محاسبه‌گر هدر رفت گرما - اندازه سیستم‌های گرمایشی و مقایسه عایق‌بندی

ماشین‌حساب اتلاف حرارت

ماشین‌حساب اتلاف حرارت برآورد می‌کند که گرما با چه سرعتی، بر حسب وات، از یک اتاق خارج می‌شود. این ابزار از اندازه اتاق، کیفیت عایق‌کاری و اختلاف دمای داخل و خارج استفاده می‌کند. نتیجه به‌طور تقریبی نشان می‌دهد اتاق برای گرم ماندن به چه مقدار توان گرمایشی نیاز دارد.

گرما همیشه از نواحی گرم به نواحی سرد جریان می‌یابد. در زمستان، گرما از اتاق گرم‌شده، از میان دیوارها، سقف و کف، به هوای سردتر بیرون منتقل می‌شود. سامانه گرمایشی باید این گرمای ازدست‌رفته را جایگزین کند تا دمای اتاق ثابت بماند. دانستن مقدار اتلاف بر حسب وات به انتخاب بخاری یا رادیاتور با اندازه مناسب و ارزیابی مقرون‌به‌صرفه بودن عایق‌کاری بیشتر کمک می‌کند.

فرمول اتلاف حرارت

ماشین‌حساب از یک فرمول استاندارد در فیزیک ساختمان استفاده می‌کند:

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

• Q نرخ اتلاف حرارت بر حسب وات (W) است.
• U مقدار U یا ضریب انتقال حرارتی، بر حسب وات بر مترمربع بر کلوین (W/m²K) است. مقدار U کمتر به معنای عایق‌کاری بهتر است.
• A مساحت کل سطحی است که گرما از طریق آن خارج می‌شود، بر حسب مترمربع (m²).
• ΔT اختلاف دمای داخل و خارج، بر حسب درجه سلسیوس یا کلوین است.

این فرمول سه عامل را در هم ضرب می‌کند: سهولت عبور گرما از مصالح ساختمان، مقدار سطحی که گرما از آن عبور می‌کند و اندازه اختلاف دما. اختلاف دمای بیشتر یا سطح بزرگ‌تر، هر دو اتلاف حرارت را افزایش می‌دهند. مقدار U بیشتر نیز همین اثر را دارد.

مقادیر U استفاده‌شده در ماشین‌حساب

ماشین‌حساب چهار سطح ثابت عایق‌کاری ارائه می‌کند که هرکدام به یک مقدار معمول U مربوط‌اند:

این مقادیر، میانگین‌های تقریبی برای کل اتاق‌اند، نه یک ماده منفرد. دیوار، پنجره و سقف واقعی هرکدام مقدار U مخصوص خود را دارند و پنجره‌ها معمولاً بسیار بیشتر از دیوارهای عایق‌شده گرما از دست می‌دهند.

مساحت سطح

ماشین‌حساب مساحت هر شش سطح یک اتاق مستطیلی را جمع می‌کند: چهار دیوار، سقف و کف.

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

L، W و H به‌ترتیب طول، عرض و ارتفاع اتاق بر حسب متر هستند. این روش هر سطح را چنان در نظر می‌گیرد که گویی رو به بیرون است. در خانه واقعی، دیوارهای مشترک با اتاق گرم مجاور گرمای کم یا هیچ گرمایی از دست نمی‌دهند؛ بنابراین برآورد کل خانه با این روش معمولاً کمی بیشتر از مقدار واقعی خواهد بود.

اختلاف دما

ΔT به‌سادگی برابر است با دمای داخل منهای دمای بیرون. برای بررسی آسایش روزمره، افراد اغلب سردترین دمایی را که انتظار دارند آن روز احساس کنند به کار می‌برند. مهندسان برای تعیین اندازه سامانه گرمایشی دائمی، به‌جای سردترین دمای ثبت‌شده در یک مکان، از «دمای طراحی» آن مکان استفاده می‌کنند؛ یعنی یک مقدار استاندارد هوای سرد که نهادهایی مانند ASHRAE منتشر می‌کنند.

