Cálculo del calentamiento de agua: fórmulas, reglas, ejemplos de implementación.

El uso de agua como refrigerante en un sistema de calefacción es una de las opciones más populares para proporcionar calor a su hogar en la estación fría. Solo necesita diseñar adecuadamente y luego completar la instalación del sistema. De lo contrario, la calefacción será ineficaz a altos costos de combustible, lo cual, como puede ver, es extremadamente poco interesante a los precios actuales de la energía.

Es imposible calcular de manera independiente el calentamiento de agua (en adelante denominado CBO) sin usar programas especializados, porque los cálculos usan expresiones complejas, cuyos valores no pueden determinarse usando una calculadora convencional. En este artículo, analizaremos en detalle el algoritmo para realizar cálculos, daremos las fórmulas aplicables, considerando el curso de los cálculos utilizando un ejemplo específico.

El material complementado se complementará con tablas con valores e indicadores de referencia que se necesitan durante los cálculos, fotos temáticas y un video en el que se muestra un claro ejemplo de cálculo utilizando el programa.

Cálculo del balance térmico de la vivienda.

Para la introducción de una instalación de calefacción, donde el agua actúa como sustancia circulante, se requiere cálculos hidráulicos.

Al desarrollar, implementar cualquier tipo de sistema de calefacción, es necesario conocer el balance de calor (en adelante, TB). Conociendo la potencia térmica para mantener la temperatura en la habitación, puede elegir el equipo adecuado y distribuir correctamente su carga.

En invierno, la habitación sufre ciertas pérdidas de calor (en adelante, TP). La mayor parte de la energía pasa a través de los elementos envolventes y las aberturas de ventilación. Los gastos insignificantes son por infiltración, calentamiento de objetos, etc.

TP depende de las capas en que consisten las estructuras de cerramiento (en adelante, OK). Los materiales de construcción modernos, en particular el aislamiento, tienen un bajo coeficiente de conductividad térmica (en lo sucesivo, CT), debido a que se expulsa menos calor a través de ellos. Para casas de la misma área, pero con una estructura OK diferente, los costos de calefacción serán diferentes.

Además de determinar el TP, es importante calcular la TB de un hogar. El indicador tiene en cuenta no solo la cantidad de energía que sale de la habitación, sino también la cantidad de energía necesaria para mantener ciertas medidas de grado en la casa.

Los resultados más precisos son proporcionados por programas especializados diseñados para constructores. Gracias a ellos, es posible tener en cuenta más factores que afectan el TP.

La mayor cantidad de calor sale de la habitación a través de las paredes, el piso, el techo, la menor cantidad de puertas, aberturas de ventanas.

Con alta precisión, puede calcular el TP de la casa utilizando fórmulas.

El consumo total de calor de la casa se calcula mediante la ecuación:

Q = Q_ok + Q_v,

Donde Q_ok - la cantidad de calor que sale de la habitación a través de OK; Q_v - costos de ventilación térmica.

Las pérdidas por ventilación se tienen en cuenta si el aire que ingresa a la habitación tiene una temperatura más baja.

Los cálculos suelen tener en cuenta OK, entrando por un lado de la calle. Estas son paredes externas, piso, techo, puertas y ventanas.

General TP Q_ok igual a la suma de TP de cada OK, es decir:

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

Donde:

• Q_st - el valor de las paredes de TP;
• Q_okn - ventanas TP;
• Q_dv - Puertas de TP;
  
• Q_ptl - TP techo;
  
• Q_pl - Piso TP.

Si el piso o el techo tienen una estructura desigual en toda el área, el TP se calcula para cada sitio por separado.

Cálculo de pérdida de calor a través de OK

Para los cálculos, se requiere la siguiente información:

• estructura de la pared, materiales utilizados, su espesor, CT;
• la temperatura exterior en un invierno extremadamente frío de cinco días en la ciudad;
• Área OK;
• orientación OK;
• Temperatura recomendada en el hogar en invierno.

Para calcular el TP, necesita encontrar la resistencia térmica total R_ok. Para hacer esto, descubra la resistencia térmica R₁, R₂, R₃, ..., R_n Cada capa está bien.

