Como calcular a potência de uma caldeira a gás de aquecimento: fórmulas e exemplo de cálculo

Antes de projetar o sistema de aquecimento e instalar o equipamento de aquecimento, é importante escolher uma caldeira a gás capaz de gerar a quantidade necessária de calor para o ambiente. Portanto, é importante selecionar um dispositivo com potência tal que seu desempenho seja o mais alto possível e sua vida útil seja longa.

Falaremos sobre como calcular a potência de uma caldeira a gás com alta precisão e levando em consideração determinados parâmetros. No artigo que apresentamos, descrevemos detalhadamente todos os tipos de perdas de calor através de aberturas e estruturas de construção, e fornecemos fórmulas para seu cálculo. Um exemplo específico mostra as particularidades da realização dos cálculos.

Erros típicos ao escolher uma caldeira

O cálculo correto da potência de uma caldeira a gás não só permitirá economizar em materiais consumíveis, mas também aumentará a eficiência do aparelho. Equipamentos cuja transferência de calor excede as necessidades reais de calor funcionarão de forma ineficiente, enquanto um dispositivo insuficientemente potente não conseguirá aquecer o ambiente adequadamente.

Existem equipamentos automatizados modernos que regulam o fornecimento de gás de forma autônoma, evitando gastos desnecessários. Mas se essa caldeira trabalha no limite de suas capacidades, sua vida útil é reduzida.

Como resultado, a eficiência do equipamento diminui, as peças se desgastam mais rapidamente e se forma condensação. Portanto, surge a necessidade de calcular a potência ideal.

Há a crença de que a potência da caldeira depende exclusivamente da área da superfície do ambiente, e para qualquer residência o cálculo ideal seria 100 W por 1 m². Portanto, para selecionar a potência da caldeira, por exemplo, para uma casa de 100 m², seria necessário um equipamento que produza 100*10 = 10000 W ou 10 kW.

Tais cálculos são fundamentalmente incorretos devido ao surgimento de novos materiais de acabamento e isolantes aprimorados, que reduzem a necessidade de adquirir equipamentos de alta potência.

A potência da caldeira a gás é selecionada levando em conta as características individuais da residência. Um equipamento corretamente selecionado funcionará com máxima eficiência e mínimo consumo de combustível.

É possível realizar o cálculo da potência da caldeira a gás de aquecimento de duas maneiras – manualmente ou usando o programa especial Valtec, que é destinado a cálculos profissionais de alta precisão.

A potência necessária do equipamento depende diretamente das perdas de calor do ambiente. Conhecendo o índice de perdas de calor, é possível calcular a potência da caldeira a gás ou de qualquer outro aquecedor.

O que são perdas de calor do ambiente?

Qualquer ambiente tem certas perdas de calor. O calor sai pelas paredes, janelas, pisos, portas, teto; portanto, a função da caldeira a gás é compensar a quantidade de calor que sai e garantir uma determinada temperatura no ambiente. Para isso, é necessária uma certa potência térmica.

Foi estabelecido empiricamente que a maior quantidade de calor escapa pelas paredes (até 70%). Pelo telhado e janelas pode sair até 30% da energia térmica, pelo sistema de ventilação – até 40%. As menores perdas de calor ocorrem nas portas (até 6%) e no piso (até 15%).

As perdas de calor da casa são influenciadas pelos seguintes fatores.

• Localização da casa. Cada cidade tem suas próprias características climáticas. Nos cálculos das perdas de calor, é necessário considerar a temperatura negativa crítica característica da região, bem como a temperatura média e a duração da estação de aquecimento (para cálculos precisos usando o programa).
• Posição das paredes em relação aos pontos cardeais. Sabe-se que no lado norte se localiza a rosa dos ventos, portanto as perdas de calor da parede situada nesta área serão as maiores. No inverno, dos lados oeste, norte e leste sopra com grande força um vento frio, portanto as perdas de calor destas paredes serão maiores.
• Área do cômodo aquecido. A quantidade de calor que se perde depende das dimensões do cômodo, da área das paredes, tetos, janelas e portas.
• Termotécnica das construções. Qualquer material possui seu coeficiente de resistência térmica e coeficiente de transferência de calor – capacidade de permitir a passagem de uma certa quantidade de calor através de si. Para conhecê-los, é necessário utilizar dados tabulares, bem como aplicar determinadas fórmulas. Informações sobre a composição das paredes, tetos, pisos e sua espessura podem ser encontradas no plano técnico da habitação.
• Aberturas de janelas e portas. Tamanho, modificação da porta e dos vidros duplos. Quanto maior a área das aberturas de janelas e portas, maiores as perdas de calor. É importante considerar as características das portas e vidros duplos instalados nos cálculos.
• Consideração da ventilação. A ventilação sempre existe na casa independentemente da presença de exaustão artificial. Através das janelas abertas ocorre a ventilação do ambiente, o movimento do ar é criado ao abrir e fechar as portas de entrada, ao caminhar das pessoas de um cômodo para outro, o que contribui para a saída do ar quente do ambiente e sua circulação.

