Cálculo hidráulico de um sistema de aquecimento usando um exemplo específico

O aquecimento baseado na circulação de água quente é a opção mais comum para organizar uma casa privada.Para o desenvolvimento competente do sistema, é necessário ter resultados de análises preliminares, o chamado cálculo hidráulico do sistema de aquecimento, relacionando a pressão em todos os trechos da rede com os diâmetros das tubulações.

O artigo apresentado descreve detalhadamente a metodologia de cálculo. Para entender melhor o algoritmo de ações, analisamos o procedimento de cálculo usando um exemplo específico.

Seguindo a sequência descrita, será possível determinar o diâmetro ideal da tubulação, o número de dispositivos de aquecimento, a potência da caldeira e outros parâmetros do sistema necessários para organizar um fornecimento de calor individual eficaz.

Conceito de cálculo hidráulico

O factor determinante no desenvolvimento tecnológico dos sistemas de aquecimento tem sido a habitual poupança de energia. O desejo de poupar dinheiro obriga-nos a uma abordagem mais cuidadosa na concepção, selecção de materiais, métodos de instalação e funcionamento do aquecimento doméstico.

Portanto, se você decidir criar um sistema de aquecimento único e principalmente econômico para seu apartamento ou casa, recomendamos que você se familiarize com as regras de cálculo e projeto.

Antes de definir o cálculo hidráulico do sistema, é necessário compreender clara e claramente que o sistema de aquecimento individual de um apartamento ou casa está localizado, convencionalmente, uma ordem de grandeza superior em relação ao sistema de aquecimento central de um grande edifício.

Um sistema de aquecimento pessoal baseia-se numa abordagem fundamentalmente diferente dos conceitos de calor e recursos energéticos.

A essência do cálculo hidráulico é que a vazão do refrigerante não é definida antecipadamente com uma aproximação significativa dos parâmetros reais, mas é determinada ligando os diâmetros da tubulação aos parâmetros de pressão em todos os anéis do sistema

Basta fazer uma comparação trivial desses sistemas de acordo com os seguintes parâmetros.

1. O sistema de aquecimento central (caldeira-casa-apartamento) é baseado em tipos padrão de portadores de energia - carvão, gás. Em um sistema autônomo, você pode usar quase qualquer substância que tenha um alto calor específico de combustão ou uma combinação de vários materiais líquidos, sólidos ou granulares.
2. O DSP é construído sobre elementos comuns: tubos de metal, baterias “desajeitadas”, válvulas de corte. Um sistema de aquecimento individual permite combinar uma variedade de elementos: radiadores multisecções com boa transferência de calor, termostatos de alta tecnologia, diferentes tipos de tubos (PVC e cobre), torneiras, bujões, acessórios e claro as nossas próprias caldeiras mais económicas, bombas de circulação.
3. Se entrarmos no apartamento de uma típica casa de painéis construída há 20-40 anos, vemos que o sistema de aquecimento se resume à presença de uma bateria de 7 seções sob a janela em cada cômodo do apartamento, além de um tubo vertical através do casa inteira (riser), com a qual você pode “comunicar” com os vizinhos acima/abaixo. Um sistema de aquecimento autônomo (AHS) permite construir um sistema de qualquer complexidade, atendendo aos desejos individuais dos moradores dos apartamentos.
4. Ao contrário de um DSP, um sistema de aquecimento separado leva em consideração uma lista bastante impressionante de parâmetros que afetam a transferência, o consumo de energia e a perda de calor. Condições de temperatura ambiente, faixa de temperatura necessária nos ambientes, área e volume do ambiente, número de janelas e portas, finalidade dos ambientes, etc.

Assim, o cálculo hidráulico do sistema de aquecimento (HRSO) é um conjunto condicional de características calculadas do sistema de aquecimento, que fornece informações abrangentes sobre parâmetros como diâmetro do tubo, número de radiadores e válvulas.

Este tipo de radiador foi instalado na maioria das casas de painéis do espaço pós-soviético. A economia de materiais e a falta de ideias de design são óbvias

GRSO permite selecionar corretamente uma bomba de anel de água (caldeira de aquecimento) para transportar água quente até os elementos finais do sistema de aquecimento (radiadores) e, como resultado final, ter o sistema mais equilibrado, o que afeta diretamente os investimentos financeiros em aquecimento doméstico .

