Para que sua casa não se transforme em um poço sem fundo para custos de aquecimento, sugerimos estudar os rumos básicos da pesquisa de engenharia térmica e a metodologia de cálculo. Sem o cálculo preliminar da permeabilidade térmica e do acúmulo de umidade, toda a essência da construção de moradias é perdida.
Física dos processos de engenharia térmica
Diferentes áreas da física têm muito em comum na descrição dos fenômenos que estudam. Assim é na engenharia de calor: os princípios que descrevem sistemas termodinâmicos ressoam claramente com os fundamentos do eletromagnetismo, hidrodinâmica e mecânica clássica. Afinal, estamos falando em descrever o mesmo mundo, então não é surpreendente que os modelos de processos físicos sejam caracterizados por algumas características comuns em muitas áreas de pesquisa..
A essência dos fenômenos térmicos é fácil de entender. A temperatura de um corpo ou o grau de seu aquecimento nada mais é do que uma medida da intensidade das vibrações das partículas elementares que o compõem. Obviamente, quando duas partículas colidem, aquela com o nível de energia mais alto irá transferir energia para a partícula com energia mais baixa, mas nunca vice-versa. Porém, esta não é a única forma de troca de energia, a transmissão também é possível por meio de quanta de radiação térmica. Nesse caso, o princípio básico é necessariamente preservado: um quantum emitido por um átomo menos aquecido não é capaz de transferir energia para uma partícula elementar mais quente. Ele simplesmente reflete a partir dele e desaparece sem deixar vestígios ou transfere sua energia para outro átomo com menos energia.
A termodinâmica é boa porque os processos que ocorrem nela são absolutamente visuais e podem ser interpretados sob a forma de vários modelos. O principal é cumprir postulados básicos como a lei de transferência de energia e equilíbrio termodinâmico. Portanto, se sua ideia estiver em conformidade com essas regras, você compreenderá facilmente a técnica de cálculos de engenharia térmica de e para.
O conceito de resistência à transferência de calor
A capacidade de um material de transferir calor é chamada de condutividade térmica. No caso geral, é sempre maior quanto maior a densidade da substância e melhor sua estrutura se adapta para transferir oscilações cinéticas.
Comparação da eficiência energética de vários materiais de construção
A resistência térmica é uma quantidade inversamente proporcional à condutividade térmica. Para cada material, essa propriedade assume valores únicos dependendo da estrutura, forma e uma série de outros fatores. Por exemplo, a eficiência da transferência de calor na espessura dos materiais e na zona de seu contato com outros meios pode ser diferente, especialmente se houver pelo menos uma camada intermediária mínima de matéria em um estado agregado diferente entre os materiais. A resistência térmica é quantitativamente expressa como a diferença de temperatura dividida pela taxa de fluxo de calor:
Rt = (T2 – T1) / P
Onde:
- Rt – resistência térmica do local, K / W;
- T2 – temperatura do início da seção, K;
- T1 – temperatura do final da seção, K;
- P – fluxo de calor, W.
No contexto do cálculo da perda de calor, a resistência térmica desempenha um papel decisivo. Qualquer estrutura envolvente pode ser representada como um obstáculo plano-paralelo ao caminho do fluxo de calor. Sua resistência térmica total é a soma das resistências de cada camada, enquanto todas as divisórias são somadas a uma estrutura espacial, que é, na verdade, um edifício.
Rt = l / (? S)
Onde:
- Rt – resistência térmica da seção do circuito, K / W;
- l é o comprimento da seção do circuito de aquecimento, m;
- ? – coeficiente de condutividade térmica do material, W / (m · K);
- S – área da seção transversal do local, m2.
Fatores que afetam a perda de calor
Os processos térmicos se correlacionam bem com os elétricos: a diferença de temperatura atua no papel da voltagem, o fluxo de calor pode ser considerado como a força da corrente, mas para resistência, você nem precisa inventar seu próprio termo. Além disso, o conceito de menor resistência, que aparece na engenharia de calor como pontes frias, também é totalmente válido..
Se considerarmos um material arbitrário em seção, é muito fácil estabelecer o caminho do fluxo de calor nos níveis micro e macro. Como primeiro modelo, tomaremos uma parede de concreto, na qual, por necessidade tecnológica, através de fixações são feitas com barras de aço de seção arbitrária. O aço conduz o calor um pouco melhor do que o concreto, por isso podemos distinguir três fluxos de calor principais:
- através da espessura do concreto
- através de barras de aço
- de barras de aço a concreto
Perda de calor através de pontes frias em concreto
O último modelo de fluxo de calor é o mais interessante. Como a barra de aço esquenta mais rápido, haverá uma diferença de temperatura entre os dois materiais mais próximos da parte externa da parede. Assim, o aço não apenas “bombeia” o calor para fora por si mesmo, mas também aumenta a condutividade térmica das massas adjacentes de concreto.
