Sistema de aquecimento de água com circulação forçada: esquemas, opções de implementação, detalhes técnicos

Muitas soluções modernas de aquecimento a água para residências exigem o uso de um grupo de bombas. O projeto e a instalação de um sistema de aquecimento com circulação forçada devem ser realizados considerando os aspectos técnicos que surgem devido ao rápido movimento do fluido térmico.

A alta pressão no circuito de aquecimento permite implementar vários esquemas de distribuição. Concorde, esta é uma vantagem importante do sistema de aquecimento com circulação forçada. No entanto, a instalação de tal esquema requer um projeto competente.

Vamos explicar a você com base em quais características os principais componentes de trabalho do sistema são selecionados, e também descreveremos detalhadamente as possíveis opções de distribuição da tubulação e as formas de organizar o circuito de aquecimento.

Características técnicas dos principais componentes do sistema

O esquema forçado difere do natural pela adição de uma ou mais bombas de circulação. Devido ao aumento da pressão e da velocidade do movimento do fluido térmico, as regras de formação dos componentes e a localização dos elementos do circuito mudam.

Este fato deve ser levado em consideração para garantir um aquecimento de qualidade com circulação forçada.

Requisitos gerais para o grupo de bombas

As bombas de circulação são selecionadas com base nos requisitos de volume de água bombeada (metros cúbicos por hora) e altura manométrica (metros). O cálculo de ambos os parâmetros depende da metragem cúbica da residência aquecida e do método de aquecimento, bem como do comprimento do circuito de água e do diâmetro dos seus tubos.

A bomba deve ser escolhida de modo que seus parâmetros não estejam “no limite exato” dos requisitos do sistema. Isso permitirá adicionar elementos ao circuito, se necessário, sem substituir a bomba.

Geralmente, as bombas são projetadas para tensão de 220 Volts, mas também existem algumas com suporte para 12 Volts. Em caso de flutuações de tensão, é necessário instalar um estabilizador para evitar que o dispositivo falhe.

Em caso de quedas de energia frequentes, é preciso garantir a disponibilidade de uma fonte de alimentação ininterrupta. Não é necessário adquirir um UPS potente – para aquecimento de residências particulares, raramente são utilizados dispositivos com consumo superior a 150 Watts por hora.

As bombas de circulação podem ser divididas condicionalmente em dois tipos de acordo com a posição do motor. Os dispositivos com rotor seco têm maior eficiência, mas apresentam maior nível de ruído e vida útil reduzida em comparação com os de rotor molhado.

Se a distribuição do sistema permitir o movimento natural do fluido térmico no circuito, a bomba deve ser instalada através de um “bypass”. Nesse caso, em caso de falha ou queda de energia, é possível alternar o aquecimento para o modo de circulação por gravidade.

Através de uma bomba inativa, a água também pode se mover, no entanto, ela criará forte resistência ao seu fluxo.

A escolha do modelo de bomba para um sistema de aquecimento específico é feita determinando o ponto de operação e sua correspondência com os valores exigidos de fluxo de fluido térmico (+).

O problema da parada da bomba é especialmente relevante no aquecimento por fogão ou lareira. Nesse caso, o fogão continuará aquecendo o trocador de calor, e é possível que a água ferva nele, causando danos prolongados a todo o sistema.

É melhor realizar a instalação da bomba no tubo de retorno, pois a temperatura mais baixa da água prolongará sua vida útil. Se não for possível instalar a bomba em outro local que não seja no tubo que sai da caldeira, deve-se usar uma bomba com selos de cerâmica.

Embora suportem temperaturas de até 110°C, quando o sistema entra em ebulição, podem também surgir problemas de funcionamento.

Ao montar a bomba no circuito através do bypass, é possível obter não apenas condições normais de funcionamento pelo princípio da circulação natural, mas também a possibilidade de remover a bomba sem drenar a água.

Informações úteis sobre a seleção de bombas de circulação para o sistema de aquecimento são fornecidas nos artigos:

1. Seleção de bomba de circulação: dispositivo, tipos e regras de escolha da bomba para aquecimento
2. Bomba de circulação para aquecimento: as dez melhores modelos e dicas para compradores

Detalhes na escolha de caldeiras e fornos

O uso de caldeiras elétricas e a gás, bem como fogões de combustão prolongada como geradores de calor, é atraente do ponto de vista da simplicidade de controlar a entrada de calor através do trocador de calor.

O uso de fogões a combustível sólido, especialmente de construções caseiras, pode resultar em liberação insuficiente ou excessiva de calor. No entanto, seu uso é frequentemente justificado pelo baixo custo e disponibilidade do combustível.

