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

Usar agua como refrigerante en un sistema de calefacción es una de las opciones más populares para proporcionar calor a su hogar durante la estación fría.Sólo necesita diseñar correctamente y luego instalar el sistema. De lo contrario, la calefacción resultará ineficaz con los elevados costes del combustible, lo que, como ve, resulta extremadamente poco interesante con los precios actuales de la energía.

Es imposible calcular de forma independiente el calentamiento de agua (en adelante, WHE) sin el uso de programas especializados, ya que los cálculos utilizan expresiones complejas, cuyos valores no se pueden determinar con una calculadora convencional. En este artículo, analizaremos en detalle el algoritmo para realizar cálculos, presentaremos las fórmulas utilizadas y consideraremos el progreso de los cálculos usando un ejemplo específico.

Complementaremos el material presentado con tablas con valores e indicadores de referencia necesarios a la hora de realizar cálculos, fotografías temáticas y un vídeo que muestre un ejemplo claro de cálculos utilizando el programa.

Cálculo del balance térmico de una estructura de vivienda.

Para implementar una instalación de calefacción donde el agua es el medio circulante, primero es necesario precisar cálculos hidráulicos.

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

En invierno, la habitación sufre determinadas pérdidas de calor (en adelante HL). La mayor parte de la energía sale a través de elementos de cerramiento y aberturas de ventilación. Se generan costes menores por infiltración, calentamiento de objetos, etc.

TP depende de las capas que componen las estructuras de cerramiento (en adelante, OK). Los materiales de construcción modernos, en particular los materiales aislantes, tienen bajos coeficiente de conductividad térmica (en adelante, CT), por lo que se pierde menos calor a través de ellos. Para casas de la misma superficie, pero con diferentes estructuras OK, los costes de calefacción serán diferentes.

Además de determinar el TP, es importante calcular el TB de la vivienda. El indicador tiene en cuenta no sólo la cantidad de energía que sale de la habitación, sino también la cantidad de energía necesaria para mantener ciertos niveles de temperatura en la casa.

Los resultados más precisos los proporcionan programas especializados desarrollados para constructores. Gracias a ellos, es posible tener en cuenta más factores que influyen en el TP.

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

Con alta precisión, puede calcular el TP de una vivienda mediante fórmulas.

Los costes totales de calefacción de la casa se calculan mediante la ecuación:

Q = Q_OK +Q_v,

Dónde q_OK - la cantidad de calor que sale de la habitación mediante OK; q_v — costos de ventilación térmica.

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

Los cálculos suelen tener en cuenta los OK con un lado hacia la calle. Estas son las paredes exteriores, el suelo, el techo, las puertas y las ventanas.

TP general Q_OK igual a la suma de los TP de cada OK, es decir:

q_OK = ∑Q_calle +∑Q_Ok +∑Q_dv +∑Q_ptl +∑Q_{sustantivo, masculino, plural—},

Dónde:

• q_calle — valor TP de las paredes;
• q_Ok — ventanas TP;
• q_dv — puertas TP;
  
• q_ptl — techo TP;
  
• q_{sustantivo, masculino, plural—} — Suelo TP.

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

Cálculo de la pérdida de calor usando OK.

Para los cálculos necesitará la siguiente información:

• estructura de paredes, materiales utilizados, su espesor, CT;
• temperatura exterior durante un invierno extremadamente frío de cinco días en la ciudad;
• área bien;
• orientación correcta;
• Temperatura recomendada en el hogar en invierno.

Para calcular TC necesitas encontrar la resistencia térmica total R_{DE ACUERDO}. Para hacer esto necesitas averiguar la resistencia térmica R.₁, r.₂, r.₃, …, R_norte Cada capa está bien.

factor R_norte calculado por la fórmula:

Rn = B/k,

En la fórmula: B — espesor de capa OK en mm, k — Tomografía computarizada de cada capa.

El R total se puede determinar mediante la expresión:

R = ∑R_norte

Los fabricantes de puertas y ventanas suelen indicar el coeficiente R en la ficha técnica del producto, por lo que no es necesario calcularlo por separado.

La resistencia térmica de las ventanas no se puede calcular, ya que la ficha técnica ya contiene la información necesaria, lo que simplifica el cálculo de la resistencia térmica.

