Cálculo de tubos para piso aquecido: seleção de tubos por parâmetros, escolha do espaçamento de instalação + exemplo de cálculo

Apesar da complexidade da instalação, o aquecimento de piso por meio de circuito de água é considerado um dos métodos mais rentáveis de aquecimento de ambientes. Para que o sistema funcione da forma mais eficiente possível e não apresente falhas, é necessário calcular corretamente os tubos para piso aquecido – determinar o comprimento, o espaçamento das voltas e o esquema de instalação do circuito.

O conforto do uso do aquecimento a água depende em grande parte desses indicadores. São exatamente essas questões que abordaremos em nosso artigo – explicaremos como escolher a opção ideal de tubos, considerando as características técnicas de cada tipo. Além disso, após ler este artigo, você poderá escolher corretamente o espaçamento de instalação e calcular o diâmetro e comprimento necessários do circuito de piso aquecido para um ambiente específico.

Parâmetros para cálculo do circuito térmico

Na fase de projeto, é necessário resolver uma série de questões que determinam as características construtivas do piso aquecido e o modo de operação – escolher a espessura da argamassa, a bomba e outros equipamentos necessários.

Os aspectos técnicos da organização de um ramal de aquecimento dependem em grande parte de sua finalidade. Além da finalidade, para o cálculo preciso da metragem do circuito de água, serão necessários alguns indicadores: área de cobertura, densidade do fluxo térmico, temperatura do fluido de aquecimento, tipo de revestimento de piso.

Área de cobertura dos tubos

Ao determinar as dimensões da base para a instalação dos tubos, considera-se o espaço não obstruído por grandes equipamentos e móveis embutidos. É necessário planejar previamente a disposição dos objetos no ambiente.

Se o piso radiante for usado como principal fornecedor de calor, sua potência deve ser suficiente para compensar 100% das perdas térmicas. Se a serpentina for um complemento ao sistema de radiadores, ela deve cobrir 30-60% dos custos de energia térmica do ambiente.

Fluxo térmico e temperatura do fluido de aquecimento

A densidade do fluxo térmico – é um indicador calculado que caracteriza a quantidade ideal de energia térmica para aquecimento de um ambiente. O valor depende de vários fatores: condutividade térmica das paredes, lajes, área envidraçada, presença de isolamento e intensidade da troca de ar. Com base no fluxo térmico, é determinado o passo de instalação da serpentina.

O indicador máximo de temperatura do fluido térmico é de 60 °C. No entanto, a espessura da argamassa e o revestimento do piso reduzem a temperatura – na prática, na superfície do piso observa-se cerca de 30-35 °C. A diferença entre as temperaturas na entrada e saída do circuito não deve exceder 5 °C.

Tipo de revestimento de piso

O acabamento final influencia a eficiência do sistema. A condutividade térmica ideal é do azulejo e do porcelanato – a superfície aquece rapidamente. Um bom índice de eficiência do circuito de água é obtido com o uso de laminado e linóleo sem camada de isolamento térmico. A menor condutividade térmica é do revestimento de madeira.

O grau de transferência de calor também depende do material de concretagem. O sistema é mais eficiente com o uso de concreto pesado com agregado natural, como seixo marinho de fração fina.

A argamassa de cimento e areia proporciona um nível médio de transferência de calor quando o fluido térmico é aquecido até 45 °C. A eficiência do circuito cai significativamente com a instalação de argamassa semisseca.

Ao calcular os tubos para piso radiante, devem ser consideradas as normas estabelecidas de regime de temperatura do revestimento:

• 29 °C – sala de estar;
• 33 °C – ambientes com alta umidade;
• 35 °C – áreas de passagem e faixas frias – áreas ao longo das paredes finais.

As características climáticas da região têm um papel importante na determinação da densidade de instalação do circuito de água. Ao calcular as perdas térmicas, é necessário considerar a temperatura mínima no inverno.

Como mostra a prática, o isolamento prévio de toda a casa ajuda a reduzir a carga. Faz sentido primeiro isolar termicamente o ambiente e depois prosseguir com o cálculo das perdas de calor e dos parâmetros do circuito de tubulação.