Em meios porosos, os processos térmicos ocorrem de maneira semelhante. Quase todos os materiais de construção consistem em uma teia ramificada de matéria sólida, cujo espaço é preenchido com ar. Assim, o principal condutor de calor é um material sólido e denso, mas devido à estrutura complexa, o caminho ao longo do qual o calor se propaga acaba sendo maior do que a seção transversal. Assim, o segundo fator que determina a resistência térmica é a heterogeneidade de cada camada e da estrutura envolvente como um todo..
Reduzindo a perda de calor e mudando o ponto de orvalho para o isolamento com isolamento de parede externa
O terceiro fator que afeta a condutividade térmica é o acúmulo de umidade nos poros. A água tem uma resistência térmica 20 a 25 vezes menor do que a do ar, portanto, se ela preencher os poros, a condutividade térmica geral do material se torna ainda maior do que se não houvesse nenhum poro. Quando a água congela, a situação fica ainda pior: a condutividade térmica pode aumentar em até 80 vezes. A fonte de umidade geralmente é o ar ambiente e a precipitação atmosférica. Assim, os três principais métodos de lidar com este fenômeno são a impermeabilização externa das paredes, o uso de proteção contra vapor e o cálculo do acúmulo de umidade, que é necessariamente realizado em paralelo com a previsão da perda de calor.
Esquemas de cálculo diferenciados
A maneira mais simples de estabelecer a quantidade de perda de calor em um edifício é somar o fluxo de calor através das estruturas que constituem o edifício. Esta técnica leva plenamente em consideração a diferença na estrutura dos vários materiais, bem como a especificidade do fluxo de calor através deles e nos nós do pilar de um plano para outro. Essa abordagem dicotômica simplifica muito a tarefa, porque diferentes estruturas de fechamento podem diferir significativamente no projeto dos sistemas de proteção térmica. Assim, com um estudo separado, é mais fácil determinar a quantidade de perda de calor, porque para isso existem vários métodos de cálculo:
- Para paredes, os vazamentos de calor são quantitativamente iguais à área total multiplicada pela razão entre a diferença de temperatura e a resistência térmica. Neste caso, a orientação das paredes em relação aos pontos cardeais deve ser levada em consideração para levar em consideração seu aquecimento durante o dia, bem como a capacidade de sopro das estruturas construtivas.
- Para pisos, a técnica é a mesma, mas leva em consideração a presença de um sótão e seu modo de funcionamento. Além disso, a temperatura ambiente é considerada como um valor 3-5 ° C superior, a umidade calculada também é aumentada em 5-10%.
- A perda de calor pelo piso é calculada zonalmente, descrevendo as correias ao longo do perímetro do edifício. Isso se deve ao fato de que a temperatura do solo sob o piso é mais alta no centro do edifício do que na fundação..
- O fluxo de calor através da vidraça é determinado pelos dados do passaporte das janelas, você também precisa levar em consideração o tipo de encosto das janelas nas paredes e a profundidade das encostas.
Q = S (?T / Rt)
Onde:
- Q – perda de calor, W;
- S – área da parede, m2;
- ?T – diferença de temperatura dentro e fora da sala, ° С;
- Rt – resistência à transferência de calor, m2° С / W.
Exemplo de cálculo
Antes de passar para um exemplo de demonstração, vamos responder à última pergunta: como calcular corretamente a resistência térmica integral de estruturas multicamadas complexas? Isso, é claro, pode ser feito manualmente, uma vez que não existem muitos tipos de bases de suporte de carga e sistemas de isolamento usados na construção moderna. No entanto, é bastante difícil levar em conta a presença de acabamentos decorativos, gesso interior e fachada, bem como a influência de todos os transitórios e outros fatores, é melhor usar cálculos automatizados. Um dos melhores recursos de rede para essas tarefas é smartcalc.ru, que adicionalmente desenha um diagrama de mudança do ponto de orvalho dependendo das condições climáticas.
