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 com 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.
O material suplementar será complementado com tabelas com valores e indicadores de referência necessários durante os cálculos, fotos temáticas e um vídeo no qual é demonstrado um exemplo claro de 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 precisos.
Ao projetar, implementar qualquer sistema de tipo de aquecimento, é necessário conhecer o balanço de calor (daqui em diante - 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.
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Cálculo de aquecimento de água
Contabilização do aquecimento do ar recebido
Ventilação mista de ar fresco
Contabilização de perdas na preparação de água quente
Cálculo da eficiência do combustível processado na caldeira
Uma das opções para o circuito de aquecimento
Sistema de tanque de expansão aberto
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 (a seguir denominado CT), portanto, 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 de 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 = QEstá bem + Qv,
Onde QEstá bem - a quantidade de calor que sai da sala por OK; Qv - 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 QEstá bem igual à soma do TP de cada OK, ou seja:
QEstá bem = ∑Qst + ∑Qokn + ∑Qdv + ∑Qptl + ∑Qpl,
Onde:
- Qst - o valor das paredes TP;
- Qokn - janelas TP;
- Qdv - portas TP;
- Qptl - teto TP;
- Qpl - 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 REstá bem. Para isso, descubra a resistência térmica R1, R2, R3, ..., Rn cada camada está OK.
Coeficiente Rn 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 = ∑Rn
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, porque a folha de dados técnicos já contém as informações necessárias, o que simplifica o cálculo do TP
A fórmula geral para o cálculo de TP a OK é a seguinte:
QEstá bem = ∑S × (tvnt - tnar) × R × l,
Na expressão:
- S - área OK, m2;
- tvnt - temperatura ambiente desejada;
- tnar - 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:
Qv = 0,28 × Ln × pvnt × c × (tvnt - tnar),
Variáveis têm os seguintes significados na expressão:
- eun - custos de entrada de ar;
- pvnt - densidade do ar a uma certa temperatura na sala;
- c - capacidade de calor do ar;
- tvnt - temperatura na casa;
- tnar - temperatura do ar externo.
Se a ventilação estiver instalada no edifício, o parâmetro Ln retirado das características técnicas do dispositivo. Se não houver ventilação, é utilizado um indicador padrão de troca de ar específica igual a 3 m3 em uma hora
Com base nisso, Ln calculado pela fórmula:
eun = 3 × Spl,
Em expressão Spl - 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, os TPs através da ventilação serão levados em consideração nos cálculos e a infiltração não será levada em consideração.
Em seguida, calcule a densidade do ar pvnt a uma determinada temperatura tvnt.
Você pode fazer isso pela fórmula:
pvnt = 353 / (273 + tvnt),
Capacidade térmica específica c = 1.0005.
Se a ventilação ou a 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 um exemplo detalhado do cálculo de engenharia de calor de um edifício 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 +21 graus.
É mais conveniente descrever um 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 escolher os materiais mais eficazes do ponto de vista do isolamento térmico. Com base na tabela acima, é mais recomendável usar 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.
Não há saídas para o sótão.
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 = ∑Rn,
e expressão:
Rn = B / k
Dadas as informações iniciais, obtemos:
Rst = 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. Geralmente, uma “rosa dos ventos” é formada na parte norte durante o tempo frio, como resultado dos TPs neste lado que são mais altos do que nos outros
Calculamos a área da parede norte:
Ssev.sten = 8 × 2.5 = 20
Em seguida, substituindo na fórmula QEstá bem = ∑S × (tvnt - tnar) × R × l e considerando que l = 1,1, obtemos:
Qsev.sten = 20 × (21 + 29) × 1.1 × 2.14 = 2354
Área S da Parede Sulyuch.st = Sset.st = 20.
