Cálculo termotécnico do edifício: especificidades e fórmulas para realizar cálculos + exemplos práticos

Durante a operação do edifício, tanto o superaquecimento quanto o congelamento são indesejáveis. O cálculo termotécnico permite determinar o meio-termo, que não é menos importante do que o cálculo da economicidade, resistência, resistência ao fogo, durabilidade.

Com base nas normas termotécnicas, características climáticas, permeabilidade ao vapor e à umidade, é feita a seleção de materiais para a construção de estruturas envolventes. Como realizar esse cálculo, veremos no artigo.

Objetivo do cálculo termotécnico

Das características termotécnicas das envolventes principais do edifício depende muito. Isso inclui a umidade dos elementos estruturais e os indicadores de temperatura, que influenciam a presença ou ausência de condensação nas divisórias internas e lajes.

O cálculo mostrará se as características estáveis de temperatura e umidade serão mantidas em temperaturas positivas e negativas. A lista dessas características inclui também um indicador como a quantidade de calor perdida pelas estruturas envolventes do edifício no período frio.

Não se pode iniciar o projeto sem ter todos esses dados. Com base neles, escolhe-se a espessura das paredes e lajes, a sequência das camadas.

De acordo com o regulamento GOST 30494-96, os valores de temperatura dentro das salas. Em média, é igual a 21⁰. Ao mesmo tempo, a umidade relativa deve permanecer dentro de limites confortáveis, e isso é em média 37%. A velocidade máxima de movimento da massa de ar é de 0,15 m/s.

O cálculo termotécnico tem como objetivos determinar:

1. Se as estruturas são idênticas às solicitações declaradas em termos de proteção térmica?
2. Quão completamente o microclima confortável dentro do edifício é garantido?
3. Se a proteção térmica ideal das estruturas é garantida?

O princípio básico é manter o equilíbrio da diferença dos indicadores de temperatura da atmosfera das estruturas internas de fechamento e dos ambientes. Se não for observado, essas superfícies absorverão calor e a temperatura interna permanecerá muito baixa.

A temperatura interna não deve ser significativamente afetada pelas mudanças no fluxo de calor. Essa característica é chamada de resistência térmica.

Através da execução do cálculo térmico, determinam-se os limites ótimos (mínimo e máximo) das dimensões das paredes e lajes em espessura. Isto garante a operação do edifício por um longo período, tanto sem congelamentos extremos das estruturas quanto sem superaquecimentos.

Parâmetros para realização dos cálculos

Para realizar o cálculo térmico, são necessários os parâmetros iniciais.

Eles dependem de uma série de características:

1. Da finalidade da construção e seu tipo.
2. Da orientação das estruturas verticais de fechamento em relação aos pontos cardeais.
3. Dos parâmetros geográficos da futura casa.
4. Do volume do edifício, seu número de andares, área.
5. Dos tipos e dimensões das aberturas de portas e janelas.
6. Do tipo de aquecimento e seus parâmetros técnicos.
7. Do número de moradores permanentes.
8. Do material das estruturas de fechamento verticais e horizontais.
9. Da laje do último andar.
10. Do equipamento de abastecimento de água quente.
11. Do tipo de ventilação.

Também são considerados no cálculo outros aspectos construtivos da estrutura. A permeabilidade ao ar das estruturas de fechamento não deve contribuir para o resfriamento excessivo dentro da casa nem reduzir as características de proteção térmica dos elementos.

A perda de calor também é causada pela umidade excessiva das paredes, além disso, isso acarreta umidade, que afeta negativamente a durabilidade do edifício.

No processo de cálculo, primeiramente são determinados os dados termotécnicos dos materiais de construção que compõem os elementos de fechamento da estrutura. Além disso, determina-se a resistência térmica reduzida e sua conformidade com o valor normativo.

Fórmulas para realizar o cálculo

As perdas de calor da casa podem ser divididas em duas partes principais: perdas através das estruturas de fechamento e perdas causadas pelo funcionamento do sistema de ventilação. Além disso, o calor é perdido quando a água quente é descartada no sistema de esgoto.

Perdas através das estruturas envolventes

Para os materiais que compõem as estruturas de fechamento, é necessário encontrar o valor do coeficiente de condutividade térmica Kt (W/m x grau). Eles estão disponíveis nos manuais correspondentes.

Agora, conhecendo a espessura das camadas, pela fórmula: R = S/Kt, calcula-se a resistência térmica de cada unidade. Se a estrutura for multicamada, todos os valores obtidos são somados.