Por exemplo, tomemos uma construção arbitrária, após examinar a descrição da qual o leitor poderá julgar o conjunto de dados iniciais necessários para o cálculo. Trata-se de uma casa térrea, de formato retangular regular, com dimensões de 8,5×10 me pé-direito de 3,1 m, localizada na região de Leningrado. A casa tem um piso não isolado no solo com tábuas em toras com um vão de ar, a altura do piso é 0,15 m mais alta do que a marca de planejamento do terreno no local. Material da parede – monólito de escória de 42 cm de espessura com gesso interno cimento-cal até 30 mm e externo gesso escória-cimento tipo “pelame” de até 50 mm de espessura. Área total de envidraçamento – 9,5 m2, uma unidade de vidros duplos em um perfil economizador de calor com uma resistência térmica média de 0,32 m foi usada como janela2° С / W. A sobreposição é feita sobre vigas de madeira: o fundo é rebocado sobre telhas, preenchido com escória de alto forno e coberto com uma régua de argila no topo, acima do teto há um sótão tipo frio. A tarefa de calcular a perda de calor é a formação de um sistema de proteção térmica da parede.
Chão
O primeiro passo é determinar a perda de calor pelo piso. Uma vez que sua participação na saída de calor total é a menor, e também devido ao grande número de variáveis (densidade e tipo de solo, profundidade de congelamento, maciez da fundação, etc.), o cálculo da perda de calor é realizado de acordo com um método simplificado usando a resistência de transferência de calor reduzida. Ao longo do perímetro do edifício, partindo da linha de contacto com a superfície terrestre, são descritas quatro zonas – faixas circundantes de 2 metros de largura. Para cada uma das zonas, seu próprio valor da resistência de transferência de calor reduzida é considerado. No nosso caso, existem três zonas com área de 74, 26 e 1 m2. Não se confunda com a soma total das áreas das zonas, que é mais do que a área do edifício em 16 m2, a razão para isso é o duplo recálculo das faixas de intersecção da primeira zona nos cantos, onde a perda de calor é muito maior em comparação com as seções ao longo das paredes. Aplicando valores de resistência à transferência de calor de 2,1, 4,3 e 8,6 m2° С / W para as zonas um a três, determinamos o fluxo de calor através de cada zona: 1,23, 0,21 e 0,05 kW, respectivamente.
Paredes
Usando os dados do terreno, bem como os materiais e a espessura das camadas que formam as paredes, você precisa preencher os campos apropriados no serviço smartcalc.ru mencionado acima. De acordo com os resultados do cálculo, a resistência à transferência de calor acaba sendo igual a 1,13 m2° С / W, e o fluxo de calor através da parede é de 18,48 W por metro quadrado. Com uma área total de parede (excluindo vidros) de 105,2 m2 a perda total de calor pelas paredes é de 1,95 kWh. Neste caso, a perda de calor pelas janelas será de 1,05 kW.
Sobreposição e telhado
O cálculo da perda de calor pelo piso do sótão também pode ser realizado na calculadora online, selecionando o tipo de estrutura de fechamento desejado. Como resultado, a resistência do piso à transferência de calor é de 0,66 m2° С / W, e a perda de calor é 31,6 W por metro quadrado, ou seja, 2,7 kW de toda a área da estrutura envolvente.
A perda total de calor total de acordo com os cálculos é de 7,2 kWh. Com estruturas de construção de qualidade suficientemente baixa, este número é obviamente muito inferior ao real. Na verdade, tal cálculo é idealizado, não leva em consideração coeficientes especiais, fluxo de ar, componente de convecção da transferência de calor, perdas por ventilação e portas de entrada. Na verdade, devido à instalação de janelas de baixa qualidade, falta de proteção no contraforte do telhado para o Mauerlat e impermeabilização das paredes de fundação, as perdas reais de calor podem ser 2 ou até 3 vezes maiores do que as calculadas. No entanto, mesmo os estudos básicos de engenharia térmica ajudam a determinar se as estruturas de uma casa em construção atenderão aos padrões sanitários, pelo menos na primeira aproximação..
Perda de calor em casa
Finalmente, daremos uma recomendação importante: se você realmente deseja obter um entendimento completo da física térmica de um edifício em particular, deve utilizar o entendimento dos princípios descritos nesta revisão e na literatura especializada. Por exemplo, o livro de referência de Elena Malyavina “Perda de calor de um edifício” pode ser uma boa ajuda neste assunto, onde a especificidade dos processos de engenharia de calor é explicada em grande detalhe, links para os documentos regulamentares necessários são fornecidos, bem como exemplos de cálculos e todas as informações de referência necessárias.
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