Cálculo de aquecimento de água: fórmulas, regras, exemplos de implementação

Usar água como refrigerante em um sistema de aquecimento é uma das opções mais populares para fornecer calor à sua casa durante a estação fria.Você só precisa projetar corretamente e instalar o sistema. Caso contrário, o aquecimento será ineficaz com elevados custos de combustível, o que, como vêem, é extremamente desinteressante aos actuais preços da energia.

É impossível calcular de forma independente o aquecimento de água (doravante denominado WHE) sem utilizar programas especializados, uma vez que os cálculos utilizam expressões complexas, cujos valores não podem ser determinados por meio de uma calculadora convencional. Neste artigo analisaremos detalhadamente o algoritmo de realização de cálculos, apresentaremos as fórmulas utilizadas e consideraremos o andamento dos cálculos a partir de um exemplo específico.

Complementaremos o material apresentado com tabelas com valores e indicadores de referência necessários para a realização de cálculos, fotos temáticas e um vídeo que demonstra um exemplo claro de cálculos com o programa.

Cálculo do balanço térmico de uma estrutura habitacional

Para implementar uma instalação de aquecimento onde a água é o meio circulante, é necessário primeiro fazer cálculos hidráulicos.

Ao desenvolver e implementar qualquer sistema do tipo aquecimento, é necessário conhecer o balanço térmico (doravante denominado TB).Conhecendo a potência térmica para manter a temperatura do ambiente, você pode escolher o equipamento certo e distribuir corretamente sua carga.

No inverno, a sala sofre certas perdas de calor (doravante denominadas HL). A maior parte da energia sai através de elementos envolventes e aberturas de ventilação. Custos menores são incorridos para infiltração, aquecimento de objetos, etc.

Os TP dependem das camadas que compõem as estruturas envolventes (doravante denominadas OK). Os materiais de construção modernos, em particular os materiais de isolamento, têm baixo coeficiente de condutividade térmica (doravante denominado CT), devido ao qual menos calor é perdido através deles. Para casas da mesma área, mas com estruturas OK diferentes, os custos de aquecimento serão diferentes.

Além de determinar o TP, é importante calcular o TB do domicílio. O indicador leva em consideração não apenas a quantidade de energia que sai do ambiente, mas também a quantidade de energia necessária para manter determinados níveis de temperatura na casa.

Os resultados mais precisos são fornecidos por programas especializados desenvolvidos para construtores. Graças a eles é possível levar em consideração mais fatores que influenciam o TP.

A maior quantidade de calor sai da sala pelas paredes, piso, telhado, a menor - pelas portas, aberturas de janelas

Com alta precisão, você pode calcular o TP de uma casa usando fórmulas.

Os custos totais de aquecimento da casa são calculados usando a equação:

Q = Q_OK +Q_v,

Onde P_OK - a quantidade de calor que sai da sala através de OK; P_v — custos de ventilação térmica.

As perdas de ventilação são levadas em consideração se o ar que entra na sala tiver uma temperatura mais baixa.

Os cálculos geralmente levam em consideração OKs com um lado voltado para a rua. Estas são as paredes externas, piso, telhado, portas e janelas.

Geral TPQ_OK igual à soma dos TP de cada OK, ou seja:

P_OK = ∑Q_st +∑Q_ok +∑Q_dv +∑Q_ptl +∑Q_{por favor},

Onde:

• P_st — valor do TP das paredes;
• P_ok — Janelas TP;
• P_dv — Portas TP;
  
• P_ptl — teto TP;
  
• P_{por favor} — Piso TP.

Se o piso ou teto tiver estrutura diferente em toda a área, o TP é calculado para cada seção separadamente.

Cálculo da perda de calor usando OK

Para cálculos você precisará das seguintes informações:

• estrutura das paredes, materiais utilizados, sua espessura, CT;
• temperatura externa durante um inverno extremamente frio de cinco dias na cidade;
• área OK;
• orientação OK;
• temperatura recomendada em casa no inverno.

Para calcular TC você precisa encontrar a resistência térmica total R_OK. Para fazer isso você precisa descobrir a resistência térmica R₁, R₂, R₃, …, R_n cada camada está OK.

