Υπολογιστής Θερμικών Απωλειών - Μεγέθυνση Συστημάτων Θέρμανσης & Σύγκριση Μόνωσης

Υπολογιστής απωλειών θερμότητας

Ο υπολογιστής απωλειών θερμότητας εκτιμά πόσο γρήγορα διαφεύγει θερμότητα από ένα δωμάτιο, σε watt. Χρησιμοποιεί το μέγεθος του δωματίου, την ποιότητα της μόνωσής του και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού χώρου. Το αποτέλεσμα δείχνει κατά προσέγγιση πόση θερμαντική ισχύ χρειάζεται ένα δωμάτιο για να παραμείνει ζεστό.

Η θερμότητα ρέει πάντοτε από τις θερμές περιοχές προς τις ψυχρές. Τον χειμώνα, η θερμότητα μετακινείται από ένα θερμαινόμενο δωμάτιο, μέσα από τους τοίχους, τη στέγη και το δάπεδο, προς τον ψυχρότερο εξωτερικό αέρα. Ένα σύστημα θέρμανσης πρέπει να αναπληρώνει αυτή την απωλεσθείσα θερμότητα, ώστε να διατηρεί το δωμάτιο σε σταθερή θερμοκρασία. Η γνώση των watt που χάνονται βοηθά στην επιλογή θερμαντήρα ή καλοριφέρ κατάλληλου μεγέθους και στην αξιολόγηση του αν το πρόσθετο κόστος μόνωσης αξίζει.

Τύπος απωλειών θερμότητας

Ο υπολογιστής χρησιμοποιεί έναν τυπικό τύπο από τη φυσική των κτιρίων:

$Q = U \times A \times \Delta T$

• Το Q είναι ο ρυθμός απώλειας θερμότητας, σε watt (W).
• Το U είναι η τιμή U, ή θερμοπερατότητα, σε watt ανά τετραγωνικό μέτρο ανά kelvin (W/m²K). Μικρότερη τιμή U σημαίνει καλύτερη μόνωση.
• Το A είναι το συνολικό εμβαδόν επιφάνειας από το οποίο διαφεύγει θερμότητα, σε τετραγωνικά μέτρα (m²).
• Το ΔT είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού χώρου, σε βαθμούς Κελσίου ή kelvin.

Ο τύπος πολλαπλασιάζει τρία μεγέθη: πόσο εύκολα περνά η θερμότητα μέσα από το δομικό υλικό, πόση επιφάνεια υπάρχει για να περάσει η θερμότητα και πόσο μεγάλη είναι η διαφορά θερμοκρασίας. Μεγαλύτερη διαφορά ή μεγαλύτερη επιφάνεια αυξάνει τις απώλειες θερμότητας. Το ίδιο ισχύει και για υψηλότερη τιμή U.

Τιμές U που χρησιμοποιούνται στον υπολογιστή

Ο υπολογιστής προσφέρει τέσσερα προκαθορισμένα επίπεδα μόνωσης, καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε μια τυπική τιμή U:

Πρόκειται για κατά προσέγγιση μέσους όρους για ένα ολόκληρο δωμάτιο και όχι για ένα μεμονωμένο υλικό. Ένας πραγματικός τοίχος, ένα παράθυρο και μια στέγη έχουν καθένα τη δική του τιμή U, ενώ τα παράθυρα συνήθως επιτρέπουν τη διέλευση πολύ περισσότερης θερμότητας από ό,τι οι μονωμένοι τοίχοι.

Εμβαδόν επιφάνειας

Ο υπολογιστής αθροίζει το εμβαδόν και των έξι επιφανειών ενός ορθογώνιου δωματίου: των τεσσάρων τοίχων, της οροφής και του δαπέδου.

