Cálculo do aquecimento da água: fórmulas, regras, exemplos de implementação

Usar a água como refrigerante em um sistema de aquecimento é uma das opções mais populares para aquecer sua casa na estação fria. Você só precisa projetar adequadamente e concluir a instalação do sistema. Caso contrário, o aquecimento será ineficaz a altos custos de combustível, o que, como você vê, é extremamente desinteressante com os preços atuais da energia.

É impossível calcular independentemente o aquecimento da água (doravante, CBO) sem o uso de programas especializados, pois os cálculos usam expressões complexas, cujos valores não podem ser determinados usando uma calculadora convencional. Neste artigo, analisaremos detalhadamente o algoritmo para a realização de cálculos, forneceremos as fórmulas aplicáveis, considerando o curso dos cálculos usando um exemplo específico.

Complementamos o material indicado com tabelas com valores e indicadores de referência necessários durante os cálculos, fotos temáticas e um vídeo, que mostra um exemplo claro do cálculo usando o programa.

Cálculo do balanço térmico da caixa

Para a introdução de uma instalação de aquecimento, onde a água atua como substância circulante, é necessário primeiro fazer cálculos hidráulicos.

Ao desenvolver, implementar qualquer tipo de sistema de aquecimento, é necessário conhecer o balanço de calor (doravante - TB). Conhecendo a energia térmica para manter a temperatura na sala, você pode escolher o equipamento certo e distribuir corretamente sua carga.

No inverno, a sala sofre certas perdas de calor (daqui em diante - TP). A maior parte da energia passa pelos elementos anexos e aberturas de ventilação. Despesas insignificantes são para infiltração, aquecimento de objetos, etc.

O TP depende das camadas em que as estruturas anexas consistem (daqui em diante - OK). Os materiais de construção modernos, em particular o isolamento, têm um baixo coeficiente de condutividade térmica (doravante referido como CT), devido ao qual menos calor é expelido através deles. Para casas da mesma área, mas com uma estrutura OK diferente, os custos de aquecimento serão diferentes.

Além de determinar o TP, é importante calcular a TB de uma casa. O indicador leva em consideração não apenas a quantidade de energia que sai da sala, mas também a quantidade de energia necessária para manter determinadas medidas de grau em casa.

Os resultados mais precisos são fornecidos por programas especializados projetados para construtores. Graças a eles, é possível levar em consideração mais fatores que afetam o TP.

A maior quantidade de calor sai da sala através das paredes, piso, teto, o mínimo - através de portas, aberturas de janelas

Com alta precisão, você pode calcular o TP da casa usando fórmulas.

O consumo total de calor da casa é calculado pela equação:

Q = Q_ok + Q_v,

Onde Q_ok - a quantidade de calor que sai da sala por OK; Q_v - custos de ventilação térmica.

As perdas por ventilação são levadas em consideração se o ar que entra na sala tiver uma temperatura mais baixa.

Os cálculos geralmente levam em consideração OK, entrando em um lado da rua. São paredes externas, piso, teto, portas e janelas.

TP geral Q_ok igual à soma do TP de cada OK, ou seja:

Q_ok = ∑Q_st + ∑Q_okn + ∑Q_dv + ∑Q_ptl + ∑Q_pl,

Onde:

• Q_st - o valor das paredes TP;
• Q_okn - janelas TP;
• Q_dv - portas TP;
  
• Q_ptl - teto TP;
  
• Q_pl - piso TP.

Se o piso ou o teto tiver uma estrutura desigual em toda a área, o TP será calculado para cada local separadamente.

Cálculo da perda de calor através de OK

Para cálculos, são necessárias as seguintes informações:

• estrutura da parede, materiais utilizados, espessura, CT;
• a temperatura externa em um inverno extremamente frio de cinco dias na cidade;
• Área OK;
• orientação OK;
• Temperatura doméstica recomendada no inverno.

Para calcular o TP, você precisa encontrar a resistência térmica total R_ok. Para isso, descubra a resistência térmica R₁, R₂, R₃, ..., R_n cada camada está OK.

Coeficiente R_n calculado pela fórmula:

Rn = B / k,

Na fórmula: B - espessura da camada OK em mm, k - TC de cada camada.

