Cálculo térmico de um sistema de aquecimento: como calcular corretamente a carga do sistema

O projeto e o cálculo térmico de um sistema de aquecimento são uma etapa obrigatória na organização do aquecimento doméstico.A principal tarefa das atividades computacionais é determinar os parâmetros ideais do sistema de caldeira e radiador.

Concordo, à primeira vista pode parecer que apenas um engenheiro pode realizar cálculos de engenharia térmica. Porém, nem tudo é tão complicado. Conhecendo o algoritmo de ações, você poderá realizar de forma independente os cálculos necessários.

O artigo descreve detalhadamente o procedimento de cálculo e fornece todas as fórmulas necessárias. Para um melhor entendimento, preparamos um exemplo de cálculo térmico para uma residência particular.

Cálculo térmico de aquecimento: procedimento geral

O cálculo térmico clássico de um sistema de aquecimento é um documento técnico consolidado que inclui métodos de cálculo padrão passo a passo obrigatórios.

Mas antes de estudar esses cálculos dos parâmetros principais, é necessário decidir sobre o conceito do próprio sistema de aquecimento.

O sistema de aquecimento é caracterizado pelo fornecimento forçado e remoção involuntária de calor para o ambiente.

As principais tarefas de cálculo e projeto de um sistema de aquecimento:

• determinar com mais segurança as perdas de calor;
• determinar a quantidade e as condições de uso do refrigerante;
• selecione os elementos de geração, movimento e transferência de calor com a maior precisão possível.

Durante a construção Sistemas de aquecimento É necessário recolher inicialmente uma variedade de dados sobre a divisão/edifício onde será utilizado o sistema de aquecimento. Após calcular os parâmetros térmicos do sistema, analise os resultados das operações aritméticas.

Com base nos dados obtidos, são selecionados os componentes do sistema de aquecimento, seguido da compra, instalação e comissionamento.

O aquecimento é um sistema multicomponente para garantir um regime de temperatura aprovado numa divisão/edifício.É uma parte separada do complexo de comunicações de uma área residencial moderna.

Vale ressaltar que este método de cálculo térmico permite calcular com bastante precisão um grande número de quantidades que descrevem especificamente o futuro sistema de aquecimento.

Como resultado do cálculo térmico, estarão disponíveis as seguintes informações:

• número de perdas de calor, potência da caldeira;
• número e tipo de radiadores térmicos para cada ambiente separadamente;
• características hidráulicas do gasoduto;
• volume, velocidade do refrigerante, potência da bomba de calor.

Os cálculos térmicos não são esboços teóricos, mas sim resultados precisos e razoáveis ​​que são recomendados para utilização na prática na seleção dos componentes do sistema de aquecimento.

Padrões para condições de temperatura ambiente

Antes de realizar quaisquer cálculos de parâmetros do sistema, é necessário, no mínimo, conhecer a ordem dos resultados esperados, e também ter características padronizadas de alguns valores tabulares que precisam ser substituídos em fórmulas ou guiados por eles .

Ao calcular parâmetros com tais constantes, você pode ter certeza da confiabilidade do parâmetro dinâmico ou constante desejado do sistema.

Para instalações de diversos fins, existem padrões de referência para condições de temperatura em instalações residenciais e não residenciais. Esses padrões estão consagrados nos chamados GOSTs

Para um sistema de aquecimento, um desses parâmetros globais é a temperatura ambiente, que deve ser constante independentemente da estação do ano e das condições ambientais.

De acordo com os regulamentos das normas e normas sanitárias, existem diferenças de temperatura em relação aos períodos de verão e inverno do ano.O sistema de ar condicionado é responsável pelo regime de temperatura da sala no verão, o princípio do seu cálculo é descrito detalhadamente em Este artigo.

Mas a temperatura ambiente no inverno é fornecida pelo sistema de aquecimento. Portanto, estamos interessados ​​nas faixas de temperatura e suas tolerâncias de desvio para o inverno.

A maioria dos documentos regulamentares estipula as seguintes faixas de temperatura que permitem que uma pessoa permaneça confortavelmente na sala.

Para escritórios não residenciais com área de até 100 m²:

• 22-24°С — temperatura ideal do ar;
• 1°С — flutuação permitida.

Para escritórios com área superior a 100 m² a temperatura é de 21-23°C. Para instalações industriais não residenciais, as faixas de temperatura variam muito dependendo da finalidade da sala e dos padrões de proteção trabalhista estabelecidos.

Cada pessoa tem sua própria temperatura ambiente confortável. Algumas pessoas gostam que o ambiente esteja muito quente, outras se sentem confortáveis ​​quando o ambiente está fresco - é tudo bastante individual

Quanto às instalações residenciais: apartamentos, casas particulares, quintas, etc., existem determinadas faixas de temperatura que podem ser ajustadas de acordo com a vontade dos residentes.