La fórmula general para calcular TP mediante OK es la siguiente:

q_OK = ∑S × (t_vnt -t_nar) × R × l,

En la expresión:

• S — área OK, m²;
• t_vnt - temperatura ambiente deseada;
• t_nar — temperatura del aire exterior;
• R — coeficiente de resistencia, calculado por separado o tomado de la ficha técnica del producto;
• yo — un coeficiente clarificador que tiene en cuenta la orientación de las paredes con respecto a los puntos cardinales.

El cálculo de TB le permite seleccionar equipos de la potencia requerida, lo que eliminará la posibilidad de deficiencia o exceso de calor. El déficit de energía térmica se compensa aumentando el flujo de aire a través de la ventilación, el exceso, instalando equipos de calefacción adicionales.

Costos térmicos de ventilación.

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

q_v = 0,28×L_norte × pag_vnt × c × (t_vnt -t_nar),

En una expresión, las variables tienen el siguiente significado:

• l_norte — consumo de aire entrante;
• pag_vnt — densidad del aire a una determinada temperatura en la habitación;
• C — capacidad calorífica del aire;
• t_vnt - temperatura en la casa;
• t_nar — temperatura del aire exterior.

Si hay ventilación instalada en el edificio, entonces el parámetro L_norte tomado de las especificaciones técnicas del dispositivo. Si no hay ventilación, se toma una tasa de intercambio de aire específica estándar de 3 m.³ a la una.

En base a esto, L._norte calculado por la fórmula:

l_norte = 3×S_{sustantivo, masculino, plural—,}

en expresión S_{sustantivo, masculino, plural—} - superficie del piso.

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

A continuación necesitas calcular la densidad del aire p._vnt a una temperatura ambiente dada t_vnt.

Esto se puede hacer usando la fórmula:

pag_vnt = 353/(273+t_vnt),

Capacidad calorífica específica c = 1,0005.

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

En nuestro otro artículo proporcionamos detalles ejemplo de cálculo de ingeniería térmica edificios con ejemplos y fórmulas específicas.

Ejemplo de cálculo del 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 en un día extremadamente frío de 5 días el termómetro baja a -29 grados.

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

La forma más conveniente de dibujar un diagrama de una casa es en papel, indicando no solo el largo, ancho y alto del edificio, sino también la orientación con respecto a los puntos cardinales, así como la ubicación y dimensiones de ventanas y puertas.

Las paredes de la casa en cuestión constan de:

• espesor de albañilería B=0,51 m, CT k=0,64;
• lana mineral B=0,05 m, k=0,05;
• frente B=0,09 m, k=0,26.

Al determinar k, es mejor utilizar las tablas presentadas en el sitio web del fabricante o buscar información en la hoja de datos del producto.

Conociendo la conductividad térmica, se pueden seleccionar los materiales más eficaces desde el punto de vista del aislamiento térmico. Según la tabla anterior, lo más recomendable es utilizar tableros de lana mineral y poliestireno expandido en la construcción.

El suelo consta de las siguientes capas:

• tableros OSB B=0,1 m, k=0,13;
• lana mineral B=0,05 m, k=0,047;
• soleras de cemento B=0,05 m, k=0,58;
• poliestireno expandido B=0,06 m, k=0,043.

En la casa no existe sótano, y el suelo tiene la misma estructura en toda la zona.

El techo consta de capas:

• láminas de cartón-yeso B=0,025 m, k= 0,21;
• aislamiento B=0,05 m, k=0,14;
• cubierta B=0,05 m, k=0,043.

La casa tiene sólo 6 ventanas de dos cámaras con vidrio I y argón. De la ficha técnica del producto se sabe que R=0,7. Las ventanas tienen unas dimensiones de 1,1x1,4 m.

Las puertas tienen unas dimensiones de 1x2,2 m, R = 0,36.

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

Los muros de toda la zona constan de tres capas. Primero, calculemos su resistencia térmica total.

Por qué utilizar la fórmula:

R = ∑R_norte,

y la expresión:

R_norte = B/k

Teniendo en cuenta la información inicial, obtenemos:

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

Habiendo descubierto R, puede comenzar a calcular el TP de las paredes norte, sur, este y oeste.

