Como calcular o piso aquecido: exemplo com sistema de água

Muitos fatores influenciam a eficiência do piso aquecido. Sem considerá-los, mesmo que o sistema esteja corretamente instalado e os materiais mais modernos sejam utilizados, a eficiência térmica real não atenderá às expectativas.

Por esse motivo, os trabalhos de instalação devem ser precedidos por um cálculo adequado do piso aquecido, e só então um bom resultado pode ser garantido.

O desenvolvimento de um projeto de sistema de aquecimento não é barato, por isso muitos artesãos caseiros realizam os cálculos por conta própria. Você concorda que a ideia de reduzir os custos de instalação de um piso aquecido parece muito tentadora.

Nós o orientaremos sobre como criar um projeto, quais critérios considerar ao escolher os parâmetros do sistema de aquecimento e detalharemos o método de cálculo passo a passo. Para maior clareza, preparamos um exemplo de cálculo de piso aquecido.

Dados iniciais para o cálculo

Um planejamento inicial correto do andamento dos trabalhos de projeto e instalação evitará surpresas e problemas desagradáveis no futuro.

Ao calcular o piso aquecido, é necessário partir dos seguintes dados:

• material das paredes e características de sua construção;
• dimensões do ambiente em planta;
• tipo de revestimento final;
• construção de portas, janelas e sua localização;
• localização dos elementos estruturais em planta.

Para um projeto adequado, é obrigatório considerar o regime de temperatura estabelecido e a possibilidade de seu ajuste.

Para um cálculo aproximado, considera-se que 1 m² do sistema de aquecimento deve compensar as perdas de calor de 1 kW. Se o circuito de aquecimento a água for usado como complemento ao sistema principal, ele deve cobrir apenas parte das perdas de calor.

Existem recomendações sobre a temperatura do piso que proporciona uma estadia confortável em ambientes de diferentes finalidades:

• 29°C — zona residencial;
• 33°C — banheiro, ambientes com piscina e outros com alta umidade;
• 35°C — zonas frias (perto de portas de entrada, paredes externas, etc.).

Exceder esses valores resulta em superaquecimento tanto do sistema quanto do revestimento final, com consequente dano inevitável ao material.

Após realizar cálculos preliminares, é possível selecionar a temperatura ideal do fluido de aquecimento de acordo com as sensações pessoais, determinar a carga no circuito de aquecimento e adquirir equipamentos de bombeamento que lidam impecavelmente com a estimulação do movimento do fluido de aquecimento. Eles são escolhidos com uma margem de 20% no fluxo do fluido de aquecimento.

Muito tempo é gasto no aquecimento da argamassa com espessura superior a 7 cm. Portanto, ao instalar sistemas de água, tenta-se não exceder esse limite. O revestimento mais adequado para pisos aquecidos a água é a cerâmica; sob o parquet, devido à sua baixíssima condutividade térmica, não se instalam pisos aquecidos.

Na fase de projeto, deve-se decidir se o piso aquecido será a principal fonte de calor ou se será usado apenas como complemento ao circuito de radiadores. Disso depende a parcela das perdas de energia térmica que ele terá que compensar. Ela pode variar de 30% a 60%, com variações.

O tempo de aquecimento do piso aquecido a água depende da espessura dos elementos que compõem a argamassa. A água como fluido de aquecimento é muito eficiente, mas o próprio sistema se destaca pela complexidade na instalação.

Determinação dos parâmetros do piso aquecido

O objetivo do cálculo é obter o valor da carga térmica. O resultado deste cálculo influencia as próximas etapas a serem tomadas. Por sua vez, a carga térmica é influenciada pelo valor médio da temperatura de inverno em uma região específica, pela temperatura esperada dentro dos cômodos, pelo coeficiente de transferência de calor do teto, paredes, janelas e portas.

A causa da perda de calor são as paredes, janelas e portas mal isoladas da casa. A maior porcentagem de calor escapa através do sistema de ventilação e do telhado (+).

O resultado final dos cálculos antes da instalação do piso aquecido do tipo água dependerá também da presença de dispositivos de aquecimento adicionais, incluindo a liberação de calor das pessoas que moram na casa e dos animais de estimação. A presença de infiltração é obrigatoriamente considerada no cálculo.

Um dos parâmetros importantes é a configuração dos cômodos, portanto, será necessário o plano do piso da casa e os cortes correspondentes.

Metodologia de cálculo das perdas de calor

Ao determinar este parâmetro, você saberá quanto calor o piso deve gerar para o conforto das pessoas no ambiente, e poderá escolher a caldeira, a bomba e o piso adequados em termos de potência. Em outras palavras: o calor fornecido pelos circuitos de aquecimento deve compensar as perdas térmicas da edificação.