$A = 2 \times (L \times W + L \times H + W \times H)$

Τα L, W και H είναι αντίστοιχα το μήκος, το πλάτος και το ύψος του δωματίου, σε μέτρα. Η μέθοδος αυτή θεωρεί ότι κάθε επιφάνεια βλέπει προς τον εξωτερικό χώρο. Σε ένα πραγματικό σπίτι, οι τοίχοι που συνορεύουν με θερμαινόμενο γειτονικό δωμάτιο χάνουν λίγη ή καθόλου θερμότητα, επομένως μια εκτίμηση για ολόκληρο το σπίτι με αυτή τη μέθοδο τείνει να είναι λίγο υψηλή.

Διαφορά θερμοκρασίας

Το ΔT είναι απλώς η εσωτερική θερμοκρασία μείον την εξωτερική θερμοκρασία. Για ελέγχους καθημερινής άνεσης, οι άνθρωποι συχνά χρησιμοποιούν τη χαμηλότερη θερμοκρασία που αναμένουν να αισθανθούν εκείνη την ημέρα. Οι μηχανικοί που διαστασιολογούν ένα μόνιμο σύστημα θέρμανσης χρησιμοποιούν, αντίθετα, τη «θερμοκρασία σχεδιασμού» μιας τοποθεσίας, δηλαδή μια τυπική τιμή ψυχρού καιρού που δημοσιεύεται από οργανισμούς όπως η ASHRAE, και όχι τη χαμηλότερη θερμοκρασία που έχει καταγραφεί ποτέ εκεί.

Τρόπος χρήσης του υπολογιστή απωλειών θερμότητας

1. Μετρήστε το δωμάτιο. Εισαγάγετε το εσωτερικό μήκος, πλάτος και ύψος σε μέτρα.
2. Επιλέξτε επίπεδο μόνωσης. Επιλέξτε ανεπαρκή, μέση, καλή ή εξαιρετική μόνωση, ανάλογα με την ηλικία και την κατασκευή του κτιρίου. Όταν δεν είστε βέβαιοι, είναι ασφαλέστερο να επιλέξετε χειρότερο επίπεδο, επειδή έτσι αποφεύγεται η επιλογή θερμαντήρα μικρότερου από το απαιτούμενο.
3. Ορίστε τις θερμοκρασίες. Εισαγάγετε την εσωτερική θερμοκρασία που πρέπει να διατηρείται και την εξωτερική θερμοκρασία για την οποία γίνεται ο σχεδιασμός.
4. Διαβάστε το αποτέλεσμα. Ο υπολογιστής εμφανίζει το συνολικό εμβαδόν επιφάνειας, την τιμή U που χρησιμοποίησε, τη διαφορά θερμοκρασίας, τη συνολική απώλεια θερμότητας σε watt και μια διαβάθμιση έντασης.

Πώς λειτουργεί η διαβάθμιση έντασης

Η διαβάθμιση έντασης δεν βασίζεται μόνο στον ακατέργαστο αριθμό watt, επειδή ένα μεγάλο δωμάτιο χάνει φυσικά περισσότερα watt από ένα μικρό, ακόμη και με την ίδια μόνωση. Αντί γι’ αυτό, ο υπολογιστής διαιρεί την απώλεια θερμότητας με τον όγκο του δωματίου, αποδίδοντας μια τιμή σε watt ανά κυβικό μέτρο (W/m³), και τη συγκρίνει με τέσσερις ζώνες:

Ένα μικρό, ανεπαρκώς μονωμένο δωμάτιο μπορεί να χαρακτηριστεί «σοβαρό» ακόμη και με μέτρια συνολική ισχύ σε watt, ενώ μια μεγάλη, καλά μονωμένη αίθουσα μπορεί να χαρακτηριστεί «χαμηλό» παρά τη μεγαλύτερη συνολική τιμή. Η διαίρεση με τον όγκο καθιστά τη διαβάθμιση συγκρίσιμη μεταξύ δωματίων διαφορετικού μεγέθους.