Los coeficientes adicionales tienen en cuenta las peculiaridades de la ubicación de las paredes en relación con las direcciones cardinales. Por lo general, en la parte norte durante el clima frío se forma una "rosa de los vientos", como resultado de lo cual la TP en este lado será más alta que en los demás.

Calculemos 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 teniendo en cuenta que l=1,1 obtenemos:

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

Área del muro sur S_yuch.st =S_sev.st = 20.

No hay ventanas ni puertas empotradas en la pared, por lo que, teniendo en cuenta 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 es l=1,05. Por lo tanto, puedes encontrar el área total de estas paredes, es decir:

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

Hay 6 ventanas y una puerta empotradas en las paredes. Calculemos el área total de ventanas y puertas S:

S_Ok = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Definamos S paredes sin tener en cuenta S ventanas y puertas:

S_vost+zap = 30 — 9.24 — 2.2 = 18.56

Calculemos el TP total de los muros este y oeste:

q_vost+zap =18.56 × (21 +29) × 2.14 × 1.05 = 2085

Habiendo recibido los resultados, calculemos la cantidad de calor que se escapa a través de las paredes:

Qst = Q_sev.st +Q_yuch.st +Q_vost+zap = 2140 + 2085 + 2354 = 6579

En total, el TP total de las paredes es de 6 kW.

Paso #2: calcular el TP de ventanas y puertas

Las ventanas están ubicadas en las paredes este y oeste, por lo que al calcular el coeficiente es l=1,05. Se sabe que la estructura de todas las estructuras es la misma y R = 0,7.

Usando los valores de área dados anteriormente, obtenemos:

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

Sabiendo que para puertas R=0,36 y S=2,2 determinamos 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: determinar el TP del piso y el techo

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

S_pol =S_ptl = 6 × 8 = 48

Calculemos la resistencia térmica total del suelo, 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 Q del suelo:

q_pol = 48 × (21 — 5) × 1 × 3.4 = 2611

Redondeando hacia arriba, encontramos que la pérdida de calor del suelo es de unos 3 kW.

En los cálculos de TP es necesario tener en cuenta las capas que inciden en el aislamiento térmico, por ejemplo, hormigón, tableros, mampostería, aislamiento, etc.

Determinemos la resistencia térmica del techo R._ptl y su P:

• 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 pasan por el techo y el suelo.

Paso #4 - cálculo de ventilación TP

La ventilación de la habitación se organiza y calcula mediante la fórmula:

q_v = 0,28×L_norte × pag_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_norte = 3 × 48 = 144.

Para calcular la densidad utilizamos la fórmula:

pag_vnt = 353/(273+t_vnt).

La temperatura ambiente estimada es de +21 grados.

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

Sustituyendo valores conocidos obtenemos:

pag_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Sustituyamos los números resultantes en la fórmula anterior:

q_v = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21  — 29) = 2431

Teniendo en cuenta el TP de ventilación, el Q total del edificio será:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

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

Características del cálculo de SVO

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

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

• el diámetro óptimo de las tuberías que, durante las caídas de presión, podrán pasar una determinada cantidad de refrigerante;
• flujo de refrigerante en un área determinada;
• velocidad de movimiento del agua;
• valor de resistividad.

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

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

Consideremos las principales etapas de los cálculos para calentar agua.

GR del anillo de circulación principal

El método para calcular GR se basa en el supuesto de que las diferencias de temperatura son las mismas en todas las contrahuellas y ramales.

El algoritmo de cálculo es el siguiente:

1. En el diagrama que se muestra, teniendo en cuenta la pérdida de calor, se aplican las cargas térmicas que actúan sobre los dispositivos de calefacción y los elevadores.
2. Según el diagrama, se selecciona el anillo de circulación principal (en adelante, MCC). La peculiaridad de este anillo es que en él la presión de circulación por unidad de longitud del anillo adquiere el valor más bajo.
3. El FCC está dividido en secciones con consumo de calor constante. Para cada tramo indicar el número, carga térmica, diámetro y longitud.

