Cálculo de engenharia térmica de um edifício: especificidades e fórmulas para realização de cálculos + exemplos práticos

Durante a operação do edifício, tanto o superaquecimento quanto o congelamento são indesejáveis.Os cálculos de engenharia térmica, que não são menos importantes do que os cálculos de eficiência, resistência, resistência ao fogo e durabilidade, permitirão determinar o meio-termo.

Com base em padrões de engenharia térmica, características climáticas, permeabilidade ao vapor e à umidade, são selecionados materiais para a construção de estruturas de fechamento. Veremos como realizar esse cálculo no artigo.

Objetivo do cálculo de engenharia térmica

Muito depende das características técnicas térmicas dos recintos permanentes do edifício. Isto inclui a umidade dos elementos estruturais e os indicadores de temperatura, que afetam a presença ou ausência de condensação nas divisórias e tetos internos.

O cálculo mostrará se as características estáveis ​​de temperatura e umidade serão mantidas em temperaturas positivas e negativas. A lista dessas características também inclui um indicador como a quantidade de calor perdida pela envolvente do edifício durante o período frio.

Você não pode começar a projetar sem ter todos esses dados. Com base neles são escolhidas a espessura das paredes e tetos e a sequência de camadas.

De acordo com os regulamentos GOST 30494-96, valores de temperatura em ambientes internos. Em média é 21⁰. Ao mesmo tempo, a umidade relativa deve permanecer dentro de uma faixa confortável, que é em média 37%. A maior velocidade de movimento da massa de ar é 0,15 m/s

O cálculo de engenharia térmica visa determinar:

1. Os projetos são idênticos aos requisitos declarados em termos de proteção térmica?
2. Até que ponto é garantido um microclima confortável no interior do edifício?
3. É fornecida proteção térmica ideal das estruturas?

O princípio principal é manter o equilíbrio da diferença nos indicadores de temperatura da atmosfera das estruturas internas de cercas e instalações. Se isto não for seguido, o calor será absorvido por estas superfícies e a temperatura no seu interior permanecerá muito baixa.

A temperatura interna não deve ser significativamente afetada por alterações no fluxo de calor. Essa característica é chamada de resistência ao calor.

Ao realizar um cálculo térmico, são determinados os limites ótimos (mínimo e máximo) das dimensões das paredes e espessuras do teto. Isto garante o funcionamento do edifício durante um longo período, ambos sem congelamento extremo das estruturas ou sobreaquecimento.

Opções para realizar cálculos

Para realizar cálculos de calor, você precisa de parâmetros iniciais.

Eles dependem de uma série de características:

1. Finalidade do edifício e seu tipo.
2. Orientações de estruturas envolventes verticais em relação às direções cardeais.
3. Parâmetros geográficos da futura casa.
4. O volume do edifício, o seu número de pisos, a área.
5. Tipos e dimensões de aberturas de portas e janelas.
6. Tipo de aquecimento e seus parâmetros técnicos.
7. Número de residentes permanentes.
8. Materiais para estruturas de vedação verticais e horizontais.
9. Tetos dos pisos superiores.
10. Equipamento de abastecimento de água quente.
11. Tipo de ventilação.

Outras características de projeto da estrutura também são levadas em consideração no cálculo. A permeabilidade ao ar das estruturas de fechamento não deve contribuir para o resfriamento excessivo no interior da casa e reduzir as características de proteção térmica dos elementos.

A perda de calor também é causada pelo encharcamento das paredes e, além disso, acarreta umidade, o que prejudica a durabilidade da edificação.

No processo de cálculo, em primeiro lugar, são determinados os dados técnicos térmicos dos materiais de construção a partir dos quais são feitos os elementos envolventes do edifício. Além disso, a resistência reduzida à transferência de calor e o cumprimento do seu valor padrão estão sujeitos a determinação.

Fórmulas para fazer cálculos

A perda de calor de uma casa pode ser dividida em duas partes principais: perdas através da envolvente do edifício e perdas causadas pelo funcionamento do edifício. sistema de ventilação. Além disso, o calor é perdido quando a água quente é descarregada no sistema de esgoto.

Perdas através da construção de envelopes

Para os materiais com os quais são construídas as estruturas envolventes, é necessário encontrar o valor do índice de condutividade térmica Kt (W/m x grau). Eles estão nos livros de referência relevantes.

Agora, conhecendo a espessura das camadas, conforme a fórmula: R = S/Kt, calcule a resistência térmica de cada unidade. Se a estrutura for multicamadas, todos os valores obtidos serão somados.