Atualmente, estão disponíveis muitos modelos de caldeiras elétricas e caldeiras a gás com bomba integrada. Por um lado, o sistema de circulação embutido é dimensionado para a potência da caldeira e evita a necessidade de comprar e instalar uma bomba separada. Por outro lado, em caso de falha da bomba embutida, não será tão fácil repará-la ou substituí-la quanto uma bomba separada.

A caldeira elétrica com bomba integrada é uma solução pronta e compacta para ser incluída em um esquema de circulação forçada.

Os requisitos para a caldeira ao usar circulação forçada são os mesmos que para a circulação natural:

• Cálculo da potência da caldeira – o indicador deve atender às necessidades de aquecimento da casa nas condições mais severas para uma determinada região. É aconselhável ter uma pequena margem de potência (10-20%) devido a possíveis circunstâncias de força maior que podem surgir no sistema de aquecimento.
• Prevenção da ebulição do fluido térmico no trocador de calor. Este requisito é mais fácil de cumprir ao usar a combinação “fogão – bomba” do que no modelo gravitacional de movimento do líquido.

Para evitar a ebulição da água no trocador de calor da caldeira, basta ajustar a potência de acordo com a temperatura do líquido de saída. Este método funciona para qualquer tipo de circulação.

A unidade de controle do modo de operação da caldeira a combustível sólido inclui a função de iniciar a bomba quando são atingidas temperaturas críticas na saída do trocador de calor.

Para fornos com circulação natural, não é possível evitar a ebulição do refrigerante em caso de carga excessiva de combustível. A única opção, quando há bomba, é aumentar o volume de fluido circulado através do trocador de calor.

Além disso, tal sistema anti-acidente pode ser automatizado usando um termostato e um módulo de controle de velocidade da bomba.

Montagem e verificação do circuito de água

Em um sistema de aquecimento com circulação forçada, as velocidades da água serão mais altas do que em um modelo por gravidade. Portanto, podem ser usados tubos de diâmetro menor com os mesmos parâmetros de aquecimento do edifício. Isso reduz o custo do aquecimento de água no que diz respeito a despesas com tubos, conexões e válvulas.

Além disso, elementos de diâmetro menor do circuito são mais fáceis de esconder em nichos técnicos ou integrar no interior dos ambientes.

Em comparação com a circulação natural, à pressão hidrostática da coluna de líquido será adicionada a pressão hidrodinâmica aumentada do fluxo. Portanto, para evitar vazamentos ou, ainda mais, o rompimento do sistema, é necessário seguir algumas regras.

Ao fazer a transição da circulação por gravidade para a circulação forçada, todos os vazamentos, mesmo os pequenos, no circuito devem ser eliminados. Com o aumento da pressão, a taxa de vazamento aumentará, o que, além de causar problemas no ambiente, resultará na diminuição da quantidade de refrigerante e na sua aeração excessiva (saturação de ar).

Antes do início da estação de aquecimento, é necessário realizar testes hidráulicos de resistência do circuito com a pressão máxima utilizada ou até um pouco mais alta. Isso permitirá identificar e corrigir problemas antes da chegada do frio, quando uma longa parada do aquecimento para reparos é indesejável.

Vazamentos em radiadores de aquecimento podem ocorrer nos lugares mais inesperados e a correção do problema levará muito tempo, por isso é melhor verificar a integridade do sistema com antecedência.

Como a velocidade de deslocamento do fluido térmico será maior que 0,25 m/s, de acordo com a SNiP 41-01-2003, não é necessário manter uma inclinação constante dos tubos para remover o ar do circuito. Portanto, na circulação forçada, a instalação de tubos e radiadores é um pouco mais simples do que no esquema gravitacional.

Opções de aquecimento com circulação forçada

O uso da circulação forçada permite se afastar do princípio de projetar a distribuição com a consideração obrigatória da diferença de pressão hidrostática, necessária para o funcionamento no esquema gravitacional.

Isso adiciona variedade ao modelar a geometria do circuito de água e oferece a possibilidade de usar soluções como aquecimento coletor ou piso aquecido de grande área.

Aplicação da distribuição superior e inferior

Qualquer esquema de aquecimento pode ser classificado como distribuição superior ou inferior. Na distribuição superior, a água quente sobe acima dos dispositivos de aquecimento e, em seguida, desce aquecendo os radiadores. Na inferior, a água quente é fornecida por baixo. Cada opção tem seus aspectos positivos.