O R total pode ser determinado pela expressão:

R = ∑R_n

Os fabricantes de portas e janelas geralmente indicam o coeficiente R no passaporte para o produto, portanto não há necessidade de calculá-lo separadamente.

A resistência térmica das janelas não pode ser calculada, pois os dados técnicos já contêm as informações necessárias, o que simplifica o cálculo do TP

A fórmula geral para o cálculo de TP a OK é a seguinte:

Q_ok = ∑S × (t_vnt - t_nar) × R × l,

Na expressão:

• S - área OK, m²;
• t_vnt - temperatura ambiente desejada;
• t_nar - temperatura do ar externo;
• R - coeficiente de resistência, calculado separadamente ou retirado do passaporte do produto;
• eu - um coeficiente de refinamento, levando em consideração a orientação das paredes em relação aos pontos cardeais.

O cálculo da TB permite escolher o equipamento com a capacidade necessária, o que elimina a probabilidade de um déficit de calor ou seu excesso. O déficit de energia térmica é compensado aumentando o fluxo de ar através da ventilação, o excesso - instalando equipamentos de aquecimento adicionais.

Custos de ventilação térmica

A fórmula geral para o cálculo da ventilação TP é a seguinte:

Q_v = 0,28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt - t_nar),

Variáveis ​​têm os seguintes significados em uma expressão:

• L_n - custos de entrada de ar;
• p_vnt - densidade do ar a uma certa temperatura na sala;
• c - capacidade de calor do ar;
• t_vnt - temperatura na casa;
• t_nar - temperatura do ar externo.

Se a ventilação estiver instalada no edifício, o parâmetro L_n retirado das características técnicas do dispositivo. Se não houver ventilação, é utilizado um indicador padrão de troca de ar específica igual a 3 m³ por hora.

Com base nisso, L_n calculado pela fórmula:

L_n = 3 × S_pl,

Em expressão S_pl - área do piso.

2% de todas as perdas de calor são contabilizadas por infiltração, 18% - por ventilação. Se a sala estiver equipada com um sistema de ventilação, o TP através da ventilação será levado em consideração nos cálculos e a infiltração não será levada em consideração.

Em seguida, calcule a densidade do ar p_vnt a uma determinada temperatura t_vnt.

Você pode fazer isso pela fórmula:

p_vnt = 353 / (273 + t_vnt),

Capacidade térmica específica c = 1.0005.

Se a ventilação ou infiltração estiver desorganizada, houver rachaduras ou furos nas paredes, o cálculo do TP através dos furos deve ser confiado a programas especiais.

Em nosso outro artigo, demos uma detalhada exemplo de cálculo de engenharia de calor edifícios com exemplos e fórmulas específicas.

Exemplo de cálculo de balanço de calor

Considere uma casa com 2,5 m de altura, 6 m de largura e 8 m de comprimento, localizada na cidade de Okha, na região de Sakhalin, onde o termômetro cai para -29 graus em um período extremamente frio de 5 dias.

Como resultado da medição, a temperatura do solo foi ajustada para +5. A temperatura recomendada dentro da estrutura é de +21 graus.

É mais conveniente retratar o diagrama da casa em papel, indicando não apenas o comprimento, largura e altura do edifício, mas também a orientação em relação aos pontos cardeais, bem como a localização, as dimensões das janelas e portas

As paredes da casa em questão consistem em:

• alvenaria com uma espessura de B = 0,51 m, CT k = 0,64;
• lã mineral B = 0,05 m, k = 0,05;
• Revestimentos B = 0,09 m, k = 0,26.

Ao determinar k, é melhor usar as tabelas apresentadas no site do fabricante ou encontrar informações no passaporte técnico do produto.

Conhecendo a condutividade térmica, é possível selecionar os materiais que são mais eficazes em termos de isolamento térmico. Com base na tabela acima, é mais recomendável o uso de placas de lã mineral e poliestireno expandido na construção

O piso consiste nas seguintes camadas:

• Placas OSB B = 0,1 m, k = 0,13;
• lã mineral B = 0,05 m, k = 0,047;
• betonilha de cimento B = 0,05 m, k = 0,58;
• espuma de poliestireno B = 0,06 m, k = 0,043.

