.20 × (f - 0.50)

Теплоізоляція стін. Додатковий коефіцієнт залежить від якості утеплення зовнішніх стін:

• Слабка теплоізоляція або старий будинок: +0,08.
• Середня теплоізоляція: 0.
• Хороша теплоізоляція або сучасний будинок: -0,08.

Поправка масштабується відповідно до частки зовнішніх стін. За 50% застосовується повний коефіцієнт, а за 100% його вплив подвоюється. Множник обмежено значенням 2.

Qins = Qref × kins × min(f / 0.50, 2)

Загальна поправка на зовнішні стіни дорівнює сумі впливів їхньої експозиції та теплоізоляції.

Qwalls = Qexposure + Qins

Охолодження: скління та сонячне навантаження

Частка скління. Площу вікон порівнюють із площею підлоги. Початкова частка скління становить 15%, за якої окрема поправка на скління дорівнює нулю.

r = Awin / A

kwin = 0.08 × (r - 0.15) / 0.15

Коефіцієнт обмежено діапазоном від -0,08 до +0,12. Без вікон поправка становить -8%, за 15% скління вона нульова, а за 30% дорівнює +8%. Починаючи з частки 37,5% застосовується максимальна поправка +12%.

Qwin = Qref × kwin

Сонячне освітлення. Додаткова поправка враховує інтенсивність сонячного світла, що потрапляє на вікна:

• Мало сонця або затінення більшу частину дня: -0,05.
• Помірне сонячне освітлення протягом частини дня: 0.
• Сильне пряме сонце, особливо з півдня або заходу: +0,10.

Сонячний коефіцієнт множиться на відношення фактичної частки скління до початкових 15%. Цей множник обмежено значенням 2, а кінцеву сонячну поправку - діапазоном від -10% до +20% опорної потужності.

ksolar = ksun × min(r / 0.15, 2)

Qsolar = Qref × ksolar

Якщо зовнішніх стін або вікон немає, сонячна поправка дорівнює нулю. Від'ємні коефіцієнти означають зменшення розрахункового навантаження відносно початкових умов, а не фізичне охолодження приміщення сонячним світлом.

Охолодження: дах і внутрішні теплонадходження

Дах і горище. Для приміщень безпосередньо під дахом застосовується додаткова поправка залежно від утеплення верхньої конструкції:

• Інше приміщення зверху: 0%.
• Добре утеплений дах або горище: +5%.
• Середня теплоізоляція даху або горища: +10%.
• Слабо утеплений дах або гаряче горище: +15%.

Qroof = Qref × kroof

Теплонадходження від людей. Базова модель передбачає звичайну присутність до двох осіб. Починаючи з третьої особи додається по 180 Вт на кожну наступну. За нуля, однієї або двох осіб ця поправка нульова.

Qpeople = max(0, N - 2) × 180

Побутова техніка. Електрична потужність приладів, які працюють одночасно, безпосередньо додається до теплового навантаження у ватах. Наприклад, прилади потужністю 300 Вт збільшують розрахункову потребу в охолодженні на 300 Вт. Передбачається, що майже вся зазначена електрична енергія перетворюється на тепло всередині приміщення.

Qequipment = Pequipment

Охолодження: загальна потужність і підбір кондиціонера

Загальна холодопродуктивність. До опорної потужності додаються всі додатні та від'ємні поправки. Результат не може бути меншим за нуль.

Qcool = max(0, Qref + Qwalls + Qwin + Qsolar + Qroof + Qpeople + Qequipment)

Переведення в BTU/h. Розрахункову потужність у ватах множать на 3,41214. Для отримання кіловат значення у ватах ділять на 1000.

QBTU = Qcool × 3.41214

QkW = Qcool / 1000

Вибір класу потужності. Із номінального ряду 7000, 9000, 12000, 15000, 18000, 21000, 24000, 28000, 30000, 36000, 42000, 48000 і 60000 BTU/h вибирається найменше значення, не нижче за розрахункову потребу. Понад 60000 BTU/h значення округлюється вгору до наступних 1000 BTU/h.

Відсоток запасу визначається як відношення обраного класу потужності до розрахункової потреби.

Reserve = (Qsize / QBTU - 1) × 100%

Клас потужності в BTU/h є орієнтиром. Фактична номінальна холодопродуктивність конкретного кондиціонера може відрізнятися від значення у кВт, отриманого прямим перерахунком BTU. Під час вибору обладнання слід порівнювати розрахункове навантаження з технічними характеристиками моделі.

Обігрів: різниця температур і теплопередача

Розрахункова різниця температур. Щоб визначити необхідну потужність кондиціонера для обігріву, використовують різницю між заданою температурою всередині та зовнішньою зимовою температурою.

ΔT = max(0, Tin - Tout)

Наприклад, за +20°C усередині та -15°C надворі різниця становить 35 К. Якщо зовнішня температура не нижча за внутрішню, розрахункова різниця дорівнює нулю.

