Cálculo térmico do sistema de aquecimento: como calcular corretamente a carga no sistema

O projeto e o cálculo térmico do sistema de aquecimento – são etapas obrigatórias na instalação do aquecimento residencial. A principal tarefa das atividades de cálculo – é determinar os parâmetros ideais da caldeira e do sistema de radiadores.

Concorde que, à primeira vista, pode parecer que realizar um cálculo termotécnico é algo reservado apenas a um engenheiro. No entanto, nem tudo é tão complicado. Conhecendo o algoritmo de ações, você conseguirá realizar os cálculos necessários por conta própria.

No artigo, o procedimento de cálculo é detalhado e todas as fórmulas necessárias são fornecidas. Para melhor compreensão, preparamos um exemplo de cálculo térmico para uma casa particular.

Cálculo térmico do aquecimento: procedimento geral

O cálculo térmico clássico do sistema de aquecimento é um documento técnico consolidado que inclui métodos de cálculo padrão obrigatórios em etapas.

Mas antes de estudar esses cálculos dos parâmetros básicos, é necessário definir o conceito do próprio sistema de aquecimento.

O sistema de aquecimento caracteriza-se por fornecimento forçado e remoção involuntária de calor no ambiente.

Principais tarefas do cálculo e projeto do sistema de aquecimento:

• determinar as perdas térmicas da forma mais confiável;
• determinar a quantidade e as condições de uso do fluido térmico;
• selecionar com a máxima precisão os elementos de geração, movimentação e liberação de calor.

Ao construir um sistema de aquecimento, é necessário inicialmente coletar diversos dados sobre o ambiente/edifício onde o sistema de aquecimento será utilizado. Em seguida, realizar o cálculo dos parâmetros térmicos do sistema e analisar os resultados das operações aritméticas.

Com base nos dados obtidos, os componentes do sistema de aquecimento são selecionados, seguidos de compra, instalação e entrada em operação.

O aquecimento – é um sistema multicomponente para garantir o regime de temperatura aprovado no ambiente/edifício. Constitui uma parte separada do complexo de comunicações de uma habitação moderna.

Vale ressaltar que a metodologia de cálculo térmico mencionada permite calcular com bastante precisão um grande número de grandezas que descrevem especificamente o futuro sistema de aquecimento.

Como resultado do cálculo térmico, estarão disponíveis as seguintes informações:

• número de perdas térmicas, potência da caldeira;
• quantidade e tipo de radiadores térmicos para cada cômodo separadamente;
• características hidráulicas da tubulação;
• volume, velocidade do fluido térmico, potência da bomba de calor.

O cálculo térmico – não são esboços teóricos, mas sim resultados precisos e fundamentados, que se recomenda utilizar na prática ao selecionar os componentes do sistema de aquecimento.

Normas de regimes de temperatura dos ambientes

Antes de realizar quaisquer cálculos dos parâmetros do sistema, é necessário, no mínimo, conhecer a ordem dos resultados esperados, bem como ter disponíveis as características padronizadas de algumas grandezas tabulares que devem ser inseridas nas fórmulas ou servir de referência.

Ao realizar os cálculos dos parâmetros com tais constantes, pode-se ter certeza da confiabilidade do parâmetro dinâmico ou constante desejado do sistema.

Para ambientes de diversos fins, existem padrões de referência de regimes de temperatura para ambientes residenciais e não residenciais. Essas normas estão estabelecidas nos chamados GOSTs.

Para o sistema de aquecimento, um desses parâmetros globais é a temperatura do ambiente, que deve ser constante independentemente da época do ano e das condições ambientais.

De acordo com o regulamento das normas e regras sanitárias, existem diferenças de temperatura entre o período de verão e inverno do ano. Pelo regime de temperatura do ambiente na estação de verão é responsável o sistema de ar condicionado, cujo princípio de cálculo está detalhado em este artigo.

Já a temperatura ambiente no período de inverno é garantida pelo sistema de aquecimento. Portanto, estamos interessados nas faixas de temperatura e suas tolerâncias de desvio para a estação de inverno.

Na maioria dos documentos normativos, são especificadas as seguintes faixas de temperatura que permitem que uma pessoa esteja confortavelmente em uma sala.

Para cômodos não residenciais de escritório com área de até 100 m²:

• 22-24°C – temperatura ideal do ar;
• 1°C – variação permitida.

Para cômodos de escritório com área superior a 100 m², a temperatura é de 21-23°C. Para cômodos não residenciais de tipo industrial, as faixas de temperatura variam muito dependendo da finalidade do ambiente e das normas estabelecidas de segurança do trabalho.