Não há porão na casa, e o piso tem a mesma estrutura em toda a área.

O teto consiste em camadas:

• folhas de drywall B = 0,025 m, k = 0,21;
• isolamento B = 0,05 m, k = 0,14;
• laje B = 0,05 m, k = 0,043.

A casa tem apenas 6 janelas de câmara dupla com vidro I e argônio. Do passaporte técnico para os produtos, sabe-se que R = 0,7. As janelas têm dimensões 1.1x1.4 m.

As portas têm dimensões de 1x2,2 m, indicador R = 0,36.

Etapa # 1 - cálculo da perda de calor na parede

Paredes sobre toda a área consistem em três camadas. Primeiro, calculamos sua resistência térmica total.

Por que usar a fórmula:

R = ∑R_n,

e expressão:

R_n = B / k

Dadas as informações iniciais, obtemos:

R_st = 0.51/0.64 + 0.05/0.05 + 0.09/0.26 = 0.79 +1 + 0.35 = 2.14

Tendo aprendido R, podemos começar a calcular o TP das muralhas norte, sul, leste e oeste.

Fatores adicionais levam em consideração as peculiaridades da localização das paredes em relação aos pontos cardeais. Normalmente, uma “rosa dos ventos” é formada na parte norte durante o tempo frio, como resultado dos TPs deste lado serão mais altos do que no outro

Calculamos a área da parede norte:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

Em seguida, substituindo na fórmula Q_ok = ∑S × (t_vnt - t_nar) × R × l e considerando que l = 1,1, obtemos:

Q_sev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354

Área S do Muro Sul_yuch.st = S_set.st = 20.

Não há janelas ou portas embutidas na parede, portanto, dado o coeficiente l = 1, obtemos o seguinte TP:

Q_yuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140

Para as muralhas ocidental e oriental, o coeficiente l = 1,05. Portanto, você pode encontrar a área total dessas paredes, ou seja:

S_zap.st + S_vost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30

6 janelas e uma porta estão embutidas nas paredes. Calculamos a área total de janelas e portas S:

S_okn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Definir paredes S, excluindo S janelas e portas:

S_{vost + zap} = 30 – 9.24 – 2.2 = 18.56

Calculamos o TP total das muralhas leste e oeste:

Q_{vost + zap} =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085

Após receber os resultados, calculamos a quantidade de calor que sai pelas paredes:

Qst = Q_set.st + Q_yuch.st + Q_{vost + zap} = 2140 + 2085 + 2354 = 6579

O total de TP total das paredes é de 6 kW.

Etapa 2 - cálculo de portas e janelas TP

As janelas estão localizadas nas paredes leste e oeste, portanto, ao calcular o coeficiente l = 1,05. Sabe-se que a estrutura de todas as estruturas é a mesma e R = 0,7.

Usando os valores da área acima, obtemos:

Q_okn = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340

Sabendo que para as portas R = 0,36 e S = 2,2, definimos seu TP:

Q_dv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42

Como resultado, 340 W de calor sai pelas janelas e 42 W pelas portas.

Etapa 3 - determinar o TP do piso e teto

Obviamente, a área do teto e do piso será a mesma e é calculada da seguinte forma:

S_pol = S_ptl = 6 × 8 = 48

Calculamos a resistência térmica total do piso, levando em consideração sua estrutura.

R_pol = 0.1/0.13 + 0.05/0.047 + 0.05/0.58 + 0.06/0.043 = 0.77 + 1.06 + 0.17 + 1.40 = 3.4

Sabendo que a temperatura do solo t_nar= + 5 e considerando o coeficiente l = 1, calculamos o piso Q:

Q_pol = 48 × (21 – 5) × 1 × 3.4 = 2611

Arredondando, obtemos que a perda de calor do piso é de cerca de 3 kW.

Nos cálculos de TP, é necessário levar em consideração as camadas que afetam o isolamento térmico, por exemplo, concreto, placas, alvenaria, aquecedores, etc.

