Cálculo do sistema de aquecimento de uma casa particular: regras e exemplos de cálculo

O aquecimento de uma casa particular é um elemento necessário para uma moradia confortável. Concorde que a instalação do sistema de aquecimento deve ser abordada com cuidado, pois os erros podem custar caro. Mas você nunca realizou cálculos semelhantes e não sabe como fazê-los corretamente?

Nós ajudaremos você – em nosso artigo, analisaremos detalhadamente como é feito o cálculo do sistema de aquecimento de uma casa particular para compensar efetivamente as perdas de calor nos meses de inverno.

Forneceremos exemplos concretos, complementando o material do artigo com fotos ilustrativas e dicas em vídeo úteis, além de tabelas atualizadas com indicadores e coeficientes necessários para os cálculos.

Perdas de calor de uma casa particular

O edifício perde calor devido à diferença de temperatura do ar dentro e fora da casa. As perdas de calor são maiores quanto mais significativa for a área das estruturas de fechamento do edifício (janelas, telhado, paredes, fundação).

Também as perdas de energia térmica estão relacionadas com os materiais das estruturas de fechamento e suas dimensões. Por exemplo, as perdas de calor de paredes finas são maiores do que as de paredes grossas.

Um cálculo de aquecimento eficaz para uma casa particular deve levar em conta os materiais usados na construção das estruturas envolventes.

Por exemplo, com a mesma espessura, uma parede de madeira e uma de tijolo conduzem calor com intensidades diferentes – as perdas de calor através de estruturas de madeira são mais lentas. Alguns materiais transmitem melhor o calor (metal, tijolo, concreto), outros pior (madeira, lã mineral, poliestireno expandido).

A atmosfera interna de uma edificação residencial está indiretamente ligada ao ambiente externo. Paredes, aberturas de janelas e portas, telhado e fundação transferem calor de dentro para fora no inverno, trazendo frio em troca. Eles são responsáveis por 70-90% das perdas totais de calor da casa.

Paredes, telhado, janelas e portas – tudo deixa o calor escapar no inverno. Uma câmera termográfica mostrará claramente as fugas de calor.

A perda constante de energia térmica durante a estação de aquecimento também ocorre através da ventilação e do esgoto.

Ao calcular as perdas de calor de uma construção residencial individual, esses dados geralmente não são considerados. Mas incluir as perdas de calor através dos sistemas de esgoto e ventilação no cálculo térmico geral da casa ainda é a decisão correta.

Um sistema de isolamento térmico bem projetado pode reduzir significativamente as fugas de calor através de estruturas de construção, aberturas de portas e janelas.

Não é possível realizar o cálculo do circuito de aquecimento autônomo de uma casa de campo sem avaliar as perdas de calor de suas estruturas envolventes. Mais precisamente, não será possível determinar a potência da caldeira de aquecimento suficiente para aquecer a casa nas geadas mais severas.

A análise do consumo real de energia térmica através das paredes permitirá comparar os custos com o equipamento da caldeira e combustível com os gastos com o isolamento térmico das estruturas envolventes.

Afinal, quanto mais eficiente energeticamente for a casa, ou seja, quanto menos energia térmica ela perder nos meses de inverno, menores serão os gastos com a compra de combustível.

Para um cálculo adequado do sistema de aquecimento, será necessário o coeficiente de condutividade térmica dos materiais de construção comuns.

Tabela de valores do coeficiente de condutividade térmica de vários materiais de construção, mais frequentemente utilizados na construção

Cálculo das perdas de calor através das paredes

Usando como exemplo uma casa hipotética de dois andares, calcularemos as perdas de calor através de suas estruturas de parede.

Dados iniciais:

• caixa quadrada com paredes de fachada de 12 m de largura e 7 m de altura;
• 16 aberturas nas paredes, cada uma com área de 2,5 m²;
• material das paredes de fachada – tijolo cerâmico maciço;
• espessura da parede – 2 tijolos.

Em seguida, vamos calcular o grupo de indicadores que compõem o valor total das perdas de calor através das paredes.