A temperatura confortável de um cômodo é “própria” de cada pessoa. Alguns gostam que esteja muito quente no ambiente, outros se sentem confortáveis quando está fresco – tudo isso é bastante individual.

Quanto aos cômodos residenciais: apartamentos, casas particulares, vilas, etc., existem faixas de temperatura específicas que podem ser ajustadas de acordo com os desejos dos moradores.

E, ainda assim, para cômodos específicos de apartamentos e casas, temos:

• 20-22°C – sala de estar, incluindo quarto infantil, tolerância ±2°C –
• 19-21°C – cozinha, banheiro, tolerância ±2°C;
• 24-26°C – banheiro, chuveiro, piscina, tolerância ±1°C;
• 16-18°C – corredores, hall de entrada, escadarias, despensas, tolerância +3°C

É importante notar que existem ainda alguns parâmetros principais que afetam a temperatura do ambiente e que devem ser considerados no cálculo do sistema de aquecimento: umidade (40-60%), concentração de oxigênio e dióxido de carbono no ar (250:1), velocidade de deslocamento das massas de ar (0,13-0,25 m/s) etc.

Cálculo das perdas de calor na casa

De acordo com a segunda lei da termodinâmica (física escolar), não existe transferência espontânea de energia de objetos menos aquecidos para mais aquecidos, sejam mini ou macro. Um caso particular dessa lei é a “tendência” de criar equilíbrio térmico entre dois sistemas termodinâmicos.

Por exemplo, o primeiro sistema – o ambiente externo com temperatura de -20°C, o segundo sistema – o edifício com temperatura interna de +20°C. De acordo com a lei mencionada, esses dois sistemas tenderão a se equilibrar por meio da troca de energia. Isso ocorrerá por meio de perdas de calor do segundo sistema e resfriamento no primeiro.

Pode-se afirmar claramente que a temperatura ambiente depende da latitude em que a casa particular está localizada. E a diferença de temperatura afeta a quantidade de perda de calor do edifício (+)

Por perdas de calor entende-se a saída involuntária de calor (energia) de um objeto (casa, apartamento). Para um apartamento comum, esse processo não é tão “perceptível” em comparação com uma casa particular, pois o apartamento está dentro do edifício e “vizinho” de outros apartamentos.

Em uma casa particular, através das paredes externas, piso, telhado, janelas e portas, em maior ou menor grau, o calor “escapa”.

Conhecendo a magnitude das perdas de calor para as condições climáticas mais desfavoráveis e a característica dessas condições, é possível calcular com alta precisão a potência do sistema de aquecimento.

Então, o volume de vazamentos de calor do edifício é calculado pela seguinte fórmula:

Q=Q_piso+Q_parede+Q_janela+Q_telhado+Q_porta+…+Q_i, onde

Qi – volume de perdas de calor de um tipo homogêneo de envoltória do edifício.

Cada componente da fórmula é calculado pela fórmula:

Q=S*∆T/R, onde

• Q – perdas de calor, W;
• S – área de um tipo específico de construção, m²;
• ∆T – diferença de temperatura entre o ar ambiente e o interior do ambiente, °C;
• R – resistência térmica de um determinado tipo de construção, m²*°C/W.

O valor da resistência térmica para materiais realmente existentes é recomendado ser obtido de tabelas auxiliares.

Além disso, a resistência térmica pode ser obtida usando a seguinte relação:

R=d/k, onde

• R – resistência térmica, (m²*K)/W;
• k – coeficiente de condutividade térmica do material, W/(m²*K);
• d – espessura deste material, m.

Em casas antigas com estrutura de telhado úmida, os vazamentos de calor ocorrem pela parte superior da construção, ou seja, pelo telhado e sótão. Realizar medidas de isolamento do teto ou isolamento térmico do telhado de mansarda resolve esse problema.

Se isolar o espaço do sótão e o telhado, as perdas totais de calor da casa podem ser significativamente reduzidas.

Na casa, existem ainda vários tipos de perdas de calor através de fendas nas estruturas, sistema de ventilação, exaustor de cozinha, aberturas de janelas e portas. Mas considerar seu volume não faz sentido, pois representam não mais que 5% do total das perdas principais de calor.

Determinação da potência da caldeira

Para manter a diferença de temperatura entre o ambiente externo e a temperatura dentro de casa, é necessário um sistema de aquecimento autônomo, que mantém a temperatura desejada em cada cômodo da casa particular.

A base do sistema de aquecimento são os diferentes tipos de caldeiras: de combustível líquido ou sólido, elétricas ou a gás.

Caldeira – é o nó central do sistema de aquecimento, que gera calor. A principal característica da caldeira é sua potência, ou seja, a velocidade de conversão de quantidade de calor por unidade de tempo.

