Cálculo hidráulico do sistema de aquecimento em um exemplo específico

Aquecimento baseado na circulação de água quente – a opção mais comum para a construção de uma casa particular. Para o desenvolvimento adequado do sistema, é necessário ter resultados preliminares de análise, o chamado cálculo hidráulico do sistema de aquecimento, que relaciona a pressão em todas as partes da rede com os diâmetros dos tubos.

No artigo apresentado, a metodologia de cálculo é descrita em detalhes. Para entender melhor o algoritmo de ação, analisamos a ordem do cálculo em um exemplo concreto.

Seguindo a sequência descrita, será possível determinar o diâmetro ideal da tubulação principal, a quantidade de dispositivos de aquecimento, a potência da caldeira e outros parâmetros do sistema necessários para a instalação de um fornecimento de calor individual eficiente.

Conceito de cálculo hidráulico

O fator determinante do desenvolvimento tecnológico dos sistemas de aquecimento tornou-se a simples economia de energia. O desejo de economizar obriga a uma abordagem mais cuidadosa no projeto, na seleção de materiais, nos métodos de instalação e na operação do aquecimento residencial.

Portanto, se você decidiu criar um sistema de aquecimento único e, acima de tudo, econômico para seu apartamento ou casa, então recomendamos que se familiarize com as regras de cálculo e projeto.

Antes de definir o cálculo hidráulico do sistema, é necessário entender claramente que o sistema de aquecimento individual de um apartamento ou casa está, condicionalmente, uma ordem de grandeza acima em relação ao sistema de aquecimento central de um grande edifício.

O sistema de aquecimento pessoal baseia-se numa abordagem fundamentalmente diferente dos conceitos de calor e recurso energético.

A essência do cálculo hidráulico é que a vazão do fluido de aquecimento não é definida antecipadamente com uma aproximação significativa aos parâmetros reais, mas é determinada pelo ajuste dos diâmetros das tubulações com os parâmetros de pressão em todos os anéis do sistema.

Basta fazer uma comparação trivial desses sistemas de acordo com os seguintes parâmetros.

1. O sistema de aquecimento central (caldeira-casa-apartamento) baseia-se em tipos padrão de transportadores de energia – carvão, gás. No sistema autônomo, pode-se usar praticamente qualquer substância que tenha alto poder calorífico específico, ou uma combinação de vários materiais líquidos, sólidos ou granulados.
2. O sistema de aquecimento central é construído com elementos comuns: tubos metálicos, radiadores “toscos”, válvulas de fechamento. Já o sistema de aquecimento individual permite combinar os mais diversos elementos: radiadores multisseccionais com boa dissipação de calor, termostatos de alta tecnologia, diferentes tipos de tubos (PVC e cobre), torneiras, tampões, conexões e, claro, caldeiras próprias mais econômicas, bombas de circulação.
3. Se você entrar em um apartamento típico de um edifício de painéis, construído há 20-40 anos, vemos que o sistema de aquecimento se resume a um radiador de 7 seções sob a janela em cada cômodo do apartamento, mais um tubo vertical por todo o edifício (coluna), através do qual se pode “comunicar” com os vizinhos de cima/baixo. Já o sistema de aquecimento autônomo (SAA) – permite construir um sistema de qualquer complexidade, levando em consideração os desejos individuais dos moradores do apartamento.
4. Ao contrário do sistema central de aquecimento, o sistema individual de aquecimento considera uma lista bastante impressionante de parâmetros que afetam a transferência, o consumo de energia e as perdas de calor. Regime de temperatura ambiente, faixa de temperatura necessária nos cômodos, área e volume do cômodo, número de janelas e portas, finalidade dos cômodos, etc.

Assim, o cálculo hidráulico do sistema de aquecimento (GRSO) – é um conjunto condicional de características calculadas do sistema de aquecimento, que fornece informações abrangentes sobre parâmetros como diâmetro dos tubos, número de radiadores e válvulas.

Este tipo de radiador foi instalado na maioria das casas de painéis no espaço pós-soviético. A economia de materiais e a falta de ideia de design são “evidentes”

O GRSO permite selecionar corretamente a bomba de anel de água (da caldeira de aquecimento) para transportar água quente para os elementos finais do sistema de aquecimento (radiadores) e, como resultado final, ter um sistema maximamente equilibrado, o que afeta diretamente os investimentos financeiros na parte de aquecimento da residência.