Avaliação das propriedades técnicas na escolha dos tubos

Devido às condições operacionais não padronizadas, são impostas altas exigências ao material e ao tamanho da serpentina do piso radiante:

• inércia química, resistência a processos corrosivos;
• presença de revestimento interno absolutamente liso, sem tendência à formação de incrustações calcárias;
• resistência – internamente, as paredes são constantemente afetadas pelo fluido térmico, e externamente pela argamassa; o tubo deve suportar pressão de até 10 Bar.

É desejável que o ramo de aquecimento tenha um peso específico pequeno. A camada do piso aquecido já exerce uma carga significativa na laje, e um tubo pesado só piora a situação.

De acordo com as normas SNiP, em sistemas de aquecimento fechados, é proibido o uso de tubos soldados, independentemente do tipo de costura: espiral ou reta.

Os requisitos listados são atendidos, em maior ou menor grau, por três categorias de tubos: polietileno reticulado, metal-plástico e cobre.

Opção #1 – polietileno reticulado (PEX)

O material possui uma estrutura de malha de ligações moleculares com células largas. O polietileno modificado difere do polietileno comum por apresentar ligações tanto longitudinais quanto transversais. Essa estrutura aumenta o peso específico, a resistência mecânica e a resistência química.

O circuito de água feito de tubos PEX possui uma série de vantagens:

• alta elasticidade, permitindo a instalação da serpentina com pequeno raio de curvatura;
• segurança – quando aquecido, o material não libera componentes prejudiciais;
• resistência térmica: amolecimento a partir de 150 °C, fusão a 200 °C, combustão a 400 °C;
• mantém a estrutura sob variações de temperatura;
• resistência a danos – a agentes biológicos e reagentes químicos.

O tubo mantém a capacidade de fluxo original – não há acúmulo de sedimentos nas paredes. A vida útil estimada do circuito PEX é de 50 anos.

As desvantagens do polietileno reticulado incluem: sensibilidade à luz solar, efeito negativo do oxigênio ao penetrar na estrutura, necessidade de fixação rígida da serpentina durante a instalação

Existem quatro grupos de produtos:

1. PEX-a – reticulação por peróxido. Obtém-se a estrutura mais resistente e uniforme, com densidade de ligações de até 75%.
2. PEX-b – reticulação por silano. A tecnologia utiliza silanos – substâncias tóxicas, não permitidas para uso doméstico. Os fabricantes de produtos para encanamento substituem por um reagente seguro. São permitidos para instalação tubos com certificado higiênico. Densidade de reticulação – 65-70%.
3. PEX-c – método por radiação. O polietileno é submetido a irradiação com fluxo de raios gama ou elétrons. Como resultado, as ligações se compactam até 60%. Desvantagens do PEX-c: insegurança no uso, reticulação desigual.
4. PEX-d – nitretação. A reação de criação da malha ocorre por meio de radicais de nitrogênio. O resultado é um material com densidade de reticulação em torno de 60-70%.

As características de resistência dos tubos PEX dependem do método de reticulação do polietileno.

Se você optou por tubos de polietileno reticulado, recomendamos conhecer as regras de instalação do sistema de piso aquecido com eles.

Opção #2 – metal-plástico

Líder entre os tubos laminados para instalação de piso aquecido – metaloplástico. Estruturalmente, o material inclui cinco camadas.

Revestimento interno e camada externa – polietileno de alta densidade, que confere ao tubo a necessária lisura e resistência térmica. Camada intermediária – uma chapa de alumínio

O metal aumenta a resistência da tubulação, reduz o índice de expansão térmica e atua como barreira antidifusão – bloqueia a entrada de oxigênio no fluido térmico.

Características dos tubos metaloplásticos:

• boa condutividade térmica;
• capacidade de manter a configuração definida;
• temperatura de trabalho mantendo as propriedades – 110 °C;
• baixo peso específico;
• silêncio no deslocamento do fluido térmico;
• segurança de uso;
• resistência à corrosão;
• duração de operação – até 50 anos.