Теплопередача через будівельні конструкції. Тепловтрати обчислюють як добуток площі конструкції, коефіцієнта теплопередачі U та різниці температур.

Q = U × A × ΔT

Тут Q - тепловтрати у ватах, A - площа у м², а U - коефіцієнт теплопередачі у Вт/(м²·К). Що менше значення U, то краща теплоізоляція й менші тепловтрати.

Обігрів: тепловтрати через зовнішні стіни

Теплоізоляція стін. Замість обчислення кожного шару стіни використовують орієнтовні коефіцієнти теплопередачі:

• Слабка теплоізоляція або старий будинок: 1,30 Вт/(м²·К).
• Середня теплоізоляція: 0,60 Вт/(м²·К).
• Хороша теплоізоляція або сучасний будинок: 0,25 Вт/(м²·К).

Чиста площа стін. Площу вікон і зовнішніх дверей віднімають від загальної площі зовнішніх стін. Це запобігає подвійному врахуванню тепловтрат через одну й ту саму частину огороджувальних конструкцій.

Awall = Aext - Awin - Adoor

Qwall = Awall × Uwall × ΔT

Якщо сумарна площа вікон і дверей перевищує площу зовнішніх стін, обчислення не виконується до виправлення введених значень.

Обігрів: вікна та зовнішні двері

Тепловтрати через вікна. Для скління використовуються такі орієнтовні коефіцієнти теплопередачі:

• Старі вікна з великими тепловтратами: 2,80 Вт/(м²·К).
• Сучасні вікна зі склопакетами: 1,40 Вт/(м²·К).
• Сучасні енергоефективні вікна: 0,90 Вт/(м²·К).

Qwin = Awin × Uwin × ΔT

Зовнішні двері. Для різних конструкцій приймаються типові площі та коефіцієнти теплопередачі:

• Утеплені одностулкові двері: 2 м², U = 1,40 Вт/(м²·К).
• Утеплені двостулкові двері: 4 м², U = 1,40 Вт/(м²·К).
• Неутеплені зовнішні двері: 2 м², U = 3,00 Вт/(м²·К).
• Засклені одностулкові двері: 2 м², U = 1,60 Вт/(м²·К).
• Засклені двостулкові або терасні двері: 4 м², U = 1,60 Вт/(м²·К).

Qdoor = Adoor × Udoor × ΔT

Якщо зовнішніх дверей немає, їхня площа та тепловтрати дорівнюють нулю.

Обігрів: стеля та підлога

Тепловтрати через стелю. Для верхньої конструкції використовують повну площу підлоги. Коефіцієнт залежить від того, що розташоване над приміщенням:

• Опалюване приміщення зверху: U = 0.
• Добре утеплений дах або горище: U = 0,18 Вт/(м²·К).
• Середня теплоізоляція даху або горища: U = 0,35 Вт/(м²·К).
• Слабка теплоізоляція або холодне горище: U = 0,90 Вт/(м²·К).

Qceiling = A × Uceiling × ΔT

Тепловтрати через підлогу. Для нижньої межі приміщення використовують такі коефіцієнти:

• Опалюване приміщення знизу: U = 0.
• Неопалюваний підвал або гараж: U = 0,35 Вт/(м²·К).
• Хороша теплоізоляція підлоги: U = 0,20 Вт/(м²·К).
• Середня теплоізоляція підлоги: U = 0,40 Вт/(м²·К).
• Слабка теплоізоляція підлоги або її відсутність: U = 0,80 Вт/(м²·К).

Qfloor = A × Ufloor × ΔT

Для стелі й підлоги застосовується однакова різниця між внутрішньою та зовнішньою температурами. Це спрощені ефективні значення. Температури горища, підвалу та ґрунту окремо не обчислюються.

Обігрів: повітрообмін та інфільтрація

Тепловтрати через вентиляцію. Коли холодне зовнішнє повітря надходить до приміщення, його потрібно нагріти до внутрішньої температури. Тепловтрати залежать від об'єму, кратності повітрообміну та різниці температур.

Qair = 0.34 × n × V × ΔT

Коефіцієнт 0,34 приблизно відображає об'ємну теплоємність повітря. Кратність повітрообміну n виражається у год^-1 та показує, скільки об'ємів повітря приміщення замінюється зовнішнім повітрям за годину.

Для орієнтовного розрахунку використовуються такі значення:

• Низький повітрообмін: 0,3 год^-1.
• Звичайний повітрообмін: 0,5 год^-1.
• Помірно підвищений повітрообмін: 0,8 год^-1.
• Підвищений повітрообмін: 1,0 год^-1.
• Високий повітрообмін: 1,5 год^-1.
• Дуже високий повітрообмін: 2,0 год^-1.

Для звичайних житлових приміщень у попередніх оцінках часто використовують кратність близько 0,5 год^-1. Збільшення повітрообміну пропорційно підвищує відповідні тепловтрати.