As dimensões das perdas térmicas são mais facilmente determinadas somando os fluxos de calor através das estruturas de fechamento que, de fato, formam este edifício

Seguindo esta metodologia, considera-se o fato de que os materiais que compõem as estruturas têm estruturas diferentes. Também se leva em conta que o fluxo de calor que passa por eles possui diferentes especificidades.

Para cada estrutura individual, as perdas de calor são determinadas pela fórmula:

Q = (A / R) x dT

Aqui:

• A — área em m².
• R — resistência da estrutura à transferência de calor.
• dT — diferença de temperatura externa e interna. Deve ser determinada para o período de 5 dias mais frios.

Realizando o cálculo dessa forma, pode-se obter um resultado apenas para o período mais frio de cinco dias. As perdas totais de calor durante toda a estação fria são determinadas considerando o parâmetro dT, levando em conta não a temperatura mais baixa, mas a média.

O grau de absorção de calor, bem como a transferência de calor, depende da umidade do clima na região. Por esse motivo, nos cálculos são utilizados mapas de umidade.

Em seguida, calcula-se a quantidade de energia necessária para compensar as perdas de calor que ocorrem tanto através das estruturas de fechamento quanto através da ventilação. Ela é denotada pelo símbolo W.

Para isso, existe uma fórmula:

W = ((Q + Qv) x 24 x N)/1000

Nela, N é a duração do período de aquecimento em dias.

Desvantagens do cálculo por área

O cálculo baseado no indicador de área não é muito preciso. Aqui não são considerados parâmetros como clima, temperaturas mínimas e máximas, umidade. Devido à ignorância de muitos aspectos importantes, o cálculo apresenta erros significativos.

Frequentemente, tentando compensá-los, o projeto prevê uma "margem".

Se ainda assim esse método for escolhido para o cálculo, é necessário considerar as seguintes nuances:

1. Com altura das vedações verticais de até três metros e presença de no máximo duas aberturas em uma superfície, o resultado é melhor multiplicar por 100 W.
2. Se no projeto houver uma sacada, duas janelas ou uma loggia, multiplica-se em média por 125 W.
3. Quando os ambientes são industriais ou de armazenamento, aplica-se o multiplicador de 150 W.
4. No caso da localização dos radiadores próximos às janelas, sua potência projetada é aumentada em 25%.

A fórmula por área tem a forma:

Q = S x 100 (150) W.

Aqui Q é o nível confortável de calor no edifício, S é a área aquecida em m². Os números 100 ou 150 são o valor específico de energia térmica consumida para aquecer 1 m².

Perdas através da ventilação da casa

O parâmetro chave neste caso é a taxa de renovação do ar. Desde que as paredes da casa sejam permeáveis ao vapor, esse valor é igual a um.

A penetração de ar frio na casa ocorre através da ventilação de insuflação. A ventilação de exaustão contribui para a saída do ar quente. O recuperador de calor-trocador de calor reduz as perdas por ventilação. Ele não permite que o calor escape junto com o ar de saída, e aquece os fluxos de entrada.

É prevista a renovação completa do ar dentro do edifício a cada hora. Edifícios construídos de acordo com o padrão DIN possuem paredes com barreira de vapor, portanto, aqui a taxa de renovação do ar é considerada igual a dois.

Existe uma fórmula pela qual se determinam as perdas de calor através do sistema de ventilação:

Qv = (V x Kv : 3600) x R x C x dT

Aqui os símbolos denotam o seguinte:

1. Qv — perdas de calor.
2. V — volume da sala em m³.
3. R — densidade do ar. Seu valor é considerado igual a 1,2047 kg/m³.
4. Kv — taxa de renovação do ar.
5. C — capacidade térmica específica. É igual a 1005 J/(kg·°C).

Com base neste cálculo, é possível determinar a potência do gerador de calor do sistema de aquecimento. Caso o valor da potência seja muito alto, a solução pode ser um dispositivo de ventilação com recuperador de calor. Vamos examinar alguns exemplos para casas de diferentes materiais.

Exemplo de cálculo termotécnico nº 1

Vamos calcular uma casa residencial localizada no 1º distrito climático (Rússia), subdistrito 1B. Todos os dados foram retirados da tabela 1 do SNiP 23-01-99. A temperatura mais fria observada durante cinco dias com probabilidade de 0,92 é tn = -22⁰C.