Λυμένο παράδειγμα

Έστω ένα δωμάτιο μήκους 5 m, πλάτους 4 m και ύψους 2,5 m, με μέση μόνωση (U = 1,0 W/m²K), το οποίο θερμαίνεται στους 21 °C ενώ έξω η θερμοκρασία είναι 0 °C.

1. Εμβαδόν επιφάνειας: 2 × (5 × 4 + 5 × 2,5 + 4 × 2,5) = 2 × (20 + 12,5 + 10) = 2 × 42,5 = 85 m²
2. Διαφορά θερμοκρασίας: 21 − 0 = 21 °C
3. Απώλεια θερμότητας: 1,0 × 85 × 21 = 1.785 W
4. Όγκος δωματίου: 5 × 4 × 2,5 = 50 m³
5. Απώλεια θερμότητας ανά όγκο: 1.785 ÷ 50 = 35,7 W/m³, η οποία εμπίπτει στη ζώνη από 30 έως 50, επομένως ο υπολογιστής χαρακτηρίζει αυτό το δωμάτιο ως Υψηλό.

Το ίδιο δωμάτιο, με τις ίδιες θερμοκρασίες, δείχνει πόσο αλλάζει το αποτέλεσμα η μόνωση:

Η απώλεια θερμότητας μεταβάλλεται άμεσα με την τιμή U όταν το εμβαδόν και η διαφορά θερμοκρασίας παραμένουν σταθερά, αλλά η τιμή U δεν μειώνεται κατά το ίδιο ποσοστό σε κάθε βήμα. Η μετάβαση από ανεπαρκή σε μέση μόνωση μειώνει στο μισό την τιμή U (2,0 σε 1,0), γεγονός που μειώνει ακριβώς στο μισό την απώλεια θερμότητας, από 3.570 W σε 1.785 W. Η μετάβαση από μέση σε εξαιρετική μόνωση, όμως, μειώνει την τιμή U στο ένα τέταρτο (1,0 σε 0,25), οπότε και η απώλεια θερμότητας μειώνεται στο ένα τέταρτο, από 1.785 W σε 446 W, και όχι απλώς στο μισό.

Περιορισμοί

Ο τύπος αυτός δίνει μια εκτίμηση μόνιμης κατάστασης, χρήσιμη για συγκρίσεις και κατά προσέγγιση διαστασιολόγηση, αλλά δεν περιλαμβάνει αρκετές επιδράσεις του πραγματικού κόσμου:

• Διαρροή αέρα. Τα ρεύματα αέρα γύρω από πόρτες, παράθυρα και κενά μπορούν να αποτελούν μεγάλο μέρος των πραγματικών απωλειών θερμότητας ενός κτιρίου. Ο τύπος δεν τις περιλαμβάνει.
• Θερμογέφυρες. Οι ορθοστάτες, οι δοκοί και άλλα στοιχεία του σκελετού μεταδίδουν θερμότητα γρηγορότερα από τη μόνωση γύρω τους.
• Παράθυρα και πόρτες. Ο υπολογιστής εφαρμόζει μία τιμή U σε ολόκληρο το δωμάτιο, αλλά το γυαλί συνήθως χάνει θερμότητα αρκετές φορές ταχύτερα από έναν μονωμένο τοίχο.
• Ηλιακά κέρδη. Το ηλιακό φως που περνά από τα παράθυρα μπορεί να αντισταθμίσει μέρος των απωλειών θερμότητας κατά τη διάρκεια της ημέρας.
• Κοινοί εσωτερικοί τοίχοι. Οι τοίχοι μεταξύ δύο θερμαινόμενων δωματίων χάνουν λίγη θερμότητα, αλλά ο τύπος τούς υπολογίζει σαν να ήταν στραμμένοι προς τον εξωτερικό χώρο.

Για τον πιστοποιημένο σχεδιασμό ενός συστήματος θέρμανσης, ειδικευμένος εγκαταστάτης ή ενεργειακός επιθεωρητής πρέπει να συνυπολογίσει αυτούς τους παράγοντες χρησιμοποιώντας επιτόπιες μετρήσεις.