A desvantagem dos tubos compostos é a impossibilidade de curvatura em relação ao eixo. Com torções repetidas, há risco de danificar a camada de alumínio. Recomendamos conhecer a tecnologia correta de instalação dos tubos metaloplásticos, o que ajudará a evitar danos.

Opção #3 – tubos de cobre

Em termos de características técnicas e operacionais, o metal amarelo seria a melhor escolha. No entanto, sua demanda é limitada pelo alto custo.

Comparado aos tubos sintéticos, o circuito de cobre ganha em vários pontos: condutividade térmica, resistência térmica e física, variabilidade ilimitada de curvatura, impermeabilidade absoluta a gases

Além do alto custo, a tubulação de cobre tem uma desvantagem adicional – a complexidade da instalação. Para curvar o circuito, será necessária uma prensa ou um curvador de tubos.

Opção #4 – polipropileno e aço inoxidável

Às vezes, o ramal de aquecimento é feito de tubos corrugados de polipropileno ou aço inoxidável. A primeira opção tem preço acessível, mas é bastante rígida na curvatura – raio mínimo de oito diâmetros do produto.

Isso significa que os tubos com dimensão de 23 mm terão que ser dispostos a uma distância de 368 mm um do outro – o passo de colocação aumentado não garantirá uniformidade do aquecimento.

Os tubos de aço inoxidável se destacam pela alta condutividade térmica e boa flexibilidade. Desvantagens: curta durabilidade dos anéis de vedação, criação de forte resistência hidráulica pelo corrugado

Possíveis formas de instalação do circuito

Para determinar o consumo de tubo para a instalação de piso aquecido, é necessário definir o esquema de disposição do circuito de água. A principal tarefa do planejamento da distribuição é garantir um aquecimento uniforme, considerando zonas frias e não aquecidas do ambiente.

São possíveis as seguintes opções de disposição: em serpentina, serpentina dupla e caracol. Ao escolher o esquema, deve-se considerar as dimensões, a configuração do ambiente e a localização das paredes externas.

Método #1 – serpentina

O fluido térmico é fornecido ao sistema ao longo da parede, passa pela serpentina e retorna ao coletor de distribuição. Neste caso, metade do ambiente é aquecida com água quente e o restante com água resfriada.

Ao instalar em serpentina, não é possível obter uniformidade de aquecimento – a diferença de temperatura pode chegar a 10 °C. O método é aplicável em ambientes estreitos.

O esquema de serpentina angular é ideal se for necessário isolar ao máximo a zona fria junto à parede do fundo ou no corredor.

A serpentina dupla permite uma transição mais suave de temperaturas. O circuito direto e o de retorno seguem paralelos um ao outro.

Método #2 – caracol ou espiral

Este é considerado o esquema ideal, garantindo uniformidade de aquecimento do revestimento do piso. Os ramos diretos e de retorno são instalados alternadamente.

Uma vantagem adicional do 'caracol' é a instalação do circuito de aquecimento com uma curvatura suave. Este método é relevante ao trabalhar com tubos de flexibilidade insuficiente.

Em grandes áreas, é implementado um esquema combinado. A superfície é dividida em setores e para cada um é desenvolvido um circuito separado que vai para o coletor comum. No centro do ambiente, a tubulação é disposta em caracol, e ao longo das paredes externas, em serpentina.

Em nosso site, há outro artigo no qual detalhamos os esquemas de instalação do piso aquecido e fornecemos recomendações para escolher a opção ideal de acordo com as características específicas do ambiente.

Metodologia de cálculo dos tubos

Para não se confundir nos cálculos, sugerimos dividir a solução do problema em várias etapas. Primeiramente, é necessário avaliar as perdas de calor do ambiente, definir o espaçamento de instalação e, em seguida, calcular o comprimento do circuito de aquecimento.