Outro tipo de radiador de aquecimento para DSP. Este é um produto mais versátil que pode ter qualquer número de costelas. Desta forma você pode aumentar ou diminuir a área de troca de calor

Sequência de etapas de cálculo

Falando sobre o cálculo do sistema de aquecimento, notamos que este procedimento é o mais polêmico e importante em termos de projeto.

Antes de realizar o cálculo, é necessário realizar uma análise preliminar do futuro sistema, por exemplo:

• estabelecer um equilíbrio térmico em todas e especificamente em cada divisão do apartamento;
• aprovar termostatos, válvulas e reguladores de pressão;
• escolha radiadores, superfícies de troca de calor, painéis de transferência de calor;
• determinar áreas do sistema com fluxo máximo e mínimo de refrigerante.

Além disso, é necessário determinar o esquema geral de transporte do refrigerante: circuito completo e pequeno, sistema de tubo único ou principal de dois tubos.

Como resultado do cálculo hidráulico, obtemos diversas características importantes do sistema hidráulico, que fornecem respostas às seguintes questões:

• qual deve ser a potência da fonte de aquecimento;
• qual é a vazão e velocidade do refrigerante;
• qual é o diâmetro necessário da tubulação de aquecimento principal;
• quais são as possíveis perdas de calor e a massa do próprio refrigerante.

Outro aspecto importante do cálculo hidráulico é o procedimento de balanceamento (ligação) de todas as partes (ramos) do sistema durante condições térmicas extremas por meio de dispositivos de controle.

Existem vários tipos principais de produtos de aquecimento: multiseções em ferro fundido e alumínio, painéis de aço, radiadores bimetálicos e covetores. Mas os mais comuns são os radiadores multiseções de alumínio

A zona de projeto da tubulação principal é um trecho com diâmetro constante da própria tubulação, bem como um fluxo constante de água quente, que é determinado pela fórmula do balanço térmico dos ambientes. A listagem das zonas de projeto começa na bomba ou fonte de calor.

Exemplo de condições iniciais

Para uma explicação mais específica de todos os detalhes do cálculo hidráulico, tomemos um exemplo específico de um espaço residencial comum. Temos um apartamento clássico de 2 quartos em casa de painéis com área total de 65,54 m2.²que inclui dois quartos, uma cozinha, WC e casa de banho separados, corredor duplo, varanda dupla.

Após o comissionamento, recebemos as seguintes informações sobre a disponibilidade do apartamento.O apartamento descrito inclui paredes em estruturas monolíticas de betão armado tratadas com massa e primário, janelas perfiladas com vidros bicâmaras, portas interiores prensadas, ladrilhos cerâmicos no chão da casa de banho.

Típica casa de painéis de 9 andares com quatro entradas. Existem 3 apartamentos em cada andar: um de 2 quartos e dois de 3 quartos. O apartamento está localizado no quinto andar

Além disso, a caixa apresentada já está equipada com cablagem de cobre, distribuidores e painel separado, fogão a gás, banheira, lavatório, sanita, toalheiro aquecido e lavatório.

E o mais importante, as salas, banheiro e cozinha já possuem radiadores de aquecimento em alumínio. A questão das tubulações e da caldeira permanece em aberto.

Como os dados são coletados

O cálculo hidráulico do sistema baseia-se maioritariamente em cálculos relacionados com o cálculo do aquecimento com base na área da divisão.

Portanto, é necessário ter as seguintes informações:

• a área de cada quarto individual;
• dimensões dos conectores de janelas e portas (as portas internas praticamente não afetam a perda de calor);
• condições climáticas, características da região.

Procederemos a partir dos seguintes dados. Área da sala comum - 18,83 m², quarto - 14,86 m², cozinha - 10,46 m², varanda - 7,83 m² (soma), corredor - 9,72 m² (quantidade), banheiro - 3,60 m², banheiro - 1,5 m². Portas de entrada - 2,20 m², montra da sala comum - 8,1 m², janela do quarto - 1,96 m², janela da cozinha - 1,96 m².

A altura das paredes do apartamento é de 2 metros e 70 cm, sendo as paredes externas em concreto classe B7 mais gesso interno de 300 mm de espessura. Paredes e divisórias internas - portantes 120 mm, comuns - 80 mm. O piso e, consequentemente, o teto são feitos de lajes de concreto classe B15, espessura de 200 mm.

A disposição deste apartamento permite criar um único ramal de aquecimento passando pela cozinha, quarto e sala, o que garantirá uma temperatura média de 20-22⁰C nos quartos (+)

E quanto ao meio ambiente? O apartamento está localizado em uma casa localizada no meio de um microdistrito de uma pequena cidade. A cidade está localizada em uma certa planície, a altitude acima do nível do mar é de 130-150 m. O clima é continental temperado com invernos frios e verões bastante quentes.

