Como fazer aquecimento a lenha em uma casa particular com circuitos de ar ou água

Existem muitas formas de aquecer uma casa particular, relacionadas ao uso de gás e eletricidade. Mas apesar da abundância de métodos modernos, o aquecimento por fogão a lenha ainda é relevante na construção de casas de campo e dachas.

Concorde, nada realça o charme de uma cabana russa como um fogão a lenha. Além disso, o aquecimento a combustível sólido é considerado uma das opções econômicas.

A organização do sistema de aquecimento começa com a escolha do equipamento do fogão e a definição do tipo de circuito de aquecimento. Propomos que você entenda a configuração e os princípios de funcionamento do aquecimento a água e a ar com base em um fogão. Para melhor compreensão do assunto, complementamos o material com esquemas e fotos ilustrativas.

Aquecimento por meio de sistema de ar

A razão da preferência consistente que os proprietários de casas particulares dão à opção de aquecimento por fogão a lenha está na economia de operação – disponibilidade de lenha, briquetes de combustível ou carvão.

A desvantagem consiste na limitação do espaço tratado, que pode ser eliminada através da instalação de um sistema de água e ar baseado em um fogão de tijolos.

A especificidade da configuração do aquecimento de edifícios baixos com fogão é apresentada na seleção de fotos:

O princípio de funcionamento do aquecimento a ar baseado em um fogão ou lareira consiste na transferência do fluxo de ar aquecido até a temperatura de trabalho no trocador de calor ou na caldeira. O ar entra diretamente no ambiente ou através de dutos de ar.

Devido ao caminho relativamente curto, ele não perde temperatura. Como resultado, consegue-se uma distribuição uniforme do calor pela casa.

A câmara de aquecimento de ar é instalada sobre a fornalha para que a superfície superior quente da fornalha e a chaminé transfiram o máximo de calor para ela. A circulação de ar ocorre naturalmente ou com a ajuda de ventiladores.

Um fogão de aço de fabricação industrial para aquecimento de um ambiente de 120 m² com fluxos de ar custa cerca de 120 €.

A circulação natural ocorre devido à diferença de densidade entre o ar frio e o quente. O ar frio, ao entrar na câmara de aquecimento, empurra o ar quente para os dutos de ar.

Este método não requer eletricidade, porém, com movimento insuficientemente rápido do ar através da câmara de aquecimento, ele se aquece excessivamente, o que pode causar problemas.

O aquecimento a ar com movimento natural do ar aquecido requer a instalação de dutos de ar para movimento direcionado. Nas versões forçadas, o movimento do ar é estimulado por um ventilador (+)

A circulação forçada ocorre com o uso de ventiladores ou bombas. No entanto, o aquecimento dos ambientes ocorre de forma mais rápida e uniforme. Com a ventilação forçada, ajustando seu modo, é possível controlar facilmente o volume de ar fornecido para diferentes ambientes, determinando assim o microclima de cômodos individuais da casa.

Quanto ao tipo de fornecimento de ar frio, os sistemas se dividem em duas variedades:

• Com recirculação total. As massas de ar aquecidas alternam com as resfriadas dentro de um mesmo ambiente. A desvantagem do esquema é que a qualidade do ar diminui a cada ciclo de aquecimento/resfriamento.
• Com recultivação parcial. É feita a captação de uma parte do ar fresco externo, que é misturada com uma parte do ar interno. Após o aquecimento, a mistura das duas porções de ar é fornecida ao consumidor. Vantagem: qualidade estável do ar; desvantagem: dependência de energia.

Entende-se que o primeiro grupo inclui sistemas de dutos com movimento natural do fluido térmico do ar. O segundo grupo inclui variantes com deslocamento forçado do ar, para cujo movimento não é necessário construir uma rede de dutos de ar.

A entrada de ar externo dá ao sistema de circulação natural um impulso adicional, permitindo dispensar o uso de ventiladores.