Indicador de resistência à transferência de calor

Para determinar o indicador de resistência à transferência de calor da parede da fachada, é necessário dividir a espessura do material da parede pelo seu coeficiente de condutividade térmica.

Para uma série de materiais estruturais, os dados sobre o coeficiente de condutividade térmica são apresentados nas imagens acima e abaixo.

Para cálculos precisos, será necessário o coeficiente de condutividade térmica dos materiais de isolamento térmico indicados na tabela, utilizados na construção

Nossa parede condicional é construída em tijolo cerâmico maciço, cujo coeficiente de condutividade térmica é de 0,56 W/m·^°C. Sua espessura, considerando a alvenaria com argamassa de cimento e areia, é de 0,51 m. Dividindo a espessura da parede pelo coeficiente de condutividade térmica do tijolo, obtemos a resistência à transferência de calor da parede:

0,51 : 0,56 = 0,91 W/m^2×°C

O resultado da divisão é arredondado para duas casas decimais, não havendo necessidade de dados mais precisos sobre a resistência à transferência de calor.

Área das paredes externas

Como o exemplo é de um edifício quadrado, a área das suas paredes é determinada multiplicando a largura pela altura de uma parede e, em seguida, pelo número de paredes externas:

12 · 7 · 4 = 336 m²

Portanto, conhecemos a área das paredes da fachada. Mas e as aberturas de janelas e portas, que juntas ocupam 40 m² (2,5·16=40 m²) da parede da fachada, devemos considerá-las?

De fato, como calcular corretamente o aquecimento autônomo em uma casa de madeira sem considerar a resistência à transferência de calor das estruturas de janelas e portas.

Coeficiente de condutividade térmica dos materiais de isolamento térmico utilizados para isolar paredes estruturais

Se for necessário calcular as perdas de calor de um edifício de grande área ou de uma casa aquecida (eficiente energeticamente) – sim, considerar os coeficientes de transferência de calor dos caixilhos das janelas e das portas de entrada no cálculo será correto.

No entanto, para construções de baixa altura de habitação individual, erguidas com materiais tradicionais, é permitido desconsiderar as aberturas de portas e janelas. Ou seja, não subtrair a sua área da área total das paredes da fachada.

Perdas totais de calor das paredes

Determinamos a perda de calor de um metro quadrado da parede com uma diferença de temperatura do ar dentro e fora da casa de um grau.

Para isso, dividimos a unidade pela resistência à transferência de calor da parede, calculada anteriormente:

1 : 0,91 = 1,09 W/m²·^°C

Conhecendo a perda de calor por metro quadrado do perímetro das paredes externas, é possível determinar a perda de calor em determinadas temperaturas externas.

Por exemplo, se nos ambientes da casa a temperatura for +20 ^°C, e na rua -17 ^°C, a diferença de temperatura será 20+17=37 ^°C. Nessa situação, as perdas térmicas totais das paredes da nossa casa hipotética serão:

0,91 · 336 · 37 = 11313 W,

Onde: 0,91 – resistência à transferência de calor de um metro quadrado de parede; 336 – área das paredes da fachada; 37 – diferença de temperatura entre o ambiente interno e externo.

Coeficiente de condutividade térmica dos materiais de isolamento térmico, utilizados para isolamento de piso/paredes, para execução de contrapiso seco e nivelamento de paredes

Vamos recalcular o valor obtido de perdas térmicas em quilowatt-hora, que são mais convenientes para compreensão e cálculos posteriores da potência do sistema de aquecimento.

Perdas térmicas das paredes em quilowatt-hora

Primeiro, vamos descobrir quanta energia térmica passará pelas paredes em uma hora com uma diferença de temperatura de 37 ^°C.

Lembramos que o cálculo é feito para uma casa com características estruturais, escolhidas condicionalmente para cálculos demonstrativos:

11313 · 1 : 1000 = 11,313 kWh,

Onde: 11313 – valor das perdas térmicas obtido anteriormente; 1 – hora; 1000 – quantidade de watts em um quilowatt.