Συχνές ερωτήσεις

Τι είναι ο υπολογιστής απωλειών θερμότητας;

Είναι ένα εργαλείο που εκτιμά πόσα watt θερμότητας χάνει ένα δωμάτιο προς τον εξωτερικό χώρο, με βάση το μέγεθός του, τη μόνωση και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού χώρου. Το αποτέλεσμα δείχνει κατά προσέγγιση πόση θερμαντική ισχύ χρειάζεται το δωμάτιο.

Ποιον τύπο χρησιμοποιεί;

Q = U × A × ΔT, όπου το Q είναι η απώλεια θερμότητας σε watt, το U είναι η τιμή U των δομικών υλικών σε W/m²K, το A είναι το συνολικό εμβαδόν επιφάνειας σε τετραγωνικά μέτρα και το ΔT είναι η διαφορά θερμοκρασίας σε βαθμούς.

Πώς υπολογίζεται η διαβάθμιση έντασης;

Ο υπολογιστής διαιρεί τη συνολική απώλεια θερμότητας με τον όγκο του δωματίου για να υπολογίσει watt ανά κυβικό μέτρο και στη συνέχεια την κατατάσσει ως χαμηλή (κάτω από 15 W/m³), μέτρια (από 15 έως 30), υψηλή (από 30 έως 50) ή σοβαρή (50 ή περισσότερο). Κάθε ζώνη αρχίζει από την κατώτερη τιμή της και σταματά ακριβώς πριν από την επόμενη. Έτσι αποφεύγεται η άδικη τιμωρία των μεγάλων δωματίων λόγω του μεγέθους τους.

Ποια τιμή U πρέπει να επιλέξω;

Επιλέξτε «ανεπαρκής» (2,0) για παλαιότερα, μη μονωμένα κτίρια· «μέση» (1,0) για τυπικές κατοικίες που κατασκευάστηκαν από τη δεκαετία του 1980 έως τη δεκαετία του 2000· «καλή» (0,5) για σύγχρονες, καλά μονωμένες κατοικίες· και «εξαιρετική» (0,25) μόνο για κτίρια που κατασκευάστηκαν σύμφωνα με τα πρότυπα παθητικής κατοικίας. Όταν δεν είστε βέβαιοι, η επιλογή χειρότερου επιπέδου αποφεύγει την επιλογή θερμαντήρα μικρότερου από το απαιτούμενο.

Υπολογίζει ο υπολογιστής ξεχωριστά τα παράθυρα;

Όχι. Εφαρμόζει μία ενιαία τιμή U σε ολόκληρο το δωμάτιο. Τα παράθυρα συνήθως χάνουν πολύ περισσότερη θερμότητα ανά τετραγωνικό μέτρο από τους μονωμένους τοίχους, επομένως ένα δωμάτιο με μεγάλα παράθυρα θα χάνει στην πράξη περισσότερη θερμότητα από όση δείχνει ο υπολογιστής.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ τιμής U και τιμής R;

Περιγράφουν την ίδια ιδιότητα από αντίθετες πλευρές. Η τιμή U μετρά πόσο γρήγορα περνά η θερμότητα μέσα από ένα υλικό (μικρότερη είναι καλύτερη), ενώ η τιμή R μετρά πόσο καλά ένα υλικό αντιστέκεται στη ροή θερμότητας (μεγαλύτερη είναι καλύτερη). Συνδέονται με τη σχέση R = 1/U.

Παραπομπές

1. ASHRAE. ASHRAE Handbook—Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
2. Chartered Institution of Building Services Engineers. CIBSE Guide A: Environmental Design. CIBSE.
3. U.S. Department of Energy. «Insulation.» energy.gov/energysaver/insulation.
4. Passive House Institute. «Passive House Requirements.» passivehouse.com.