A distribuição superior também é usada na circulação natural. Portanto, circuitos de aquecimento desse tipo permitem usar ambos os tipos de circulação. Isso, em primeiro lugar, oferece a possibilidade de escolha e, em segundo lugar, aumenta a confiabilidade do sistema.

No caso de falta de energia elétrica ou quebra da bomba, o movimento da água pelo circuito continuará, ainda que com menor velocidade.

Uma boa pressão permite escolher entre a distribuição superior e inferior, levando em consideração a conveniência da passagem dos tubos que fornecem o fluido térmico aos radiadores (+)

Ao usar a distribuição inferior, o comprimento total dos tubos é menor, o que reduz os custos de criação do sistema. Além disso, não há necessidade de instalar colunas no andar superior, o que é bom do ponto de vista do design dos ambientes. O tubo inferior de fornecimento de água quente é instalado no porão ou ao nível do piso do primeiro andar.

Variedades de esquemas de conexão de tubo único

O esquema de tubo único usa o mesmo tubo para fornecer água quente aos radiadores e retornar a água fria para a caldeira de aquecimento. Com essa distribuição, o comprimento dos tubos usados é quase reduzido pela metade, diminuindo a quantidade de conexões e válvulas de fechamento.

No entanto, o aquecimento dos radiadores ocorre em sequência, portanto, ao calcular o número de seções, é necessário considerar a diminuição gradual da temperatura do fluido térmico fornecido.

A conexão sequencial de radiadores usando um único tubo para fornecer fluido térmico é frequentemente usada em casas modernas para minimizar os custos de materiais e simplificar os trabalhos de instalação

Os esquemas monotubo podem ser implementados nas variantes horizontal e vertical. Com circulação forçada, no caso de uso de colunas verticais, é possível realizar a alimentação de água quente não apenas por cima, mas também por baixo.

A conveniência do uso de uma ou outra variante depende não apenas da facilidade de condução dos tubos, mas também da quantidade máxima permitida de radiadores em uma mesma coluna do circuito monotubo.

A conexão dos radiadores de aquecimento pode ser feita de duas maneiras:

• Conexão em série – o fluido térmico passa por todos os radiadores. Neste caso, é necessária uma quantidade mínima de tubos, porém, se for necessário desligar um dos radiadores, será preciso parar todo o ramo do sistema.
• Conexão com bypass – o fluido térmico pode passar desviando do radiador através de um desvio instalado. Com um sistema de válvulas, é possível redirecionar o fluxo para longe do radiador, permitindo sua reparação ou remoção sem interromper o aquecimento.

O esquema monotubo é frequentemente usado no aquecimento, porém, no caso de um grande número de radiadores, outra variante é aplicada para garantir um aquecimento uniforme.

Os esquemas monotubo têm muitas variantes de implementação com circulação forçada, portanto, é bastante fácil escolher a solução adequada para a geometria específica dos ambientes (+)

Maneiras de aplicar a variante de dois tubos

O esquema do circuito de aquecimento que utiliza um segundo tubo para conduzir a água resfriada de volta à caldeira é chamado de sistema de dois tubos. O comprimento dos tubos aumenta, assim como o número de conexões e dispositivos.

No entanto, o sistema tem uma vantagem importante – cada radiador recebe fluido térmico na mesma temperatura. Isso torna a variante de dois tubos muito atraente.

No aquecimento de água com circulação forçada, são utilizadas tanto a distribuição horizontal quanto a vertical. Além disso, na variante vertical, é possível usar a alimentação de água quente superior e inferior.

O esquema de dois tubos de alimentação e retorno de água, combinado com a conexão diagonal do radiador, proporciona a máxima transferência de calor para o ambiente

Como a temperatura da água fornecida a todos os radiadores é a mesma, a geometria dos circuitos depende apenas dos seguintes fatores:

• economia de materiais – minimização do comprimento dos tubos e do número de conexões;
• facilidade de passagem do circuito de aquecimento através de paredes e lajes;
• atração estética – possibilidade de integrar os elementos de aquecimento no interior dos ambientes.

Dependendo do movimento da água quente e resfriada, os esquemas de dois tubos são divididos em dois tipos:

1. Fluxo paralelo. O movimento em ambos os tubos ocorre na mesma direção. O ciclo de circulação do fluido térmico tem o mesmo comprimento para todos os radiadores nesta parte do sistema, portanto a velocidade de aquecimento deles é igual.
2. Dead-end. No sistema de fluxo paralelo, os radiadores mais próximos à caldeira aquecem mais rápido. No entanto, para sistemas com circulação forçada isso não é muito importante devido à alta velocidade da água no circuito.

