Quanta eletricidade consome uma caldeira elétrica: como fazer os cálculos antes da compra

O uso da eletricidade como fonte de energia para aquecimento de uma casa de campo é atraente por muitas razões: fácil disponibilidade, ampla disseminação, sustentabilidade. No entanto, o principal obstáculo para o uso de caldeiras elétricas continua sendo as tarifas bastante altas.

Você também pensou na viabilidade de instalar uma caldeira elétrica? Vamos descobrir juntos quanto consome de eletricidade uma caldeira elétrica. Para isso, usaremos as regras de cálculo e as fórmulas abordadas em nosso artigo.

Os cálculos ajudarão a entender detalhadamente quantos kWh de eletricidade você terá que pagar mensalmente ao usar uma caldeira elétrica para aquecer uma casa ou apartamento. Os números obtidos permitirão tomar uma decisão final sobre comprar ou não a caldeira.

Métodos de cálculo da potência da caldeira elétrica

Podemos destacar dois métodos principais para calcular a potência necessária de uma caldeira elétrica. O primeiro é baseado na área aquecida, o segundo no cálculo das perdas de calor através das estruturas de fechamento.

O cálculo pelo primeiro método é muito aproximado, baseado em um único indicador – a potência específica. A potência específica é fornecida em manuais e depende da região.

O cálculo pelo segundo método é mais complexo, mas leva em consideração vários indicadores individuais do edifício específico. O cálculo térmico completo do edifício – é uma tarefa bastante complexa e trabalhosa. A seguir, será apresentado um cálculo simplificado, mas com a precisão necessária.

Independentemente do método de cálculo, a quantidade e a qualidade dos dados iniciais coletados influenciam diretamente a avaliação correta da potência necessária da caldeira elétrica.

Com potência subdimensionada, o equipamento funcionará constantemente com carga máxima, sem proporcionar o conforto residencial necessário. Com potência superdimensionada, há um consumo de eletricidade injustificadamente alto e um custo elevado do equipamento de aquecimento.

Ao contrário de outros tipos de combustível, a eletricidade – é uma opção ecologicamente segura, bastante limpa e simples, mas vinculada à existência de uma rede elétrica ininterrupta na região.

Procedimento de cálculo da potência da caldeira elétrica

A seguir, veremos detalhadamente como calcular a potência necessária da caldeira para que o equipamento cumpra integralmente sua função de aquecer a casa.

Etapa #1 – coleta de dados iniciais para o cálculo

Para realizar os cálculos, serão necessárias as seguintes informações sobre o edifício:

• S – área do ambiente aquecido.
• W_ud – potência específica.

O indicador de potência específica mostra quanta energia térmica é necessária por 1 m² em 1 hora.

Depende das condições naturais locais; podem ser adotados os seguintes valores:

• para a região central da Rússia: 120 – 150 W/m²;
• para regiões do sul: 70-90 W/m²;
• para regiões do norte: 150-200 W/m².

W_ud – é uma grandeza teórica, utilizada principalmente para cálculos muito aproximados, pois não reflete as perdas térmicas reais do edifício. Não considera a área envidraçada, o número de portas, o material das paredes externas, a altura dos tetos.

O cálculo térmico preciso é realizado com a ajuda de programas especializados, considerando diversos fatores. Para nossos propósitos, esse cálculo não é necessário; podemos nos limitar ao cálculo das perdas térmicas das estruturas de fechamento externas.

Grandezas que devem ser utilizadas nos cálculos:

R – resistência à transferência de calor ou coeficiente de resistência térmica. É a relação entre a diferença de temperatura nas extremidades da estrutura de fechamento e o fluxo de calor que passa através dessa estrutura. Tem dimensão m²×⁰C/W.

Na verdade, é simples – R expressa a capacidade do material de reter calor.

Q – grandeza que indica a quantidade de fluxo de calor que passa por 1 m² de superfície com uma diferença de temperatura de 1⁰C por 1 hora. Ou seja, mostra quanta energia térmica perde 1 m² da estrutura de fechamento por hora com uma variação de temperatura de 1 grau. Tem dimensão W/m²×h.

Para os cálculos aqui apresentados, não há diferença entre kelvins e graus Celsius, pois o que importa não é a temperatura absoluta, mas apenas a diferença.

Q_obshch – quantidade de fluxo de calor que passa pela área S da estrutura de fechamento por hora. Tem dimensão W/h.