Ao realizar os cálculos da carga térmica para aquecimento, obtém-se a potência nominal necessária da caldeira.

Para um apartamento comum de vários cômodos, a potência da caldeira é calculada através da área e da potência específica:

P_caldeira=(S_ambiente*P_específica)/10, onde

• S_ambiente – área total do ambiente aquecido;
• P_específica – potência específica relativa às condições climáticas.

Mas esta fórmula não considera as perdas térmicas, que são consideráveis em uma casa particular.

Existe uma outra relação que considera este parâmetro:

P_caldeira=(Q_perdas*S)/100, onde

• P_caldeira – potência da caldeira;
• Q_perdas – perdas de calor;
• S – área aquecida.

A potência calculada da caldeira deve ser aumentada. A margem é necessária se a caldeira for usada para aquecer água para o banheiro e a cozinha.

Na maioria dos sistemas de aquecimento de casas particulares, é recomendável usar um tanque de expansão onde será armazenada a reserva de fluido térmico. Cada casa particular necessita de abastecimento de água quente

Para prever uma margem de potência da caldeira, na última fórmula deve-se adicionar o coeficiente de margem K:

P_caldeira=(Q_perdas*S*K)/100, onde

K – será igual a 1.25, ou seja, a potência calculada da caldeira será aumentada em 25%.

Assim, a potência da caldeira permite manter a temperatura normativa do ar nos cômodos do edifício, bem como ter um volume inicial e adicional de água quente na casa.

Particularidades na seleção de radiadores

Os componentes padrão para fornecer calor em um ambiente são radiadores, painéis, sistemas de piso aquecido, convectores, etc. Os radiadores são os componentes mais comuns do sistema de aquecimento.

Um radiador térmico é uma estrutura oca especial de tipo modular feita de uma liga com alta transferência de calor. É fabricado em aço, alumínio, ferro fundido, cerâmica e outras ligas. O princípio de funcionamento de um radiador de aquecimento consiste na emissão de energia do fluido térmico para o espaço do ambiente através das 'aletas'.

O radiador de aquecimento de alumínio e bimetálico substituiu as maciças baterias de ferro fundido. A simplicidade de produção, alta transferência de calor, design e estilo adequados tornaram este produto uma ferramenta popular e difundida para irradiar calor nos ambientes.

Existem várias metodologias de cálculo de radiadores de aquecimento em um cômodo. A lista abaixo está ordenada em ordem crescente de precisão dos cálculos.

Opções de cálculo:

1. Por área. N=(S*100)/C, onde N – número de seções, S – área do cômodo (m²), C – transferência de calor de uma seção do radiador (W, retirada do manual técnico ou certificado do produto), 100 W – quantidade de fluxo de calor necessária para aquecer 1 m² (valor empírico). Surge a pergunta: como considerar a altura do teto do cômodo?
2. Por volume. N=(S*H*41)/C, onde N, S, C – análogos. H – altura do cômodo, 41 W – quantidade de fluxo de calor necessária para aquecer 1 m³ (valor empírico).
3. Por coeficientes. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, onde N, S, C e 100 – análogos. k1 – consideração do número de câmaras no vidro duplo da janela do cômodo, k2 – isolamento térmico das paredes, k3 – proporção da área das janelas em relação à área do cômodo, k4 – temperatura média negativa na semana mais fria do inverno, k5 – número de paredes externas do cômodo (que “dão” para a rua), k6 – tipo de cômodo acima, k7 – altura do teto.

Esta é a opção mais precisa para calcular o número de seções. Naturalmente, o arredondamento dos resultados fracionários dos cálculos é sempre feito para o próximo número inteiro.

Cálculo hidráulico do abastecimento de água

Sem dúvida, “quadro” do cálculo do calor para aquecimento não pode ser completo sem o cálculo de características como o volume e a velocidade do fluido de transferência de calor. Na maioria dos casos, o fluido de transferência de calor é a água comum em estado líquido ou gasoso.

Recomenda-se calcular o volume real do fluido de transferência de calor somando todas as cavidades no sistema de aquecimento. Ao usar uma caldeira de circuito único, esta é a opção ideal. Ao usar caldeiras de circuito duplo no sistema de aquecimento, é necessário considerar o consumo de água quente para fins higiênicos e outros fins domésticos.

O cálculo do volume de água aquecida por uma caldeira de circuito duplo para fornecer água quente aos moradores e aquecer o fluido de transferência de calor é feito somando o volume interno do circuito de aquecimento e as necessidades reais dos usuários de água aquecida.

O volume de água quente no sistema de aquecimento é calculado pela fórmula:

W=k*P, onde

• W – volume do fluido de transferência de calor;
• P – potência da caldeira de aquecimento;
• k – coeficiente de potência (número de litros por unidade de potência, igual a 13.5, faixa – 10-15 L).

