Neste artigo: Aquecimento radiante – 10.000 anos de história; os primeiros sistemas de aquecimento radiante; Fogão russo – gerador de raios infravermelhos; radiação de calor do corpo humano; tipos de sistemas modernos de aquecimento radiante doméstico; no final – as condições sob as quais o aquecimento radiante será mais lucrativo do que o convectivo.
Há cerca de 200 anos, os sistemas de aquecimento das nossas casas começaram a degenerar, os fogões e as lareiras, populares há milhares de anos, eram chamados de arcaísmos, foram substituídos por um sistema de aquecimento de água que dá calor convectivo. Ao longo de um século, uma cruz foi colocada no calor radiante, foi descartada como sucata, no entanto, os estudos dos cientistas realizados ao longo do último meio século mostram exatamente o oposto – o calor radiante supera o calor convectivo em suas características e em uma série de características. Propomo-nos a compreender esta questão e a descobrir porque é que o aquecimento radiante é melhor do que o convectivo.
A história do aquecimento – do radiante ao convectivo e … novamente ao radiante?
Por milhares de anos, a primeira e única fonte de aquecimento em uma casa humana era o fogo, e o método de aquecimento propriamente dito era o feixe de convecção. Durante a queima de um fogão-salamandra primitiva e depois disso, quando o fogo estava sem chama, raios infravermelhos emanavam do portal de pedra e, por convecção, o ar da sala era aquecido. A desvantagem óbvia desse método de aquecimento é que, quando o fogo estava queimando, a residência enchia-se de gases de combustão, criando uma atmosfera insuportável. Portanto, no topo dos telhados das casas, foi feito um buraco de chaminé por onde escapava a fumaça quente junto com o ar aquecido, a estaca principal era feita no aquecimento radiante, já que sua intensidade não dependia do grau de aquecimento do ar.
Dois mil anos atrás, novos sistemas de aquecimento foram criados, baseados em canais sob a superfície de pisos de pedra, através dos quais os gases de combustão de fornos derretidos se moviam, aquecendo os pisos com seu calor (hipocausto (Dr. Roma), gloria (Espanha), ondol (Coréia), dikan (China), etc.). A população da Europa, por sua vez, usou uma versão parcialmente modificada do fogo – uma lareira coberta com paralelepípedos, aquecida em preto. Somente no século 15, os europeus melhoraram a lareira de pedra, trazendo um tubo de escape de madeira para ela.
Sistema de aquecimento hipocausto
No século 17, o “sistema russo” de aquecimento era popular nos complexos de castelos e palácios da Rússia e da Europa – o duto de entrada de ar corria perto da parede da fornalha e ao longo dela, onde o ar era aquecido e, devido à convecção, subia através de canais de tijolos ramificados para as instalações que precisavam ser aquecidas. Depois de liberado o calor, o ar do local saiu pelos dutos de exaustão do lado de fora do prédio. Um sistema de aquecimento deste projeto excluía completamente a possibilidade de os gases de combustão entrarem nos aposentos, o que era um know-how incrível na época. Este sistema de aquecimento, denominado “sistema fogo-ar”, gozou de popularidade crescente até meados do século XIX, mas no seu final já não era mais procurado, o que foi facilitado pelo zumbido constante de baixa frequência nas condutas de ar, secura excessiva do ar, queima de pó com a deposição de fuligem nas paredes e nos elementos interiores.
No final do século XVIII, o engenheiro francês Jean-Simon Bonneman inventou e construiu o primeiro sistema de aquecimento de água, no qual a circulação do refrigerante era feita de forma natural. Meio século depois, surgiu na Rússia um sistema de aquecimento com circulação natural do refrigerante, desenvolvido pelo professor Petr Grigorievich Sobolevsky. Os tipos de aquecimento por convecção de água, vapor e ar de fogo vêm ganhando popularidade a cada ano, em grande parte devido ao progresso técnico, o surgimento e o desenvolvimento de fontes centralizadas de aquecimento do refrigerante e sistemas para sua entrega a objetos de consumo. O aquecimento convectivo de água quente foi favorecido pela construção em larga escala de edifícios altos típicos com isolamento mínimo de fachadas, sobreposição de baixa qualidade de aberturas de janelas e portas – o aquecimento por radiação é eficaz apenas em um edifício bem isolado.
No entanto, 150 anos depois, os cientistas descobriram que a percepção do aquecimento radiante está muito mais próxima dos humanos do que o aquecimento por convecção do ar. E não só para uma pessoa, mas também para utensílios domésticos, bem como materiais utilizados na decoração de interiores de instalações.
Aquecimento em casa – realidade
Você já esteve em uma sala sem ou mal aquecida no inverno – uma sala de aula de escola, uma sala de aula do instituto ou uma sala de assembléia em uma instituição? Diante da insatisfação do público, o professor (palestrante) se acalma – nada, vamos respirar e em meia hora já estará quente. Com efeito, depois de um tempo fica mais quente, mas a razão para isso não tem nada a ver com o termo “inspirado” – os presentes aqueciam a atmosfera da sala com a radiação térmica gerada pelos seus próprios corpos. Os raios infravermelhos que emanam dos corpos dos presentes aquecem os objetos localizados nas proximidades, os quais, por sua vez, geram sua própria radiação, transferindo-a para os objetos vizinhos e o calor de suas superfícies – para o ar.