Coeficiente R_n calculado por la fórmula:

Rn = B / k,

En la formula: B - espesor de capa OK en mm, k - CT de cada capa.

El total de R se puede determinar por la expresión:

R = ∑R_n

Los fabricantes de puertas y ventanas suelen indicar el coeficiente R en el pasaporte al producto, por lo que no es necesario calcularlo por separado.

La resistencia térmica de las ventanas no se puede calcular, porque los datos técnicos ya contienen la información necesaria, lo que simplifica el cálculo de TP

La fórmula general para calcular TP a través de OK es la siguiente:

Q_ok = ∑S × (t_vnt - t_nar) × R × l,

En la expresion:

• S - área OK, m²;
• t_vnt - temperatura ambiente deseada;
• t_nar - temperatura del aire exterior;
• R - coeficiente de resistencia, calculado por separado o tomado del pasaporte del producto;
• l - un coeficiente de refinamiento teniendo en cuenta la orientación de las paredes con respecto a los puntos cardinales.

El cálculo de la TB le permite elegir el equipo de la capacidad requerida, lo que elimina la probabilidad de un déficit de calor o su exceso. El déficit de energía térmica se compensa aumentando el flujo de aire a través de la ventilación, el exceso, mediante la instalación de equipos de calefacción adicionales.

Costos de ventilación térmica

La fórmula general para calcular la ventilación TP es la siguiente:

Q_v = 0.28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt - t_nar),

Las variables tienen los siguientes significados en una expresión:

• L_n - costos aéreos entrantes;
• p_vnt - densidad del aire a cierta temperatura en la habitación;
• c - capacidad calorífica del aire;
• t_vnt - temperatura en la casa;
• t_nar - temperatura del aire exterior.

Si se instala ventilación en el edificio, entonces el parámetro L_n tomado de las características técnicas del dispositivo. Si no hay ventilación, se toma un indicador estándar de intercambio de aire específico igual a 3 m³ por hora

En base a esto, L_n calculado por la fórmula:

L_n = 3 × S_pl,

En expresión S_pl - área de piso.

El 2% de todas las pérdidas de calor se explican por la infiltración, el 18% por ventilación. Si la habitación está equipada con un sistema de ventilación, entonces el TP a través de la ventilación se tiene en cuenta en los cálculos, y no se tiene en cuenta la infiltración.

Luego, calcule la densidad del aire p_vnt a una temperatura dada t_vnt.

Puedes hacer esto con la fórmula:

p_vnt = 353 / (273 + t_vnt),

Capacidad calorífica específica c = 1.0005.

Si la ventilación o la infiltración no están organizadas, hay grietas o agujeros en las paredes, entonces el cálculo del TP a través de los agujeros debe confiarse a programas especiales.

En nuestro otro artículo, dimos un detallado ejemplo de cálculo de ingeniería térmica edificios con ejemplos y fórmulas específicas.

Ejemplo de cálculo de balance de calor

Considere una casa de 2.5 m de alto, 6 m de ancho y 8 m de largo, ubicada en la ciudad de Okha en la región de Sakhalin, donde el termómetro cae a -29 grados en un período extremadamente frío de 5 días.

Como resultado de la medición, la temperatura del suelo se ajustó a +5. La temperatura recomendada dentro de la estructura es de +21 grados.

Es más conveniente dibujar un diagrama de la casa en papel, indicando no solo la longitud, el ancho y la altura del edificio, sino también la orientación relativa a los puntos cardinales, así como la ubicación, las dimensiones de las ventanas y puertas

Las paredes de la casa en cuestión consisten en:

• ladrillo con un espesor de B = 0.51 m, CT k = 0.64;
• lana mineral B = 0.05 m, k = 0.05;
• Revestimientos B = 0.09 m, k = 0.26.

Al determinar k, es mejor usar las tablas presentadas en el sitio web del fabricante o buscar información en el pasaporte técnico del producto.