Coeficiente de condutividade térmica de materiais de construção utilizados para isolamento de paredes e lajes

Para calcular as perdas de calor por dia, multiplicamos o valor obtido de perdas térmicas por hora por 24 horas:

11,313 · 24 = 271,512 kWh

Para clareza, vamos descobrir as perdas de energia térmica durante toda a estação de aquecimento:

7 · 30 · 271,512 = 57017,52 kWh,

Onde: 7 – número de meses na estação de aquecimento; 30 – número de dias no mês; 271,512 – perdas térmicas diárias das paredes.

Portanto, as perdas térmicas calculadas da casa com as características selecionadas acima das estruturas de fechamento serão de 57017,52 kWh durante sete meses da estação de aquecimento.

Consideração da influência da ventilação em uma casa particular

O cálculo das perdas de calor por ventilação na estação de aquecimento, como exemplo, será realizado para uma casa hipotética de formato quadrado, com parede de 12 metros de largura e 7 metros de altura.

Desconsiderando móveis e paredes internas, o volume interno da atmosfera neste edifício será:

12 · 12 · 7 = 1008 m³

A uma temperatura do ar de +20 ^°C (normal na estação de aquecimento), sua densidade é igual a 1,2047 kg/m³, e o calor específico é 1,005 kJ/(kg·^°C).

Vamos calcular a massa da atmosfera na casa:

1008 · 1,2047 = 1214,34 kg,

Onde: 1008 – volume da atmosfera da casa; 1,2047 – densidade do ar a t +20 ^°C.

Tabela com o valor do coeficiente de condutividade térmica de materiais que podem ser necessários ao realizar cálculos precisos

Suponha uma troca quíntupla do volume de ar nos cômodos da casa. Observe que a exata necessidade de volume de entrada de ar fresco depende do número de moradores da casa de campo.

Com uma diferença média de temperatura entre a casa e a rua durante a estação de aquecimento igual a 27 ^°C (20 ^°C interna, -7 ^°C atmosfera externa), por dia, para aquecer o ar frio de entrada, será necessária energia térmica:

5 · 27 · 1214,34 · 1,005 = 164755,58 kJ,

Onde: 5 – número de trocas de ar nos cômodos; 27 – diferença de temperatura entre a atmosfera interna e externa; 1214,34 – densidade do ar a t +20 ^°C; 1,005 – calor específico do ar.

Vamos converter quilojoules em quilowatt-hora, dividindo o valor pela quantidade de quilojoules em um quilowatt-hora (3600):

164755,58 : 3600 = 45,76 kWh

Ao determinar os gastos de energia térmica para aquecer o ar na casa com sua troca quíntupla através da ventilação de entrada, pode-se calcular as perdas de calor «aéreas» para a estação de aquecimento de sete meses:

7 · 30 · 45,76 = 9609,6 kWh,

Onde: 7 – número de meses «aquecidos»; 30 – número médio de dias no mês; 45,76 – gastos diários de energia térmica para aquecer o ar de entrada.

Os gastos energéticos de ventilação (infiltração) são inevitáveis, pois a renovação do ar nos cômodos da casa de campo é vital.

As necessidades de aquecimento da atmosfera de ar renovada na casa devem ser calculadas, somadas às perdas de calor através das estruturas de fechamento e consideradas na escolha da caldeira de aquecimento. Existe ainda um outro tipo de gasto de energia térmica, o último – as perdas de calor do esgoto.

Custos de energia para preparação de água quente sanitária

Se nos meses quentes a água fria sai da torneira na casa de campo, na estação de aquecimento ela está gelada, com temperatura não superior a +5 ^°C. Tomar banho, lavar louça e roupas são impossíveis sem aquecer a água.

A água coletada no tanque da privada entra em contato através das paredes com a atmosfera doméstica, absorvendo um pouco de calor. O que acontece com a água aquecida pela queima de combustível não gratuito e gasta em necessidades domésticas? Ela é despejada no esgoto.

Caldeira de circuito duplo com boiler de aquecimento indireto, utilizada tanto para aquecer o fluido de aquecimento quanto para fornecer água quente ao circuito construído para ela

Vamos considerar como exemplo. Uma família de três pessoas, suponha, consome 17 m³ de água mensalmente. 1000 kg/m³ – densidade da água, e 4,183 kJ/kg·^°C – seu calor específico.