E ainda, para instalações específicas de um apartamento e casa temos:

• 20-22°С - sala de estar, incluindo quarto de criança, tolerância ±2°С -
• 19-21°С — cozinha, banheiro, tolerância ±2°С;
• 24-26°C — banheiro, chuveiro, piscina, tolerância ±1°С;
• 16-18°С — corredores, corredores, escadas, depósitos, tolerância +3°С

É importante notar que existem vários parâmetros mais básicos que afetam a temperatura ambiente e que você precisa focar no cálculo do sistema de aquecimento: umidade (40-60%), concentração de oxigênio e dióxido de carbono no ar ( 250:1), massa de velocidade de movimento do ar (0,13-0,25 m/s), etc.

Cálculo da perda de calor na casa

De acordo com a segunda lei da termodinâmica (física escolar), não há transferência espontânea de energia de mini ou macroobjetos menos aquecidos para mais aquecidos. Um caso especial desta lei é o “esforço” para criar equilíbrio de temperatura entre dois sistemas termodinâmicos.

Por exemplo, o primeiro sistema é um ambiente com temperatura de -20°C, o segundo sistema é um edifício com temperatura interna de +20°C. De acordo com a lei acima, estes dois sistemas procurarão equilibrar-se através da troca de energia. Isso acontecerá com a ajuda das perdas de calor do segundo sistema e do resfriamento do primeiro.

Podemos dizer com certeza que a temperatura ambiente depende da latitude em que a casa particular está localizada. E a diferença de temperatura afeta a quantidade de vazamento de calor do edifício (+)

A perda de calor refere-se à liberação involuntária de calor (energia) de algum objeto (casa, apartamento). Para um apartamento normal, este processo não é tão “perceptível” em comparação com uma casa privada, uma vez que o apartamento está localizado no interior do edifício e “adjacente” a outros apartamentos.

Em uma casa particular, o calor escapa em um grau ou outro pelas paredes externas, piso, telhado, janelas e portas.

Conhecendo a quantidade de perda de calor nas condições climáticas mais desfavoráveis ​​​​e as características dessas condições, é possível calcular a potência do sistema de aquecimento com alta precisão.

Assim, o volume de vazamento de calor do edifício é calculado pela seguinte fórmula:

Q=Q_chão+Q_parede+Q_janela+Q_teto+Q_porta+…+Q_eu, Onde

Qi — o volume de perda de calor de um tipo homogéneo de estrutura do edifício.

Cada componente da fórmula é calculado usando a fórmula:

Q=S*∆T/R, Onde

• P – vazamento de calor, V;
• S – área de um tipo específico de estrutura, m². m;
• ∆T – diferença nas temperaturas do ar ambiente e interior, °C;
• R – resistência térmica de um determinado tipo de estrutura, m²*°C/W.

Recomenda-se retirar o próprio valor da resistência térmica dos materiais reais existentes nas tabelas auxiliares.

Além disso, a resistência térmica pode ser obtida utilizando a seguinte relação:

R=d/k, Onde

• R – resistência térmica, (m²*K)/W;
• k – coeficiente de condutividade térmica do material, W/(m²*PARA);
• d – espessura deste material, m.

Nas casas antigas com coberturas húmidas, as fugas de calor ocorrem pela parte superior do edifício, nomeadamente através do telhado e sótão. Realizando atividades em isolamento de teto ou isolamento térmico do telhado do sótão Resolva esse problema.

Se você isolar o sótão e o telhado, a perda geral de calor da casa pode ser significativamente reduzida

Existem vários outros tipos de perda de calor na casa através de fissuras em estruturas, sistemas de ventilação, exaustores de cozinha e abertura de janelas e portas. Mas não faz sentido levar em conta o seu volume, uma vez que não constituem mais do que 5% do número total de fugas de calor principais.

Determinação da potência da caldeira

Para manter a diferença de temperatura entre o ambiente e a temperatura interna da casa, é necessário um sistema de aquecimento autônomo, que mantenha a temperatura desejada em cada cômodo de uma casa particular.

O sistema de aquecimento é baseado em diferentes tipos de caldeiras: combustível líquido ou sólido, elétrico ou gás.

Uma caldeira é a unidade central de um sistema de aquecimento que gera calor. A principal característica de uma caldeira é a sua potência, nomeadamente a taxa de conversão da quantidade de calor por unidade de tempo.

Após calcular a carga de aquecimento, obtemos a potência nominal necessária da caldeira.

Para um apartamento comum com vários cômodos, a potência da caldeira é calculada através da área e da potência específica:

R_caldeira=(S_{instalações}*R_específico)/10, Onde

• S_{instalações} — área total da sala aquecida;
• R_específico — potência específica relativa às condições climáticas.