Conociendo la conductividad térmica, es posible elegir los materiales más efectivos desde el punto de vista del aislamiento térmico. Con base en la tabla anterior, es más aconsejable utilizar losas de lana mineral y poliestireno expandido en la construcción.

El piso consta de las siguientes capas:

• Placas OSB B = 0.1 m, k = 0.13;
• lana mineral B = 0.05 m, k = 0.047;
• solera de cemento B = 0.05 m, k = 0.58;
• espuma de poliestireno B = 0.06 m, k = 0.043.

No hay sótano en la casa, y el piso tiene la misma estructura en toda el área.

El techo consta de capas:

• láminas de paneles de yeso B = 0.025 m, k = 0.21;
• aislamiento B = 0.05 m, k = 0.14;
• losa de cubierta B = 0.05 m, k = 0.043.

La casa tiene solo 6 ventanas de doble cámara con vidrio I y argón. Del pasaporte técnico para los productos se sabe que R = 0.7. Las ventanas tienen dimensiones de 1.1x1.4 m.

Las puertas tienen dimensiones de 1x2.2 m, indicador R = 0.36.

Paso # 1 - cálculo de la pérdida de calor de la pared

Los muros en toda el área consisten en tres capas. Primero, calculamos su resistencia térmica total.

Por qué usar la fórmula:

R = ∑R_n,

y expresión:

R_n = B / k

Dada la información inicial, obtenemos:

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

Habiendo aprendido R, podemos comenzar a calcular el TP de los muros norte, sur, este y oeste.

Factores adicionales tienen en cuenta las peculiaridades de la ubicación de las paredes en relación con los puntos cardinales. Por lo general, se forma una "rosa de los vientos" en la parte norte durante el clima frío, como resultado de lo cual los TP en este lado serán más altos que en el otro

Calculamos el área del muro norte:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

Luego, sustituyendo en la fórmula Q_ok = ∑S × (t_vnt - t_nar) × R × l y considerando que l = 1.1, obtenemos:

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

Área de la pared sur S_yuch.st = S_sev.st = 20.

No hay ventanas o puertas integradas en la pared, por lo tanto, dado el coeficiente l = 1, obtenemos el siguiente TP:

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

Para los muros occidental y oriental, el coeficiente l = 1.05. Por lo tanto, puede encontrar el área total de estas paredes, es decir:

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

6 ventanas y una puerta están integradas en las paredes. Calculamos el área total de ventanas y puertas S:

S_okn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Defina S paredes excluyendo S ventanas y puertas:

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

Calculamos el TP total de los muros este y oeste:

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

Después de recibir los resultados, calculamos la cantidad de calor que sale a través de las paredes:

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

El TP total total de las paredes es de 6 kW.

Paso # 2 - calculando puertas y ventanas TP

Las ventanas se ubican en los muros este y oeste, por lo tanto, al calcular el coeficiente l = 1.05. Se sabe que la estructura de todas las estructuras es la misma y R = 0.7.

Usando los valores del área anterior, obtenemos:

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

Sabiendo que para las puertas R = 0.36 y S = 2.2, definimos su TP:

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

Como resultado, salen 340 W de calor por las ventanas y 42 W por las puertas.

Paso # 3 - determinando el TP del piso y techo

Obviamente, el área del techo y el piso será la misma, y ​​se calcula de la siguiente manera:

S_pol = S_ptl = 6 × 8 = 48

Calculamos la resistencia térmica total del piso, teniendo en cuenta su estructura.

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

Sabiendo que la temperatura del suelo t_nar= + 5 y teniendo en cuenta el coeficiente l = 1, calculamos el piso Q:

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

Redondeando, obtenemos que la pérdida de calor del piso es de aproximadamente 3 kW.

En los cálculos de TP, es necesario tener en cuenta las capas que afectan el aislamiento térmico, por ejemplo, concreto, tableros, ladrillos, calentadores, etc.

Determine la resistencia térmica del techo R_ptl y su 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

De ello se deduce que casi 6 kW salen a través del techo y el piso.

Paso # 4 - calcule la ventilación TP

La ventilación interior está organizada, calculada por la fórmula:

Q_v = 0.28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt - t_nar)

Según las características técnicas, la transferencia de calor específica es de 3 metros cúbicos por hora, es decir:

L_n = 3 × 48 = 144.