A relação entre esses dois parâmetros é expressa pela fórmula:

Mp = 1,2 x Q, onde

• Mp — a potência necessária dos circuitos;
• Q — as perdas de calor.

Para determinar o segundo indicador, são realizadas medições e cálculos da área das janelas, portas, lajes e paredes externas. Como o piso será aquecido, a área dessa estrutura de fechamento não é considerada. As medições são feitas pelo lado externo, incluindo os cantos do edifício.

No cálculo, serão considerados tanto a espessura quanto o coeficiente de condutividade térmica de cada estrutura. Os valores normativos do coeficiente de condutividade térmica (λ) para os materiais mais comuns podem ser obtidos na tabela.

Da tabela, pode-se obter o valor do coeficiente para o cálculo. É importante consultar o fornecedor sobre o valor da resistência térmica do material no caso de instalação de janelas de metal-plástico (+).

O cálculo das perdas de calor é realizado separadamente para cada elemento do edifício, utilizando a fórmula:

Q = 1/R*(tv-tn)*S x (1+∑b), onde

• R — resistência térmica do material do qual a estrutura de fechamento é feita;
• S — área do elemento estrutural;
• tv e tn — temperatura interna e externa, respectivamente, sendo que o segundo valor é adotado como o mais baixo;
• b — perdas adicionais de calor relacionadas à orientação do edifício em relação aos pontos cardeais.

O valor da resistência térmica (R) é encontrado dividindo-se a espessura da estrutura pelo coeficiente de condutividade térmica do material do qual ela é feita.

O valor do coeficiente b depende da orientação da casa:

• 0,1 — norte, noroeste ou nordeste;
• 0,05 — oeste, sudeste;
• 0 — sul, sudoeste.

Se considerarmos a questão em qualquer exemplo de cálculo de piso aquecido a água, ela se torna mais clara.

Exemplo concreto de cálculo

Suponhamos que as paredes de uma casa de uso não permanente, com espessura de 20 cm, sejam feitas de blocos de concreto aerado. A área total das paredes de fechamento, descontadas as aberturas de janelas e portas, é de 60 m². A temperatura externa é de -25°C, a interna de +20°C, e a estrutura está orientada para sudeste.

Considerando que o coeficiente de condutividade térmica dos blocos λ = 0,3 W/(m·°C), é possível calcular as perdas de calor através das paredes: R = 0,2/0,3 = 0,67 m²·°C/W.

Observam-se perdas de calor também através da camada de reboco. Se sua espessura for 20 mm, então Rreb. = 0,02/0,3 = 0,07 m²°C/W. A soma desses dois indicadores dará o valor das perdas de calor pelas paredes: 0,67+0,07 = 0,74 m²°C/W.

Tendo todos os dados iniciais, substituem-se na fórmula e obtêm-se as perdas de calor da sala com essas paredes: Q = 1/0,74*(20 — (-25)) *60*(1+0,05) = 3831,08 W.

Da mesma forma, calculam-se as perdas de calor através das demais estruturas de fechamento: janelas, vãos de portas, telhado.

O calor fornecido pelos circuitos de aquecimento pode ser insuficiente para aquecer o ar dentro da casa até o valor desejado, se sua potência for subdimensionada. Com potência excessiva, ocorrerá um desperdício de fluido térmico.

Para determinar as perdas de calor pelo teto, considera-se sua resistência térmica igual ao valor para o tipo de isolamento planejado ou existente: R = 0,18/0,041 = 4,39 m²°C / W.

A área do teto é idêntica à área do piso e é igual a 70 m². Substituindo esses valores na fórmula, obtêm-se as perdas de calor pela estrutura de fechamento superior: Q teto = 1/4,39*(20 — (-25))* 70* (1+0,05) = 753,42 W.

Para determinar as perdas de calor pela superfície das janelas, é necessário calcular sua área. Com 4 janelas de 1,5 m de largura e 1,4 m de altura, sua área total será: 4*1,5*1,4 = 8,4 m².

Se o fabricante indica separadamente a resistência térmica para o vidro duplo e o perfil — 0,5 e 0,56 m²°C/W respectivamente, então Rjanelas = 0,5*90+0,56*10)/100 = 0,56 m²°C/W. Aqui, 90 e 10 são a parcela correspondente a cada elemento da janela.

Com base nos dados obtidos, continuam-se os cálculos adicionais: Qjanelas = 1/0,56*(20 — (-25))*8,4*(1+0,05) = 708,75 W.

A porta externa tem área de 0,95*2,04 = 1,938 m². Então Rporta = 0,06/0,14 = 0,43 m²°C/W. Q porta = 1/0,43*(20 — (-25))* 1,938*(1+0,05) = 212,95 W.

Como as portas externas são abertas com frequência, uma grande quantidade de calor é perdida através delas. Portanto, é importante garantir seu fechamento hermético.