Conhecendo os parâmetros acima mencionados, é possível não apenas calcular as perdas de calor da casa e determinar a potência da caldeira, mas também identificar os locais que necessitam de isolamento adicional.

Fórmulas para calcular perdas de calor

Estas fórmulas podem ser usadas para calcular as perdas de calor não apenas de uma casa particular, mas também de um apartamento. Antes de iniciar os cálculos, é necessário desenhar a planta do cômodo, marcar a posição das paredes em relação aos pontos cardeais, indicar janelas, aberturas de portas, e também calcular as dimensões de cada parede, aberturas de janelas e portas.

Para determinar as perdas de calor, é necessário conhecer a estrutura da parede, bem como a espessura dos materiais utilizados. Nos cálculos, considera-se a alvenaria e os isolantes.

No cálculo das perdas de calor, são utilizadas duas fórmulas – com a primeira determina-se o valor da resistência térmica das estruturas de fechamento, com a segunda, as perdas de calor.

Para determinar a resistência térmica, utiliza-se a expressão:

R = B/K

Aqui:

• R – valor da resistência térmica das estruturas de fechamento, medido em (m²*K)/W.
• K – coeficiente de condutividade térmica do material do qual é feita a estrutura de fechamento, medido em W/(m*K).
• B – espessura do material, expressa em metros.

O coeficiente de condutividade térmica K é um parâmetro tabular, a espessura B é obtida do plano técnico da casa.

O coeficiente de condutividade térmica é um valor tabelado, depende da densidade e composição do material, podendo diferir do valor tabelado, por isso é importante consultar a documentação técnica do material (+)

Também é utilizada a fórmula básica de cálculo da perda de calor:

Q = L × S × dT / R

Na expressão:

• Q – perda de calor, medida em W.
• S – área das estruturas envolventes (paredes, pisos, tetos).
• dT – diferença entre a temperatura desejada do ambiente interno e a externa, medida e registrada em °C.
• R – valor da resistência térmica da estrutura, m²·°C/W, que é obtido pela fórmula acima.
• L – coeficiente que depende da orientação das paredes em relação aos pontos cardeais.

Com as informações necessárias em mãos, é possível calcular manualmente a perda de calor de um determinado edifício.

Exemplo de cálculo de perdas de calor

Como exemplo, vamos calcular a perda de calor de uma casa com as características fornecidas.

A figura mostra a planta da casa para a qual calcularemos a perda de calor. Ao elaborar um plano individual, é importante determinar corretamente a orientação das paredes em relação aos pontos cardeais, calcular a altura, largura e comprimento da estrutura, bem como marcar a localização das aberturas de janelas e portas, suas dimensões (+)

De acordo com a planta, a largura da estrutura é de 10 m, o comprimento – 12 m, a altura do teto – 2.7 m, as paredes estão orientadas para norte, sul, leste e oeste. Na parede oeste estão embutidas 3 janelas, duas delas têm dimensões de 1.5 x 1.7 m, uma – 0.6 x 0.3 m.

No cálculo do telhado, são considerados a camada de isolamento, o material de acabamento e o material de cobertura. As membranas de barreira de vapor e impermeabilização, que não afetam o isolamento térmico, não são consideradas.

Na parede sul estão embutidas portas com dimensões de 1.3 x 2 m, há também uma pequena janela de 0.5 x 0.3 m. No lado leste, há duas janelas de 2.1 x 1.5 m e uma de 1.5 x 1.7 m.

As paredes consistem em três camadas:

• revestimento das paredes com painel de fibras (isoplita) por fora e por dentro – 1.2 cm cada, coeficiente – 0.05.
• lã de vidro, localizada entre as paredes, com espessura de 10 cm e coeficiente – 0.043.

A resistência térmica de cada parede é calculada separadamente, pois considera-se a localização da estrutura em relação aos pontos cardeais, a quantidade e a área das aberturas. Os resultados dos cálculos das paredes são somados.