روش استفاده از ماشین‌حساب اتلاف حرارت

1. اندازه‌گیری اتاق. طول، عرض و ارتفاع داخلی را بر حسب متر وارد کنید.
2. انتخاب سطح عایق‌کاری. بر اساس سن و ساختار ساختمان، ضعیف، متوسط، خوب یا عالی را انتخاب کنید. اگر مطمئن نیستید، انتخاب سطح ضعیف‌تر ایمن‌تر است، زیرا از انتخاب بخاری با ظرفیت کمتر از نیاز جلوگیری می‌کند.
3. تنظیم دماها. دمای داخلی موردنظر و دمای بیرونی مبنا را وارد کنید.
4. خواندن نتیجه. ماشین‌حساب مساحت کل سطح، مقدار U استفاده‌شده، اختلاف دما، کل اتلاف حرارت بر حسب وات و رتبه شدت را نشان می‌دهد.

نحوه عملکرد رتبه شدت

رتبه شدت فقط به عدد خام وات نگاه نمی‌کند، زیرا یک اتاق بزرگ، حتی با همان میزان عایق‌کاری، به‌طور طبیعی وات بیشتری از یک اتاق کوچک از دست می‌دهد. در عوض، ماشین‌حساب اتلاف حرارت را بر حجم اتاق تقسیم می‌کند و مقداری بر حسب وات بر مترمکعب (W/m³) به دست می‌آورد، سپس آن را با چهار بازه مقایسه می‌کند:

یک اتاق کوچک با عایق‌کاری ضعیف ممکن است حتی با توان کل نسبتاً کم، رتبه «شدید» بگیرد؛ درحالی‌که یک سالن بزرگ با عایق‌کاری خوب، با وجود مقدار کل بیشتر، می‌تواند رتبه «کم» داشته باشد. تقسیم بر حجم باعث می‌شود رتبه برای اتاق‌هایی با اندازه‌های متفاوت قابل مقایسه باشد.

مثال حل‌شده

اتاقی با طول ۵ m، عرض ۴ m و ارتفاع ۲٫۵ m را در نظر بگیرید که عایق‌کاری متوسط دارد (U = ۱٫۰ W/m²K)، دمای آن روی ۲۱ °C تنظیم شده و دمای بیرون ۰ °C است.

1. مساحت سطح: ۲ × (5 × 4 + ۵ × ۲٫۵ + ۴ × ۲٫۵) = ۲ × (۲۰ + ۱۲٫۵ + ۱۰) = ۲ × ۴۲٫۵ = ۸۵ m²
2. اختلاف دما: ۲۱ − ۰ = ۲۱ °C
3. اتلاف حرارت: ۱٫۰ × 85 × 21 = ۱٬۷۸۵ W
4. حجم اتاق: 5 × 4 × ۲٫۵ = ۵۰ m³
5. اتلاف حرارت به ازای حجم: ۱٬۷۸۵ ÷ ۵۰ = ۳۵٫۷ W/m³ که در بازه ۳۰ تا 50 قرار می‌گیرد؛ بنابراین ماشین‌حساب این اتاق را زیاد ارزیابی می‌کند.

همین اتاق، با همان دماها، نشان می‌دهد عایق‌کاری تا چه اندازه نتیجه را تغییر می‌دهد:

وقتی مساحت و اختلاف دما ثابت باشند، اتلاف حرارت مستقیماً با مقدار U متناسب است؛ اما مقدار U در هر مرحله به یک نسبت کاهش نمی‌یابد. تغییر عایق‌کاری از ضعیف به متوسط، مقدار U را نصف می‌کند (۲٫۰ به ۱٫۰) و در نتیجه اتلاف حرارت نیز دقیقاً نصف می‌شود؛ از ۳٬۵۷۰ W به ۱٬۷۸۵ W. اما تغییر از عایق‌کاری متوسط به عالی، مقدار U را به یک‌چهارم کاهش می‌دهد (۱٫۰ به ۰٫۲۵)، بنابراین اتلاف حرارت نیز از ۱٬۷۸۵ W به ۴۴۶ W به یک‌چهارم می‌رسد، نه فقط به نصف.

محدودیت‌ها

این فرمول برآوردی پایا در حالت ماندگار ارائه می‌دهد که برای مقایسه و تعیین تقریبی ظرفیت مفید است، اما چند اثر واقعی را در نظر نمی‌گیرد:

• نشت هوا. جریان هوا از اطراف درها، پنجره‌ها و شکاف‌ها می‌تواند سهم بزرگی از اتلاف واقعی حرارت ساختمان را ایجاد کند. فرمول این عامل را شامل نمی‌شود.
• پل حرارتی. استادها، تیرها و دیگر اجزای قاب‌بندی، گرما را سریع‌تر از عایق اطراف خود منتقل می‌کنند.
• پنجره‌ها و درها. ماشین‌حساب یک مقدار U را برای کل اتاق اعمال می‌کند، اما شیشه معمولاً چند برابر سریع‌تر از دیوار عایق‌شده گرما از دست می‌دهد.
• کسب خورشیدی. نور خورشید که از پنجره‌ها وارد می‌شود می‌تواند در طول روز بخشی از اتلاف حرارت را جبران کند.
• دیوارهای داخلی مشترک. دیوارهای بین دو اتاق گرم گرمای کمی از دست می‌دهند، اما فرمول آن‌ها را چنان محاسبه می‌کند که گویی رو به بیرون‌اند.