No final, a fórmula final fica assim:

W = 13.5*P

A velocidade do fluido de transferência de calor é a avaliação dinâmica final do sistema de aquecimento, que caracteriza a velocidade de circulação do líquido no sistema.

Este valor ajuda a avaliar o tipo e o diâmetro da tubulação:

V=(0.86*P*μ)/∆T, onde

• P – potência da caldeira;
• μ – eficiência da caldeira;
• ∆T – diferença de temperatura entre a água fornecida e a água no circuito de retorno.

Usando os métodos acima de cálculo hidráulico, será possível obter parâmetros reais, que são a “fundação” do futuro sistema de aquecimento.

Exemplo de cálculo térmico

Como exemplo de cálculo térmico, temos uma casa comum de 1 andar com quatro salas de estar, cozinha, banheiro, “jardim de inverno” e despensas.

Fundação em laje monolítica de concreto armado (20 cm), paredes externas – concreto (25 cm) com reboco, telhado – lajes de vigas de madeira, cobertura – telha metálica e lã mineral (10 cm)

Vamos designar os parâmetros iniciais da casa necessários para realizar os cálculos.

Dimensões do edifício:

• altura do piso – 3 m;
• janela pequena da parte frontal e traseira do edifício 1470*1420 mm;
• janela grande da fachada 2080*1420 mm;
• portas de entrada 2000*900 mm;
• portas da parte traseira (saída para o terraço) 2000*1400 (700 + 700) mm;

Largura total da construção 9.5 m², comprimento 16 m². Apenas os cômodos residenciais (4 peças), banheiro e cozinha serão aquecidos.

Para o cálculo preciso das perdas de calor nas paredes, da área das paredes externas é necessário subtrair a área de todas as janelas e portas – este é um tipo de material completamente diferente com sua própria resistência térmica.

Começamos pelo cálculo das áreas dos materiais homogêneos:

• área do piso – 152 m²;
• área do telhado – 180 m², considerando a altura do sótão 1.3 m e a largura do vão – 4 m;
• área das janelas – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• área das portas – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

A área das paredes externas será igual a 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Passamos ao cálculo das perdas de calor em cada material:

• Q_piso=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_telhado=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_janela=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_porta=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

E também Q_parede equivale a 136.38*40*0.25/0.3=4546. A soma de todas as perdas de calor será de 19628.4 W.

No final, calculamos a potência da caldeira: P_caldeira=Q_perdas*S_{cômodos_aquecidos}*K/100=19628.4*(10.4+10.4+13.5+27.9+14.1+7.4)*1.25/100=19628.4*83.7*1.25/100=20536.2=21 kW.

O cálculo do número de seções dos radiadores será feito para um dos cômodos. Para todos os outros, os cálculos são análogos. Por exemplo, cômodo de canto (esquerda, canto inferior do esquema) área 10.4 m².

Então, N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10.4*1.0*1.0*0.9*1.3*1.2*1.0*1.05)/180=8.5176=9.

Para este cômodo, são necessárias 9 seções de radiador de aquecimento com potência térmica de 180 W.

Passamos ao cálculo da quantidade de fluido de aquecimento no sistema – W=13.5*P=13.5*21=283.5 L. Então, a velocidade do fluido de aquecimento será: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 L.

Como resultado, a circulação completa de todo o volume do fluido de transferência de calor no sistema será equivalente a 2.87 vezes por hora.

Uma seleção de artigos sobre cálculo térmico ajudará a determinar os parâmetros exatos dos elementos do sistema de aquecimento:

1. Cálculo do sistema de aquecimento de uma casa particular: regras e exemplos de cálculo
2. Cálculo termotécnico do edifício: especificidades e fórmulas para realizar cálculos + exemplos práticos

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Um cálculo simples do sistema de aquecimento para uma casa particular é apresentado na seguinte visão geral:

Todas as nuances e métodos comuns para calcular as perdas de calor do edifício são mostrados abaixo:

Mais uma opção para calcular as perdas de calor em uma casa particular típica:

Neste vídeo, são apresentadas as características da circulação do fluido de transferência de energia para aquecimento da residência:

O cálculo térmico do sistema de aquecimento tem caráter individual; deve ser realizado de forma competente e cuidadosa. Quanto mais precisos forem os cálculos, menos os proprietários de uma casa de campo terão que pagar a mais durante a operação.

Você tem experiência em realizar cálculo térmico do sistema de aquecimento? Ou ainda tem dúvidas sobre o assunto? Por favor, compartilhe sua opinião e deixe comentários. O bloco de feedback está localizado abaixo.