Determinar a resistência térmica do teto R_ptl e seu Q:

• R_ptl = 0.025/0.21 + 0.05/0.14 + 0.05/0.043 = 0.12 + 0.71 + 0.35 = 1.18
• Q_ptl = 48 × (21 +29) × 1 × 1.18 = 2832

Daqui resulta que quase 6 kW saem pelo teto e pelo piso.

Etapa # 4 - calcular a ventilação TP

A ventilação interna é organizada, calculada pela fórmula:

Q_v = 0,28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt - t_nar)

Com base nas características técnicas, a transferência de calor específica é de 3 metros cúbicos por hora, ou seja:

L_n = 3 × 48 = 144.

Para calcular a densidade, usamos a fórmula:

p_vnt = 353 / (273 + t_vnt).

A temperatura ambiente calculada é de +21 graus.

A ventilação TP não é calculada se o sistema estiver equipado com um dispositivo de aquecimento do ar

Substituindo os valores conhecidos, obtemos:

p_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Substituímos os valores obtidos na fórmula acima:

Q_v = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21  – 29) = 2431

Dado o TP para ventilação, o Q total do edifício será:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

Convertendo para kW, obtemos uma perda total de calor de 16 kW.

Características do cálculo da CBO

Após encontrar o indicador TP, eles prosseguem para o cálculo hidráulico (a seguir - GR).

Com base nisso, são obtidas informações sobre os seguintes indicadores:

• o diâmetro ideal dos tubos que, quando a pressão cai, poderão passar uma determinada quantidade de líquido de refrigeração;
• fluxo de refrigerante em uma determinada área;
• velocidade da água;
• valor de resistividade.

Antes de iniciar os cálculos, para simplificar os cálculos, eles descrevem um diagrama espacial do sistema no qual todos os seus elementos estão dispostos paralelamente.

O diagrama mostra um sistema de aquecimento com uma fiação superior, o movimento do líquido de refrigeração é um beco sem saída

Considere os principais estágios dos cálculos de aquecimento de água.

GR do anel de circulação principal

A metodologia de cálculo de GR baseia-se no pressuposto de que em todos os risers e ramificações as diferenças de temperatura são iguais.

O algoritmo de cálculo é o seguinte:

1. No diagrama mostrado, levando em consideração a perda de calor, cargas de calor são aplicadas a aparelhos de aquecimento, risers.
2. Com base no esquema, escolha o anel de circulação principal (a seguir - HCC). A peculiaridade desse anel é que nele a pressão de circulação por unidade de comprimento do anel assume o menor valor.
3. O HCC é dividido em seções com consumo de calor constante. Para cada seção, indique o número, carga térmica, diâmetro e comprimento.

No sistema vertical de tubo único, o anel através do qual o riser mais carregado passa quando a água flui em um beco sem saída ou ao longo da rede elétrica passa é considerado como o FCC. Conversamos com mais detalhes sobre a ligação de anéis de circulação em um sistema de tubo único e a escolha do principal no próximo artigo. Prestamos atenção separadamente à ordem dos cálculos, usando um exemplo específico para maior clareza.

Em sistemas verticais do tipo de dois tubos, a fcc passa pelo dispositivo de aquecimento inferior, que possui uma carga máxima durante o movimento sem saída ou de água associado

Em um sistema horizontal do tipo tubo único, a fcc deve ter a menor pressão de circulação e uma unidade de comprimento de anel. Para sistemas com circulação natural A situação é semelhante.

Nos risers GR de um sistema vertical do tipo de tubo único, os risers de fluxo ajustável e fluxo ajustável, com nós unificados em sua composição, são considerados como um circuito único. Para risers com seções de fechamento, é feita a separação, levando em consideração a distribuição de água na tubulação de cada nó do instrumento.

O consumo de água em um determinado local é calculado pela fórmula:

G_kont = (3,6 × Q_kont × β₁ × β₂) / ((t_r - t₀) × c)

Na expressão, os caracteres alfabéticos assumem os seguintes significados:

• Q_kont - carga térmica do circuito;
• β_1, β₂ - coeficientes tabulares adicionais, levando em consideração a transferência de calor na sala;
• c - a capacidade térmica da água é de 4,187;
• t_r - temperatura da água na linha de suprimento;
• t₀ - temperatura da água na linha de retorno.