De acordo com o SNiP, o período de aquecimento (zop) dura 148 dias. A temperatura média durante o período de aquecimento, considerando a temperatura média diária do ar externo de 8⁰, é tot = -2,3⁰. A temperatura externa na estação de aquecimento é tht = -4,4⁰.

As perdas de calor da casa são um ponto crucial na fase de seu projeto. O resultado do cálculo influencia tanto a escolha dos materiais de construção quanto o isolamento térmico. Não existem perdas zero, mas devemos buscar que sejam as mais razoáveis possíveis.

Foi estipulado que a temperatura nos cômodos da casa deve ser mantida a 22⁰. A casa tem dois andares e paredes com espessura de 0,5 m. Sua altura é de 7 m, dimensões em planta de 10 x 10 m. O material das estruturas verticais de fechamento é cerâmica térmica. Para ela, o coeficiente de condutividade térmica é de 0,16 W/m x C.

Como isolamento externo, com espessura de 5 cm, foi utilizada lã mineral. O valor de Kt para ela é de 0,04 W/m x C. O número de aberturas de janelas na casa é de 15 unidades, cada uma com 2,5 m².

Perdas de calor através das paredes

Primeiramente, é necessário determinar a resistência térmica tanto da parede cerâmica quanto do isolamento. No primeiro caso, R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 m² x C/W. No segundo, R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 m² x C/W. No total, para a estrutura vertical de fechamento: R = R1 + R2 = 3.125 + 1.25 = 4.375 m² x C/W.

Como as perdas de calor são diretamente proporcionais à área das estruturas envolventes, calculamos a área das paredes:

A = 10 x 4 x 7 – 15 x 2,5 = 242,5 m²

Agora podemos determinar as perdas de calor através das paredes:

Qc = (242,5 : 4.375) x (22 – (-22)) = 2438,9 W.

As perdas de calor através das estruturas horizontais de fechamento são calculadas de forma semelhante. No final, todos os resultados são somados.

Se houver porão, as perdas de calor pela fundação e piso serão menores, pois no cálculo é considerada a temperatura do solo, e não a do ar externo.

Se o porão abaixo do piso do primeiro andar for aquecido, o piso pode ser deixado sem isolamento. No entanto, é melhor revestir as paredes do porão com isolante para que o calor não se perca para o solo.

Determinação das perdas pela ventilação

Para simplificar o cálculo, a espessura das paredes não é considerada, apenas se determina o volume de ar interno:

V = 10 x 10 x 7 = 700 m³.

Com uma taxa de renovação do ar de Kv = 2, as perdas de calor serão:

Qv = (700 x 2) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 20 776 W.

Se Kv = 1:

Qv = (700 x 1) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 10 358 W.

A ventilação eficiente de residências é proporcionada por recuperadores rotativos e de placas. A eficiência dos primeiros é maior, atingindo 90%.

Exemplo de cálculo termotécnico nº 2

É necessário realizar o cálculo das perdas através de uma parede de tijolos com 51 cm de espessura. Ela é isolada com uma camada de 10 cm de lã mineral. Exterior – 18°, interior – 22°. As dimensões da parede são 2,7 m de altura e 4 m de comprimento. A única parede externa do ambiente está orientada para o sul, não há portas externas.

Para o tijolo, o coeficiente de condutividade térmica Kt = 0,58 W/m°C, para a lã mineral — 0,04 W/m°C. Resistência térmica:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 m²·°C/W. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 m²·°C/W. No geral para a envolvente vertical: R = R1 + R2 = 0.879 + 2,5 = 3,379 m²·°C/W.

Área da parede externa A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Perdas de calor através da parede:

Qs = (10,8 : 3.379) x (22 – (-18)) = 127,9 W.

Para o cálculo das perdas através das janelas, aplica-se a mesma fórmula, mas a resistência térmica delas, geralmente, está indicada no passaporte técnico e não precisa ser calculada.

No isolamento térmico da casa, as janelas são o «elo fraco». Através delas escapa uma grande parcela do calor. Reduzem as perdas os vidros duplos multilaminados, filmes refletores de calor, caixilhos duplos, mas mesmo isso não ajuda a evitar totalmente as perdas de calor.

Se na casa as janelas têm dimensões 1,5 x 1,5 m², são economizadoras de energia, orientadas para o Norte, e a resistência térmica é igual a 0,87 m²°C/W, então as perdas serão:

Qo = (2,25 : 0,87) x (22 – (-18)) = 103,4 t.