Fator R_n calculado pela fórmula:

Rn = B/k,

Na fórmula: B — espessura da camada OK em mm, k — Tomografia computadorizada de cada camada.

O R total pode ser determinado pela expressão:

R = ∑R_n

Os fabricantes de portas e janelas costumam indicar o coeficiente R na ficha técnica do produto, portanto não há necessidade de calculá-lo separadamente.

A resistência térmica das janelas não pode ser calculada, pois a ficha técnica já contém as informações necessárias, o que simplifica o cálculo da resistência térmica

A fórmula geral para calcular TP através de OK é a seguinte:

P_OK = ∑S × (t_vnt -t_nar) × R × eu,

Na expressão:

• S — área OK, m²;
• t_vnt - temperatura ambiente desejada;
• t_nar — temperatura do ar exterior;
• R — coeficiente de resistência, calculado separadamente ou retirado da ficha técnica do produto;
• eu — um coeficiente esclarecedor que leva em conta a orientação das paredes em relação às direções cardeais.

O cálculo da TB permite selecionar equipamentos com a potência necessária, o que eliminará a possibilidade de deficiência ou excesso de calor. O défice de energia térmica é compensado pelo aumento do fluxo de ar através da ventilação, o excesso - pela instalação de equipamento de aquecimento adicional.

Custos térmicos de ventilação

A fórmula geral para calcular a ventilação TP é a seguinte:

P_v = 0,28 × L_n ×p_vnt × c × (t_vnt -t_nar),

Em uma expressão, variáveis ​​têm o seguinte significado:

• eu_n — consumo de ar que entra;
• p_vnt — densidade do ar a uma determinada temperatura na sala;
• c — capacidade calorífica do ar;
• t_vnt - temperatura da casa;
• t_nar — temperatura do ar exterior.

Se a ventilação estiver instalada no edifício, então o parâmetro L_n retirado das especificações técnicas do dispositivo. Se não houver ventilação, é considerada uma taxa de troca de ar específica padrão de 3 m.³ à uma hora.

Com base nisso, L._n calculado pela fórmula:

eu_n = 3 × S_{por favor,}

Em expressão S_{por favor} - área útil.

2% de todas as perdas de calor são devidas à infiltração e 18% à ventilação. Se a sala estiver equipada com sistema de ventilação, os cálculos levam em consideração o TP por ventilação, mas não levam em consideração a infiltração

Em seguida, você precisa calcular a densidade do ar p_vnt a uma determinada temperatura ambiente t_vnt.

Isso pode ser feito usando a fórmula:

p_vnt = 353/(273+t_vnt),

Capacidade térmica específica c = 1,0005.

Se a ventilação ou infiltração estiver desorganizada, ou houver fissuras ou buracos nas paredes, o cálculo do TP através dos furos deve ser confiado a programas especiais.

Em nosso outro artigo, fornecemos detalhes exemplo de cálculo de engenharia térmica edifícios com exemplos e fórmulas específicas.

Exemplo de cálculo de equilíbrio térmico

Considere uma casa com 2,5 m de altura, 6 m de largura e 8 m de comprimento, localizada na cidade de Okha, na região de Sakhalin, onde em um dia extremamente frio de 5 dias o termômetro cai para -29 graus.

Como resultado da medição, a temperatura do solo foi determinada em +5. A temperatura recomendada dentro da estrutura é de +21 graus.

A forma mais cómoda de desenhar o diagrama de uma casa é no papel, indicando não só o comprimento, largura e altura do edifício, mas também a orientação em relação aos pontos cardeais, bem como a localização e dimensões das janelas e portas.

As paredes da casa em questão são compostas por:

• espessura da alvenaria B=0,51 m, CT k=0,64;
• lã mineral B=0,05m, k=0,05;
• voltado para B=0,09 m, k=0,26.

Na determinação de k, é melhor utilizar as tabelas apresentadas no site do fabricante ou encontrar informações na ficha técnica do produto.

Conhecendo a condutividade térmica, é possível selecionar os materiais mais eficazes em termos de isolamento térmico. Com base na tabela acima, é mais aconselhável usar placas de lã mineral e poliestireno expandido na construção

O piso consiste nas seguintes camadas:

• Placas OSB B=0,1 m, k=0,13;
• lã mineral B=0,05 m, k=0,047;
• betonilhas de cimento B=0,05 m, k=0,58;
• poliestireno expandido B=0,06m, k=0,043.