A temperatura média de aquecimento da água destinada ao uso doméstico será de +40 ^°C. Consequentemente, a diferença de temperatura média entre a água fria que entra na casa (+5 ^°C) e a aquecida no aquecedor (+30 ^°C) é de 25 ^°C.

Para o cálculo das perdas de calor no esgoto, consideramos:

17 · 1000 · 25 · 4,183 = 1777775 kJ,

Onde: 17 – volume mensal de consumo de água; 1000 – densidade da água; 25 – diferença de temperatura entre a água fria e a aquecida; 4,183 – calor específico da água;

Para converter quilojoules em quilowatts-hora mais compreensíveis:

1777775 : 3600 = 493,82 kWh

Assim, durante o período de sete meses da estação de aquecimento, a energia térmica que vai para o esgoto é de:

493,82 · 7 = 3456,74 kWh

O consumo de energia térmica para aquecimento de água para necessidades higiênicas é pequeno em comparação com as perdas de calor pelas paredes e ventilação. Mas também são custos de energia que sobrecarregam a caldeira de aquecimento ou o aquecedor e causam consumo de combustível.

Cálculo da potência da caldeira de aquecimento

A caldeira no sistema de aquecimento destina-se a compensar as perdas de calor do edifício. Além disso, no caso de sistema de dois circuitos ou quando a caldeira é equipada com um aquecedor de aquecimento indireto, para aquecer água para necessidades higiênicas.

Calculando as perdas diárias de calor e o consumo de água quente 'para o esgoto', é possível determinar com precisão a potência necessária da caldeira para um chalé de determinada área e características das estruturas envolventes.

A caldeira de circuito único apenas aquece o fluido de transferência de calor para o sistema de aquecimento

Para determinar a potência da caldeira de aquecimento, é necessário calcular os gastos de energia térmica da casa através das paredes da fachada e para o aquecimento da atmosfera de ar renovável dos ambientes internos.

São necessários dados sobre perdas de calor em quilowatts-hora por dia – no caso de uma casa hipotética calculada como exemplo, são:

271,512 + 45,76 = 317,272 kWh,

Onde: 271,512 – perdas diárias de calor pelas paredes externas; 45,76 – perdas diárias de calor para aquecimento do ar de entrada.

Consequentemente, a potência de aquecimento necessária da caldeira será:

317,272 : 24 (horas) = 13,22 kW

No entanto, essa caldeira ficará sob carga constantemente alta, reduzindo sua vida útil. E em dias especialmente frios, a potência calculada da caldeira será insuficiente, pois com um alto diferencial de temperatura entre a atmosfera interna e externa, as perdas de calor do edifício aumentarão drasticamente.

Portanto, escolher a caldeira com base no cálculo médio dos gastos de energia térmica não vale a pena – ela pode não aguentar geadas severas.

Será racional aumentar a potência necessária do equipamento da caldeira em 20%:

13,22 · 0,2 + 13,22 = 15,86 kW

Para calcular a potência necessária do segundo circuito da caldeira, que aquece água para lavar louça, banho, etc., é necessário dividir o consumo mensal de calor das perdas de calor "de esgoto" pelo número de dias no mês e por 24 horas:

493,82 : 30 : 24 = 0,68 kW

Com base nos cálculos, a potência ideal da caldeira para o cottage-exemplo é de 15,86 kW para o circuito de aquecimento e 0,68 kW para o circuito de aquecimento de água.

Seleção de radiadores de aquecimento

Tradicionalmente, a potência do radiador de aquecimento é recomendada para ser escolhida pela área do cômodo aquecido, com um acréscimo de 15-20% nas necessidades de potência para garantir.

Vamos analisar, com um exemplo, o quão correta é a metodologia de seleção do radiador «10 m² de área – 1,2 kW».