No total, as perdas de calor serão: Q = 3831,08 +753,42 + 708,75 + 212,95 + 7406,25 = W.

A este resultado adicionam-se mais 10% para infiltração de ar, então Q = 7406,25+740,6 = 8146,85 W.

Agora pode-se determinar também a potência térmica do piso: Mp = 1,*8146,85 = 9776,22 W ou 9,8 kW.

Calor necessário para aquecer o ar

Se a casa está equipada com sistema de ventilação, então uma parte do calor gerado pela fonte deve ser gasta no aquecimento do ar que vem de fora.

Para o cálculo, aplica-se a fórmula:

Qv. = c*m*(tv—tn), onde

• c = 0,28 kg°C e denota a capacidade térmica da massa de ar;
• m símbolo denota o fluxo mássico de ar externo em kg.

O último parâmetro é obtido multiplicando o volume total de ar, igual ao volume de todos os cômodos, assumindo que o ar é renovado a cada hora, pela densidade, que varia conforme a temperatura.

O gráfico mostra a dependência da densidade do ar em relação à sua temperatura. Esses dados são necessários para calcular a quantidade de calor necessária para aquecer a massa de ar que entra na casa como resultado da ventilação forçada (+).

Se o edifício recebe 400 m³/h, então m=400*1,422 = 568,8 kg/h. Qv = 0,28*568,8*45 = 7166,88 W.

Neste caso, a potência térmica necessária do piso aumentará significativamente.

Cálculo da quantidade necessária de tubos

Para a instalação de um piso com aquecimento a água, são escolhidos diferentes métodos de colocação de tubos, que diferem em formato: três tipos de serpentina – serpentina simples, angular, dupla e espiral. Em um único circuito instalado, pode haver uma combinação de diferentes formatos. Às vezes, para a zona central do piso, escolhe-se a 'espiral' e para as bordas, um dos tipos de 'serpentina'.

A 'espiral' é uma escolha racional para ambientes amplos com geometria simples. Em ambientes muito alongados ou com contornos complexos, é melhor aplicar a 'serpentina' (+).

A distância entre os tubos é chamada de passo. Ao escolher este parâmetro, é necessário atender a dois requisitos: a planta do pé não deve sentir diferença de temperatura em zonas individuais do piso, e os tubos devem ser usados da forma mais eficiente possível.

Para as zonas de borda do piso, recomenda-se usar um passo de 100 mm. Nas demais áreas, pode-se escolher um passo entre 150 e 300 mm.

O isolamento térmico do piso é de grande importância. No primeiro andar, sua espessura deve atingir no mínimo 100 mm. Para esse fim, utiliza-se lã mineral ou poliestireno extrudado.

Para calcular o comprimento do tubo, existe uma fórmula simples:

L = S/N*1.1, onde

• S – área do contorno;
• N – passo de colocação;
• 1,1 – margem para curvas de 10%.

Ao valor final, adiciona-se o trecho de tubo instalado do coletor até a distribuição do circuito de aquecimento, tanto no retorno quanto na alimentação.

Exemplo de cálculo.

Valores iniciais:

• área – 10 m²;
• distância até o coletor – 6 m;
• passo de colocação – 0,15 m.

A solução do problema é simples: 10/0,15*1,1+(6*2) = 85,3 m.

Usando tubos de metal-plástico com comprimento de até 100 m, na maioria das vezes escolhe-se o diâmetro de 16 ou 20 mm. Para tubos com comprimento de 120-125 m, a seção transversal deve ser de 20 mm².

A construção de circuito único é adequada apenas para ambientes de área pequena. Em salas grandes, o piso é dividido em vários circuitos na proporção de 1:2 – o comprimento da construção deve exceder a largura em 2 vezes.

O valor calculado anteriormente é a extensão total do tubo para piso. No entanto, para uma visão completa, é necessário destacar o comprimento de um circuito individual.

Este parâmetro é influenciado pela resistência hidráulica do circuito, determinada pelo diâmetro dos tubos selecionados e pelo volume de água fornecido por unidade de tempo. Se esses fatores forem negligenciados, as perdas de pressão serão tão grandes que nenhuma bomba conseguirá fazer o fluido de transferência de calor circular.

Determinação do comprimento do tubo de acordo com o passo de assentamento escolhido

Circuitos de mesmo comprimento são o caso ideal, mas na prática é raro, pois as áreas de ambientes com diferentes finalidades variam muito e igualar o comprimento dos circuitos simplesmente não é viável. Os profissionais permitem uma diferença no comprimento dos tubos de 30 a 40%.

O número permitido de loops conectados a ele é determinado pelo diâmetro do coletor e pela capacidade de vazão do conjunto de mistura. Na ficha técnica do conjunto de mistura, sempre é possível encontrar o valor da carga térmica para a qual ele foi projetado.