A casa não possui cave e o piso tem a mesma estrutura em toda a área.

O teto consiste em camadas:

• placas de gesso cartonado B=0,025 m, k= 0,21;
• isolamento B=0,05 m, k=0,14;
• cobertura B=0,05 m, k=0,043.

A casa possui apenas 6 janelas de câmara dupla com vidro I e argônio. Pela ficha técnica do produto sabe-se que R=0,7. As janelas têm dimensões de 1,1x1,4 m.

As portas têm dimensões de 1x2,2 m, R = 0,36.

Passo #1 - cálculo da perda de calor na parede

As paredes em toda a área consistem em três camadas. Primeiro, vamos calcular sua resistência térmica total.

Por que usar a fórmula:

R = ∑R_n,

e a expressão:

R_n = B/k

Levando em consideração as informações iniciais, obtemos:

R_st = 0.51/0.64 + 0.05/0.05 + 0.09/0.26 = 0.79 +1 + 0.35 = 2.14

Tendo descoberto R, você pode começar a calcular o TP das paredes norte, sul, leste e oeste.

Coeficientes adicionais levam em consideração as peculiaridades da localização das paredes em relação aos pontos cardeais. Normalmente na parte norte durante o tempo frio forma-se uma “rosa dos ventos”, pelo que o TP deste lado será mais elevado do que dos outros

Vamos calcular a área da parede norte:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

Então, substituindo na fórmula P_OK = ∑S × (t_vnt -t_nar) × R × eu e levando em consideração que l=1,1, obtemos:

P_sev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354

Área da parede sul S_yuch.st =S_sev.st = 20.

Não existem janelas ou portas embutidas na parede, portanto, tendo em conta o coeficiente l=1, obtemos o seguinte TP:

P_yuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140

Para as paredes oeste e leste, o coeficiente é l=1,05. Portanto, você pode encontrar a área total dessas paredes, ou seja:

S_zap.st +S_vost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30

Existem 6 janelas e uma porta embutida nas paredes. Vamos calcular a área total das janelas e portas S:

S_ok = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Vamos definir S paredes sem levar em conta S janelas e portas:

S_vost+zap = 30 — 9.24 — 2.2 = 18.56

Vamos calcular o TP total das paredes leste e oeste:

P_vost+zap =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085

Recebidos os resultados, vamos calcular a quantidade de calor que escapa pelas paredes:

Qst = Q_sev.st +Q_yuch.st +Q_vost+zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579

No total, o TP total das paredes é de 6 kW.

Passo #2 – cálculo do TP de janelas e portas

As janelas estão localizadas nas paredes leste e oeste, portanto, no cálculo, o coeficiente é l=1,05. Sabe-se que a estrutura de todas as estruturas é a mesma e R = 0,7.

Usando os valores de área fornecidos acima, obtemos:

P_ok = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340

Sabendo que para portas R=0,36 e S=2,2, determinamos o seu TP:

P_dv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42

Como resultado, 340 W de calor saem pelas janelas e 42 W pelas portas.

Passo #3 – determinação do TP do piso e do teto

Obviamente, a área do teto e do piso será a mesma e é calculada da seguinte forma:

S_polaco =S_ptl = 6 × 8 = 48

Calculemos a resistência térmica total do piso, levando em consideração sua estrutura.

R_polaco = 0.1/0.13 + 0.05/0.047 + 0.05/0.58 + 0.06/0.043 = 0.77 + 1.06 + 0.17 + 1.40 = 3.4

Sabendo que a temperatura do solo t_nar=+5 e levando em consideração o coeficiente l=1, calculamos Q do piso:

P_polaco = 48 × (21 — 5) × 1 × 3.4 = 2611

Arredondando, descobrimos que a perda de calor do piso é de cerca de 3 kW.

Nos cálculos de TP é necessário levar em consideração as camadas que afetam o isolamento térmico, por exemplo, concreto, placas, alvenaria, isolamento, etc.

Vamos determinar a resistência térmica do teto R_ptl e sua pergunta:

• R_ptl = 0.025/0.21 + 0.05/0.14 + 0.05/0.043 = 0.12 + 0.71 + 0.35 = 1.18
• P_ptl = 48 × (21 +29) × 1 × 1.18 = 2832

Segue-se que quase 6 kW passam pelo teto e pelo chão.