P – potência da caldeira de aquecimento. É calculada como o valor máximo necessário de potência do equipamento de aquecimento na diferença máxima de temperatura entre o ar externo e interno. Em outras palavras, a potência suficiente da caldeira para aquecer o edifício na estação mais fria. Tem dimensão Wh.

Rendimento – rendimento da caldeira de aquecimento, grandeza adimensional que mostra a relação entre a energia obtida e a energia gasta. Na documentação do equipamento, geralmente é expresso em porcentagem de 100, por exemplo 99%. Nos cálculos, utiliza-se o valor de 1, ou seja, 0,99.

∆T – mostra a diferença de temperatura entre os dois lados da estrutura de fechamento. Para entender melhor como a diferença é calculada corretamente, veja o exemplo. Se externamente: -30 °C, e internamente +22 °C, então ∆T = 22 – (-30) = 52 °C

Ou também, mas em kelvins: ∆T = 293 – 243 = 52 K

Ou seja, a diferença será sempre a mesma para graus e kelvins, portanto, para os cálculos, os dados de referência em kelvins podem ser usados sem correções.

d – espessura da estrutura de fechamento em metros.

k – coeficiente de condutividade térmica do material da estrutura de fechamento, que é obtido de manuais ou SNiP II-3-79 «Construção de Térmica» (SNiP – normas e regras de construção). Tem dimensão W/(m·K) ou W/(m·°C).

A lista de fórmulas a seguir mostra a inter-relação das grandezas:

• R = d / k
• R= ∆T / Q
• Q = ∆T / R
• Q_total = Q × S
• P = Q_total / Rendimento

Para estruturas multicamadas, a resistência à transferência de calor R é calculada para cada estrutura separadamente e depois somada.

Às vezes, o cálculo de estruturas multicamadas pode ser muito complicado, por exemplo, ao calcular a perda de calor de uma janela com vidro duplo.

O que deve ser considerado ao calcular a resistência à transferência de calor para janelas:

• espessura do vidro;
• número de vidros e espaços de ar entre eles;
• tipo de gás entre os vidros: inerte ou ar;
• presença de revestimento de isolamento térmico no vidro da janela.

No entanto, é possível encontrar valores prontos para toda a estrutura, seja com o fabricante, seja em um manual; no final deste artigo, há uma tabela para janelas de vidro duplo de construção comum.

Etapa #2 – cálculo das perdas de calor do piso do subsolo

Separadamente, é necessário abordar o cálculo da perda de calor através do piso do edifício, pois o solo oferece uma resistência significativa à transferência de calor.

Ao calcular as perdas de calor do subsolo, deve-se levar em consideração o enterramento no solo. Se a casa está ao nível do solo, o enterramento é considerado igual a 0.

Pelo método geralmente aceito, a área do piso é dividida em 4 zonas.

• Zona 1 – recua-se 2 m da parede externa em direção ao centro do piso ao longo do perímetro. No caso de enterramento do edifício, recua-se do nível do solo até o nível do piso ao longo da parede vertical. Se a parede está enterrada no solo por 2 m, então a zona 1 estará completamente na parede.
• Zona 2 – recua-se 2 m ao longo do perímetro em direção ao centro a partir do limite da zona 1.
• Zona 3 – recua-se 2 m ao redor do perímetro em direção ao centro a partir do limite da Zona 2.
• Zona 4 – o restante do piso.

Para cada zona, de acordo com a prática estabelecida, são definidos seus próprios R:

• R1 = 2,1 m²×°C/W;
• R2 = 4,3 m²×°C/W;
• R3 = 8,6 m²×°C/W;
• R4 = 14,2 m²×°C/W.

Os valores de R apresentados são válidos para pisos sem revestimento. No caso de isolamento, cada R é aumentado pelo R do isolante.

Além disso, para pisos instalados sobre vigas, R é multiplicado pelo coeficiente 1,18.

Zona 1 tem largura de 2 metros. Se a casa estiver enterrada, deve-se pegar a altura das paredes no solo, subtrair de 2 metros e transferir o restante para o piso.

Etapa #3 – cálculo das perdas de calor do teto

Agora podemos iniciar os cálculos.

Fórmula que pode servir para estimar aproximadamente a potência de uma caldeira elétrica:

W=W_esp × S

Tarefa: calcular a potência necessária da caldeira em Moscou, área aquecida de 150 m².

Ao realizar os cálculos, consideramos que Moscou pertence à região central, ou seja, W_esp pode ser considerado igual a 130 W/m².