Para calcular la densidad, utilizamos la fórmula:

p_vnt = 353 / (273 + t_vnt).

La temperatura ambiente calculada es de +21 grados.

La ventilación TP no se calcula si el sistema está equipado con un dispositivo de calentamiento de aire

Sustituyendo los valores conocidos, obtenemos:

p_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Sustituimos las cifras obtenidas en la fórmula anterior:

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

Dado el TP para ventilación, la Q total del edificio será:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

Al convertir a kW, obtenemos una pérdida de calor total de 16 kW.

Características del cálculo de CBO

Después de encontrar el indicador TP, proceden al cálculo hidráulico (en adelante, GR).

En base a ello, se obtiene información sobre los siguientes indicadores:

• el diámetro óptimo de las tuberías, que, cuando la presión cae, podrá pasar una cantidad dada de refrigerante;
• flujo de refrigerante en un área determinada;
• velocidad del agua;
• valor de resistividad.

Antes de comenzar los cálculos, para simplificar los cálculos, representan un diagrama espacial del sistema en el que todos sus elementos están dispuestos paralelos entre sí.

El diagrama muestra un sistema de calefacción con un cableado superior, el movimiento del refrigerante es un callejón sin salida

Considere las etapas principales de los cálculos de calentamiento de agua.

GR del anillo de circulación principal

La metodología de cálculo de GR se basa en el supuesto de que en todos los elevadores y ramas las diferencias de temperatura son las mismas.

El algoritmo de cálculo es el siguiente:

1. En el diagrama que se muestra, teniendo en cuenta la pérdida de calor, se aplican cargas de calor a aparatos de calefacción, elevadores.
2. Según el esquema, elija el anillo de circulación principal (en adelante, HCC). La peculiaridad de este anillo es que en él la presión de circulación por unidad de longitud del anillo toma el menor valor.
3. HCC se divide en secciones con consumo constante de calor. Para cada sección indique el número, carga térmica, diámetro y longitud.

En el sistema vertical de un solo tubo, el anillo a través del cual pasa el tubo ascendente más cargado cuando el agua fluye en un callejón sin salida o a lo largo del paso de la red principal se toma como fcc. Hablamos con más detalle acerca de cómo unir los anillos de circulación en un sistema de un solo tubo y elegir el principal en el siguiente artículo. Por separado, prestamos atención al orden de los cálculos, utilizando un ejemplo específico para mayor claridad.

En sistemas verticales de tipo de dos tubos, el fcc pasa a través del dispositivo de calentamiento inferior, que tiene una carga máxima durante el punto muerto o el movimiento del agua asociado

En un sistema horizontal del tipo de un solo tubo, el fcc debe tener la presión de circulación más baja y una unidad de longitud del anillo. Para sistemas con circulación natural La situación es similar.

Con los elevadores GR de un sistema vertical de tipo de tubo único, los elevadores ajustables de flujo a través del flujo, que tienen nodos unificados en su composición, se consideran como un solo circuito. Para elevadores con secciones de cierre, se realiza la separación, teniendo en cuenta la distribución de agua en la tubería de cada nodo del instrumento.

El consumo de agua en un sitio determinado se calcula mediante la fórmula:

G_kont = (3.6 × Q_kont × β₁ × β₂) / ((t_r - t₀) × c)

En la expresión, los caracteres alfabéticos toman los siguientes significados:

• Q_kont - carga térmica del circuito;
• β_1, β₂ - coeficientes tabulares adicionales teniendo en cuenta la transferencia de calor en la habitación;
• c - la capacidad calorífica del agua es 4.187;
• t_r - temperatura del agua en la línea de suministro;
• t₀ - temperatura del agua en la línea de retorno.

Una vez determinado el diámetro y la cantidad de agua, es necesario conocer la velocidad de su movimiento y el valor de la resistividad R. Todos los cálculos se realizan más convenientemente utilizando programas especiales.