Passo #4 - cálculo da ventilação TP

A ventilação da sala é organizada e calculada pela fórmula:

P_v = 0,28 × L_n ×p_vnt × c × (t_vnt -t_nar)

Com base nas características técnicas, a transferência específica de calor é de 3 metros cúbicos por hora, ou seja:

eu_n = 3 × 48 = 144.

Para calcular a densidade usamos a fórmula:

p_vnt = 353/(273+t_vnt).

A temperatura ambiente estimada é de +21 graus.

A ventilação TP não é calculada se o sistema estiver equipado com um dispositivo de aquecimento de ar

Substituindo os valores conhecidos, obtemos:

p_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Vamos substituir os números resultantes na fórmula acima:

P_v = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21  — 29) = 2431

Tendo em conta o TP para ventilação, o Q total do edifício será:

Q = 7.000 + 6.000 + 3.000 = 16.000.

Convertendo para kW, obtemos uma perda total de calor de 16 kW.

Recursos de cálculo de SVO

Após encontrar o indicador TP, procedem ao cálculo hidráulico (doravante denominado GR).

Com base nele, são obtidas informações sobre os seguintes indicadores:

• o diâmetro ideal dos tubos, que, durante quedas de pressão, poderão passar uma determinada quantidade de refrigerante;
• fluxo de refrigerante em uma determinada área;
• velocidade de movimento da água;
• valor de resistividade.

Antes de iniciar os cálculos, para simplificar os cálculos, desenhe um diagrama espacial do sistema, no qual todos os seus elementos estão dispostos paralelamente entre si.

O diagrama mostra um sistema de aquecimento com fiação aérea, o movimento do refrigerante é um beco sem saída

Consideremos as principais etapas dos cálculos de aquecimento de água.

GR do anel de circulação principal

O método de cálculo do GR baseia-se no pressuposto de que as diferenças de temperatura são iguais em todos os risers e ramais.

O algoritmo de cálculo é o seguinte:

1. No diagrama mostrado, levando em consideração a perda de calor, são aplicadas as cargas térmicas que atuam nos dispositivos de aquecimento e risers.
2. Com base no diagrama, o anel de circulação principal (doravante denominado MCC) é selecionado. A peculiaridade deste anel é que nele a pressão de circulação por unidade de comprimento do anel assume o valor mais baixo.
3. O FCC é dividido em seções com consumo de calor constante. Para cada seção indique o número, carga térmica, diâmetro e comprimento.

Em um sistema vertical do tipo tubo único, o anel através do qual passa o riser mais carregado durante o beco sem saída ou movimento associado de água ao longo da rede é considerado o circuito de circulação principal.Falamos com mais detalhes sobre como conectar os anéis de circulação em um sistema monotubo e escolher o principal no próximo artigo. Prestamos atenção especial à ordem dos cálculos, utilizando um exemplo específico para maior clareza.

Em sistemas verticais de dois tubos, o fluido de circulação principal passa pelo dispositivo de aquecimento inferior, que tem carga máxima durante o beco sem saída ou movimento de água associado

Em um sistema horizontal de tubo único, o circuito de circulação principal deve ter a pressão de circulação mais baixa e um comprimento unitário do anel. Para sistemas com circulação natural a situação é semelhante.

Ao desenvolver risers de um sistema vertical do tipo tubo único, os risers de fluxo regulado e de fluxo, que incorporam componentes unificados, são considerados como um único circuito. Para risers com trechos de fechamento, a separação é realizada levando em consideração a distribuição de água na tubulação de cada unidade de instrumento.

O consumo de água em uma determinada área é calculado pela fórmula:

G_contato = (3,6 × Q_contato ×β₁ ×β₂)/((t_R -t₀)×c)

Na expressão, os caracteres alfabéticos assumem os seguintes significados:

• P_contato — carga térmica do circuito;
• β_1, β₂ — coeficientes tabulares adicionais que levam em conta a transferência de calor na sala;
• c — capacidade calorífica da água, igual a 4,187;
• t_R — temperatura da água na linha de abastecimento;
• t₀ — temperatura da água na linha de retorno.