Principais vantagens do aquecimento a ar em comparação com o aquecimento a água:

• alta eficiência;
• ausência de falhas;
• ausência de radiadores nos ambientes.

A instalação de um circuito com movimento forçado permite dispensar a construção de um sistema de dutos de ar. Além disso, esta variante pode ser combinada com ar condicionado, umidificação e ionização do ar.

Se a instalação de um dispositivo que estimule o movimento do ar aquecido não for planejada, os seguintes métodos são usados para aumentar o desempenho do aquecedor:

O aumento da eficiência aumentará espontaneamente a velocidade do fluxo de ar: quanto mais rápido o ar aquece, mais intensa é a troca entre a massa de ar resfriada e aquecida.

Principais desvantagens do aquecimento a ar em comparação com o aquecimento a água:

• ao usar um forno, a temperatura do ar fornecido tem uma faixa significativa, ao contrário do uso de outros meios de aquecimento;
• os dutos de ar têm grande diâmetro, portanto a instalação deve ser feita na fase de construção;
• é preferível localizar o forno em um porão, caso contrário, é necessário usar ventiladores que produzem ruído.

O movimento do ar no ambiente tem um lado negativo – levanta poeira, no entanto, o uso de filtros na saída do duto de ar permite capturar essa poeira de forma eficaz, reduzindo assim a quantidade total de poeira na casa.

Outra característica do aquecimento a ar, que tem lados positivos e negativos, é a velocidade de transferência de calor. Por um lado, os ambientes aquecem mais rápido do que com aquecimento por circuito de água; por outro lado, não há inércia térmica – assim que o fogão ou a lareira se apaga, o ambiente começa a esfriar imediatamente.

Para garantir pressão uniforme nos ramais laterais do duto de ar, é necessário evitar sua inserção no último meio metro do duto principal.

Ao contrário do aquecimento a água, a instalação do sistema de aquecimento a ar não apresenta nenhuma dificuldade. Todos os elementos (tubos, curvas, grelhas de ventilação) podem ser facilmente conectados sem a necessidade de soldagem. Existem dutos de ar flexíveis que podem assumir qualquer forma, dependendo da geometria dos ambientes.

Apesar disso, os sistemas de aquecimento a ar baseados em fogões ou lareiras ainda não são amplamente difundidos. Muito mais comumente, na construção individual de baixa altura, o circuito de água é usado para aquecer ambientes.

Com base em um fogão ou lareira com fornalha de tijolos ou aço, é possível montar tanto aquecimento a ar quanto a água.

Configuração de aquecimento a água com base em fogão

Os princípios de funcionamento de qualquer aquecimento a água baseiam-se na distribuição do calor de uma fonte local por todo o ambiente, por meio do movimento da água ao longo do circuito de aquecimento.

Elementos principais do aquecimento a água

Para o esquema de aquecimento por fogão com circuito de água, os elementos principais são:

• fogão ou lareira com trocador de calor, no qual ocorre o aquecimento da água;
• circuito de aquecimento, onde ocorre a liberação de calor para o ambiente;
• tanque de expansão para evitar danos ao sistema devido ao aumento de pressão;
• bomba de circulação para garantir o movimento da água ao longo do circuito.

Existem regras gerais de funcionamento do aquecimento a água, como os esquemas de distribuição, que são bem conhecidos e que devem ser seguidos. No entanto, ao usar um fogão como fonte de calor, existem requisitos específicos relacionados à característica do regime de temperatura.

O princípio de funcionamento do aquecimento a água baseado em fogão ou lareira é simples, no entanto, é necessário calcular com precisão os parâmetros de todos os elementos do sistema

Os fogões não aquecem rapidamente e esfriam lentamente, ocorre uma liberação desigual de calor e apenas a instalação correta de todos os componentes do sistema evitará problemas com o aquecimento de qualidade dos ambientes da casa.

