Suponha que você queira pegar uma caldeira, radiadores e canos para o sistema de aquecimento de uma casa particular. Tarefa número 1 - calcular a carga de calor para aquecimento, em outras palavras, determinar o consumo total de calor necessário para aquecer o edifício a uma temperatura interna confortável. Propomos estudar 3 métodos de cálculo - diferentes em complexidade e precisão dos resultados.
Métodos para determinar a carga
Primeiro, explicamos o significado do termo. Carga térmica é a quantidade total de calor consumida pelo sistema de aquecimento para aquecer as instalações à temperatura padrão no período mais frio. O valor é calculado em unidades de energia - quilowatts, quilocalorias (menos frequentemente - quilojoules) e é indicado nas fórmulas com a letra latina Q.
Conhecendo a carga de aquecimento de uma casa particular em geral e a necessidade de cada cômodo em particular, não é difícil escolher uma caldeira, aquecedores e baterias do sistema de água em termos de energia. Como posso calcular este parâmetro:
- Se a altura do teto não atingir 3 m, é feito um cálculo ampliado de acordo com a área das salas aquecidas.
- Com um pé direito de 3 m ou mais, o consumo de calor é considerado pelo volume das instalações.
- Determinação da perda de calor por cercas externas e o custo do aquecimento do ar de ventilação de acordo com o SNiP.
Nota. Nos últimos anos, calculadoras on-line localizadas nas páginas de vários recursos da Internet ganharam grande popularidade. Com a ajuda deles, a determinação da quantidade de energia térmica é rápida e não requer instruções adicionais. Menos - a confiabilidade dos resultados precisa ser verificada, porque os programas são escritos por pessoas que não são engenheiros de calor.
Os dois primeiros métodos de cálculo baseiam-se na aplicação de características térmicas específicas em relação à área aquecida ou ao volume do edifício. O algoritmo é simples, é usado em todos os lugares, mas fornece resultados muito aproximados e não leva em conta o grau de isolamento da casa.
De acordo com o SNiP, é muito mais difícil calcular o consumo de energia térmica de acordo com o SNiP. Você precisará coletar muitos dados de referência e trabalhar nos cálculos, mas os números finais refletirão a imagem real com uma precisão de 95%. Vamos tentar simplificar a metodologia e tornar o cálculo da carga de aquecimento o mais acessível possível para o entendimento.
Por exemplo, um projeto de uma casa térrea de 100 m²
Para explicar claramente todos os métodos para determinar a quantidade de energia térmica, sugerimos tomar como exemplo uma casa térrea com uma área total de 100 quadrados (de acordo com a medição externa), mostrada no desenho. Listamos as características técnicas do edifício:
- região de construção - uma faixa de clima temperado (Minsk, Moscou);
- a espessura da cerca externa é de 38 cm, o material é tijolo de silicato;
- isolamento de paredes externas - poliestireno com espessura de 100 mm, densidade - 25 kg / m³;
- pisos - concreto no chão, não há porão;
- sobreposição - lajes de concreto armado isoladas do lado do sótão frio com 10 cm de poliestireno;
- janelas - metal-plástico padrão em 2 copos, tamanho - 1500 x 1570 mm (h);
- a porta da frente é metálica 100 x 200 cm, isolada com espuma de poliestireno extrudida a 20 mm do interior.
A casa tem divisórias interiores em um meio tijolo (12 cm), a sala da caldeira está localizada em um prédio separado. As áreas das salas são indicadas no desenho, a altura dos tetos será medida dependendo do método de cálculo explicado - 2,8 ou 3 m.
Calculamos o consumo de calor por quadratura
Para uma estimativa aproximada da carga de aquecimento, geralmente é usado o cálculo térmico mais simples: a área do edifício é tomada de acordo com a medição externa e multiplicada por 100 watts. Consequentemente, o consumo de calor de uma casa de campo de 100 m² será de 10.000 W ou 10 kW.O resultado permite que você escolha uma caldeira com um fator de segurança de 1,2 a 1,3, neste caso, a potência da unidade é igual a 12,5 kW.
Sugerimos a realização de cálculos mais precisos, levando em consideração a localização das salas, o número de janelas e a região de desenvolvimento. Portanto, com tetos de até 3 m, é recomendável usar a seguinte fórmula:
O cálculo é realizado para cada quarto separadamente e, em seguida, os resultados são somados e multiplicados pelo coeficiente regional. Explicação da notação da fórmula:
- Q é a carga desejada, W;
- Spom - a quadratura da sala, m²;
- q é o indicador da característica térmica específica relacionada à área da sala, W / m²;
- k - coeficiente de acordo com o clima na área de residência.