Outro tipo de radiador de aquecimento para TsOS (sistema central de aquecimento). É um produto mais universal que pode ter qualquer número de aletas. Assim, é possível aumentar ou diminuir a área de troca de calor.

Sequência de etapas do cálculo

Falando sobre o cálculo do sistema de aquecimento, notamos que este procedimento é o mais ambíguo e importante na parte do projeto.

Antes de realizar o cálculo, é necessário fazer uma análise preliminar do sistema futuro, por exemplo:

• estabelecer o balanço térmico em todos os cômodos e especificamente em cada cômodo do apartamento;
• selecionar termostatos, válvulas e reguladores de pressão;
• determinar as seções do sistema com fluxo máximo e mínimo do portador de calor.

Além disso, é necessário determinar o esquema geral de transporte do fluido térmico: circuito completo e pequeno, sistema de tubo único ou tubulação de dois tubos.

Como resultado da realização do cálculo hidráulico, obtemos várias características importantes do sistema hidráulico, que respondem às seguintes perguntas:

• qual deve ser a potência da fonte de aquecimento;
• qual a vazão e velocidade do fluido térmico;
• qual o diâmetro necessário da tubulação principal do duto térmico;
• quais as possíveis perdas de calor e da própria massa do fluido térmico.

Outro aspecto importante do cálculo hidráulico é o procedimento de balanceamento (ajuste) de todas as partes (ramos) do sistema durante regimes térmicos extremos com a ajuda de dispositivos reguladores.

Destacam-se vários tipos principais de produtos de aquecimento: radiadores multisseccionais de ferro fundido e alumínio, painéis de aço, radiadores bimetálicos e convectores. Mas os mais comuns são os radiadores multisseccionais de alumínio.

A zona de cálculo da tubulação principal é um segmento com diâmetro constante da própria tubulação, bem como vazão invariável de água quente, que é determinada pela fórmula do balanço térmico dos cômodos. A enumeração das zonas de cálculo começa a partir da bomba ou da fonte de calor.

Condições iniciais do exemplo

Para uma explicação mais detalhada de todos os aspectos do cálculo hidráulico, vamos usar um exemplo concreto de uma residência comum. Temos um apartamento clássico de 2 quartos em um edifício de painéis, com área total de 65,54 m², que inclui dois quartos, cozinha, banheiro e lavabo separados, corredor duplo e uma varanda conjugada.

Após a entrega, recebemos as seguintes informações sobre o estado do apartamento. O apartamento descrito inclui paredes de concreto armado monolítico tratadas com massa corrida e primer, janelas de perfil com vidros duplos, portas internas prensadas de tirso e piso cerâmico no banheiro.

Um típico edifício de painéis de 9 andares com quatro entradas. Em cada andar há 3 apartamentos: um de 2 quartos e dois de 3 quartos. O apartamento está localizado no quinto andar.

Além disso, a residência já está equipada com fiação de cobre, disjuntores e um quadro elétrico individual, fogão a gás, banheira, lavatório, vaso sanitário, aquecedor de toalhas e pia.

E o mais importante: nos quartos, banheiro e cozinha já existem radiadores de aquecimento de alumínio. A questão sobre os tubos e a caldeira permanece em aberto.

Como é realizada a coleta de dados

O cálculo hidráulico do sistema, na maioria dos casos, baseia-se em cálculos relacionados ao aquecimento por área do ambiente.

Portanto, é necessário ter as seguintes informações:

• área de cada ambiente individual;
• dimensões das aberturas de janelas e portas (portas internas praticamente não afetam a perda de calor);
• condições climáticas e características da região.

Partiremos dos seguintes dados. Área da sala de estar – 18,83 m², quarto – 14,86 m², cozinha – 10,46 m², varanda – 7,83 m² (total), corredor – 9,72 m² (total), banheiro – 3,60 m², lavabo – 1,5 m². Porta de entrada – 2,20 m², janela panorâmica da sala de estar – 8,1 m², janela do quarto – 1,96 m², janela da cozinha – 1,96 m².

Altura das paredes do apartamento – 2 metros e 70 cm. As paredes externas são feitas de concreto classe B7 mais reboco interno, com espessura de 300 mm. Paredes internas e divisórias – estruturais 120 mm, comuns – 80 mm. O piso e, consequentemente, o teto são de lajes de concreto classe B15, com espessura de 200 mm.