Exemplo de cálculo termotécnico nº 3

Realizaremos o cálculo térmico de um edifício de toras de madeira com fachada construída com toras de pinho com uma camada de espessura de 0,22 m. O coeficiente para este material é K = 0,15. Nesta situação, as perdas de calor serão:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 m² x °C/W.

A temperatura mais baixa do período de cinco dias é -18°, para conforto em casa é definida a temperatura de 21°. A diferença será de 39°. Se considerarmos a área de 120 m², o resultado será:

Qs = 120 x 39 : 1,47 = 3184 W.

Para comparação, determinaremos as perdas de uma casa de tijolos. O coeficiente para o tijolo sílico-calcário é 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 m² x °C/W.
Qs = 120 x 39 : 0,306 = 15 294 W.

Nas mesmas condições, a casa de madeira é mais econômica. O tijolo sílico-calcário não é adequado para a construção de paredes aqui.

Uma construção de madeira possui alta capacidade térmica. Suas estruturas de envoltório mantêm a temperatura confortável por muito tempo. No entanto, mesmo uma casa de toras precisa ser isolada, e é melhor fazê-lo tanto por dentro quanto por fora.

Construtores e arquitetos recomendam fortemente fazer o cálculo térmico ao instalar o aquecimento para a seleção adequada dos equipamentos e na fase de projeto da casa para escolher o sistema de isolamento adequado.

Exemplo de cálculo termotécnico nº 4

A casa será construída na região de Moscou. Para o cálculo, foi considerada uma parede feita de blocos de concreto celular. Como isolante, foi usado poliestireno extrudado. O acabamento da estrutura é reboco em ambos os lados. Sua composição é de cal e areia.

O poliestireno tem densidade de 24 kg/m³.

Os índices relativos de umidade do ar no ambiente são 55% a uma temperatura média de 20°. Espessura das camadas:

• reboco — 0,01 m;
• concreto celular — 0,2 m;
• poliestireno — 0,065 m.

A tarefa é encontrar a resistência necessária à transferência de calor e a real. A Rtr necessária é determinada substituindo os valores na expressão:

Rtr = a × GSOP + b

onde GSOP é o grau-dia da estação de aquecimento, e a e b são coeficientes retirados da tabela nº 3 do Código de Regras 50.13330.2012. Como o edifício é residencial, a é igual a 0,00035, b = 1,4.

O GSOP é calculado pela fórmula retirada do mesmo Código de Regras:

GSOP = (tint – text) × z.

Nesta fórmula, tint = 20°, text = -2,2°, z = 205 — período de aquecimento em dias. Portanto:

GSOP = (20 – (-2,2)) × 205 = 4551°C × dia;

Rtr = 0,00035 × 4551 + 1,4 = 2,99 m² × °C/W.

Usando a tabela nº 2 do Código de Regras 50.13330.2012, determinam-se os coeficientes de condutividade térmica para cada camada da parede:

• λb1 = 0,81 W/m°C;
• λb2 = 0,26 W/m°C;
• λb3 = 0,041 W/m°C;
• λb4 = 0,81 W/m°C;

A resistência total condicional à transferência de calor Ro é igual à soma das resistências de todas as camadas. Calcula-se pela fórmula:

Esta fórmula é retirada do Código de Regras 50.13330.2012. Aqui, 1/αint é a resistência à absorção de calor das superfícies internas. 1/αext é o mesmo para as externas, δ/λ é a resistência térmica da camada

Substituindo os valores, obtém-se: Ro cond. = 2,54 m²°C/W. Rf é determinado multiplicando Ro pelo coeficiente r, igual a 0,9:

Rf = 2,54 × 0,9 = 2,3 m² × °C/W.

O resultado obriga a alterar a construção do elemento de vedação, pois a resistência térmica real é menor que a calculada.

Existem muitos serviços computacionais que aceleram e simplificam os cálculos.

Os cálculos termotécnicos estão diretamente relacionados à determinação do ponto de orvalho. O que é e como encontrar seu valor, você aprenderá no artigo que recomendamos.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Realização do cálculo termotécnico com a ajuda de uma calculadora online:

Cálculo termotécnico correto:

Um cálculo termotécnico adequado permitirá avaliar a eficácia do isolamento dos elementos externos da casa e determinar a potência do equipamento de aquecimento necessário.

Como resultado, é possível economizar na compra de materiais e dispositivos de aquecimento. É melhor saber de antemão se o equipamento dará conta do aquecimento e da climatização da construção do que comprar tudo ao acaso.

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