Para referência. Se uma casa particular estiver localizada em uma zona temperada, o coeficiente k é considerado igual a um. Nas regiões sul, k = 0,7; nas regiões norte, são usados valores de 1,5–2.
Um cálculo aproximado do indicador de quadratura total q = 100 W / m². Essa abordagem não leva em consideração a localização das salas e o número diferente de aberturas de luz. O corredor dentro da casa perderá muito menos calor do que um quarto de canto com janelas da mesma área. Propomos tomar o valor da característica térmica específica q da seguinte maneira:
- para salas com uma parede externa e janela (ou porta) q = 100 W / m²;
- quartos de canto com uma abertura de luz - 120 W / m²;
- o mesmo com duas janelas - 130 W / m².
Como escolher o valor q é mostrado claramente na planta. Para o nosso exemplo, o cálculo é assim:
Q = (15,75 x 130 + 21 x 120 + 5 x 100 + 7 x 100 + 6 x 100 + 15,75 x 130 + 21 x 120) x 1 = 10935 W ≈ 11 kW.
Como você pode ver, os cálculos refinados deram um resultado diferente - de fato, para aquecer uma casa em particular, 100 m² serão gastos em 1 kW de energia térmica a mais. A figura leva em consideração o consumo de calor para aquecer o ar externo que penetra na casa através de aberturas e paredes (infiltração).
Cálculo da carga de calor por volume de quartos
Quando a distância entre o piso e o teto atingir 3 m ou mais, a opção de cálculo anterior não poderá ser usada - o resultado estará incorreto. Nesses casos, a carga de aquecimento é considerada de acordo com indicadores agregados específicos de consumo de calor por 1 m³ do volume da sala.
O algoritmo de fórmula e cálculo permanece o mesmo, apenas o parâmetro de área S muda para o volume - V:
Dessa forma, outro indicador de consumo específico q é adotado, referente à capacidade cúbica de cada quarto:
- uma sala no interior do edifício ou com uma parede externa e uma janela - 35 W / m³;
- quarto de canto com uma janela - 40 W / m³;
- o mesmo com duas aberturas de luz - ³ de 45 W / m.
Nota. Os coeficientes regionais crescentes e decrescentes k são aplicados na fórmula sem alterações.
Agora, por exemplo, determinamos a carga no aquecimento de nossa casa, considerando a altura do teto igual a 3 m:
Q = (47,25 x 45 + 63 x 40 + 15 x 35 + 21 x 35 + 18 x 35 + 47,25 x 45 + 63 x 40) x 1 = 11182 W ≈ 11,2 kW.
É perceptível que a energia térmica necessária do sistema de aquecimento aumentou 200 watts em comparação com o cálculo anterior. Se tomarmos a altura das salas entre 2,7 e 2,8 me calcularmos o gasto de energia através do metro cúbico, os números serão aproximadamente os mesmos. Ou seja, o método é bastante aplicável para o cálculo integrado da perda de calor em salas de qualquer altura.
Algoritmo de cálculo de acordo com o SNiP
Este método é o mais preciso de todos os existentes. Se você seguir nossas instruções e executar o cálculo corretamente, poderá ter 100% de certeza do resultado e selecionar calmamente o equipamento de aquecimento. O procedimento fica assim:
- Meça a quadratura das paredes externas, pisos e tetos separadamente em cada quarto. Determine a área das janelas e portas da frente.
- Calcule a perda de calor em todas as cercas ao ar livre.
- Descubra o consumo de energia térmica usada para aquecer o ar de ventilação (infiltração).
- Resuma os resultados e obtenha um indicador real da carga de calor.
Um ponto importante. Em uma casa de dois andares, os tetos internos não são levados em consideração, pois não fazem fronteira com o meio ambiente.
A essência do cálculo da perda de calor é relativamente simples: você precisa descobrir quanta energia cada tipo de estrutura de edifício perde, porque janelas, paredes e pisos são feitos de materiais diferentes. Ao determinar a quadratura das paredes externas, subtraia a área das aberturas envidraçadas - estas permitem um maior fluxo de calor e, portanto, são consideradas separadamente.
Ao medir a largura das salas, adicione metade da espessura da divisória interna e capture o canto externo, conforme mostrado no diagrama. O objetivo é levar em consideração a quadratura completa da cerca externa, perdendo calor em toda a superfície.