Обігрів: загальна теплова потужність

Загальні тепловтрати. Додаються втрати через зовнішні стіни, вікна, двері, стелю, підлогу та повітрообмін. Результат показує теплову потужність, потрібну для компенсації цих втрат за заданих температур.

Qheat = Qwall + Qwin + Qdoor + Qceiling + Qfloor + Qair

Загальна потужність подається у ватах і кіловатах. Для перерахунку в BTU/h використовується той самий коефіцієнт 3,41214.

QkW = Qheat / 1000

QBTU = Qheat × 3.41214

Питоме теплове навантаження. Для обох режимів потужність також обчислюється на одиницю площі підлоги та об'єму приміщення.

qA = Q / A

qV = Q / V

Перше значення виражається у Вт/м², друге - у Вт/м³. Вони дають змогу порівнювати теплові навантаження приміщень різних розмірів.

Вибір кондиціонера для обігріву. Розрахункову теплову потужність потрібно порівнювати з характеристиками конкретного обладнання за вибраної зовнішньої температури. У кондиціонерів із тепловим насосом доступна потужність обігріву може зменшуватися зі зниженням зовнішньої температури. Тому лише номінальної потужності недостатньо.

Пов'язані європейські стандарти

EN ISO 52016-1 «Енергетичні характеристики будівель. Потреби в енергії для опалення та охолодження, внутрішні температури, явні та приховані теплові навантаження. Частина 1: Процедури розрахунку». Стандарт описує методи оцінювання потреб в енергії та теплових навантажень будівель. Калькулятор використовує спрощену стаціонарну модель із фіксованими коефіцієнтами, а не повний розрахунок за цим стандартом.

EN 12831-1 «Енергетичні характеристики будівель. Метод розрахунку проєктного теплового навантаження. Частина 1: Теплове навантаження для опалення приміщень». Стандарт установлює методи визначення необхідної теплової потужності за втратами через огороджувальні конструкції та вентиляцію. Ці складові у спрощеному вигляді використовуються в режимі обігріву.

EN ISO 6946 «Будівельні компоненти та елементи. Термічний опір і коефіцієнт теплопередачі. Методи розрахунку». Стандарт пояснює визначення термічного опору й коефіцієнта теплопередачі будівельних конструкцій. Калькулятор використовує заздалегідь установлені орієнтовні значення замість пошарового розрахунку.

EN 14511-2 «Кондиціонери, установки охолодження рідин і теплові насоси для опалення та охолодження приміщень з електричними компресорами. Частина 2: Умови випробувань». Стандарт визначає умови випробувань обладнання, зокрема для встановлення холодопродуктивності та теплової потужності. Обираючи кондиціонер, слід перевіряти характеристики виробника за відповідних температурних умов.

Поширені запитання

Чому для охолодження й обігріву кондиціонеру потрібна різна потужність?

У режимі охолодження оцінюються теплонадходження, пов'язані з площею підлоги, сонячним світлом, склінням, людьми та побутовою технікою. У режимі обігріву визначається потужність, необхідна для компенсації тепловтрат через конструкції та повітрообмін. Тому результати для тієї самої кімнати можуть суттєво відрізнятися.

Чи можна підібрати потужність кондиціонера лише за площею приміщення?

Орієнтир 100 Вт/м² підходить для попередньої оцінки холодопродуктивності за звичайних умов. Приміщення однакової площі можуть мати різне теплове навантаження через висоту стелі, скління, утеплення й сонячне освітлення. Для обігріву особливо важливі тепловтрати будівлі та розрахункова зовнішня температура взимку.

Яку зовнішню температуру використовувати під час розрахунку потужності?

Для охолодження вибирайте характерну високу зовнішню температуру, за якої кондиціонер має підтримувати бажану температуру всередині. Для обігріву використовуйте розрахункову зимову температуру свого регіону, а не середню температуру сезону. Більша різниця температур підвищує розрахункове теплове навантаження, хоча температурна поправка для охолодження обмежена встановленим діапазоном.

Чому для обігріву не вибирається найближчий більший клас потужності BTU?

Номінальна теплова потужність кондиціонера може суттєво відрізнятися від фактичної за низької зовнішньої температури. Два кондиціонери одного класу BTU здатні забезпечувати різну потужність обігріву під час морозу. Тому розрахункова потреба показується окремо, а модель слід вибирати за заявленою тепловою потужністю за потрібної зимової температури.

Як теплоізоляція приміщення впливає на необхідну потужність кондиціонера?

Під час охолодження рівень утеплення змінює розрахункове навантаження через відсоткові поправки, пов'язані з часткою зовнішніх стін. Під час обігріву коефіцієнти теплопередачі безпосередньо визначають тепловтрати через стіни, вікна, стелю та підлогу. Наприклад, зменшення коефіцієнта теплопередачі зовнішньої стіни з 1,30 до 0,25 Вт/(м²·К) знижує розрахункові тепловтрати через її непрозору частину приблизно на 81% за однакової площі та різниці температур.