بار گرمایشی چیست و محاسبه بار حرارتی ساختمان

بار گرمایشی (Heating Load) یا بار حرارتی میزان انرژی حرارتی است که باید به یک ساختمان اضافه شود تا دمای آن در محدوده قابل قبولی قرار گیرد. بار حرارتی قبل از انتخاب سیستم گرمایشی محاسبه می شود تا مناسب ترین سیستم برای ساختمان، تعیین شود. همچنین این کمیت در هنگام طراحی ساختمان یا سازه نیز محاسبه می شود تا با اعمال تغییراتی بتوان به حداکثر کارایی حرارتی ساختمان دست یافت.

درک مفهوم بار حرارتی برای داشتن سیستم گرمایشی مناسب در ساختمان بسیار مهم است. در صورتی که یک هیتر کوچکتر از حد نیاز در ساختمان نصب شود، این سیستم برای گرم کردن ساختمان، ناتوان خواهد بود و در عین حال انرژی زیادی مصرف خواهد کرد.

در مقابل، در صورتی که هیتر نصب شده بزرگتر از اندازه مورد نیاز برای ساختمان باشد، فضایی که هیتر و تجهیزات وابسته به آن اشغال می کنند، زیاد بوده و همچنین بازده هیتر پایین خواهد بود. علاوه بر اندازه سیستم گرمایشی، در شبیه سازی های مهندسی برای ارزیابی پایداری ساختمان و ارتقای عملکرد حرارتی، استفاده از بار گرمایشی ساختمان اجتناب ناپذیر است.

ظرفیت سیستم های گرمایشی با واحدهایی مانند وات، کیلووات و BTU (واحد حرارتی انگلیسی) بیان می شود. واحد کیلووات رایج ترین واحدی است که در صنایع کشور ما استفاده می شود و برای تبدل وات به کیلووات، تنها کافی است آن را بر 1000 تقسیم کنیم. همچنین هر BTU برابر با 0.293 وات یا 0.000293 کیلووات است. برای محاسبه بار سرمایشی ساختمان نیز میتوانید مقاله بار سرمایشی چیست و محاسبه بار سرمایشی ساختمان را مطالعه کنید.

محاسبه بار حرارتی ساختمان

عوامل مؤثر در بار گرمایشی ساختمان

اندازه فضای ساختمان به وضوح یکی از عوامل کلیدی در تعیین بار گرمایشی است. علاوه بر فضا، عوامل دیگری که به هندسه و مواد به کار رفته در ساختمان وابسته هستند، نقش زیادی در تعیین اندازه ی سیستم گرمایشی خواهند داشت.

از بین این عوامل می توان به تعداد اتاق ها، ارتفاع سقف، جنس دیوارها، سقف و پنجره ها و هندسه ساختمان اشاره کرد. در تمام موارد ذکر شده، اتلاف گرما از طریق رسانش انجام می شود اما یکی از دیگر مکانیسم های انتقال حرارت یعنی همرفت نیز سهم مهمی در این تلفات دارد.

اتلاف گرمایی به روش همرفت، زمانی به وجود می آید که هوای داخل ساختمان که گرم تر است، به بیرون از ساختمان خارج شود یا اینکه هوای سرد خارج از ساختمان، وارد ساختمان شود. این خروج از طریق درزهای پنجره ها و درها، دریچه ها و پنجره های باز اتفاق می افتد. هواسازها نیز مقداری از هوای داخل ساختمان را با هوای بیرون، جایگزین می کنند تا تازگی هوای داخل، حفظ شود.

تمام عواملی که ذکر شد، باعث کاهش دمای ساختمان می شوند اما عواملی مانند تابش نور خورشید، وجود تجهیزات مکانیکی و الکتریکی فعال در داخل ساختمان و افراد حاضر می توانند باعث افزایش دمای ساختمان بشوند.

محاسبه دقیق بار گرمایشی

دو روش برای محاسبه دقیق بار گرمایشی وجود دارد. روش اول، استفاده از جداول و نمودارهایی است که در برخی از کتاب ها ارائه می شود. در این روش، طراح که باید تسلط زیادی روی مباحث انتقال حرارت داشته باشد، میزان گرمایی که از طرق مختلف تلف می شود را محاسبه می کند.

به عنوان مثال، گرمایی که از دیوارها، سقف و پنجره های ساختمان ها به وسیله مکانیسم رسانش تلف می شود، با استفاده از جنس، اختلاف دما و مساحت، به دست می آید. همچنین تمام اتلاف به دلیل نفوذ هوای بیرون یا خروج هوای داخل نیز باید در نظر گرفته شود. علاوه بر این موارد، تجهیزات الکتریکی و مکانیکی که در داخل ساختمان قرار دارند، گرما ایجاد می کنند و برای افزایش دقت محاسبات باید در نظر گرفته شوند.