Não há janelas ou portas embutidas na parede, portanto, dado o coeficiente l = 1, obtemos o seguinte TP:
Qyuch.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:
Szap.st + Svost.st = 2 × 2.5 × 6 = 30
6 janelas e uma porta estão embutidas nas paredes. Calcule a área total de janelas e portas S:
Sokn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24
Sdv = 1 × 2.2 = 2.2
Definir paredes S, excluindo S janelas e portas:
Svost + zap = 30 – 9.24 – 2.2 = 18.56
Calculamos o TP total das muralhas leste e oeste:
Qvost + zap =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085
Após receber os resultados, calculamos a quantidade de calor que sai pelas paredes:
Qst = Qset.st + Qyuch.st + Qvost + 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:
Qokn = 9.24 × (21 +29) × 1.05 × 0.7 = 340
Sabendo que para as portas R = 0,36 e S = 2,2, definimos seu TP:
Qdv = 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:
Spol = Sptl = 6 × 8 = 48
Calculamos a resistência térmica total do piso, levando em consideração sua estrutura.
Rpol = 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 tnar= + 5 e considerando o coeficiente l = 1, calculamos o piso Q:
Qpol = 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 Rptl e seu Q:
- Rptl = 0.025/0.21 + 0.05/0.14 + 0.05/0.043 = 0.12 + 0.71 + 0.35 = 1.18
- Qptl = 48 × (21 +29) × 1 × 1.18 = 2832
Daqui resulta que quase 6 kW atravessam o teto e o piso.
Etapa # 4 - calcular a ventilação TP
A ventilação interna é organizada, calculada pela fórmula:
Qv = 0,28 × Ln × pvnt × c × (tvnt - tnar)
Com base nas características técnicas, a transferência de calor específica é de 3 metros cúbicos por hora, ou seja:
eun = 3 × 48 = 144.
Para calcular a densidade, usamos a fórmula:
pvnt = 353 / (273 + tvnt).
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:
pvnt = 353/(273+21) = 1.2
Substituímos os valores obtidos na fórmula acima:
Qv = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21 – 29) = 2431
Dada a ventilação TP, o Q total do edifício será:
Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.
Convertendo para kW, obtemos uma perda total de calor de 16 kW.
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Cálculo do valor calorífico do combustível
Determinando a quantidade de calor durante a combustão do carvão
Capacidade de queimar lenha
A melhor opção é o uso de combustível azul
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, serão capazes de 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 da GR baseia-se no pressuposto de que em todos os risers e ramificações as quedas de temperatura são iguais.
O algoritmo de cálculo é o seguinte:
- No diagrama mostrado, levando em consideração a perda de calor, cargas de calor são aplicadas a dispositivos de aquecimento, risers.
- 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.
- 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 com um beco sem saída ou com um movimento simultâneo de água ao longo da rede é considerado como o FCC. Falamos com mais detalhes sobre a ligação de anéis de circulação em um sistema de tubo único e a escolha do principal no próximo artigo. Damos especial atenção à ordem dos cálculos, usando um exemplo específico para maior clareza.
Em sistemas verticais do tipo de dois tubos, a fcc passa por um dispositivo de aquecimento mais baixo que tem uma carga máxima durante um beco sem saída ou movimento 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 contorno 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:
Gkont = (3,6 × Qkont × β1 × β2) / ((tr - t0) × c)
Na expressão, os caracteres alfabéticos assumem os seguintes significados:
- Qkont - carga térmica do circuito;
- β1, β2 - coeficientes tabulares adicionais, levando em consideração a transferência de calor na sala;
- c - a capacidade térmica da água é de 4,187;
- tr - 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 GR do anel principal, é determinada a pressão no anel de circulação pequeno formada através dos seus risers mais próximos, levando em consideração que as perdas de pressão podem diferir não mais que 15% com um esquema de deadlock e não mais que 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. Por 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:
- um banheiro – 4.19×2.5=10.47;
- sala de estar – 13.83×2.5=34.58;
- cozinha – 9.43×2.5=23.58;
- quarto – 10.33×2.5=25.83;
- o corredor – 4.10×2.5=10.25;
- corredor – 5.8×2.5=14.5.
Nos cálculos, você também precisa levar em consideração as salas nas quais não há baterias de aquecimento, por exemplo, um corredor.
O corredor é aquecido de forma passiva, o calor entra nele devido à circulação do 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 por um 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 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:
- um banheiro – 1392/150=10;
- sala de estar – 4599/150=31;
- cozinha – 3136/150=21;
- 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 assumir 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 o cálculo de um 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
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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