A maneira mais fácil de determinar o tamanho das perdas de calor é somando os fluxos térmicos através das estruturas envolventes que realmente formam este edifício.

Guiados por esta metodologia, levam em consideração o fato de que os materiais que compõem a estrutura possuem uma estrutura diferenciada. Também é levado em consideração que o fluxo de calor que passa por eles possui especificidades diferentes.

Para cada estrutura individual, a perda de calor é determinada pela fórmula:

Q = (A/R) x dT

Aqui:

• A é a área em m².
• R é a resistência da estrutura à transferência de calor.
• dT é a diferença de temperatura entre o exterior e o interior.Precisa ser determinado para o período mais frio de 5 dias.

Fazendo o cálculo desta forma, você pode obter o resultado apenas para o período mais frio de cinco dias. A perda total de calor para toda a estação fria é determinada tendo em conta o parâmetro dT, tendo em conta não a temperatura mais baixa, mas sim a média.

A extensão em que o calor é absorvido, bem como a transferência de calor, depende da umidade do clima da região. Por esse motivo, mapas de umidade são utilizados nos cálculos.

Em seguida, é calculada a quantidade de energia necessária para compensar a perda de calor perdida tanto através da envolvente do edifício como através da ventilação. É denotado pelo símbolo W.

Existe uma fórmula para isso:

W = ((Q + Qв) x 24 x N)/1000

Nele, N é a duração do período de aquecimento em dias.

Desvantagens do cálculo de área

O cálculo baseado no indicador de área não é muito preciso. Aqui, parâmetros como clima, indicadores de temperatura, mínimo e máximo, e umidade não são levados em consideração. Por ignorar muitos pontos importantes, o cálculo apresenta erros significativos.

Muitas vezes tentando cobri-los, o projeto inclui uma “reserva”.

Se, no entanto, este método for escolhido para cálculo, as seguintes nuances devem ser levadas em consideração:

1. Se a altura das cercas verticais for de até três metros e não houver mais do que duas aberturas em uma superfície, é melhor multiplicar o resultado por 100 W.
2. Se o projeto incluir varanda, duas janelas ou loggia, multiplique por uma média de 125 W.
3. Quando as instalações são industriais ou armazéns, utiliza-se um multiplicador de 150 W.
4. Se os radiadores estiverem localizados perto de janelas, sua capacidade projetada será aumentada em 25%.

A fórmula para área é:

Q=S x 100 (150) W.

Aqui Q é o nível de calor confortável no edifício, S é a área aquecida em m². Os números 100 ou 150 são a quantidade específica de energia térmica consumida para aquecer 1 m².

Perdas de ventilação da casa

O parâmetro chave neste caso é a taxa de câmbio aéreo. Desde que as paredes da casa sejam permeáveis ​​ao vapor, este valor é igual a um.

A penetração do ar frio na casa é feita através de ventilação de insuflação. A ventilação de exaustão ajuda a escapar o ar quente. O recuperador-trocador de calor reduz as perdas por ventilação. Não permite que o calor escape junto com o ar que sai e aquece os fluxos de ar que entram

Prevê-se que o ar no interior do edifício seja totalmente renovado em uma hora. Os edifícios construídos de acordo com a norma DIN possuem paredes com barreiras de vapor, portanto aqui a taxa de troca de ar é considerada igual a dois.

Existe uma fórmula que determina a perda de calor através do sistema de ventilação:

Qv = (V x Kv: 3600) x P x C x dT

Aqui os símbolos significam o seguinte:

1. Qв - perda de calor.
2. V é o volume da sala em mᶾ.
3. P é a densidade do ar. seu valor é considerado igual a 1,2047 kg/mᶾ.
4. Kv - taxa de câmbio aéreo.
5. C é a capacidade térmica específica. É igual a 1005 J/kg x C.

Com base nos resultados deste cálculo, é possível determinar a potência do gerador de calor do sistema de aquecimento. Se o valor da potência for muito alto, a solução para a situação pode ser dispositivo de ventilação com recuperador. Vejamos alguns exemplos de casas feitas de diferentes materiais.

Exemplo de cálculo de engenharia térmica nº 1

Vamos calcular um edifício residencial localizado na região climática 1 (Rússia), subdistrito 1B. Todos os dados são retirados da tabela 1 do SNiP 23-01-99. A temperatura mais fria observada em cinco dias com probabilidade de 0,92 é tн = -22⁰С.