Princípios de construção do esquema

Ao iniciar os cálculos e a criação do esboço, é necessário conhecer as regras básicas de disposição do circuito de água:

1. É desejável instalar os tubos ao longo da abertura da janela – isso reduzirá significativamente as perdas de calor do edifício.
2. A área de cobertura recomendada por um circuito de água é de 20 m². Em ambientes grandes, é necessário dividir o espaço em zonas e para cada uma, instalar um ramal de aquecimento separado.
3. Distância da parede ao primeiro ramo – 25 cm. O passo permitido das espiras dos tubos no centro do ambiente – até 30 cm, nas bordas e em zonas frias – 10-15 cm.
4. Determinação do comprimento máximo do tubo para piso aquecido deve basear-se no diâmetro da serpentina.

Para um circuito com seção de 16 mm, não é permitido mais de 90 m; a limitação para tubulação com espessura de 20 mm é de 120 m. O cumprimento das normas garantirá uma pressão hidráulica normal no sistema.

Na tabela é apresentado o consumo aproximado de tubo, dependendo do passo da espira. Para obter dados mais precisos, deve-se considerar a margem para curvas e a distância até o coletor.

Fórmula básica com explicações

O cálculo do comprimento do circuito de piso aquecido é realizado pela fórmula:

L=S/n*1,1+k,

Onde:

• L – o comprimento desejado da tubulação de aquecimento;
• S – a área coberta do piso;
• n – o passo de instalação;
• 1,1 – o coeficiente padrão de margem de dez por cento para curvas;
• k – a distância do coletor ao piso – são consideradas as distâncias até a distribuição do circuito no fornecimento e no retorno.

A área de cobertura e o passo das espiras terão um papel decisivo.

Para maior clareza, é necessário elaborar um plano do ambiente no papel, indicando as dimensões exatas e assinalar o percurso do circuito de água.

Deve-se lembrar que a colocação de tubos de aquecimento não é recomendada sob grandes eletrodomésticos e móveis embutidos. Os parâmetros dos itens indicados devem ser subtraídos da área total.

Para escolher a distância ideal entre os ramos, é necessário realizar manipulações matemáticas mais complexas, operando com as perdas de calor do ambiente.

Cálculo térmico com determinação do espaçamento do circuito

A densidade de colocação dos tubos influencia diretamente a magnitude do fluxo de calor proveniente do sistema de aquecimento. Para determinar a carga necessária, é preciso calcular as perdas de calor no inverno.

As perdas térmicas através dos elementos estruturais do edifício e da ventilação devem ser totalmente compensadas pela energia térmica gerada pelo circuito de água.

A potência do sistema de aquecimento é determinada pela fórmula:

M=1,2*Q,

Onde:

• M – a capacidade do circuito;
• Q – as perdas totais de calor do ambiente.

O valor de Q pode ser decomposto em componentes: o consumo de energia através das estruturas envolventes e as perdas devidas ao funcionamento do sistema de ventilação. Vamos entender como calcular cada um dos indicadores.

Perdas de calor através dos elementos do edifício

É necessário determinar o consumo de energia térmica para todas as estruturas envolventes: paredes, teto, janelas, portas, etc. A fórmula de cálculo:

Q1=(S/R)*Δt,

Onde:

• S – área do elemento;
• R – resistência térmica;
• Δt – diferença entre a temperatura interna e externa.

Ao determinar Δt, utiliza-se o valor para a época mais fria do ano.

A resistência térmica é calculada da seguinte forma:

R=A/Kt,

Onde:

• A – espessura da camada, m;
• Kt – coeficiente de condutividade térmica, W/m*K.

Para elementos combinados da edificação, a resistência de todas as camadas deve ser somada.

O coeficiente de condutividade térmica de materiais de construção e isolantes pode ser obtido em um manual ou na documentação do produto específico.

Mais valores do coeficiente de condutividade térmica para os materiais de construção mais comuns foram apresentados na tabela contida no próximo artigo.

Perdas de calor por ventilação

Para calcular o indicador, utiliza-se a fórmula:

Q2=(V*K/3600)*C*P*Δt,

Onde:

• V – volume do ambiente, m³;
• K – taxa de renovação do ar;
• C – capacidade térmica específica do ar, J/kg*K;
• P – densidade do ar à temperatura ambiente normal – 20 °C.