O layout deste apartamento oferece a possibilidade de criar um único ramal de aquecimento, passando pela cozinha, quarto e sala de estar, o que garantirá uma temperatura média de 20-22⁰C nos ambientes (+)

Quanto ao meio ambiente? O apartamento está localizado em um prédio situado no centro de um bairro de uma pequena cidade. A cidade está localizada em uma planície, altitude de 130-150 m acima do nível do mar. O clima é temperado continental, com inverno frio e verão bastante quente.

Temperatura média anual: +7,6°C. Temperatura média de janeiro: -6,6°C, de julho: +18,7°C. Vento: 3,5 m/s, umidade relativa do ar média: 74%, precipitação: 569 mm.

Analisando as condições climáticas da região, é importante notar que lidamos com uma grande variação de temperaturas, o que por sua vez afeta o requisito especial de ajuste do sistema de aquecimento do apartamento.

Potência do gerador de calor

Um dos principais componentes do sistema de aquecimento é a caldeira: elétrica, a gás, combinada – neste momento não importa. O que importa é sua principal característica – a potência, ou seja, a quantidade de energia por unidade de tempo que será gasta no aquecimento.

A potência da própria caldeira é determinada pela fórmula abaixo:

Wkotla = (Spomeshch * Wudel) / 10,

onde:

• Spomeshch – soma das áreas de todos os cômodos que precisam de aquecimento;
• Wudel – potência específica considerando as condições climáticas da localização (é por isso que foi necessário conhecer o clima da região).

Caracteristicamente, para diferentes zonas climáticas, temos os seguintes dados:

• regiões setentrionais – 1,5 – 2 kW/m²;
• zona central – 1 – 1,5 kW/m²;
• regiões meridionais – 0,6 – 1 kW/m².

Esses números são bastante aproximados, mas ainda assim fornecem uma resposta numérica clara sobre a influência do meio ambiente no sistema de aquecimento do apartamento.

Neste mapa são apresentadas as zonas climáticas com diferentes regimes de temperatura. A localização da residência em relação à zona determina quantos kW de energia são necessários para aquecer um metro quadrado (+).

A soma da área do apartamento que precisa ser aquecida – é igual à área total do apartamento e é igual a, ou seja – 65,54-1,80-6,03=57,71 m² (menos a varanda). A potência específica da caldeira para a região central com inverno frio – 1,4 kW/m². Assim, no nosso exemplo, a potência calculada da caldeira de aquecimento é equivalente a 8,08 kW.

Parâmetros dinâmicos do fluido térmico

Passamos para a próxima etapa dos cálculos – análise do consumo do fluido de aquecimento. Na maioria dos casos, o sistema de aquecimento de um apartamento difere de outros sistemas – isso está relacionado ao número de painéis de aquecimento e ao comprimento da tubulação. A pressão é usada como uma “força motriz” adicional do fluxo verticalmente pelo sistema.

Em casas particulares de um ou vários andares, e em antigos edifícios de apartamentos de painéis, são utilizados sistemas de aquecimento de alta pressão, que permitem transportar o fluido térmico para todas as partes do sistema de aquecimento ramificado e de múltiplos anéis, e elevar a água até toda a altura do edifício (até o 14º andar).

Por outro lado, um apartamento comum de 2 ou 3 quartos com aquecimento autônomo não tem tanta diversidade de anéis e ramificações do sistema; ele inclui no máximo três circuitos.

E portanto, o transporte do fluido térmico ocorre através do processo natural de fluxo da água. Mas também é possível usar bombas de circulação, e o aquecimento é fornecido por uma caldeira a gás/elétrica.

Recomendamos usar uma bomba de circulação para aquecimento de ambientes com mais de 100 m². A bomba pode ser instalada antes ou depois da caldeira, mas geralmente é colocada no “retorno” – menor temperatura do fluido, menor presença de ar, maior vida útil da bomba.

Especialistas em projeto e instalação de sistemas de aquecimento definem duas abordagens principais para o cálculo do volume do fluido térmico:

1. Pela capacidade real do sistema. Somam-se todos os volumes das cavidades onde o fluxo de água quente passará: soma dos trechos individuais de tubos, seções de radiadores, etc. Mas esta é uma opção bastante trabalhosa.
2. Pela potência da caldeira. Aqui as opiniões dos especialistas divergem muito; uns dizem 10, outros 15 litros por unidade de potência da caldeira.

De um ponto de vista pragmático, é preciso considerar que, provavelmente, o sistema de aquecimento não só fornecerá água quente para o ambiente, mas também aquecerá água para banheira/chuveiro, lavatório, pia e secadora, e talvez até para hidromassagem ou jacuzzi. Esta opção é mais simples.