در انتها، طراح با در نظر گرفتن ضریب اطمینان، از طریق بار حرارتی محاسبه شده، سیستم مناسب برای ساختمان را معرفی می کند. این روش، زمان و تخصص زیادی نیاز داشته و به دلیل محدودیت در محاسبات، خطا (هر چند اندک) نیز خواهد داشت.

روش دوم، استفاده از نرم افزارهای مخصوص این کار است که کاربردی ترین روش برای محاسبه بار گرمایشی است. در این روش، کاربر، هندسه، جنس مصالح ساختمان، موقعیت جغرافیایی، شرایط آب و هوایی و کاربری فضاها را در نرم افزار تعریف می کند و نرم افزار با استفاده از کتابخانه خود، انتقال حرارت را از سطوح مختلف و به وسیله مکانیسم های مختلف (رسانش، همرف و تابش)، محاسبه می کند. دقت این روش بسیار بالا بوده و و به زمان کمتری برای رسیدن به نتیجه نیاز دارد.

محاسبه تقریبی بار گرمایشی

روش های زیادی برای محاسبه تقریبی بار گرمایشی یک ساختمان وجود دارد. در این بخش، قانون میل را که برخی از جزئیات ساختمان را نیز در نظر می گیرد، بررسی می کنیم. این قانون که به قانون 2-20-200 نیز مشهور است، تخمین بسیار خوبی را برای بار محاسبه شده ارائه می کند. برای شروع محاسبه با این قانون، موارد زیر را محاسبه کنید.

• مساحت کل پنجره ها را تقسیم بر 1 کنید. (در صورت استفاده از واحدهای انگلیسی، تقسیم بر 2 کنید.)
• مساحت کل سطوح سرد (دیوارها، کف و سقف) را تقسیم بر 2 کنید. (در صورت استفاده از واحدهای انگلیسی، تقسیم بر 20 کنید.)
• حجم هوای داخل ساختمان را تقسیم بر 5 کنید. (در صورت استفاده از واحدهای انگلیسی، تقسیم بر 200 کنید.)

با جمع کردن سه مورد بالا، کمیتی با واحد متر مربع به دست می آید به نام EDR یا تابش معادل مستقیم مشهور است. برای هر متر مربع از EDR در شهرهای معتدل، 75 وات یا 0.075 کیلووات گرمایش نیاز است. این مقدار برای شهرهای سردسیر، 0.1 کیلووات یا 100 وات و برای شهرهای گرمسیر، 0.04 کیلووات یا 40 وات است. در صورت استفاده از واحدهای انگلیسی، برای هر فوت مربع از EDR به 240 BTU برای شهرهای معتدل، 330 BTU برای شهرهای سردسیر و 130 BTU برای شهرهای گرمسیر نیاز است.

به طور مثال، بار گرمایشی یک آپارتمان 100 متری در تهران را محاسبه می کنیم. فرض می کنیم این آپارتمان، ابعاد 10 در 10، ارتفاع 3 متر و 16 متر مربع پنجره دارد. همچنین فرض می شود سقف آپارتمان و دو طرف از دیوارها در فضای آزاد قرار گرفته اند. حجم هوای داخل ساختمان، برابر 300 متر مکعب است. همچنین مساحت جانبی که در معرض سرما قرار گرفته برابر 100+2*10*3=160 متر مربع است. با استفاده از این مقادیر، می توانیم EDR را محاسبه کنیم:

برای شهر تهران که دارای آب و هوای معتدل است، با ضرب مساحت به دست آمده در عدد 75، بار حرارتی ساختمان برابر با 11700 وات یا 11.7 کیلووات خواهد بود.

محاسبه بار گرمایشی با استفاده از بار سرمایشی

یکی از روش هایی که برای محاسبه تقریبی بار حرارتی در ساختمان هایی که بار سرماشی آن ها مشخص است، استفاده می شود، قانون 1.7 برابر است. مطابق با این قانون، حداکثر بار حرارتی مورد نیاز برای یک ساختمان، 1.7 برابر بار سرمایشی آن ساختمان است. به طور مثال اگر بار سرمایشی یک ساختمان برابر 20 تن تبرید باشد، حداکثر بار حرارتی این ساختمان برابر با 120 کیلووات خواهد بود. البته نیاز برخی از ساختمان ها ممکن است بیشتر از این مقدار باشد اما این موارد بسیار نادر هستند.

عامل دیگری که تأثیر زیادی در بار گرمایشی دارد، آب و هوای منطقه ای است که ساختمان در آن قرار دارد. برخی از شهرهای جنوبی کشور به گرمایش بسیار کمی نیاز دارند در حالی که در برخی از شهرهای شمالی، دمای هوا بسیار پایین بوده و اکثر ایام سال نیاز به روشن کردن سیستم گرمایشی است. این محاسبه برای شهرهای معتدل صدق می کند و برای شهرهای گرمسیر، بار بدست آمده را 40 درصد کاهش و برای شهرهای سردسیر، 40 درصد افزایش دهید.