Mas esta fórmula não leva em consideração as perdas de calor, que são suficientes em uma casa particular.

Existe outra proporção que leva em consideração este parâmetro:

R_caldeira=(Q_perdas*S)/100, Onde

• R_caldeira — potência da caldeira;
• P_perdas - perda de calor;
• S - área aquecida.

A potência projetada da caldeira precisa ser aumentada. A reserva é necessária caso pretenda utilizar a caldeira para aquecer água da casa de banho e da cozinha.

Na maioria dos sistemas de aquecimento de residências particulares, recomenda-se a utilização de um tanque de expansão no qual será armazenado o fornecimento de refrigerante. Toda casa particular precisa de abastecimento de água quente

Para prever a reserva de potência da caldeira, o fator de segurança K deve ser adicionado à última fórmula:

R_caldeira=(Q_perdas*S*K)/100, Onde

PARA — será igual a 1,25, ou seja, a potência projetada da caldeira será aumentada em 25%.

Assim, a potência da caldeira permite manter a temperatura normal do ar nas divisões do edifício, bem como ter um volume inicial e adicional de água quente na casa.

Características da seleção de radiadores

Os componentes padrão para fornecer calor em uma sala são radiadores, painéis, sistemas de piso radiante, convectores, etc.As partes mais comuns de um sistema de aquecimento são os radiadores.

O radiador térmico é uma estrutura oca especial do tipo modular feita de uma liga com alta dissipação de calor. É feito de aço, alumínio, ferro fundido, cerâmica e outras ligas. O princípio de funcionamento de um radiador de aquecimento reduz-se à radiação de energia do refrigerante para o espaço da sala através das “pétalas”.

Um radiador de aquecimento de alumínio e bimetálico substituiu enormes baterias de ferro fundido. Simplicidade de produção, alta transferência de calor, design e design bem-sucedidos tornaram este produto um instrumento popular e difundido para irradiação de calor em ambientes internos

Existem vários métodos cálculos de radiador de aquecimento no quarto. A lista de métodos abaixo é classificada em ordem crescente de precisão do cálculo.

Opções de cálculo:

1. Por área. N=(S*100)/C, onde N é o número de seções, S é a área da sala (m²), C - transferência de calor de uma seção do radiador (W, retirado do passaporte ou certificado do produto), 100 W - a quantidade de fluxo de calor necessária para aquecer 1 m² (valor empírico). Surge a pergunta: como levar em conta a altura do teto da sala?
2. Por volume. N=(S*H*41)/C, onde N, S, C são semelhantes. H - altura da sala, 41 W - quantidade de fluxo de calor necessária para aquecer 1 m³ (valor empírico).
3. Por probabilidades. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, onde N, S, C e 100 são iguais. k1 - tendo em conta o número de câmaras numa janela de vidro duplo de uma divisão, k2 - isolamento térmico das paredes, k3 - relação entre a área da janela e a área da divisão, k4 - temperatura média abaixo de zero na semana mais fria do inverno, k5 - número de paredes externas de um cômodo (que “se estendem” até a rua), k6 – tipo de cômodo acima, k7 – altura do teto.

Esta é a opção mais precisa para calcular o número de seções. Naturalmente, os resultados dos cálculos fracionários são sempre arredondados para o próximo número inteiro.

Cálculo hidráulico do abastecimento de água

É claro que a “imagem” do cálculo do calor para aquecimento não pode ser completa sem o cálculo de características como o volume e a velocidade do refrigerante. Na maioria dos casos, o refrigerante é água comum em estado agregado líquido ou gasoso.

Recomenda-se calcular o volume real do refrigerante somando todas as cavidades do sistema de aquecimento. Ao utilizar uma caldeira de circuito único, esta é a melhor opção. Ao utilizar caldeiras de circuito duplo em um sistema de aquecimento, é necessário levar em consideração o consumo de água quente para fins higiênicos e outros fins domésticos

O cálculo do volume de água aquecida por uma caldeira de circuito duplo para fornecer água quente aos moradores e aquecer o refrigerante é feito somando o volume interno do circuito de aquecimento e as reais necessidades de água aquecida dos usuários.

O volume de água quente no sistema de aquecimento é calculado pela fórmula:

W=k*P, Onde

• C — volume de refrigerante;
• P — potência da caldeira de aquecimento;
• k - fator de potência (número de litros por unidade de potência, igual a 13,5, faixa - 10-15 litros).

Como resultado, a fórmula final fica assim:

L = 13,5*P

A velocidade do refrigerante é a avaliação dinâmica final do sistema de aquecimento, que caracteriza a velocidade de circulação do fluido no sistema.