Tipos de trocador de calor e formas de instalação

Para a fabricação de trocadores de calor para fornos, utiliza-se chapa de aço “preto” ou aço inoxidável resistente ao calor. A utilização de ferro fundido como material de produção é difícil, mas é possível usar produtos prontos de ferro fundido, como radiadores de ferro fundido.

É possível usar cobre, que possui melhor condutividade térmica em comparação com o aço, no entanto, o preço de tal dispositivo será alto. Recomenda-se fabricar o trocador de calor com aço de espessura mínima de 3 mm. Em altas temperaturas do forno, que ocorrem no caso do uso de carvão ou, especialmente, coque, é necessário usar aço de 5 mm de espessura.

Os trocadores de calor podem ser divididos condicionalmente em três tipos:

• registros, serpentinas e radiadores, compostos por um conjunto de tubos;
• camisas (caldeiras), soldadas a partir de chapa de aço;
• opção combinada na forma de paredes verticais conectadas por tubos (os chamados “livros”).

As camisas de chapa de aço são mais fáceis de fabricar e mais fáceis de limpar dos produtos da combustão do combustível, porém as estruturas tubulares têm uma área de aquecimento maior. Ao fabricar a camisa, é necessário considerar a pressão excessiva da água que ocorre ao usar um tanque de expansão de membrana ou ao elevar a água a uma grande altura.

O trocador de calor para aquecimento de água com base no forno pode ser feito a partir de materiais disponíveis:

Nesse caso, é necessário usar aço com espessura de pelo menos 5 mm e reforçar adicionalmente as paredes com nervuras de rigidez para evitar sua deformação.

As formas das estruturas tubulares podem ser variadas, porém é necessário cumprir a condição de que o diâmetro interno dos tubos seja de pelo menos 3 cm. Caso contrário, com baixa velocidade de circulação ou temperatura muito alta, é provável que a água ferva.

Os registros são fabricados, geralmente, a partir de tubos perfilados, e não redondos, para facilitar os trabalhos de soldagem.

É possível fabricar o trocador de calor do tamanho necessário por conta própria. Nesse caso, é preciso dar atenção redobrada à qualidade da soldagem. Se ocorrer um vazamento no trocador de calor, toda a água será derramada no forno.

Além disso, para solucionar o problema, será necessário realizar uma grande quantidade de trabalho: desmontar o forno, retirar, soldar e recolocar o trocador de calor, e depois remontar o forno.

Existem duas opções de localização do trocador de calor. No primeiro caso, ele é colocado diretamente na câmara de combustão, reduzindo significativamente seu espaço. No segundo, os registros são instalados na coifa dos fornos sem retorno, porém o próprio forno, neste caso, tem uma construção mais complexa.

Na presença de um forno de coifa, é melhor colocar o trocador de calor na coifa: lá também é quente, e o espaço da fornalha permanecerá inalterado

Ao instalar um trocador de calor do tipo tubular, é necessário deixar uma folga entre ele e a parede do fogão. Isso é necessário para melhor aquecimento do fluido térmico, bem como para possibilitar a limpeza do registro. Tanto as camisas quanto os registros precisam ser limpos periodicamente, pois em caso de forte obstrução por cinzas, a eficiência da troca de calor diminui.

Na presença de uma placa de cozimento, a limpeza é feita após sua remoção. Se o fogão tiver apenas função de aquecimento, a limpeza é feita pela porta da fornalha.

Circulação de água no circuito de aquecimento

Os princípios básicos da organização da circulação natural da água no sistema consistem em modelar o 'coletor de aceleração' na saída do trocador de calor e em criar uma inclinação constante dos tubos do circuito de aquecimento de 3-5°.

O significado geral do 'coletor de aceleração' é que, a partir do fogão, a água aquecida sobe verticalmente e, em seguida, é distribuída pelo circuito de aquecimento.

A circulação ocorre devido à diferença de peso específico da água fria e quente. A água fria é mais pesada que a quente e, ao escoar para o trocador de calor, empurra a água quente para cima pelo tubo. O ponto de entrada do 'retorno' deve estar abaixo das saídas de água dos radiadores de aquecimento, caso contrário a circulação da água será muito lenta ou não ocorrerá.