Todo e qualquer objeto com temperatura acima de zero Kelvin (ou –273,15 ° C) emite raios infravermelhos. Quanto maior a temperatura do objeto, mais intensa a radiação – por exemplo, o corpo humano em sua temperatura normal (de 36,6 a 37 ° C) gera raios infravermelhos na faixa de comprimento de onda médio, com comprimento de onda de 5 a 25 mícrons. O consumo de energia humana para radiação infravermelha é reduzido se a temperatura ambiente aumentar, mas não o ar, mas as estruturas de fechamento (paredes, teto e piso) e móveis. O fato é que o meio de ar é transparente e permeável aos raios infravermelhos, respectivamente, paredes e pisos frios extraem calor infravermelho de corpos humanos mesmo a 25 graus de temperatura ambiente – esta é a troca de calor radiante, explicada pelas leis de Planck e Stephen-Boltzmann.
Gerações de habitantes da cidade estão habituadas às condições de vida em casas de alvenaria e painéis, procurando compensar a energia infravermelha do corpo, que vai aquecer as estruturas envolventes, com o auxílio de vários tipos de convectores elétricos. Na memória dos habitantes da cidade havia uma vaga convicção sobre a importância das paredes de madeira da casa, que são capazes de “respirar”, compensando a umidade do ar – de fato, tal capacidade está presente em madeira sem pintura e paredes de toras, mas o papel principal nas casas de madeira não era desempenhado por eles, mas pelo russo forno.
A construção maciça do fogão russo ganhou um lugar significativo na casa, manteve o calor perfeitamente e aqueceu toda a casa com radiação infravermelha. Nenhum sistema de aquecimento de água ou ar pode se comparar em suas capacidades de aquecimento com um fogão russo! Aliás, é justamente pelo método de aquecimento radial que os assados no forno russo ficam muito mais apetitosos e saborosos do que no forno mais moderno, cujo princípio de cozimento é baseado no ar quente (sistema de fogo-ar).
As propriedades da energia radiante do ponto de vista do aquecimento foram investigadas por um laboratório da Universidade de Yale, financiado pela Fundação John Bartlett Pearce – os resultados de um experimento realizado com a participação de voluntários foram muito reveladores. Na primeira etapa, os sujeitos foram colocados em uma pequena sala com paredes resfriadas artificialmente, a temperatura do ar nela mantida com o auxílio de ventiladores aquecedores a 50 ° C – voluntários vestidos com roupas leves, após permanecerem nesta sala, queixaram-se de frio extremo. Na segunda etapa, a temperatura do ar foi deliberadamente reduzida para 10 ° C, e as paredes foram aquecidas com a ajuda de canos embutidos no interior, por onde circulava água quente – os sujeitos, ainda vestidos com roupas leves, suaram profusamente enquanto estavam nesta sala, estavam quentes.
No entanto, cada um de nós pode verificar e experimentar pessoalmente o “vampirismo” do frio e da “doação” de paredes aquecidas a qualquer momento – você só precisa se levantar e ficar na frente da parede. No inverno você sentirá o frio vindo dele, pois o material que forma a parede irá absorver os raios infravermelhos que emanam de você, no verão você sentirá o calor, ou seja, seu corpo já vai absorver a radiação infravermelha recebida pela parede do Sol durante o dia.
Descrição dos sistemas de aquecimento radiante
Um fogão enorme era e continua sendo uma fonte ideal de aquecimento radiante, no entanto, em um apartamento ou escritório, e em muitas casas particulares, não é realista providenciar tal fogão. Considere sistemas de aquecimento radiante modernos que tornam possível fazer sem tal fogão – “piso quente”, painéis radiantes de parede e teto.
Os sistemas de aquecimento por piso radiante diferem no design e princípio de aquecimento:
- os sistemas convectivos incluem quaisquer sistemas com um transportador de calor de água, bem como cabo, cabo com colocação em placas e filme isolantes de calor (esteiras de aquecimento – um cabo fino colocado em uma base de malha);
- o calor da radiação é gerado pelo filme de carbono (elemento de aquecimento – tiras de grafite seladas em um filme de poliéster) e pisos centrais (seus elementos de aquecimento também são feitos de grafite).
Os painéis instalados nas paredes são blocos modulares feitos de tubos de cobre, onde a água quente atua como um transportador de calor. A transferência de calor radiante de painéis de parede com água quente circulante a uma temperatura de 40 ° C é de cerca de 80%, os 20% restantes são contabilizados por convecção – isso se deve à alta temperatura permitida do refrigerante, que excede o máximo estabelecido pelos padrões europeus de 30 ° C para um “piso quente”.