O piso é multicamadas, executado em toda a área com a mesma tecnologia, inclui:

• tábua macho e fêmea aplainada, com espessura de 3.2 cm, coeficiente de condutividade térmica – 0.15.
• camada de nivelamento seco de aglomerado de partículas (DSP) com espessura de 10 cm e coeficiente de 0.15.
• isolamento – lã mineral com espessura de 5 cm, coeficiente de 0.039.

Suponha que o piso não possui alçapões ou aberturas semelhantes que prejudiquem a térmica. Portanto, o cálculo é realizado para a área de todos os cômodos usando uma fórmula única.

Os tetos são feitos de:

• painéis de madeira de 4 cm com coeficiente de 0,15.
• lã mineral de 15 cm, seu coeficiente – 0,039.
• camada de barreira de vapor e impermeabilização.

Suponha que o forro do teto também não tenha acesso ao sótão sobre uma área residencial ou de serviço.

A casa está localizada na região de Briansk, na cidade de Briansk, onde a temperatura crítica negativa é de -26 graus. Experimentalmente, estabeleceu-se que a temperatura do solo é de +8 graus. A temperatura desejada no ambiente é de +22 graus.

Cálculo das perdas de calor das paredes

Para encontrar a resistência térmica total da parede, primeiro é necessário calcular a resistência térmica de cada camada.

A camada de lã de vidro tem 10 cm de espessura. Este valor deve ser convertido em metros, ou seja:

B = 10 × 0,01 = 0,1

Obtivemos o valor B=0,1. O coeficiente de condutividade térmica do isolamento é 0,043. Inserimos os dados na fórmula de resistência térmica e obtemos:

R_vidro=0,1/0,043=2,32

Por exemplo análogo, calculamos a resistência ao calor da placa isolante:

R_isopl=0,012/0,05=0,24

A resistência térmica total da parede será igual à soma das resistências térmicas de cada camada, considerando que existem duas camadas de fibra de madeira.

R=R_vidro+2×R_isopl=2,32+2×0,24=2,8

Determinada a resistência térmica total da parede, podemos encontrar as perdas de calor. Para cada parede, elas são calculadas separadamente. Vamos calcular Q para a parede norte.

Os coeficientes adicionais permitem considerar nos cálculos as particularidades da perda de calor das paredes localizadas em diferentes orientações

Com base no plano, a parede norte não possui aberturas de janela, seu comprimento é de 10 m, altura de 2,7 m. Então a área da parede S é calculada pela fórmula:

S_pared.norte=10×2,7=27

Vamos calcular o parâmetro dT. Sabe-se que a temperatura crítica ambiente para Briansk é de -26 graus, e a temperatura desejada no ambiente é de +22 graus. Então

dT=22-(-26)=48

Para o lado norte, considera-se o coeficiente adicional L=1,1.

A tabela apresenta os coeficientes de condutividade térmica de alguns materiais utilizados na construção de paredes. Como podemos ver, a lã mineral permite a passagem de uma quantidade mínima de calor, enquanto o concreto armado permite a máxima

Feitos os cálculos preliminares, podemos usar a fórmula para calcular as perdas de calor:

Q_pared.norte=27×48×1,1/2,8=509 (W)

Vamos calcular as perdas de calor para a parede oeste. Com base nos dados, nela estão embutidas 3 janelas, duas delas com dimensões de 1,5x1,7 m e uma – 0,6x0,3 m. Vamos calcular a área.

S_pared.oeste1=12×2,7=32,4.

Da área total da parede oeste, deve-se excluir a área das janelas, pois suas perdas de calor serão diferentes. Para isso, é necessário calcular a área.

S_okn1=1.5×1.7=2.55

S_okn2=0.6×0.4=0.24

Para os cálculos de perdas de calor, utilizaremos a área da parede desconsiderando a área das janelas, ou seja:

S_zap.steny=32.4-2.55×2-0.24=25.6

Para a lateral oeste, o coeficiente adicional é igual a 1.05. Os dados obtidos são substituídos na fórmula principal de cálculo de perdas de calor.

Q_zap.steny=25.6×1.05×48/2.8=461.

Fazemos cálculos análogos para a lateral leste. Aqui estão localizadas 3 janelas, uma tem dimensões de 1.5x1.7 m, as outras duas – 2.1x1.5 m. Calculamos sua área.

S_okn3=1.5×1.7=2.55

S_okn4=2.1×1.5=3.15

A área da parede leste é:

S_vost.steny1=12×2.7=32.4

Da área total da parede, subtraímos os valores da área das janelas:

S_vost.steny=32.4-2.55-2×3.15=23.55

O coeficiente adicional para a parede leste é 1.05. Com base nos dados, calculamos as perdas de calor da parede leste.