A taxa de renovação do ar na maioria dos ambientes é considerada igual a um. A exceção são as casas com barreira de vapor interna – para manter o microclima normal, o ar deve ser renovado duas vezes por hora.

A capacidade térmica específica é um valor de referência. À temperatura padrão sem pressão, o valor é de 1005 J/kg*K.

A tabela mostra a dependência da densidade do ar em relação à temperatura ambiente sob pressão atmosférica – 1,0132 bar (1 atm)

Perdas totais de calor

A quantidade total de perdas de calor do ambiente será: Q=Q1*1,1+Q2. O coeficiente 1,1 é o aumento de 10% no consumo de energia devido à infiltração de ar por frestas e imperfeições das estruturas.

Multiplicando o valor obtido por 1,2, obtemos a potência necessária do piso aquecido para compensar as perdas de calor. Usando o gráfico da dependência do fluxo de calor em relação à temperatura do fluido de aquecimento, é possível determinar o espaçamento e o diâmetro adequados do tubo.

A escala vertical representa a temperatura média do circuito de água, a horizontal indica a produção de energia térmica do sistema de aquecimento por metro quadrado

Os dados são válidos para pisos aquecidos com argamassa de areia e cimento de 7 mm de espessura, com revestimento cerâmico. Para outras condições, é necessário ajustar os valores considerando a condutividade térmica do acabamento final.

Por exemplo, ao instalar carpete, a temperatura do fluido de aquecimento deve ser aumentada em 4-5 °C. Cada centímetro adicional de contrapiso reduz a emissão de calor em 5-8%.

Seleção final do comprimento do circuito

Conhecendo o passo de instalação das espiras e a área a ser coberta, é fácil determinar o consumo de tubos. Se o valor obtido for maior que o permitido, é necessário instalar vários circuitos.

O ideal é que as alças tenham o mesmo comprimento – não é necessário ajustar ou equilibrar nada. No entanto, na prática, muitas vezes surge a necessidade de dividir a linha de aquecimento em diferentes seções.

A variação dos comprimentos dos circuitos deve permanecer dentro de 30-40%. Dependendo da finalidade e da forma do ambiente, é possível 'ajustar' o passo da espira e os diâmetros dos tubos.

Exemplo concreto de cálculo de um ramal de aquecimento

Suponhamos que seja necessário determinar os parâmetros do circuito térmico para uma casa com área de 60 metros quadrados.

Para o cálculo, serão necessários os seguintes dados e características:

• dimensões do ambiente: altura – 2,7 m, comprimento e largura – 10 e 6 m, respectivamente;
• na casa, 5 janelas de metal-plástico de 2 m² cada;
• paredes externas – concreto aerado, espessura – 50 cm, Kt=0,20 W/mK;
• isolamento adicional das paredes – poliestireno expandido de 5 cm, Kt=0,041 W/mK;
• material da laje do teto – placa de concreto armado, espessura – 20 cm, Kt=1,69 W/mK;
• isolamento do sótão – placas de poliestireno expandido com espessura de 5 cm;
• dimensões da porta de entrada – 0,9*2,05 m, isolamento térmico – espuma de poliuretano, camada – 10 cm, Kt=0,035 W/mK.

A seguir, veremos um exemplo passo a passo da execução do cálculo.

Etapa 1 — cálculo das perdas de calor através dos elementos estruturais

Resistência térmica dos materiais das paredes:

• concreto aerado: R1=0,5/0,20=2,5 m²*K/W;
• poliestireno expandido: R2=0,05/0,041=1,22 m²*K/W.

A resistência térmica total da parede é: 2,5+1,22=3,57 m²*K/W. A temperatura média na casa é considerada +23 °C, a mínima externa é -25 °C. A diferença é de 48 °C.

Cálculo da área total da parede: S1=2,7*10*2+2,7*6*2=86,4 m². Do valor obtido, é necessário subtrair a área das janelas e da porta: S2=86,4-10-1,85=74,55 m².