Determinamos a perda de calor de paredes e telhados
A fórmula para calcular o fluxo de calor que passa por uma estrutura do mesmo tipo (por exemplo, uma parede) é a seguinte:
Decifre a notação:
- a quantidade de perda de calor através de uma cerca que designamos Qi, W;
- A - a quadratura da parede dentro da mesma sala, m²;
- tv - temperatura confortável dentro da sala, geralmente +22 ° C;
- t - a temperatura mínima do ar da rua que dura os 5 dias mais frios do inverno (calcule o valor real da sua região);
- R é a resistência da espessura da cerca externa à transferência de calor, m² ° C / W.
Um parâmetro incerto permanece na lista acima - R. Seu valor depende do material da estrutura da parede e da espessura da cerca. Para calcular a resistência à transferência de calor, faça o seguinte:
- Determine a espessura da parte de suporte da parede externa e, separadamente, a camada de isolamento. A letra nas fórmulas - δ é considerada em metros.
- Descubra os coeficientes de condutividade térmica dos materiais estruturais λ nas tabelas de referência e a unidade de medida é W / (mºС).
- Substitua os valores encontrados na fórmula, um por um:
- Defina R para cada camada da parede separadamente, adicione os resultados e use na primeira fórmula.
Repita os cálculos separadamente para janelas, paredes e tetos na mesma sala, depois passe para a próxima sala. As perdas de calor nos pisos são consideradas separadamente, conforme descrito abaixo.
Gorjeta. Os coeficientes de condutividade térmica corretos de vários materiais são indicados na documentação normativa. Para a Rússia, este é o Código de Regras SP 50.13330.2012, para a Ucrânia - DBN V.2.6–31 ~ 2006. Atenção! Nos cálculos, use o valor de λ prescrito na coluna "B" para condições operacionais.
Exemplo de cálculo para a sala de estar de nossa casa térrea (altura do teto 3 m):
- A área das paredes externas e as janelas: (5,04 + 4,04) x 3 = 27,24 m². O quadrado das janelas é de 1,5 x 1,57 x 2 = 4,71 m². Área de esgrima líquida: 27,24 - 4,71 = 22,53 m².
- A condutividade térmica λ para alvenaria de tijolo de silicato é de 0,87 W / (m º C), espuma de 25 kg / m³ - 0,044 W / (m º C). A espessura é de 0,38 e 0,1 m, respectivamente, consideramos a resistência à transferência de calor: R = 0,38 / 0,87 + 0,1 / 0,044 = 2,71 m² ° C / W.
- Temperatura externa - menos 25 ° C, dentro da sala - mais 22 ° C. A diferença é 25 + 22 = 47 ° C.
- Determinamos a perda de calor através das paredes da sala: Q = 1 / 2,71 x 47 x 22,53 = 391 watts.
Da mesma forma, o fluxo de calor através de janelas e pisos é considerado. A resistência térmica de estruturas translúcidas é geralmente indicada pelo fabricante, as características de pisos de concreto armado com uma espessura de 22 cm são encontradas na literatura normativa ou de referência:
- R do piso isolado = 0,22 / 2,04 + 0,1 / 0,044 = 2,38 m² ° C / W, a perda de calor através do telhado é de 1 / 2,38 x 47 x 5,04 x 4,04 = 402 W.
- Perdas nas aberturas das janelas: Q = 0,32 x 47 x71 = 70,8 W.
A perda total de calor na sala de estar (excluindo pisos) será de 391 + 402 + 70,8 = 863,8 watts. Cálculos semelhantes são realizados para as demais salas, os resultados são resumidos.
Atenção: o corredor dentro do prédio não entra em contato com a concha externa e perde calor apenas através do telhado e do piso. Quais cercas devem ser levadas em conta na metodologia de cálculo, veja o vídeo.
Divisão do piso em zonas
Para descobrir a quantidade de calor perdida pelos pisos no chão, o edifício na planta é dividido em zonas de 2 m de largura, conforme mostrado no diagrama. A primeira faixa começa na superfície externa da estrutura do edifício.
O algoritmo de cálculo é o seguinte:
- Descreva o plano da cabana, divida-o em tiras de 2 m de largura e o número máximo de zonas é 4.
- Calcule a área do piso que cai separadamente em cada zona, negligenciando as partições internas. Observe: a quadratura nos cantos é contada duas vezes (sombreada no desenho).
- Usando a fórmula de cálculo (por conveniência, damos novamente), determine a perda de calor em todas as áreas, resuma as figuras.
- A resistência R à transferência de calor da zona I é de 2,1 m² ° C / W, II - 4,3, III - 8,6; o restante do piso - 14,2 m² ° C / W.
Nota. Se estamos falando de um porão aquecido, a primeira faixa está localizada na parte subterrânea da parede, começando no nível do solo.