O coletor de aceleração é necessário mesmo para circuitos de aquecimento de pequena extensão no caso de uso de circulação natural

Para aumentar a velocidade de deslocamento da água pelo circuito de aquecimento instala-se uma bomba de circulação. Dessa forma, ocorre uma distribuição mais rápida e uniforme do calor pela casa. Simultaneamente, podem ser usadas várias bombas para diferentes circuitos de aquecimento.

Na presença de picos de tensão, é necessário usar um estabilizador de tensão, pois a falha da bomba pode acarretar sérias consequências para todo o sistema.

As bombas podem ser divididas condicionalmente em dois grupos quanto à posição do motor: com rotor 'seco' e rotor 'molhado'. Quanto ao tipo de tensão: modelos que funcionam em rede de 220 V e bombas que funcionam com fontes de alimentação de 12 V.

O motor em bombas com rotor “seco” é isolado do impulsor submerso em água por anéis de vedação. Em comparação com bombas com motor submerso em água, as bombas “secas” têm maior eficiência.

No entanto, entre as desvantagens, podemos citar o alto nível de ruído, a necessidade de manutenção regular e uma vida útil mais curta. Portanto, em uma casa particular, geralmente são usadas bombas de circulação com rotor “molhado”.

A escolha do tipo de alimentação da bomba depende da possibilidade de circulação natural da água no sistema. Se isso não for possível sem a bomba, a escolha deve ser feita a favor da opção com suporte de tensão de 12 V e fonte de alimentação ininterrupta.

Caso contrário, em caso de falta de energia, pode ocorrer fervura da água e falha do sistema. Se a circulação natural for possível, é melhor comprar uma opção mais comum e barata com alimentação de 220 V.

Conectando uma bomba de 12 volts a uma fonte de alimentação ininterrupta, não há necessidade de se preocupar com o funcionamento do sistema de aquecimento.

Ao instalar uma bomba com alimentação de 220 V, é necessário garantir a possibilidade de funcionamento do sistema de aquecimento em caso de falta de energia. Para isso, é instalada uma válvula de fechamento no tubo e, em desvio, é montado um tubo de derivação com a bomba (o chamado “bypass”).

No tubo de derivação, antes da bomba, é instalada uma válvula-filtro e, depois, uma válvula de fechamento. Ajustando a posição das válvulas de fechamento nos tubos principal e de derivação, é possível ativar o modo de circulação forçada ou natural.

Geralmente, a bomba é instalada no “retorno” próximo ao fogão, para que a temperatura do fluido que passará pelo dispositivo seja a mais baixa possível. Isso prolongará significativamente a vida útil da bomba.

Além disso, é necessário posicionar o máximo possível de elementos de controle do sistema de aquecimento em um único local, para que, em caso de emergências, medidas possam ser tomadas rapidamente para resolvê-las.

A montagem de um tubo de derivação (bypass) permite que o sistema de aquecimento funcione durante uma queda de energia e também possibilita a remoção da bomba sem drenar a água.

Regras de uso do tanque de expansão

O líquido se expande quando aquecido e, se isso ocorrer em um sistema fechado, a pressão interna aumentará muito, e o aumento da pressão pode causar vazamento de água. O uso de uma válvula de segurança não é aconselhável, pois, após o resfriamento da água e a redução de seu volume, o ar será introduzido no sistema.

Portanto, em circuitos de aquecimento com circulação forçada de água, são usados tanques de expansão especiais tanques de expansão, que podem ser de tipos abertos ou fechados. Seu volume é calculado não apenas com base na expansão térmica máxima do líquido (5-7%), mas também considerando a possibilidade de ebulição do sistema.

O tanque de tipo aberto equipa o circuito de água do aquecimento a lenha do tipo gravitacional, ou seja, com transporte natural do fluido térmico. Consiste em um recipiente metálico de forma arbitrária, localizado na parte superior do circuito de aquecimento. Ele se comunica diretamente com a atmosfera, fazendo com que o fluido térmico evapore parcialmente.