W_esp = 130 × 150 = 19500 W/h ou 19,5 kW/h

Este valor é tão impreciso que não requer consideração do rendimento do equipamento de aquecimento.

Agora vamos determinar as perdas de calor através de 15 m² de área do teto, isolado com lã mineral. Espessura da camada de isolamento térmico: 150 mm, temperatura externa -30 °C, interna +22 °C por 3 horas.

Solução: pela tabela encontramos o coeficiente de condutividade térmica da lã mineral, k=0,036 W/m×°C. A espessura d deve ser tomada em metros.

A ordem de cálculo é a seguinte:

• R = 0,15 / 0,036 = 4,167 m²×°C/W
• ∆T= 22 – (-30) = 52°C
• Q= 52 / 4,167 = 12,48 W/m²×h
• Q_total = 12,48 × 15 = 187 W/h.

Calculamos que as perdas de calor pelo teto serão, no nosso exemplo, 187 * 3 = 561 W.

Para os nossos propósitos, é perfeitamente aceitável simplificar os cálculos, calculando as perdas de calor apenas das estruturas externas: paredes e tetos, sem prestar atenção às divisórias internas e portas.

Além disso, você pode dispensar o cálculo das perdas de calor por ventilação e esgoto. Não considere a infiltração e a carga do vento. A dependência da orientação do edifício em relação aos pontos cardeais e a quantidade de radiação solar recebida.

Por considerações gerais, pode-se tirar uma conclusão. Quanto maior o volume do edifício, menor a perda de calor por 1 m². Isso é fácil de explicar, pois a área das paredes aumenta quadraticamente, enquanto o volume em cubo. A esfera tem a menor perda de calor.

Nas estruturas de fechamento, apenas as camadas de ar fechadas são consideradas. Se a sua casa tiver uma fachada ventilada, essa camada de ar é considerada não fechada e não é levada em conta. Não são consideradas todas as camadas que antecedem a camada de ar não fechada: azulejos de fachada ou cassetes.

As camadas de ar fechadas, por exemplo, em vidros duplos, são consideradas.

Todas as paredes da casa são externas. O sótão não é aquecido, a resistência térmica dos materiais de cobertura não é considerada.

Etapa #4 – cálculo das perdas totais de calor da casa

Após a parte teórica, pode-se passar para a parte prática.

Para exemplo, calcule uma casa:

• dimensões das paredes externas: 9x10 m;
• altura: 3 m;
• janela com vidro duplo 1,5×1,5 m: 4 unidades;
• porta de carvalho 2,1×0,9 m, espessura 50 mm;
• pisos de pinho 28 mm, sobre poliestireno extrudado com espessura de 30 mm, colocados sobre vigas;
• teto de gesso cartonado 9 mm, sobre lã mineral com espessura de 150 mm;
• material das paredes: alvenaria de 2 tijolos sílico-calcários, isolamento com lã mineral de 50 mm;
• período mais frio – 30 °C, temperatura interna calculada 20 °C.

Realize os cálculos preparatórios das áreas necessárias. Ao calcular as zonas no piso, considere o rebaixamento zero das paredes. A tábua do piso é colocada sobre vigas.

• janelas – 9 m²;
• porta – 1,9 m²;
• paredes, menos janelas e porta – 103,1 m²;
• teto – 90 m²;
• áreas das zonas do piso: S1 = 60 m², S2 = 18 m², S3 = 10 m², S4 = 2 m²;
• ΔT = 50 °C.

Em seguida, por meio de manuais ou tabelas fornecidas no final deste capítulo, selecione os valores necessários do coeficiente de condutividade térmica para cada material. Recomendamos que você se familiarize mais detalhadamente com o coeficiente de condutividade térmica e seus valores para os materiais de construção mais populares.

Para tábuas de pinho, o coeficiente de condutividade térmica deve ser considerado ao longo das fibras.

Todo o cálculo é bastante simples:

Passo nº1: O cálculo das perdas de calor através das estruturas de paredes portantes inclui três ações.

Calculando o coeficiente de perda térmica das paredes de alvenaria de tijolos: R_kir = d / k = 0,51 / 0,7 = 0,73 m²×°C/W.

O mesmo para o isolamento das paredes: R_ut = d / k = 0,05 / 0,043 = 1,16 m²×°C/W.

Perda térmica de 1 m² de paredes externas: Q = ΔT/(R_kir + R_ut) = 50 / (0,73 + 1,16) = 26,46 m²×°C/W.