En un sistema vertical de tipo monotubo, se toma como circuito de circulación principal el anillo a través del cual pasa el tubo ascendente más cargado durante el callejón sin salida o el movimiento asociado del agua a lo largo de la red.Hablamos con más detalle sobre cómo conectar los anillos de circulación en un sistema de tubería única y elegir el principal. en el próximo artículo. Prestamos especial atención al orden de los cálculos, utilizando un ejemplo específico para mayor claridad.

En sistemas verticales de dos tuberías, el fluido de circulación principal pasa a través del dispositivo de calentamiento inferior, que tiene una carga máxima durante el callejón sin salida o el movimiento asociado del agua.

En un sistema de tipo horizontal de tubería única, el circuito de circulación principal debe tener la presión de circulación más baja y una longitud unitaria del anillo. Para sistemas con circulación natural la situación es similar.

Al desarrollar elevadores de un sistema vertical de tipo de tubería única, los elevadores de flujo continuo y regulados por flujo, que incorporan componentes unificados, se consideran como un solo circuito. Para elevadores con tramos de cierre, la separación se realiza teniendo en cuenta la distribución de agua en la tubería de cada unidad de instrumento.

El consumo de agua en un área determinada se calcula mediante la fórmula:

GRAMO_contacto = (3,6 × Q_contacto ×β₁ ×β₂)/((t_r -t₀)×c)

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

• q_contacto — carga térmica del circuito;
• b_1, b₂ — coeficientes tabulares adicionales teniendo en cuenta la transferencia de calor en la habitación;
• C — capacidad calorífica del agua, igual a 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 averiguar la velocidad de su movimiento y el valor de la resistencia específica R. Todos los cálculos se realizan de manera más conveniente utilizando programas especiales.

Anillo de circulación secundaria GR

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

Si es imposible correlacionar la pérdida de presión, instale una arandela de mariposa, cuyo diámetro se calcula mediante métodos de software.

Cálculo de baterías de radiadores.

Volvamos al plano de la casa anterior. Mediante cálculos se reveló que se necesitarán 16 kW de energía para mantener el equilibrio térmico. La casa en cuestión tiene 6 habitaciones para diferentes propósitos: sala de estar, baño, cocina, dormitorio, pasillo y vestíbulo.

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

V=6×8×2,5=120m³

Luego necesitas encontrar la cantidad de energía térmica por m.³. Para ello se debe dividir Q por el volumen encontrado, es decir:

P=16000/120=133 W por m³

A continuación, debe determinar cuánta potencia de calefacción se requiere para una habitación. En el diagrama ya se ha calculado el área de cada habitación.

Determinemos el volumen:

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

Los cálculos también deben tener en cuenta las habitaciones en las que no hay radiadores de calefacción, por ejemplo, un pasillo.

El pasillo se calienta pasivamente; el calor fluirá hacia él debido a la circulación del aire térmico cuando las personas se mueven, a través de puertas, etc.

Determinemos la cantidad de calor requerida para cada habitación multiplicando el volumen de la habitación por el índice R.

Consigamos la potencia requerida:

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

Empecemos a calcular las baterías del radiador. Usaremos radiadores de aluminio, cuya altura es de 60 cm, la potencia a una temperatura de 70ºC es de 150 W.

Calculemos la cantidad requerida de baterías de radiador:

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

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

También tenemos otros artículos en nuestro sitio web en los que examinamos en detalle el procedimiento para realizar cálculos térmicos de un sistema de calefacción, cálculos paso a paso de la potencia de radiadores y tuberías de calefacción. Y si su sistema requiere calefacción por suelo radiante, deberá realizar cálculos adicionales.

Todas estas cuestiones se tratan con más detalle en nuestros siguientes artículos:

• Cálculo térmico de un sistema de calefacción: cómo calcular correctamente la carga del sistema
• Cálculo de radiadores de calefacción: cómo calcular la cantidad requerida y la potencia de las baterías.
• Cálculo del volumen de tuberías: principios de cálculo y reglas para realizar cálculos en litros y metros cúbicos.
• Cómo calcular un suelo radiante utilizando un sistema de agua como ejemplo
• Cálculo de tuberías para calefacción por suelo radiante: tipos de tuberías, métodos y paso de instalación + cálculo del caudal

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

En el vídeo puedes ver un ejemplo de cálculo del 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 y tienen en cuenta todos los matices del diseño..

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