Os pisos isolados com lã mineral ou espuma de poliestireno são calculados de forma idêntica, apenas os valores fixos de R são complementados com a resistência térmica da camada de isolamento, determinada pela fórmula δ / λ.
Exemplo de cálculo na sala de uma casa de campo:
- A quadratura da zona I é (5,04 + 4,04) x 2 = 18,16 m², parcela II - 3,04 x 2 = 6,08 m². As demais zonas não entram na sala de estar.
- O consumo de energia para a 1ª zona será 1 / 2,1 x 47 x 18,16 = 406,4 W, para a segunda - 1 / 4,3 x 47 x 6,08 = 66,5 W.
- A quantidade de fluxo de calor pelos pisos da sala é de 406,4 + 66,5 = 473 watts.
Agora é fácil derrubar a perda total de calor na sala em questão: 863,8 + 473 = 1336,8 W, arredondada - 1,34 kW.
Aquecimento do ar de ventilação
A grande maioria das casas e apartamentos particulares possui ventilação natural. O ar da rua penetra através dos nexhexes das janelas e portas, bem como das aberturas de entrada de ar. A massa fria recebida é aquecida pelo sistema de aquecimento, gastando energia adicional. Como descobrir a quantidade dessas perdas:
- Como o cálculo da infiltração é muito complicado, os documentos regulatórios permitem a alocação de 3 m³ de ar por hora para cada metro quadrado de caixa. O suprimento total de ar L é considerado simples: a quadratura da sala é multiplicada por 3.
- L é o volume e é necessária a massa m do fluxo de ar. Descubra multiplicando pela densidade do gás retirado da tabela.
- A massa de ar m é substituída na fórmula do curso de física da escola, que permite determinar a quantidade de energia gasta.
Calculamos a quantidade necessária de calor no exemplo de uma sala de estar com uma área de 15,75 m². O volume de entrada L = 15,75 x 3 = 47,25 m³ / h, massa - 47,25 x 1,422 = 67,2 kg / h. Assumindo a capacidade térmica do ar (indicada pela letra C) igual a 0,28 W / (kg ºС), encontramos o consumo de energia: Qvent = 0,28 x 67,2 x 47 = 884 W. Como você pode ver, o número é bastante impressionante, e é por isso que o aquecimento das massas de ar deve ser levado em consideração.
O cálculo final da perda de calor do edifício mais o consumo de calor para ventilação é determinado pela soma de todos os resultados obtidos anteriormente. Em particular, a carga no aquecimento da sala resultará na figura 0,88 + 1,34 = 2,22 kW. Da mesma forma, todos os quartos da casa são calculados, no final dos custos de energia somam um dígito.
Liquidação final
Se seu cérebro ainda não começou a ferver devido à abundância de fórmulas 😊, certamente é interessante ver o resultado em toda a casa de um andar. Nos exemplos anteriores, fizemos o trabalho principal, resta apenas passar por outras salas e descobrir a perda de calor de toda a parte externa do edifício. Dados brutos encontrados:
- resistência térmica de paredes - 2,71, janelas - 0,32, pisos - 2,38 m² ° С / W;
- altura do teto - 3 m;
- R para a porta da frente isolada com espuma de poliestireno extrudado é 0,65 m² ° C / W;
- temperatura interna - 22, externa - menos 25 ° C.
Para simplificar os cálculos, propomos criar uma tabela no Exel, depois colocaremos os resultados intermediários e finais.
No final dos cálculos e preenchendo a tabela, foram obtidos os seguintes valores de consumo de energia térmica para as instalações:
- sala de estar - 2,22 kW;
- cozinha - 2.536 kW;
- corredor - 745 W;
- corredor - 586 W;
- banheiro - 676 W;
- quarto - 2,22 kW;
- infantil - 2.536 kW.
A carga total no sistema de aquecimento de uma casa particular de 100 m² foi de 11.518 W, arredondada - 11,6 kW.Vale ressaltar que o resultado difere dos métodos de cálculo aproximados em literalmente 5%.
Como usar os resultados dos cálculos
Conhecendo a demanda de calor do edifício, o proprietário pode:
- selecionar com clareza a potência dos equipamentos termelétricos para aquecimento da cabana;
- disque o número desejado de seções de radiadores;
- determinar a espessura necessária do isolamento e executar o isolamento térmico do edifício;
- descubra a vazão do líquido de arrefecimento em qualquer parte do sistema e, se necessário, execute o cálculo hidráulico dos dutos;
- Descubra o consumo médio diário e mensal de calor.
O último parágrafo é de particular interesse. Encontramos o valor da carga de calor em 1 hora, mas ela pode ser recalculada por um período mais longo e calcular o consumo estimado de combustível - gás, lenha ou pellets.