Portanto, neste caso, recomendamos definir 13,5 litros por unidade de potência. Multiplicando esse número pela potência da caldeira (8,08 kW), obtemos o volume calculado de massa de água – 109,08 l.

A velocidade calculada do fluido térmico no sistema é exatamente o parâmetro que permite selecionar um diâmetro específico de tubo para o sistema de aquecimento.

Ela é calculada pela seguinte fórmula:

V = (0,86*W*k)/t-to,

onde:

• W – potência da caldeira;
• t – temperatura da água fornecida;
• to – temperatura da água no circuito de retorno;
• k – rendimento da caldeira (0,95 para caldeira a gás).

Substituindo os dados calculados na fórmula, temos: (0.86 * 8080 * 0.95)/80-60 = 6601,36/20 = 330 kg/h. Assim, em uma hora, 330 L de fluido térmico (água) circulam no sistema, e a capacidade do sistema é de cerca de 110 L.

Determinação do diâmetro dos tubos

Para a determinação final do diâmetro e espessura dos tubos de aquecimento, resta discutir a questão das perdas de calor.

A quantidade máxima de calor sai do ambiente pelas paredes – até 40%, pelas janelas – 15%, pelo piso – 10%, todo o resto pelo teto/telhado. Para um apartamento, as perdas são características principalmente pelas janelas e módulos de varanda

Existem vários tipos de perdas de calor em ambientes aquecidos:

1. Perdas de pressão do fluxo no tubo. Este parâmetro é diretamente proporcional ao produto da perda específica por atrito dentro do tubo (fornecido pelo fabricante) pelo comprimento total do tubo. Mas, considerando a tarefa atual, essas perdas podem ser ignoradas.
2. Perdas de carga em resistências locais dos tubos – custos de calor em conexões e dentro do equipamento. Mas, considerando as condições da tarefa, a pequena quantidade de curvas de conexão e o número de radiadores, essas perdas podem ser desprezadas.
3. Perdas de calor com base na localização do apartamento. Existe ainda outro tipo de custos térmicos, mas eles estão mais relacionados à localização do ambiente em relação ao restante do edifício. Para um apartamento comum, que está no meio do edifício e faz fronteira à esquerda/direita/acima/abaixo com outros apartamentos, as perdas de calor pelas paredes laterais, teto e piso são praticamente iguais a “0”.

No cálculo, só podemos considerar as perdas através da parte da fachada do apartamento – a varanda e a janela central da sala comum. Mas essa questão é resolvida com a adição de 2-3 seções a cada um dos radiadores.

O valor do diâmetro dos tubos é selecionado de acordo com a vazão do fluido térmico e a velocidade de sua circulação na rede de aquecimento

Analisando as informações acima expostas, vale destacar que para a velocidade calculada da água quente no sistema de aquecimento, é conhecida a velocidade tabelar de movimento das partículas de água em relação à parede do tubo na posição horizontal de 0,3-0,7 m/s.

Para ajudar o profissional, apresentamos o chamado checklist para realizar cálculos de um típico cálculo hidráulico do sistema de aquecimento:

• coleta de dados e cálculo da potência da caldeira;
• volume e velocidade do fluido térmico;
• perdas de calor e diâmetro dos tubos.

Às vezes, ao calcular, pode-se obter um diâmetro de tubo bastante grande para cobrir o volume calculado do fluido térmico. Esse problema pode ser resolvido aumentando a capacidade da caldeira ou adicionando um tanque de expansão adicional.

Em nosso site, há um bloco de artigos dedicados ao cálculo do sistema de aquecimento, recomendamos consultar:

1. Cálculo térmico do sistema de aquecimento: como calcular corretamente a carga no sistema
2. Cálculo de aquecimento de água: fórmulas, regras, exemplos de execução
3. Cálculo termotécnico do edifício: especificidades e fórmulas para realizar cálculos + exemplos práticos

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Características, vantagens e desvantagens dos sistemas de circulação natural e forçada do fluido térmico para sistemas de aquecimento:

Resumindo os cálculos do dimensionamento hidráulico, obtivemos características físicas específicas do futuro sistema de aquecimento.

Naturalmente, este é um esquema de cálculo simplificado que fornece dados aproximados sobre o dimensionamento hidráulico para o sistema de aquecimento de um típico apartamento de dois quartos.

Está tentando realizar o cálculo hidráulico do sistema de aquecimento por conta própria? Ou talvez não concorde com o material apresentado? Aguardamos seus comentários e perguntas – o bloco de feedback está localizado abaixo.