Substituindo os valores obtidos na fórmula, obtemos as perdas de calor pelas paredes: Qc=74,55/3,57*48=1002 W

De forma análoga, calculam-se as perdas de calor pelas janelas, porta e teto. Para avaliar as perdas de energia pelo sótão, considera-se a condutividade térmica do material da laje e do isolante

A resistência térmica final do teto é: 0,2/1,69+0,05/0,041=0,118+1,22=1,338 m²*K/W. As perdas de calor serão: Qp=60/1,338*48=2152 W.

Para calcular a perda de calor pelas janelas, é necessário determinar o valor médio ponderado da resistência térmica dos materiais: do vidro duplo – 0,5 e do perfil – 0,56 m²*K/W, respectivamente.

Ro=0,56*0,1+0,5*0,9=0,56 m²*K/W. Aqui, 0,1 e 0,9 são as frações de cada material na estrutura da janela.

Perda de calor da janela: Qo=10/0,56*48=857 W.

Considerando o isolamento térmico da porta, sua resistência térmica será: Rd=0,1/0,035=2,86 m²*K/W. Qd=(0,9*2,05)/2,86*48=31 W.

Total de perdas de calor através dos elementos de fechamento: 1002+2152+857+31=4042 W. O resultado deve ser aumentado em 10%: 4042*1,1=4446 W.

Etapa 2 — calor para aquecimento + perdas totais de calor

Primeiro, vamos calcular o consumo de calor para aquecer o ar que entra. Volume do cômodo: 2,7*10*6=162 m³. Consequentemente, as perdas de calor por ventilação serão: (162*1/3600)*1005*1,19*48=2583 W.

De acordo com esses parâmetros do cômodo, os custos térmicos totais serão: Q=4446+2583=7029 W.

Etapa 3 — potência necessária do circuito térmico

Calculamos a potência ideal do circuito necessária para compensar as perdas de calor: N=1.2*7029=8435 W.

Em seguida: q=N/S=8435/60=141 W/m².

Com base na capacidade necessária do sistema de aquecimento e na área ativa do ambiente, é possível determinar a densidade do fluxo de calor por 1 m².

Etapa 4 — determinação do espaçamento de instalação e comprimento do circuito

Comparamos o valor obtido com o gráfico de dependência. Se a temperatura do fluido térmico no sistema for 40 °C, então um circuito com os seguintes parâmetros será adequado: espaçamento – 100 mm, diâmetro – 20 mm.

Se na tubulação circular água aquecida a 50 °C, o intervalo entre os ramos pode ser aumentado para 15 cm e usar um tubo com seção de 16 mm.

Calculamos o comprimento do circuito: L=60/0,15*1,1=440 m.

Separadamente, é necessário considerar a distância dos coletores até o sistema térmico.

Como se pode ver pelos cálculos, para a instalação de piso aquecido a água, será necessário fazer pelo menos quatro voltas de aquecimento. E sobre como colocar e fixar corretamente os tubos, bem como outros segredos de instalação, nós abordamos aqui.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Análises em vídeo ilustrativas ajudarão a fazer um cálculo preliminar do comprimento e do espaçamento do circuito térmico.

Escolha da distância mais eficaz entre os ramos do sistema de piso aquecido:

Guia sobre como descobrir o comprimento da volta de um piso aquecido em operação:

A metodologia de cálculo não pode ser considerada simples. Simultaneamente, é necessário levar em conta vários fatores que influenciam os parâmetros do circuito. Se o piso aquecido a água for planejado como a única fonte de calor, então este trabalho é melhor confiado a profissionais – erros na fase de planejamento podem custar caro.

Você calcula a metragem necessária de tubos para piso aquecido e seu diâmetro ideal por conta própria? Talvez você tenha algumas perguntas que não abordamos neste material? Faça-as aos nossos especialistas na seção de comentários.

Se você é especialista em cálculo de tubos para instalação de piso aquecido a água e tem algo a acrescentar ao material exposto acima, por favor, escreva suas observações abaixo do artigo.