Ao escolher entre as opções de fluxo paralelo e dead-end, a condição de conveniência para conduzir o tubo de retorno é considerada. Em sistemas verticais com distribuição inferior, obtém-se um sistema dead-end, e com distribuição superior, um sistema de fluxo paralelo.

Uso do coletor de distribuição de aquecimento

Outra forma popular de organizar o aquecimento atualmente é criar um sistema coletor. Até certo ponto, este sistema pode ser considerado uma subespécie do sistema de dois tubos, embora também seja usado na organização de circuitos de aquecimento de um tubo.

Apenas a distribuição do fluido térmico quente e a coleta do resfriado não ocorrem a partir da coluna principal, mas de dispositivos nodais de distribuição especiais – coletores. Esse sistema funciona de forma estável apenas com circulação forçada.

A distribuição radial em comparação com a de dois tubos requer a presença de um coletor, maior comprimento total de tubos, quantidade de conexões e válvulas de fechamento

O nó de distribuição para um sistema de dois tubos é uma combinação complexa de coletores de alimentação e retorno, por meio dos quais é realizada uma alimentação de fluido térmico equilibrada em temperatura e pressão.

Cada ramal do dispositivo alimenta um elemento de aquecimento ou um pequeno grupo deles. Os ramais geralmente estão localizados sob o piso, cada andar de um edifício de vários pavimentos é servido por um coletor instalado no centro.

Apesar das vantagens óbvias desta opção de organização do aquecimento, o sistema coletor tem duas desvantagens significativas:

• maior extensão de tubulações, portanto, esta opção de organização do circuito de água requer investimentos financeiros consideráveis;
• dificuldade de alterar o circuito – os tubos nesta opção geralmente estão localizados sob o piso ou nas paredes, portanto, caso seja necessário adicionar dispositivos de aquecimento, fazer qualquer ajuste será muito difícil.

Todos os coletores são geralmente montados em um armário especial, pois as válvulas de fechamento também ficam ali e é necessário acesso a elas. A disposição das torneiras em um único local é muito conveniente.

Caso seja necessário ligar ou desligar radiadores ou ocorrer uma situação de emergência, basta ter acesso ao armário e não é necessário visitar todos os cômodos.

Os coletores de distribuição podem ter uma estrutura simples, consistindo em dois pentes e o mínimo de válvulas de fechamento. Os conjuntos complexos também podem incluir termostatos automáticos, válvulas eletrônicas, misturadores, dispositivos automáticos de purga de ar, sensores e blocos de controle, válvula de drenagem de água e uma bomba de circulação separada.

Esses sistemas podem ajustar a temperatura da casa com mais precisão, mas exigem um bom entendimento dos fundamentos e nuances do aquecimento a água.

Aquecimento por piso radiante

Um dos métodos de aquecimento mais confortáveis é considerado a organização do piso radiante. Deve-se notar que a instalação desta opção de aquecimento para salas de estar, chuveiros, cozinhas e outros ambientes é bastante complexa.

O piso radiante a água de grande área só é possível com circulação forçada, pois é necessário criar pressão em um sistema longo de tubos estreitos.

A pressão é necessária para superar a resistência dos tubos estreitos com muitas curvas. Além disso, é necessário atingir a pressão que permita remover o ar dos tubos do piso radiante, que estão dispostos horizontalmente.

Existe um grande número de combinações para a colocação dos tubos:

• para salas pequenas são usados esquemas com uma entrada para água quente e uma saída para água resfriada;
• para ambientes grandes são organizados sistemas de piso radiante mais complexos usando um coletor de distribuição.

Frequentemente, são instaladas bombas de circulação separadas para os segmentos do circuito com piso radiante.

O uso do coletor é justificado para grandes áreas de piso radiante, quando os cálculos mostram que um único tubo pode não dar conta do aquecimento

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Exposição detalhada do esquema de aquecimento de dois tubos e bastante complexo para uma casa de dois andares:

Sistema de tipo fechado para uma casa de três andares baseado em caldeira a gás:

O uso de bombas no aquecimento a água de ambientes facilita significativamente o projeto do circuito, tornando possíveis opções inacessíveis ao modelo gravitacional. A seleção correta do equipamento permitirá resolver a questão do aquecimento da residência, tornando esse processo conveniente e simples.

Tem algo a acrescentar ou surgiram dúvidas sobre a organização do sistema de aquecimento com circulação forçada? Por favor, deixe comentários na publicação e participe das discussões. O formulário de contato está no bloco inferior.