A tubulação é conectada ao fundo ou ao quarto inferior do tanque, e na parte superior é soldado um tubo para drenagem da água em caso de transbordamento e para permitir a saída de ar do sistema. A prática mostra que o volume do tanque de tipo aberto deve ser de pelo menos 15% do volume de água no sistema de aquecimento.

O tanque de expansão de tipo aberto é geralmente colocado em uma sala técnica e sua aparência não tem importância.

O tanque de tipo fechado ou de membrana é um recipiente fechado com uma membrana em seu interior. A água, ao aquecer, aumenta a pressão, estica a membrana e entra no tanque. Em caso de excesso de pressão, a automação é acionada e o excesso de fluido térmico é descartado no esgoto.

Após o primeiro descarte, geralmente não há mais motivos para repeti-lo, pois o volume do fluido térmico se torna igual ao volume do sistema.

O tanque de membrana fechado é montado antes da bomba. Esse recipiente, ao contrário do tanque de tipo aberto, não consegue se livrar do ar sozinho, portanto, no topo do circuito de aquecimento, é necessário instalar uma válvula de Mayevsky (purga de ar manual) ou sua versão automática.

O único elemento do tanque de membrana que pode falhar com o tempo é a membrana, por isso é melhor comprar um tanque com possibilidade de substituição da mesma.

Ao comprar um tanque de tipo fechado, que às vezes é chamado de hidroacumulador, o principal é não confundi-lo com o hidroacumulador para abastecimento de água.

Para o tanque de membrana usado em aquecimento, a temperatura de trabalho é de até 120°C e a pressão de até 3 bar. Para abastecimento de água, são usados tanques com temperatura de até 70°C e pressão de até 10 bar.

Escolha entre tubos e radiadores

Como circuito de água no aquecimento a lenha, pode-se usar um sistema de tubos plásticos com radiadores (baterias) ou um sistema de tubos metálicos. A principal vantagem do uso de radiadores é que eles têm uma aparência mais bonita em comparação com os dutos de ar maciços.

A distribuição plástica pode ser facilmente escondida no chão, pois não libera calor. Embora, de acordo com as regras, a distribuição do aquecimento de água deva ser exposta. No entanto, as tubulações de polímero têm limitações: não podem ser instaladas onde haja risco de derretimento e exposição direta aos raios UV.

A vantagem dos tubos metálicos reside no menor custo de todo o circuito de aquecimento, na simplicidade de instalação e na menor frequência de problemas durante a operação do sistema.

O uso de tubos de aquecimento metálicos em vez de um sistema de radiadores com conexões de metal-plástico é justificado se o componente estético do design do ambiente não for importante.

Uma vantagem significativa de sistemas com radiadores é a facilidade de ajuste de temperatura. Mesmo os cálculos mais precisos do regime de temperatura do ambiente podem ser corrigidos. Por exemplo, para uma criança pequena com menos de 6 meses, recomenda-se uma temperatura de 19-21°C, enquanto a temperatura confortável no resto da casa é considerada 25°C.

Para garantir essa temperatura por um longo período de tempo no ambiente, é necessário fechar total ou parcialmente a válvula de fornecimento de calor para um dos radiadores. No caso de um tubo metálico, a questão também pode ser resolvida, mas de forma mais complexa: reduzir a transferência de calor de um segmento do tubo usando uma casca de poliuretano expandido ou revestida com papel alumínio.

Outra opção para o circuito de aquecimento pode ser piso aquecido a água. Este é um tipo de fornecimento de calor muito confortável para a sensação humana, no entanto, a instalação de piso aquecido é significativamente mais trabalhosa do que as opções discutidas anteriormente.

Além disso, ao usar piso aquecido, não é possível garantir uma inclinação para a circulação natural da água, o que, combinado com o pequeno diâmetro dos tubos do piso aquecido, leva à condição obrigatória de uso de uma bomba de circulação.