GH del anillo de circulación secundaria

Después de GR del anillo principal, se determina la presión en el anillo de circulación pequeño formado a través de sus elevadores más cercanos, teniendo en cuenta que las pérdidas de presión pueden diferir en no más del 15% con un punto muerto y no más del 5% con un paso.

Si no es posible relacionar la pérdida de presión, instale una arandela del acelerador, cuyo diámetro se calcula utilizando métodos de software.

Cálculo de las baterías del radiador.

Volvamos al plan de la casa ubicada arriba. A través de los cálculos, se descubrió que se necesitarían 16 kW de energía para mantener el equilibrio térmico. En esta casa hay 6 locales para diversos fines: una sala de estar, un baño, una cocina, un dormitorio, un pasillo, un hall de entrada.

Según las dimensiones de la estructura, puede calcular el volumen V:

V = 6 × 8 × 2.5 = 120 m³

A continuación, debe encontrar la cantidad de energía térmica por m³. Para hacer esto, Q debe dividirse por el volumen encontrado, es decir:

P = 16000/120 = 133 W por m³

A continuación, debe determinar cuánta energía térmica se requiere para una habitación. En el diagrama, el área de cada habitación ya ha sido calculada.

Definir el volumen:

• un baño – 4.19×2.5=10.47;
• sala de estar – 13.83×2.5=34.58;
• la cocina – 9.43×2.5=23.58;
• el dormitorio – 10.33×2.5=25.83;
• corredor – 4.10×2.5=10.25;
• pasillo – 5.8×2.5=14.5.

En los cálculos, también debe tener en cuenta las habitaciones en las que no hay baterías de calefacción, por ejemplo, un corredor.

El pasillo se calienta de forma pasiva, el calor entrará en él debido a la circulación de aire térmico durante el movimiento de personas, a través de puertas, etc.

Determine la cantidad de calor requerida para cada habitación, multiplicando el volumen de la habitación por el indicador R.

Obtenemos la potencia requerida:

• para el baño - 10,47 × 133 = 1392 W;
• para la sala de estar - 34,58 × 133 = 4599 W;
• para la cocina - 23,58 × 133 = 3136 W;
• para el dormitorio - 25,83 × 133 = 3435 W;
• por el corredor - 10,25 × 133 = 1363 W;
• para el pasillo - 14,5 × 133 = 1889 W.

Procedemos al cálculo de las baterías del radiador. Utilizaremos radiadores de aluminio, cuya altura es de 60 cm, la potencia a una temperatura de 70 es de 150 vatios.

Calculamos el número requerido de baterías del radiador:

• un baño – 1392/150=10;
• sala de estar – 4599/150=31;
• la cocina – 3136/150=21;
• el dormitorio – 3435/150=23;
• pasillo – 1889/150=13.

Total requerido: 10 + 31 + 21 + 23 + 13 = 98 baterías del radiador.

Nuestro sitio también tiene otros artículos en los que examinamos en detalle el procedimiento para realizar el cálculo térmico del sistema de calefacción, el cálculo paso a paso de la potencia de los radiadores y las tuberías de calefacción. Y si su sistema asume la presencia de pisos cálidos, entonces deberá realizar cálculos adicionales.

Todos estos temas se tratan con más detalle en nuestros siguientes artículos:

• Cálculo térmico de un sistema de calefacción: cómo calcular correctamente la carga en un sistema
• Cálculo de radiadores de calefacción: cómo calcular el número requerido y la potencia de las baterías
• Cálculo del volumen de la tubería: principios de cálculo y reglas de cálculo en litros y metros cúbicos.
• Cómo calcular un piso cálido usando el ejemplo de un sistema de agua
• Cálculo de tuberías para calefacción por suelo radiante: tipos de tuberías, métodos y etapas de colocación + cálculo de flujo

Conclusiones y video útil sobre el tema.

En el video puede ver un ejemplo de cálculo de calentamiento de agua, que se realiza mediante el programa Valtec:

Los cálculos hidráulicos se realizan mejor utilizando programas especiales que garantizan una alta precisión de los cálculos, teniendo en cuenta todos los matices del diseño..

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