No final, a perda térmica total das paredes será: Q_st = Q×S = 26,46 × 103,1 = 2728 W/h.

Passo nº2: Cálculo das perdas de energia térmica pelas janelas: Q_okn = 9 × 50 / 0,32 = 1406 W/h.

Passo nº3: Cálculo das fugas de energia térmica pela porta de carvalho: Q_dv = 1,9 × 50 / 0,23 = 413 W/h.

Passo nº4: Perda de calor pelo piso superior – teto: Q_pot = 90 × 50 / (0,06 + 4,17) = 1064 W/h.

Passo nº5: Calculamos R_ut para o piso da mesma forma, em várias etapas.

Primeiro, encontramos o coeficiente de perda térmica do isolamento: R_ut= 0,16 + 0,83 = 0,99 m²×°C/W.

Em seguida, adicionamos R_ut a cada zona:

• R1 = 3,09 m²×°C/W; R2 = 5,29 m²×°C/W;
• R3 = 9,59 m²×°C/W; R4 = 15,19 m²×°C/W.

Passo nº6: Como o piso está sobre vigas, multiplicamos pelo coeficiente 1,18:

R1 = 3,64 m²×°C/W; R2 = 6,24 m²×°C/W;

R3 = 11,32 m²×°C/W; R4 = 17,92 m²×°C/W.

Passo nº7: Vamos calcular Q para cada zona:

Q1 = 60 × 50 / 3,64 = 824W/h;

Q2 = 18 × 50 / 6,24 = 144W/h;

Q3 = 10 × 50 / 11,32 = 44W/h;

Q4 = 2 × 50 / 17,92 = 6W/h.

Passo nº8: Agora podemos calcular Q para todo o piso: Q_piso = 824 + 144 + 44 + 6 = 1018W/h.

Passo nº9: Como resultado dos nossos cálculos, podemos indicar a soma total das perdas de calor:

Q_total = 2728 + 1406 + 413 + 1064 + 1018 = 6629W/h.

No cálculo, não foram incluídas as perdas de calor relacionadas ao esgoto e à ventilação. Para não complicar excessivamente, vamos simplesmente adicionar 5% para as perdas mencionadas.

Naturalmente, é necessária uma margem, no mínimo 10%.

Assim, o valor final das perdas de calor da casa usada como exemplo será:

Q_total = 6629 × 1,15 = 7623W/h.

Q_total mostra as perdas máximas de calor da casa com uma diferença de temperatura entre o ar externo e interno de 50 °C.

Se calcularmos pelo primeiro método simplificado através de W_ud então:

W_esp = 130 × 90 = 11700W/h.

É claro que o segundo método de cálculo, embora seja muito mais complexo, fornece um número mais realista para edifícios com isolamento. O primeiro método permite obter um valor generalizado de perda de calor para edifícios com baixo nível de isolamento térmico ou sem nenhum isolamento.

No primeiro caso, a caldeira terá que repor completamente a cada hora as perdas de energia térmica que ocorrem através de aberturas, lajes e paredes sem isolamento.

No segundo caso, é necessário aquecer apenas uma vez até atingir uma temperatura confortável. Depois, a caldeira só precisará repor as perdas de calor, cujo valor é significativamente menor do que no primeiro caso.

Tabela 1. Condutividade térmica de vários materiais de construção.

A tabela mostra os coeficientes de condutividade térmica para materiais de construção comuns.

Tabela 2. Espessura da junta de cimento para diferentes tipos de alvenaria.

Ao calcular a espessura da alvenaria, a espessura da junta de 10 mm é levada em conta. Devido às juntas de cimento, a condutividade térmica da alvenaria é um pouco maior do que a do tijolo individual.

Tabela 3. Condutividade térmica de diferentes tipos de placas de lã mineral.

Na tabela são apresentados os valores do coeficiente de condutividade térmica para diferentes placas de lã mineral. Para isolamento de fachadas, utiliza-se placa rígida.

Tabela 4. Perdas térmicas de janelas de diferentes construções.

Legendas na tabela: Ar – preenchimento dos vidros duplos com gás inerte, K – vidro externo possui revestimento de proteção térmica, espessura do vidro 4mm, os demais números indicam o espaçamento entre os vidros.

7,6 kW/h é a potência máxima necessária calculada que é gasta no aquecimento de uma edificação bem isolada. No entanto, as caldeiras elétricas também precisam de alguma carga para seu próprio funcionamento.