A temperatura média anual é de +7,6°C. A temperatura média em janeiro é de -6,6°C, em julho +18,7°C. Vento - 3,5 m/s, umidade média do ar - 74%, precipitação 569 mm.

Analisando as condições climáticas da região, importa referir que se trata de uma vasta gama de temperaturas, o que por sua vez condiciona a necessidade especial de regulação do sistema de aquecimento do apartamento.

Potência do gerador de calor

Um dos principais componentes do sistema de aquecimento é a caldeira: eléctrica, a gás, combinada - não importa nesta fase. Porque para nós é importante sua principal característica - a potência, ou seja, a quantidade de energia por unidade de tempo que será gasta no aquecimento.

A potência da própria caldeira é determinada pela fórmula abaixo:

Wcaldeira = (Sroom*Wshare) / 10,

Onde:

• Espaço - a soma das áreas de todas as divisões que necessitam de aquecimento;
• Wdel — potência específica tendo em conta as condições climáticas do local (por isso foi necessário conhecer o clima da região).

Normalmente, para diferentes zonas climáticas temos os seguintes dados:

• regiões do norte — 1,5 — 2 kW/m²;
• zona central — 1 — 1,5 kW/m²;
• regiões do sul — 0,6 — 1 kW/m².

Estes números são bastante arbitrários, mas fornecem uma resposta numérica clara sobre a influência do ambiente no sistema de aquecimento do apartamento.

Este mapa mostra zonas climáticas com diferentes regimes de temperatura. A localização da habitação em relação à zona determina quanta energia precisa ser gasta no aquecimento de um metro quadrado de kW de energia (+)

A quantidade de área do apartamento que precisa ser aquecida é igual à área total do apartamento e é igual, ou seja, 65,54-1,80-6,03 = 57,71 m2 (menos a varanda). A potência específica da caldeira para a região centro com invernos frios é de 1,4 kW/m2. Assim, no nosso exemplo, a potência calculada da caldeira de aquecimento é equivalente a 8,08 kW.

Parâmetros dinâmicos do refrigerante

Passamos para a próxima etapa de cálculos - análise do consumo de refrigerante. Na maioria dos casos, o sistema de aquecimento de um apartamento difere de outros sistemas - isto se deve ao número de painéis de aquecimento e ao comprimento da tubulação. A pressão é usada como uma “força motriz” adicional para o fluxo vertical através do sistema.

Em edifícios privados de um e vários andares, antigos edifícios de apartamentos em painel, são utilizados sistemas de aquecimento de alta pressão, o que permite transportar a substância libertadora de calor para todas as secções do sistema de aquecimento ramificado de vários anéis e elevar a água para toda a altura (até o 14º andar) do edifício.

Pelo contrário, um apartamento normal de 2 ou 3 assoalhadas com aquecimento autónomo não possui tanta variedade de anéis e ramificações do sistema, não inclui mais de três circuitos.

Isso significa que o refrigerante é transportado usando o processo natural de fluxo de água. Mas você também pode usar bombas de circulação, o aquecimento é fornecido por uma caldeira a gás/elétrica.

Recomendamos a utilização de uma bomba de circulação para aquecimento de divisões superiores a 100 m². A bomba pode ser instalada antes ou depois da caldeira, mas geralmente é instalada no lado de “retorno” - menor temperatura do fluido, menos arejamento, maior vida útil da bomba

Especialistas na área de projeto e instalação de sistemas de aquecimento definem duas abordagens principais em termos de cálculo do volume de refrigerante:

1. De acordo com a capacidade real do sistema. Sem exceção, somam-se todos os volumes de cavidades por onde fluirá o fluxo de água quente: a soma de seções individuais de tubos, seções de radiadores, etc. Mas esta é uma opção bastante trabalhosa.
2. De acordo com a potência da caldeira. Aqui as opiniões dos especialistas divergem muito, alguns dizem 10, outros 15 litros por unidade de potência da caldeira.

De um ponto de vista pragmático, é necessário ter em conta o facto de que provavelmente o sistema de aquecimento não só fornecerá água quente para a divisão, mas também aquecerá água para a banheira/duche, lavatório, lavatório e secadora, e talvez para uma hidromassagem ou jacuzzi. Esta opção é mais simples.