Para forçar a água através dos tubos do piso aquecido, é necessário usar uma bomba, a circulação natural não funcionará com essa geometria do sistema de aquecimento.

Prevenção de congelamento do sistema de aquecimento

O uso de água como fluido térmico tem uma desvantagem – em caso de congelamento do sistema de aquecimento, a tubulação e os dispositivos serão danificados. Especialmente difícil de recuperar neste caso é o trocador de calor integrado no forno.

Este problema é relevante para casas que podem não ser aquecidas por longos períodos durante o inverno. Uma das maneiras de evitar danos ao sistema é usar anticongelante destinado a sistemas de aquecimento em vez de água.

Para ambientes residenciais, como anticongelante, são usados líquidos à base de propilenoglicol, como uma substância atóxica, ao contrário do etilenoglicol.

No entanto, a ideia de usar anticongelante tem suas desvantagens:

• anticongelante à base de propilenoglicol é caro (desde 0,8 €/litro);
• a capacidade térmica específica do anticongelante é menor que a da água (aproximadamente 15%), portanto, é necessária uma maior potência do forno e uma maior área de superfície dos dispositivos de aquecimento dos ambientes;
• o anticongelante tem uma viscosidade dinâmica mais alta do que a água, portanto, é necessária uma bomba de circulação mais potente, e a circulação natural é impossível;
• Ao aquecer, o anticongelante se expande em até 40%, portanto é necessário usar um grande tanque de expansão do tipo fechado;
• O propilenoglicol é muito fluido, portanto penetra nas conexões do sistema de aquecimento pelas quais a água não penetra;
• O propilenoglicol é incompatível com tubos galvanizados, pois em contato os aditivos do anticongelante perdem suas propriedades;
• Ao ferver o anticongelante (o que é provável ao usar fogões), ocorre uma reação química irreversível, resultando na necessidade de drenar todo o sistema e reabastecer com anticongelante novamente.

Para o anticongelante, o sistema de aquecimento deve ser calculado com antecedência – seu uso em projetos implementados para água é bastante problemático.

Além disso, um projeto com uso de anticongelante será significativamente mais caro do que um sistema de aquecimento a água. Portanto, seu uso ainda não se difundiu amplamente em residências particulares com aquecimento a lenha, e para evitar o congelamento, outros métodos são utilizados.

Ao escolher um líquido para o sistema de aquecimento, é necessário considerar não apenas as características físico-químicas, mas também o seu perigo para os outros

Drenar a água do circuito e da camisa ou do registro do fogão é a solução mais comum para o problema durante longas ausências dos proprietários. Além do trabalho extra, as desvantagens desse método incluem o acesso do ar aos elementos metálicos do sistema pelo lado interno e, consequentemente, a propagação da corrosão.

Também, como solução para um curto período de tempo, utiliza-se a integração de uma caldeira elétrica de pequena potência no circuito de aquecimento. Seu funcionamento no nível mínimo de consumo de energia pode manter temporariamente a temperatura positiva da água.

Uma caldeira elétrica de baixa potência conectada ao sistema de aquecimento é capaz de manter a temperatura positiva da água em caso de longa ausência dos proprietários

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Sistema de aquecimento funcional baseado em fogão e circuito de água em uma casa particular com área de 80 metros quadrados:

O fornecimento de calor ao sistema de aquecimento a partir de fogões e lareiras ocorre em porções, o que dificulta a tarefa de calcular os parâmetros dos elementos do circuito de aquecimento. Realizar trabalhos de adaptação do circuito é bastante problemático, portanto, na falta de experiência nesta área, é melhor consultar especialistas qualificados para resolver tais problemas.

Você tem experiência em organizar aquecimento a lenha? Ou você aquece sua casa assim e gostaria de compartilhar suas impressões sobre o uso do fogão? Por favor, deixe comentários e faça perguntas. O formulário de contato está localizado abaixo.