Como você notou, uma casa ou apartamento mal isolado exigirá grandes gastos de eletricidade para aquecimento. Além disso, isso é válido para qualquer tipo de caldeira. O isolamento adequado do piso, teto e paredes permite reduzir significativamente os custos.

Em nosso site há artigos sobre métodos de isolamento e regras para escolha do material de isolamento térmico. Convidamos você a lê-los:

• Isolamento de casa particular pelo exterior: tecnologias populares + visão geral dos materiais
• Isolamento do piso sobre vigas: materiais para isolamento térmico + esquemas de isolamento
• Isolamento do telhado do sótão: instruções detalhadas para instalação de isolamento térmico no sótão de uma casa de baixa altura
• Tipos de isolantes para paredes de casa por dentro: materiais para isolamento térmico e suas características
• Isolamento para teto em casa particular: tipos de materiais utilizados + como escolher corretamente
• Isolamento de varanda faça você mesmo: opções populares e tecnologias de isolamento de varanda por dentro

Etapa #5 – cálculo dos custos de eletricidade

Se simplificarmos a essência técnica da caldeira de aquecimento, podemos chamá-la de um conversor comum de energia elétrica em seu equivalente térmico. Ao realizar o trabalho de conversão, ela também consome uma certa quantidade de energia. Ou seja, a caldeira recebe uma unidade completa de eletricidade, mas apenas 0,98 dela chega ao aquecimento.

Para obter o valor exato do consumo de eletricidade da caldeira elétrica de aquecimento em estudo, é necessário dividir sua potência (nominal no primeiro caso e calculada no segundo) pelo valor de eficiência declarado pelo fabricante.

Em média, a eficiência desse equipamento é de 98%. Como resultado, o consumo de energia será, por exemplo, para a opção calculada:

7,6 / 0,98 = 7,8 kW/h.

Resta multiplicar o valor pela tarifa local. Em seguida, calcular o custo total do aquecimento elétrico e buscar maneiras de reduzi-lo.

Por exemplo, comprar um medidor de dois tarifários, que permite pagar parcialmente com tarifas “noturnas” mais baixas. Para isso, será necessário substituir o medidor elétrico antigo por um novo modelo. A ordem e as regras para realizar a substituição são detalhadamente discutidas aqui.

Outra forma de reduzir os custos após a troca do medidor – incluir um acumulador térmico no circuito de aquecimento para armazenar energia barata à noite e utilizá-la durante o dia.

Etapa #6 – cálculo dos custos sazonais de aquecimento

Agora que você dominou o método de cálculo das futuras perdas de calor, poderá facilmente estimar os custos de aquecimento durante todo o período de aquecimento.

De acordo com a SNiP 23-01-99 «Climatologia da Construção» nas colunas 13 e 14 encontramos para Moscou a duração do período com temperatura média abaixo de 10 °C.

Para Moscou, esse período dura 231 dias e tem temperatura média de -2,2 °C. Para calcular Q_total para ΔT=22,2 °C, não é necessário refazer todo o cálculo.

Basta obter Q_total para 1 °C:

Q_total = 7623 / 50 = 152,46 W/h

Correspondentemente, para ΔT= 22,2 °C:

Q_total = 152,46 × 22,2 = 3385 Wh

Para encontrar a energia elétrica consumida, multiplique pelo período de aquecimento:

Q = 3385 × 231 × 24 × 1,05 = 18766440 W = 18766 kW

O cálculo apresentado é interessante também porque permite realizar uma análise de toda a estrutura da casa do ponto de vista da eficácia do uso do isolamento.

Consideramos uma versão simplificada dos cálculos. Recomendamos que você também conheça o cálculo térmico completo do edifício.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Como evitar perdas de calor através da fundação:

Como calcular perdas de calor online:

O uso de caldeiras elétricas como equipamento principal de aquecimento é muito limitado pelas capacidades das redes elétricas e pelo custo da eletricidade.

No entanto, como complemento, por exemplo a uma caldeira a combustível sólido, podem ser muito eficazes e úteis. Capazes de reduzir significativamente o tempo de aquecimento do sistema de aquecimento ou ser usadas como caldeira principal em temperaturas não muito baixas.

Você usa uma caldeira elétrica para aquecimento? Conte-nos qual método você usou para calcular a potência necessária para sua casa. Ou talvez você queira comprar uma caldeira elétrica e tenha dúvidas? Pergunte nos comentários do artigo – tentaremos ajudá-lo.