برای طراحی تأییدشده سامانه گرمایشی، نصاب واجد شرایط یا ارزیاب انرژی باید این عوامل را با استفاده از اندازه‌گیری‌های محل در نظر بگیرد.

پرسش‌های متداول

ماشین‌حساب اتلاف حرارت چیست؟

این ابزار بر اساس اندازه اتاق، عایق‌کاری و اختلاف دمای داخل و خارج، برآورد می‌کند اتاق چه مقدار گرما را بر حسب وات به بیرون از دست می‌دهد. نتیجه به‌طور تقریبی نشان می‌دهد اتاق به چه مقدار توان گرمایشی نیاز دارد.

از چه فرمولی استفاده می‌کند؟

Q = U × A × ΔT؛ در این فرمول Q اتلاف حرارت بر حسب وات، U مقدار U مصالح ساختمان بر حسب W/m²K، A مساحت کل سطح بر حسب مترمربع و ΔT اختلاف دما بر حسب درجه است.

رتبه شدت چگونه محاسبه می‌شود؟

ماشین‌حساب کل اتلاف حرارت را بر حجم اتاق تقسیم می‌کند تا مقدار وات بر مترمکعب به دست آید، سپس آن را کم (کمتر از ۱۵ W/m³)، متوسط (از ۱۵ تا ۳۰)، زیاد (از ۳۰ تا ۵۰) یا شدید (۵۰ یا بیشتر) رتبه‌بندی می‌کند. هر بازه از عدد پایین خود آغاز می‌شود و درست پیش از عدد بعدی پایان می‌یابد. این کار مانع می‌شود اتاق‌های بزرگ فقط به دلیل اندازه‌شان ناعادلانه رتبه بدتری بگیرند.

چه مقدار U را باید انتخاب کنم؟

برای ساختمان‌های قدیمی و بدون عایق، «ضعیف» (۲٫۰) را انتخاب کنید؛ برای خانه‌های استاندارد ساخته‌شده از دهه ۱۹۸۰ تا دهه ۲۰۰۰، «متوسط» (۱٫۰)؛ برای خانه‌های مدرن با عایق‌کاری خوب، «خوب» (۰٫۵)؛ و «عالی» (۰٫۲۵) را فقط برای ساختمان‌های ساخته‌شده مطابق استاندارد خانه غیرفعال به کار ببرید. اگر مطمئن نیستید، انتخاب سطح ضعیف‌تر از انتخاب بخاری با ظرفیت کمتر از نیاز جلوگیری می‌کند.

آیا ماشین‌حساب پنجره‌ها را جداگانه محاسبه می‌کند؟

خیر. این ابزار یک مقدار U را برای کل اتاق اعمال می‌کند. پنجره‌ها معمولاً به ازای هر مترمربع بسیار بیشتر از دیوارهای عایق‌شده گرما از دست می‌دهند؛ بنابراین اتاقی با پنجره‌های بزرگ در عمل بیش از مقدار نشان‌داده‌شده توسط این ماشین‌حساب گرما از دست می‌دهد.

تفاوت مقدار U و مقدار R چیست؟

این دو، یک ویژگی یکسان را از دو جهت مخالف توصیف می‌کنند. مقدار U سرعت عبور گرما از یک ماده را اندازه می‌گیرد (کمتر بهتر است)؛ مقدار R میزان مقاومت ماده در برابر جریان گرما را می‌سنجد (بیشتر بهتر است). رابطه آن‌ها R = ۱/U است.

منابع

1. ASHRAE. راهنمای ASHRAE—مبانی. انجمن مهندسان گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع آمریکا.
2. مؤسسه رسمی مهندسان خدمات ساختمان. راهنمای CIBSE A: طراحی محیطی. CIBSE.
3. وزارت انرژی ایالات متحده. «عایق‌کاری». energy.gov/energysaver/insulation.
4. مؤسسه خانه غیرفعال. «الزامات خانه غیرفعال». passivehouse.com.