Os blocos modulares de cobre são instalados na superfície da parede usando suportes de haste horizontais ou verticais, antes que uma camada de isolamento com folha de alumínio seja montada na superfície da parede. Após a instalação, os painéis de parede são selados com uma camada de gesso de 350 mm, revestidos com gesso cartonado ou outros revestimentos duros. Além da instalação externa, blocos modulares para aquecimento radiante podem ser instalados dentro das paredes de concreto – eles são fixados a uma estrutura de reforço com posterior vazamento de concreto.
A vantagem dos painéis de parede é a menor inércia térmica, em comparação com “pisos quentes”, que é especialmente conveniente para edifícios com aquecimento intermitente. Deve-se notar que, para um aquecimento eficaz, os painéis de parede precisam de espaço livre em torno do perímetro das paredes em que são instalados – com um grande número de móveis de gabinete, é irracional usá-los.
Os primeiros modelos de painéis de teto radiante foram criados muito antes dos “pisos quentes” e painéis de parede, o interesse dos fabricantes neles era explicado de forma simples – o teto, e portanto os painéis de teto, ficava mais distante das residências, o que tornava possível aquecer os painéis a altas temperaturas sem qualquer danos aos humanos. A temperatura máxima dos painéis de teto modernos depende da altura dos tetos – a diferença ideal entre a temperatura do ar na sala e a temperatura da superfície do painel de viga é de 10 ° C. Os painéis de teto modernos não são construídos em tetos – eles são instalados na superfície do teto, o que simplifica sua instalação e manutenção.
No fim
A popularidade do aquecimento por convecção hoje está associada apenas ao fato de que a maioria das casas tem características mínimas de retenção de calor – anteriormente isso não interessava aos projetistas e construtores, já que suas tarefas eram focadas na redução do custo dos projetos. Conseqüentemente, as casas brilham à noite em detectores infravermelhos, custos colossais de aquecimento e frequentes reparos cosméticos. E precisamente por causa das altas perdas de calor pelas aberturas das janelas, radiadores de aquecimento foram instalados diretamente sob elas – a fim de isolar o ar frio da rua que entra pelas fendas das esquadrias e através de seus vidros..
O aquecimento convectivo permite aquecer de forma rápida e relativamente econômica salas não isoladas, mas não evita que você evite secar o ar, o ar frio ao nível do chão (a camada mais quente de ar se acumula no teto), o crescimento constante de mofo nas paredes na estação fria (devido à deposição de umidade em suas superfícies frias) e a necessidade de reparos cosméticos frequentes – os fatos acima são inegáveis.
Se as estruturas de fechamento da casa são feitas de madeira, tijolo ou concreto armado, o isolamento (painéis sanduíche, materiais de isolamento térmico seguido de gesso, etc.) é executado no lado externo (rua), e portas e janelas modernas são instaladas nas janelas e aberturas de portas com suficiente baixas taxas de condutividade térmica, então resolver o problema de aquecimento com a ajuda de um sistema de aquecimento radiante se justificará. Por outro lado, ao isolar as estruturas de fechamento do interior da sala, o que é realizado especialmente em edifícios de vários andares de construção soviética, não faz sentido construir um sistema de aquecimento por infravermelho, uma vez que o material do qual as paredes são feitas não aquece e emite calor na forma de radiação, porque as superfícies das paredes são isoladas termicamente com materiais de isolamento.
Levando em consideração os novos requisitos de proteção térmica de edifícios, estabelecidos no SNiP 23-02-2003, os sistemas de aquecimento radiante podem assumir a liderança no aquecimento convectivo. Será muito mais agradável e útil para as famílias de qualquer idade perceber os raios infravermelhos de um determinado comprimento de onda do que estar em um “aquário” de ar com paredes constantemente frias, cheio de ar aquecido por convecção e poeira suspensa.
Aquecimento radiante doméstico – um antigo bem esquecido
Instalações de aquecimento radiante doméstico estão rapidamente tornando-se populares como um método eficiente de aquecimento de propriedades residenciais. O aquecimento radiante doméstico tem muitas vantagens - oferece conforto superior, uma vez que aquecer o ambiente de forma uniforme, quase silenciosamente, é muito mais economizador de energia quando comparado à convecção e oferece benefícios adicionais que o tornam único. É também mais versátil e oferece aos proprietários um poderoso controle sobre a atmosfera dentro de casa e no exterior. Com a possibilidade de evitar o desperdício de energia, aquecimento radiante doméstico tornou-se um ativo "esquecido" que literalmente poupa milhares de euros.
Sistemas de engenharia Conteúdo material
Por que o aquecimento radiante doméstico é um antigo bem esquecido? Quais são suas vantagens em comparação com outros sistemas de aquecimento? Será que o custo de instalação e manutenção é alto? Como funciona esse tipo de aquecimento e quais são os principais tipos de piso utilizados? É uma opção viável para regiões mais frias? Considerando a eficiência energética, esse sistema seria uma boa alternativa para reduzir as contas de energia no inverno?
Qual é a eficiência do aquecimento radiante doméstico em comparação com outros sistemas de aquecimento?