Este valor ajuda a avaliar o tipo e diâmetro da tubulação:

V=(0,86*P*μ)/∆T, Onde

• P — potência da caldeira;
• μ — eficiência da caldeira;
• ∆T - diferença de temperatura entre a água de abastecimento e a água de retorno.

Usando os métodos acima cálculo hidráulico, será possível obter parâmetros reais que são a “base” do futuro sistema de aquecimento.

Exemplo de cálculo térmico

Como exemplo de cálculo térmico, temos uma casa comum de 1 andar com quatro salas, uma cozinha, um banheiro, um “jardim de inverno” e despensas.

A fundação é feita de laje monolítica de concreto armado (20 cm), as paredes externas são de concreto (25 cm) com gesso, a cobertura é feita de vigas de madeira, a cobertura é de telhas metálicas e lã mineral (10 cm)

Designemos os parâmetros iniciais da casa necessários aos cálculos.

Dimensões do edifício:

• altura do piso - 3 m;
• pequena janela na frente e atrás do edifício 1470*1420 mm;
• grande janela de fachada 2080*1420 mm;
• portas de entrada 2000*900 mm;
• portas traseiras (saída para o terraço) 2000*1400 (700 + 700) mm.

A largura total do edifício é de 9,5 m², comprimento 16 m². Apenas as salas de estar (4 unidades), um banheiro e uma cozinha serão aquecidas.

Para calcular com precisão a perda de calor nas paredes, é necessário subtrair a área de todas as janelas e portas da área das paredes externas - este é um tipo de material completamente diferente com resistência térmica própria

Começamos calculando as áreas dos materiais homogêneos:

• área útil - 152 m²;
• área do telhado - 180 m² , tendo em conta que a altura do sótão é de 1,3 m e a largura da madre é de 4 m;
• área da janela - 3*1,47*1,42+2,08*1,42=9,22 m²;
• área da porta - 2*0,9+2*2*1,4=7,4 m².

A área das paredes externas será 51*3-9,22-7,4=136,38 m².

Vamos prosseguir para o cálculo da perda de calor para cada material:

• P_chão=S*∆T*k/d=152*20*0,2/1,7=357,65 W;
• P_teto=180*40*0,1/0,05=14400 W;
• P_janela=9,22*40*0,36/0,5=265,54W;
• P_portas=7,4*40*0,15/0,75=59,2 W;

E também Q_parede equivalente a 136,38*40*0,25/0,3=4546. A soma de todas as perdas de calor será 19.628,4 W.

Como resultado, calculamos a potência da caldeira: P_caldeira=Q_perdas*S_{aquecimento_quartos}*K/100=19628,4*(10,4+10,4+13,5+27,9+14,1+7,4)*1,25/100=19628,4*83,7*1,25/100=20536,2=21 kW.

Calcularemos o número de seções do radiador para uma das salas. Para todos os outros, os cálculos são semelhantes. Por exemplo, uma sala de canto (à esquerda, canto inferior do diagrama) tem uma área de 10,4 m2.

Isso significa N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10,4*1,0*1,0*0,9*1,3*1,2*1,0*1,05)/180=8,5176=9.

Esta divisão necessita de 9 secções de radiador de aquecimento com uma potência térmica de 180 W.

Vamos prosseguir para o cálculo da quantidade de refrigerante no sistema - W=13,5*P=13,5*21=283,5 l. Isto significa que a velocidade do líquido refrigerante será: V=(0,86*P*μ)/∆T=(0,86*21000*0,9)/20=812,7 l.

Como resultado, uma rotação completa de todo o volume de refrigerante no sistema será equivalente a 2,87 vezes por hora.

Uma seleção de artigos sobre cálculos térmicos ajudará você a determinar os parâmetros exatos dos elementos do sistema de aquecimento:

1. Cálculo do sistema de aquecimento de uma casa privada: regras e exemplos de cálculo
2. Cálculo de engenharia térmica de um edifício: especificidades e fórmulas para realização de cálculos + exemplos práticos

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Um cálculo simples de um sistema de aquecimento para uma casa particular é apresentado na seguinte revisão:

Todas as sutilezas e métodos geralmente aceitos para calcular a perda de calor de um edifício são mostrados abaixo:

Outra opção para calcular vazamentos de calor em uma casa particular típica:

Este vídeo descreve as características da circulação de portadores de energia para aquecimento de uma casa:

O cálculo térmico de um sistema de aquecimento é de natureza individual e deve ser realizado com competência e cuidado. Quanto mais precisos forem os cálculos, menos os proprietários de uma casa de campo terão que pagar a mais durante a operação.

Você tem experiência em realizar cálculos térmicos de um sistema de aquecimento? Ou ainda tem dúvidas sobre o tema? Por favor, compartilhe sua opinião e deixe comentários. O bloco de feedback está localizado abaixo.