A potência térmica dos radiadores depende da forma como são conectados, o que deve ser levado em consideração ao realizar os cálculos do sistema de aquecimento

Dados iniciais: cômodo de canto no primeiro nível de uma casa de dois andares (IJS); parede externa de alvenaria de duas camadas de tijolo cerâmico; largura do cômodo 3 m, comprimento 4 m, altura do teto 3 m.

Pelo esquema simplificado de seleção, propõe-se calcular a área do cômodo, calculamos:

3 (largura) · 4 (comprimento) = 12 m²²

Ou seja, a potência necessária do radiador de aquecimento com um acréscimo de 20% resulta em 14,4 kW. Agora vamos calcular os parâmetros de potência do radiador de aquecimento com base nas perdas de calor do cômodo.

Na verdade, a área do cômodo influencia as perdas de energia térmica menos do que a área de suas paredes que dão para o exterior do edifício (fachadas).

Portanto, vamos calcular precisamente a área das paredes "externas" presentes no cômodo:

3 (largura) · 3 (altura) + 4 (comprimento) · 3 (altura) = 21 m²²

Conhecendo a área das paredes que transferem calor "para o exterior", calculamos as perdas de calor com uma diferença de temperatura entre o interior e o exterior de 30^° (em casa +18 ^°C, fora -12 ^°C), e já em quilowatt-horas:

0,91 · 21 · 30 : 1000 = 0,57 kW,

Onde: 0,91 – resistência à transferência de calor das m² das paredes do cômodo que dão para o exterior; 21 – área das paredes "externas"; 30 – diferença de temperatura dentro e fora da casa; 1000 – número de watts em um quilowatt.

De acordo com as normas de construção, os dispositivos de aquecimento são colocados nos locais de maiores perdas de calor. Por exemplo, os radiadores são instalados sob as aberturas das janelas, os aquecedores de ar – acima da entrada da casa. Em cômodos de canto, as baterias são instaladas em paredes cegas, sujeitas à máxima exposição aos ventos.

Conclui-se que, para compensar as perdas de calor através das paredes da fachada desta construção, com uma diferença de temperatura de 30^° entre a casa e o exterior, é suficiente um aquecimento com potência de 0,57 kWh. Aumentaremos a potência necessária em 20, ou até 30% – obtemos 0,74 kWh.

Assim, as necessidades reais de potência de aquecimento podem ser significativamente menores do que o esquema comercial de '1,2 kW por metro quadrado de área do ambiente'.

Além disso, o cálculo correto da potência necessária dos radiadores de aquecimento permitirá reduzir o volume de fluido térmico no sistema de aquecimento, o que diminuirá a carga na caldeira e os gastos com combustível.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Para onde vai o calor da casa – as respostas são fornecidas por um vídeo ilustrativo:

O vídeo aborda o procedimento de cálculo das perdas de calor da casa através das estruturas envolventes. Conhecendo as perdas de calor, será possível calcular com precisão a potência do sistema de aquecimento:

Assista abaixo ao vídeo detalhado sobre os princípios de seleção das características de potência da caldeira de aquecimento:

A geração de calor fica mais cara a cada ano – os preços dos combustíveis aumentam. E o calor nunca é suficiente. Ser indiferente ao consumo de energia do chalé não é possível – é completamente desvantajoso.

Por um lado, cada nova temporada de aquecimento custa cada vez mais caro ao proprietário. Por outro lado, isolar as paredes, a fundação e o telhado de uma casa de campo custa um bom dinheiro. No entanto, quanto menos calor sair do edifício, mais barato será aquecê-lo.

Preservar o calor nos ambientes da casa é a principal tarefa do sistema de aquecimento nos meses de inverno. A escolha da potência da caldeira de aquecimento depende do estado da casa e da qualidade do isolamento das suas estruturas envolventes. O princípio 'quilowatt por 10 metros quadrados de área' funciona em um chalé com estado médio das fachadas, telhado e fundação.

Você calculou o sistema de aquecimento da sua casa por conta própria? Ou notou alguma inconsistência nos cálculos apresentados no artigo? Compartilhe sua experiência prática ou conhecimento teórico deixando um comentário no bloco abaixo deste artigo.