Determinado o diâmetro e a quantidade de água, é necessário saber a velocidade do seu movimento e o valor da resistência específica R. Todos os cálculos são realizados de forma mais conveniente através de programas especiais.

Anel de circulação secundária GR

Após GR do anel principal, é determinada a pressão no pequeno anel de circulação formado através de seus risers mais próximos, levando em consideração que as perdas de pressão podem diferir em não mais que 15% em um circuito sem saída e em não mais que 5% em um circuito de passagem.

Se for impossível correlacionar a perda de pressão, instale uma arruela de aceleração, cujo diâmetro é calculado por métodos de software.

Cálculo de baterias de radiador

Voltemos à planta da casa acima. Através de cálculos, foi revelado que serão necessários 16 kW de energia para manter o equilíbrio térmico. A casa em questão dispõe de 6 divisões com diferentes finalidades - uma sala, uma casa de banho, uma cozinha, um quarto, um corredor e um hall de entrada.

Com base nas dimensões da estrutura, você pode calcular o volume V:

V=6×8×2,5=120m³

Em seguida, você precisa encontrar a quantidade de energia térmica por m³. Para isso, Q deve ser dividido pelo volume encontrado, ou seja:

P=16000/120=133 W por m³

Em seguida, você precisa determinar quanta energia de aquecimento é necessária para um ambiente. No diagrama, a área de cada cômodo já foi calculada.

Vamos determinar o volume:

• banheiro – 4.19×2.5=10.47;
• sala de estar – 13.83×2.5=34.58;
• cozinha – 9.43×2.5=23.58;
• quarto – 10.33×2.5=25.83;
• corredor – 4.10×2.5=10.25;
• corredor – 5.8×2.5=14.5.

Os cálculos também devem levar em consideração ambientes onde não existam radiadores de aquecimento, por exemplo, um corredor.

O corredor é aquecido passivamente; o calor fluirá para ele devido à circulação de ar térmico quando as pessoas se movem, através de portas, etc.

Vamos determinar a quantidade necessária de calor para cada sala multiplicando o volume da sala pelo índice R.

Vamos obter a potência necessária:

• para o banheiro — 10,47×133=1392 W;
• para sala de estar — 34,58×133=4599 W;
• para cozinha — 23,58×133=3136 W;
• para o quarto — 25,83×133=3435W;
• para o corredor — 10,25×133=1363 W;
• para o corredor — 14,5×133=1889 W.

Vamos começar a calcular as baterias do radiador. Usaremos radiadores de alumínio, cuja altura é de 60 cm, a potência a uma temperatura de 70 é de 150 W.

Vamos calcular o número necessário de baterias de radiador:

• banheiro — 1392/150=10;
• sala de estar — 4599/150=31;
• cozinha — 3136/150=21;
• quarto — 3435/150=23;
• corredor — 1889/150=13.

Total necessário: 10+31+21+23+13=98 baterias de radiador.

Também temos outros artigos em nosso site nos quais examinamos detalhadamente o procedimento para realizar cálculos térmicos de um sistema de aquecimento, cálculos passo a passo da potência de radiadores e tubos de aquecimento. E se o seu sistema exigir pisos aquecidos, você precisará realizar cálculos adicionais.

Todas essas questões são abordadas com mais detalhes em nossos artigos a seguir:

• Cálculo térmico de um sistema de aquecimento: como calcular corretamente a carga do sistema
• Cálculo de radiadores de aquecimento: como calcular a quantidade necessária e a potência das baterias
• Cálculo do volume da tubulação: princípios de cálculo e regras para cálculo em litros e metros cúbicos
• Como calcular um piso aquecido usando um sistema de água como exemplo
• Cálculo de tubos para pisos aquecidos: tipos de tubos, métodos e etapa de assentamento + cálculo de vazão

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo você pode ver um exemplo de cálculo de aquecimento de água, que é realizado através do programa Valtec:

Os cálculos hidráulicos são melhor realizados por meio de programas especiais que garantem alta precisão dos cálculos e levam em consideração todas as nuances do projeto.

Você é especialista em cálculo de sistemas de aquecimento utilizando água como refrigerante e deseja complementar nosso artigo com fórmulas úteis e compartilhar segredos profissionais?

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