Suponha que o coeficiente de vazão (Kvs) seja igual a 2,23 m³/h. Com esse coeficiente, certos modelos de bomba suportam uma carga de 10 a 15 W.

Para determinar o número de circuitos, é necessário calcular a carga térmica de cada um. Se a área ocupada pelo piso aquecido for de 10 m² e a emissão de calor for de 1 m², então o parâmetro Kvs é de 80 W, logo 10*80 = 800 W. Portanto, o conjunto de mistura pode fornecer 15.000/800 = 18,8 ambientes ou circuitos com área de 10 m² cada.

Esses valores são máximos e só podem ser aplicados teoricamente; na prática, o número deve ser reduzido em pelo menos 2, então 18 – 2 = 16 circuitos.

Ao selecionar o conjunto de mistura (coletor), é necessário verificar se ele possui esse número de saídas.

Verificação da correta seleção do diâmetro dos tubos

Para verificar se a seção dos tubos foi selecionada corretamente, pode-se utilizar a fórmula:

υ = 4*Q*10ᶾ/n*d²

Quando a velocidade corresponde ao valor encontrado, a seção dos tubos foi escolhida corretamente. Os documentos normativos permitem uma velocidade máxima de 3 m/s para diâmetros de até 0,25 m, mas o valor ideal é de 0,8 m/s, pois com o aumento da velocidade, o efeito de ruído na tubulação aumenta.

Informações adicionais sobre o cálculo dos tubos de piso aquecido são fornecidas neste artigo.

Calculando a bomba de circulação

Para que o sistema seja econômico, é necessário selecionar a bomba de circulação que forneça a pressão necessária e a vazão ideal de água nos circuitos. Nas fichas técnicas das bombas, geralmente são indicados a pressão no circuito de maior comprimento e a vazão total do fluido de aquecimento em todas as alças.

A pressão manométrica é influenciada pelas perdas hidráulicas:

∆ h = L*Q²/k1, onde

• L — comprimento do circuito;
• Q — vazão de água l/s;
• k1 — coeficiente que caracteriza as perdas no sistema; o valor pode ser obtido das tabelas de referência de hidráulica ou do manual do equipamento.

Conhecendo o valor da pressão manométrica, calcula-se a vazão no sistema:

Q = k*√H, onde

k — é o coeficiente de vazão. Os profissionais adotam a vazão para cada 10 m² da casa entre 0,3-0,4 l/s.

Entre os componentes do piso aquecido hidráulico, um papel especial é atribuído à bomba de circulação. Apenas um equipamento cuja potência exceda em 20% o fluxo real de fluido térmico conseguirá vencer a resistência nos tubos.

Os valores referentes à pressão manométrica e à vazão indicados no manual não devem ser interpretados literalmente — são valores máximos, e na prática são influenciados pela extensão e geometria da rede. Se a pressão for muito alta, reduz-se o comprimento do circuito ou aumenta-se o diâmetro dos tubos.

Recomendações para a escolha da espessura da argamassa de contrapiso

Nos manuais de referência, é possível encontrar informações de que a espessura mínima do contrapiso é de 30 mm. Quando o ambiente é bastante alto, coloca-se um isolante térmico sob o contrapiso, aumentando a eficiência do aproveitamento do calor fornecido pelo circuito de aquecimento.

O material mais popular para a sub-base é opoliestireno extrudido. Sua resistência à transferência de calor é significativamente menor que a do concreto.

Ao fazer o contrapiso, para equilibrar as dilatações lineares do concreto, o perímetro do ambiente é revestido com fita de amortecimento. É importante escolher corretamente sua espessura. Especialistas recomendam que, para áreas de até 100 m², seja colocada uma camada compensatória de 5 mm.

Se os valores da área forem maiores devido a um comprimento superior a 10 m, a espessura é calculada pela fórmula:

b = 0,55*L, onde

L – é o comprimento da sala em metros.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Sobre o cálculo e a instalação do piso aquecido hidráulico, este material em vídeo:

No vídeo são fornecidas recomendações práticas para a instalação do piso. A informação ajudará a evitar erros que geralmente os amadores cometem:

O cálculo possibilita projetar o sistema de "piso aquecido" com parâmetros operacionais ideais. É permitido montar o aquecimento utilizando os dados do manual e as recomendações.

Ele funcionará, mas os profissionais aconselham a dedicar tempo ao cálculo para que, no final, o sistema consuma menos energia.

Você tem experiência em realizar o cálculo de piso aquecido e preparar o projeto do circuito de aquecimento? Ou ainda tem dúvidas sobre o tema? Por favor, compartilhe sua opinião e deixe comentários.