Após determinar o diâmetro e a quantidade de água, é necessário conhecer a velocidade do seu movimento e o valor da resistividade R. Todos os cálculos são realizados de forma mais conveniente usando programas especiais.

GH do anel de circulação secundária

Após a GR do anel principal, é determinada a pressão no anel de circulação pequeno formada por seus risers mais próximos, levando em consideração que as perdas de pressão podem diferir em não mais de 15% com um deadlock e não mais de 5% com um que passa.

Se não for possível relacionar a perda de pressão, instale uma arruela de pressão, cujo diâmetro é calculado usando métodos de software.

Cálculo de baterias de radiadores

Vamos voltar ao plano da casa localizada acima. Através de cálculos, verificou-se que 16 kW de energia seriam necessários para manter o balanço de calor. Nesta casa, existem 6 instalações para diversos fins - uma sala de estar, um banheiro, uma cozinha, um quarto, um corredor, um hall de entrada.

Com base nas dimensões da estrutura, você pode calcular o volume V:

V = 6 × 8 × 2,5 = 120 m³

Em seguida, você precisa encontrar a quantidade de energia térmica por m³. Para fazer isso, Q deve ser dividido pelo volume encontrado, ou seja:

P = 16000/120 = 133 W por m³

Em seguida, você precisa determinar quanta energia térmica é necessária para uma sala. No diagrama, a área de cada quarto já foi calculada.

Defina o volume:

• uma casa de banho – 4.19×2.5=10.47;
• sala de estar – 13.83×2.5=34.58;
• a cozinha – 9.43×2.5=23.58;
• o quarto – 10.33×2.5=25.83;
• corredor – 4.10×2.5=10.25;
• corredor – 5.8×2.5=14.5.

Nos cálculos, você também precisa considerar salas em que não há baterias de aquecimento, por exemplo, um corredor.

O corredor é aquecido de forma passiva, o calor entra nele devido à circulação de ar térmico quando as pessoas se movem, através de portas, etc.

Determine a quantidade necessária de calor para cada sala, multiplicando o volume da sala pelo indicador R.

Temos a energia necessária:

• para o banheiro - 10,47 × 133 = 1392 W;
• para a sala de estar - 34,58 × 133 = 4599 W;
• para a cozinha - 23,58 × 133 = 3136 W;
• para o quarto - 25,83 × 133 = 3435 W;
• para o corredor - 10,25 × 133 = 1363 W;
• para o corredor - 14,5 × 133 = 1889 W.

Prosseguimos com o cálculo das baterias do radiador. Usaremos radiadores de alumínio, cuja altura é de 60 cm, a potência a uma temperatura de 70 é de 150 watts.

Calculamos o número necessário de baterias do radiador:

• uma casa de banho – 1392/150=10;
• sala de estar – 4599/150=31;
• a cozinha – 3136/150=21;
• o quarto – 3435/150=23;
• corredor – 1889/150=13.

Total necessário: 10 + 31 + 21 + 23 + 13 = 98 baterias do radiador.

Nosso site também possui outros artigos nos quais examinamos detalhadamente o procedimento para realizar o cálculo térmico do sistema de aquecimento, cálculo passo a passo da potência dos radiadores e tubos de aquecimento. E se o seu sistema assume a presença de pisos quentes, será necessário realizar cálculos adicionais.

Todos esses problemas são abordados com mais detalhes em nossos artigos a seguir:

• Cálculo térmico de um sistema de aquecimento: como calcular corretamente a carga em um sistema
• Cálculo de radiadores de aquecimento: como calcular o número e a potência necessários das baterias
• Cálculo do volume do tubo: princípios e regras de cálculo em litros e metros cúbicos
• Como fazer um cálculo de piso quente usando o exemplo de um sistema de água
• Cálculo de tubos para aquecimento por piso radiante: tipos de tubos, métodos e etapas de assentamento + cálculo de vazão

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo, você pode ver um exemplo de cálculo do aquecimento da água, realizado por meio do programa Valtec:

Os cálculos hidráulicos são melhor executados usando programas especiais que garantem alta precisão dos cálculos, levando em consideração todas as nuances do projeto.

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