Q_vost.steny=1.05×23.55×48/2.8=424

Na parede sul, há uma porta com dimensões de 1.3x2 m e uma janela de 0.5x0.3 m. Calculamos sua área.

S_okn5=0.5×0.3=0.15

S_dver=1.3×2=2.6

A área da parede sul será igual a:

S_yuzhn.steny1=10×2.7=27

Determinamos a área da parede sem considerar janelas e portas.

S_yuzhn.steny=27-2.6-0.15=24.25

Calculamos as perdas de calor da parede sul considerando o coeficiente L=1.

Q_yuzhn.steny=1×24.25×48/2.80=416

Determinadas as perdas de calor de cada parede, podemos encontrar suas perdas térmicas totais pela fórmula:

Q_sten=Q_yuzhn.steny+Q_vost.steny+Q_zap.steny+Q_sev.steny

Substituindo os valores, obtemos:

Q_sten=509+461+424+416=1810 W

No total, as perdas de calor das paredes totalizaram 1810 W por hora.

Cálculo das perdas de calor das janelas

No total, há 7 janelas na casa, três delas têm dimensões de 1.5×1.7 m, duas – 2.1×1.5 m, uma – 0.6×0.3 m e mais uma – 0.5×0.3 m.

As janelas com dimensões de 1.5×1.7 m são de perfil PVC de dois vidros com vidro I. Da documentação técnica, pode-se saber que seu R=0.53. As janelas com dimensões de 2.1×1.5 m são de dois vidros com argônio e vidro I, possuem resistência térmica R=0.75, as janelas 0.6x0.3 m e 0.5×0.3 – R=0.53.

A área das janelas foi calculada acima.

S_okn1=1.5×1.7=2.55

S_okn2=0.6×0.4=0.24

S_okn3=2.1×1.5=3.15

S_okn4=0.5×0.3=0.15

Também é importante considerar a orientação das janelas em relação aos pontos cardeais.

Geralmente, não é necessário calcular a resistência térmica das janelas, pois este parâmetro está indicado na documentação técnica do produto.

Calcularemos as perdas térmicas das janelas oeste, considerando o coeficiente L=1.05. No lado, estão localizadas 2 janelas com dimensões de 1.5×1.7 m e uma com 0.6×0.3 m.

Q_okn1=2.55×1.05×48/0.53=243

Q_okn2=0.24×1.05×48/0.53=23

Totalizando, as perdas totais das janelas oeste são

Q_zap.okon=243×2+23=509

No lado sul, há uma janela de 0.5×0.3, com R=0.53. Calcularemos suas perdas de calor considerando o coeficiente 1.

Q_iuj.okon=0.15*48×1/0.53=14

No lado leste, há 2 janelas com dimensões de 2.1×1.5 e uma janela de 1.5×1.7. Calcularemos as perdas de calor considerando o coeficiente L=1.05.

Q_okn1=2.55×1.05×48/0.53=243

Q_okn3=3.15×1.05×48/075=212

Somamos as perdas de calor das janelas leste.

Q_vost.okon=243+212×2=667.

As perdas totais de calor das janelas serão:

Q_okon=Q_vost.okon+Q_iuj.okon+Q_zap.okon=667+14+509=1190

Total, através das janelas saem 1190 W de energia térmica.

Determinação das perdas de calor das portas

A casa possui uma porta, embutida na parede sul, com dimensões de 1.3×2 m. Com base nos dados do passaporte, a condutividade térmica do material da porta é 0.14 e sua espessura é 0.05 m. Graças a esses valores, podemos calcular a resistência térmica da porta.

R_dveri=0.05/0.14=0.36

Para os cálculos, será necessário calcular sua área.

S_dveri=1.3×2=2.6

Após calcular a resistência térmica e a área, podemos encontrar as perdas de calor. A porta está localizada no lado sul, portanto usamos o coeficiente adicional 1.

Q_dveri=2.6×48×1/0.36=347.

Total, através da porta saem 347 W de calor.

Cálculo da resistência térmica do piso

De acordo com a documentação técnica, o piso é multicamadas, feito de forma igual em toda a área, com dimensões de 10x12 m. Vamos calcular sua área.

S_pola=10×12=210.

O piso é composto por tábuas, DSP e isolante.

A partir da tabela, podemos encontrar os coeficientes de condutividade térmica de alguns materiais usados para revestimento de piso. Este parâmetro também pode ser indicado na documentação técnica dos materiais e diferir do tabelado.

A resistência térmica deve ser calculada para cada camada do piso separadamente.