Portanto, neste caso, recomendamos definir 13,5 litros por unidade de potência. Multiplicando este número pela potência da caldeira (8,08 kW) obtemos o volume estimado de massa de água - 109,08 litros.

A velocidade calculada do refrigerante no sistema é justamente o parâmetro que permite selecionar um determinado diâmetro de tubo para o sistema de aquecimento.

É calculado usando a seguinte fórmula:

V = (0,86*W*k)/t-to,

Onde:

• C — potência da caldeira;
• t — temperatura da água fornecida;
• para — temperatura da água no circuito de retorno;
• k — eficiência da caldeira (0,95 para uma caldeira a gás).

Substituindo os dados calculados na fórmula, temos: (0,86 * 8080 * 0,95)/80-60 = 6601,36/20 = 330 kg/h.Assim, em uma hora, 330 litros de refrigerante (água) passam pelo sistema, e a capacidade do sistema é de cerca de 110 litros.

Determinação do diâmetro do tubo

Para finalmente determinar o diâmetro e a espessura dos tubos de aquecimento, resta discutir a questão da perda de calor.

A quantidade máxima de calor sai da sala pelas paredes - até 40%, pelas janelas - 15%, pelo chão - 10%, todo o resto pelo teto/telhado. O apartamento é caracterizado por perdas principalmente através de janelas e módulos de varanda

Existem vários tipos de perda de calor em ambientes aquecidos:

1. Perda de pressão do fluxo da tubulação. Este parâmetro é diretamente proporcional ao produto da perda específica por atrito no interior do tubo (fornecida pelo fabricante) e o comprimento total do tubo. Mas dada a tarefa actual, tais perdas podem ser ignoradas.
2. Perda de pressão nas resistências locais do tubo — custos de aquecimento em acessórios e equipamentos internos. Mas dadas as condições do problema, um pequeno número de curvas de montagem e o número de radiadores, tais perdas podem ser desprezadas.
3. Perda de calor com base na localização do apartamento. Existe outro tipo de custo térmico, mas está mais relacionado com a localização da divisão relativamente ao resto do edifício. Para um apartamento normal, localizado no meio da casa e adjacente a outros apartamentos à esquerda/direita/superior/inferior, as perdas de calor pelas paredes laterais, teto e piso são quase iguais a “0”.

Só é possível contabilizar as perdas pela parte frontal do apartamento - a varanda e a janela central da sala comum. Mas esse problema pode ser resolvido adicionando 2 a 3 seções a cada um dos radiadores.

O diâmetro do tubo é selecionado de acordo com a vazão do refrigerante e a velocidade de sua circulação na rede de aquecimento

Analisando as informações acima, é importante notar que para a velocidade calculada da água quente no sistema de aquecimento, a velocidade tabular de movimento das partículas de água em relação à parede do tubo na posição horizontal é conhecida como 0,3-0,7 m/s.

Para auxiliar o mestre, apresentamos o chamado checklist para realização de cálculos para um cálculo hidráulico típico de um sistema de aquecimento:

• coleta de dados e cálculo de potência de caldeira;
• volume e velocidade do refrigerante;
• perda de calor e diâmetro do tubo.

Às vezes, ao fazer cálculos, você pode obter um diâmetro de tubo grande o suficiente para cobrir o volume calculado de refrigerante. Este problema pode ser resolvido aumentando o deslocamento da caldeira ou adicionando um tanque de expansão adicional.

No nosso site existe um bloco de artigos dedicados ao cálculo do sistema de aquecimento, recomendamos que leia:

1. Cálculo térmico de um sistema de aquecimento: como calcular corretamente a carga do sistema
2. Cálculo de aquecimento de água: fórmulas, regras, exemplos de implementação
3. Cálculo de engenharia térmica de um edifício: especificidades e fórmulas para realização de cálculos + exemplos práticos

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Características, vantagens e desvantagens dos sistemas de circulação natural e forçada de refrigerante para sistemas de aquecimento:

Resumindo os cálculos hidráulicos, o resultado foram características físicas específicas do futuro sistema de aquecimento.

Naturalmente, este é um esquema de cálculo simplificado que fornece dados aproximados sobre os cálculos hidráulicos do sistema de aquecimento de um típico apartamento de dois quartos.

Você está tentando fazer você mesmo um cálculo hidráulico do seu sistema de aquecimento? Ou talvez você não concorde com o material apresentado? Aguardamos seus comentários e perguntas - o bloco de feedback está localizado abaixo.