De acordo com o SNiP, o período de aquecimento (zop) dura 148 dias. A temperatura média durante o período de aquecimento com a temperatura média diária do ar externo é de 8⁰ - tot = -2,3⁰. A temperatura externa durante a estação de aquecimento é = -4,4⁰.

A perda de calor de uma casa é o ponto mais importante na fase de projeto. A escolha dos materiais de construção e isolamento depende dos resultados do cálculo. Não há perdas zero, mas você precisa se esforçar para garantir que sejam o mais convenientes possível

A condição foi estipulada que a temperatura nos cômodos da casa fosse de 22⁰. A casa tem dois pisos e paredes com 0,5 m de espessura, 7 m de altura e dimensões planas de 10 x 10 m. O material das estruturas verticais de fechamento é a cerâmica quente. Para isso, o coeficiente de condutividade térmica é de 0,16 W/m x C.

Como isolamento externo foi utilizada lã mineral, com 5 cm de espessura. O valor Kt para isso é 0,04 W/m x C. O número de aberturas de janela na casa é de 15 unidades. 2,5 m² cada.

Perda de calor através das paredes

Em primeiro lugar, é necessário determinar a resistência térmica da parede cerâmica e do isolamento. No primeiro caso, R1 = 0,5: 0,16 = 3,125 sq. m x C/L. No segundo - R2 = 0,05: 0,04 = 1,25 sq. m x C/L. Em geral, para uma envolvente de edifício vertical: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 sq. m x C/L.

Como a perda de calor é diretamente proporcional à área das estruturas envolventes, calculamos a área das paredes:

A = 10 x 4 x 7 – 15 x 2,5 = 242,5 m²

Agora você pode determinar a perda de calor através das paredes:

Qс = (242,5: 4,375) x (22 – (-22)) = 2438,9 W.

A perda de calor através de estruturas envolventes horizontais é calculada de maneira semelhante. No final, todos os resultados são resumidos.

Se houver porão, a perda de calor pela fundação e piso será menor, pois o cálculo envolve a temperatura do solo e não do ar externo

Se a cave sob o piso do primeiro andar for aquecida, o piso não necessita de ser isolado. É ainda melhor forrar as paredes da cave com isolamento para que o calor não escape para o solo.

Determinação de perdas por ventilação

Para simplificar o cálculo, não levam em consideração a espessura das paredes, mas simplesmente determinam o volume de ar em seu interior:

V = 10x10x7 = 700 mᶾ.

Com uma taxa de troca de ar Kv = 2, a perda de calor será:

Qв = (700 x 2): 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 20.776 W.

Se Kv = 1:

Qв = (700 x 1): 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 10.358 W.

Os trocadores de calor rotativos e de placas fornecem ventilação eficaz de edifícios residenciais. A eficiência do primeiro é maior, chega a 90%.

Exemplo de cálculo de engenharia térmica nº 2

É necessário calcular as perdas através de uma parede de tijolos com 51 cm de espessura e isolada com uma camada de lã mineral de 10 cm. Exterior - 18⁰, interior - 22⁰. As dimensões da parede são 2,7 m de altura e 4 m de comprimento. A única parede exterior da sala está orientada a sul, não existem portas exteriores.

Para tijolo, o coeficiente de condutividade térmica Kt = 0,58 W/mºC, para lã mineral - 0,04 W/mºC. Resistência térmica:

R1 = 0,51: 0,58 = 0,879 m². m x C/L. R2 = 0,1: 0,04 = 2,5 m². m x C/L. Em geral, para uma envolvente de edifício vertical: R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 sq. m x C/L.

Área da parede externa A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Perda de calor através da parede:

Qс = (10,8: 3,379) x (22 – (-18)) = 127,9 W.

Para calcular as perdas pelas janelas, utiliza-se a mesma fórmula, mas sua resistência térmica, via de regra, está indicada no passaporte e não precisa ser calculada.

No isolamento térmico de uma casa as janelas são o “elo fraco”. Uma proporção bastante grande de calor é perdida através deles. Janelas com vidros duplos multicamadas, películas refletoras de calor e molduras duplas reduzirão as perdas, mas mesmo isso não ajudará a evitar completamente a perda de calor

Se a casa possuir janelas economizadoras de 1,5 x 1,5 m², orientadas para Norte, e a resistência térmica for de 0,87 m2°C/W, então as perdas serão:

Q® = (2,25: 0,87) x (22 – (-18)) = 103,4 t.