R_dosok=0.032/0.15=0.21

R_dsp=0.01/0.15= 0.07

R_uteplit=0.05/0.039=1.28

A resistência térmica total do piso é:

R_pola=R_dosok+R_dsp+R_uteplit=0.21+0.07+1.28=1.56

Considerando que no inverno a temperatura do solo se mantém em +8 graus, a diferença de temperatura será:

dT=22-8=14

Usando os cálculos preliminares, podemos encontrar as perdas de calor da casa através do piso.

Ao calcular as perdas de calor do piso, são considerados os materiais que afetam o isolamento térmico (+)

Ao calcular as perdas de calor do piso, consideramos o coeficiente L=1.

Q_pola=210×14×1/1.56=1885

As perdas totais de calor do piso são de 1885 W.

Cálculo das perdas de calor pelo teto

Ao calcular as perdas de calor do teto, considera-se a camada de lã mineral e os painéis de madeira. A barreira de vapor e impermeabilização não participam do processo de isolamento térmico, portanto não as levamos em consideração. Para os cálculos, precisaremos encontrar a resistência térmica dos painéis de madeira e da camada de lã mineral. Usamos seus coeficientes de condutividade térmica e espessura.

R_{p. madeira}=0.04/0.15=0.27

R_{lã mineral}=0.05/0.039=1.28

A resistência térmica total será igual à soma de R_{p. madeira} e R_{lã mineral}.

R_telhado=0.27+1.28=1.55

A área do teto é a mesma que a do piso.

S _teto = 120

Em seguida, calculam-se as perdas de calor do teto, considerando o coeficiente L=1.

Q_teto=120×1×48/1.55=3717

Total de perdas através do teto: 3717 W.

Na tabela são apresentados isolantes populares para tetos e seus coeficientes de condutividade térmica. O poliuretano é o isolante mais eficaz, a palha possui o maior coeficiente de perda de calor

Para determinar as perdas totais de calor da casa, é necessário somar as perdas de calor das paredes, janelas, porta, teto e piso.

Q_total=1810+1190+347+1885+3717=8949 W

Para aquecer a casa com os parâmetros indicados, é necessária uma caldeira a gás que suporte uma potência de 8949 W ou cerca de 10 kW.

Determinação das perdas de calor considerando a infiltração

Infiltração – é um processo natural de troca de calor com o ambiente externo, que ocorre durante a movimentação de pessoas pela casa, ao abrir portas de entrada e janelas.

Para calcular as perdas de calor na ventilação pode-se usar a fórmula:

Q_inf=0.33×K×V×dT

Na expressão:

• K – é a taxa de renovação de ar calculada; para salas de estar usa-se o coeficiente 0.3, para ambientes aquecidos – 0.8, para cozinha e banheiro – 1.
• V – é o volume do ambiente, calculado considerando altura, comprimento e largura.
• dT – é a diferença de temperatura entre o ambiente externo e o interior da casa.

Uma fórmula semelhante pode ser usada se houver ventilação instalada no ambiente.

Na presença de ventilação artificial na casa, é necessário usar a mesma fórmula que para a infiltração, apenas substituir K pelos parâmetros do exaustor, e realizar os cálculos de dT considerando a temperatura do ar de entrada.

Altura do ambiente – 2.7 m, largura – 10 m, comprimento – 12 m. Conhecendo esses dados, podemos encontrar seu volume.

V=2.7 × 10 × 12=324

A diferença de temperatura será igual a

dT=48

Usamos o coeficiente K como 0.3. Então

Q_inf=0.33×0.3×324×48=1540

Ao valor total calculado Q, é necessário adicionar Q_inf. No final,

Q_total=1540+8949=10489.

No total, considerando a infiltração, as perdas de calor da casa serão de 10489 W ou 10.49 kW.

Cálculo da potência da caldeira

Ao calcular a potência da caldeira, é necessário usar um fator de segurança de 1.2. Ou seja, a potência será igual a:

W = Q × k

Aqui:

• Q – perda de calor do edifício.
• k – fator de segurança.

No nosso exemplo, substituiremos Q=9237 W e calcularemos a potência necessária da caldeira.

W=10489×1.2=12587 W.

Considerando o fator de segurança, a potência necessária da caldeira para aquecer uma casa de 120 m² é de aproximadamente 13 kW.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo tutorial: como calcular a perda de calor da casa e a potência da caldeira usando o programa Valtec.

Um cálculo competente da perda de calor e da potência da caldeira a gás por meio de fórmulas ou métodos de software permite determinar com alta precisão os parâmetros necessários do equipamento, possibilitando eliminar despesas injustificadas com combustível.

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