Exemplo de cálculo de engenharia térmica nº 3

Vamos realizar o cálculo térmico de um edifício de toras de madeira com fachada construída em toras de pinheiro com camada de 0,22 m de espessura.O coeficiente para este material é K = 0,15. Nesta situação, a perda de calor será:

R = 0,22: 0,15 = 1,47 m² x ⁰С/W.

A temperatura mais baixa do período de cinco dias é de -18⁰, para conforto da casa a temperatura é fixada em 21⁰. A diferença será de 39⁰. Com base em uma área de 120 m², o resultado será:

Qс = 120 x 39: 1,47 = 3184 W.

Para efeito de comparação, vamos determinar as perdas de uma casa de alvenaria. O coeficiente para tijolo sílico-calcário é 0,72.

R = 0,22: 0,72 = 0,306 m² x ⁰С/W.
Qс = 120 x 39: 0,306 = 15.294 W.

Nas mesmas condições, uma casa de madeira é mais econômica. O tijolo sílico-calcário não é adequado para a construção de paredes aqui.

A estrutura de madeira possui alta capacidade térmica. Suas estruturas envolventes mantêm uma temperatura confortável por muito tempo. Mesmo assim, mesmo uma casa de toras precisa ser isolada e é melhor fazer isso tanto por dentro quanto por fora

Construtores e arquitetos recomendam que você definitivamente faça cálculo de calor para instalação de aquecimento para a seleção adequada do equipamento e na fase de projeto da casa para a escolha de um sistema de isolamento adequado.

Exemplo de cálculo de calor nº 4

A casa será construída na região de Moscou. Para o cálculo foi retirada uma parede feita de blocos de espuma. Como o isolamento é aplicado espuma de poliestireno extrudado. O acabamento da estrutura é em gesso nas duas faces. Sua estrutura é areia calcária.

O poliestireno expandido tem densidade de 24 kg/mᶾ.

A umidade relativa do ar na sala é de 55% a uma temperatura média de 20⁰. Espessura da camada:

• gesso - 0,01 m;
• espuma de concreto - 0,2 m;
• poliestireno expandido - 0,065 m.

A tarefa é encontrar a resistência necessária e real à transferência de calor. O Rtr necessário é determinado substituindo os valores na expressão:

Rtr=a x GSOP+b

onde GOSP é o grau-dia da estação de aquecimento, aeb são coeficientes retirados da tabela nº 3 do Código de Normas 50.13330.2012. Como o edifício é residencial, a é 0,00035, b = 1,4.

O GSOP é calculado usando uma fórmula retirada do mesmo SP:

GOSP = (tv – tot) x zot.

Nesta fórmula, tв = 20⁰, tоt = -2,2⁰, zоt - 205 é o período de aquecimento em dias. Por isso:

GSOP = (20 – (-2,2)) x 205 = 4551⁰ C x dia;

Rtr = 0,00035 x 4551 + 1,4 = 2,99 m2 x C/W.

Utilizando a tabela nº 2 SP50.13330.2012, determine os coeficientes de condutividade térmica para cada camada da parede:

• λb1 = 0,81 W/m ⁰С;
• λb2 = 0,26 W/m ⁰С;
• λb3 = 0,041 W/m ⁰С;
• λb4 = 0,81 W/m ⁰С.

A resistência condicional total à transferência de calor Ro é igual à soma das resistências de todas as camadas. É calculado usando a fórmula:

Esta fórmula foi retirada da SP 50.13330.2012. Aqui 1/av é a resistência à percepção de calor das superfícies internas. 1/an - igual ao externo, δ / λ - resistência térmica da camada

Substituindo os valores obtemos: Rо arb. = 2,54 m2°C/W. Rф é determinado multiplicando Ro por um coeficiente r igual a 0,9:

Rf = 2,54 x 0,9 = 2,3 m2 x °C/W.

O resultado requer uma mudança no design do elemento envolvente, uma vez que a resistência térmica real é menor que a calculada.

Existem muitos serviços informáticos que agilizam e simplificam os cálculos.

Os cálculos térmicos estão diretamente relacionados à determinação ponto de condensação da água. Você aprenderá o que é e como encontrar seu significado no artigo que recomendamos.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Execução de cálculos de engenharia térmica usando uma calculadora online:

Cálculo correto de engenharia térmica:

Um cálculo termotécnico competente permitirá avaliar a eficácia do isolamento dos elementos externos da casa e determinar a potência do equipamento de aquecimento necessário.

Como resultado, você pode economizar dinheiro na compra de materiais e dispositivos de aquecimento. É melhor saber com antecedência se o equipamento aguenta o aquecimento e o ar condicionado do edifício do que comprar tudo ao acaso.

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