Uma fonte de calor, dois terminais: por que o piso radiante não esquenta?

Parte 4 — Área de Dissipação de Calor Efetiva Insuficiente

A bomba de calor está funcionando normalmente.

A temperatura de saída da água está correta.

O fluxo de água através dos circuitos de aquecimento por piso radiante parece razoável.

Não há bloqueio de ar óbvio e o sistema hidráulico foi devidamente balanceado.

Mas a sala ainda luta para atingir a temperatura desejada.

O que mais poderia estar errado?

Uma causa frequentemente esquecida é:

A área efetiva de dissipação de calor do sistema de piso radiante é muito pequena.

Isto pode acontecer quando grandes áreas de piso aquecido são cobertas por sofás, camas, armários, tapetes grossos ou outros materiais de alta resistência. Também pode acontecer quando o espaçamento dos tubos UFH é muito grande ou quando a área real do piso aquecido é muito pequena para a perda de calor projetada da sala.

EmParte 4 da nossa série de solução de problemas “Uma fonte de calor, dois terminais”, explicamos por que a área total do piso eárea de aquecimento eficaznão são necessariamente iguais - e por que esta diferença é importante em sistemas de bombas de calor ar-água.

1. Qual é a “área efetiva de dissipação de calor” do piso radiante?

O piso radiante funciona transferindo o calor da água quente dentro dos tubos para a estrutura do piso.

O calor então viaja para cima através de:

Tubo UFH → Betonilha/Estrutura do Piso → Acabamento do Piso → Sala

A superfície útil do piso atua, portanto, como um grande emissor de calor de baixa temperatura.

Mas nem todo metro quadrado de piso transfere necessariamente o calor de forma eficaz para o ambiente.

Considere um quarto de 15 m².

Depois de instalar:

• uma cama grande;

• guarda-roupa;

• armários de cabeceira;

• mesa;

• outros móveis;

talvez apenas 8–10 m² de piso permaneçam relativamente desobstruídos.

Se a cama tiver uma base sólida assente directamente no chão, a área efectiva de transferência de calor pode ser ainda mais reduzida.

Portanto:

Área total da sala ≠ área efetiva de dissipação de calor UFH.

Esta distinção torna-se muito importante em divisões com elevadas cargas de aquecimento.

2. Por que cobrir o piso reduz o desempenho do aquecimento?

O aquecimento por piso radiante transfere calor principalmente através de radiação e convecção da superfície do piso aquecido para a divisão.

Quando uma grande peça de mobiliário fica diretamente no chão, ela altera o caminho de transferência de calor.

Em vez de:

Piso Aquecido → Sala

agora temos:

Piso aquecido → Móveis → Transferência de calor restrita → Sala

O calor não desaparece completamente, mas a sua transferência útil para o espaço ocupado é reduzida.

O problema é particularmente perceptível em móveis que possuem pouco ou nenhum espaço de ar embaixo, como:

• guarda-roupas de chão;

• camas de base sólida;

• sofás grandes com baixíssimo espaço livre;

• armários embutidos;

• plataformas de armazenamento.

Grandes áreas permanentemente cobertas devem, portanto, ser consideradas durante o projeto da HNF.

3. Um exemplo simples: uma sala de 15 m² não é necessariamente uma superfície de aquecimento de 15 m²

Suponha que um quarto tenha uma área total de:

15 m²

A sala requer uma capacidade de aquecimento projetada de:

900W

Se quase todo o piso puder transferir calor de forma eficaz, a produção média necessária será:

$$900W ÷ 15m² = 60W/m²$$

Isso é relativamente administrável para um sistema UFH de baixa temperatura adequadamente projetado.

Mas suponha que os móveis e os revestimentos de piso reduzam a área efetiva de transferência de calor para apenas:

9 m²

Agora a saída necessária da superfície disponível se torna:

$$900W ÷ 9m² = 100W/m²$$

A perda de calor ambiente não mudou.

Mas a superfície de aquecimento disponível tornou-se muito menor.

Isto significa que cada metro quadrado efetivo de piso deve agora fornecer significativamente mais calor.

Isso pode exigir:

• espaçamento mais próximo entre tubos;

• maior temperatura da água;

• maior fluxo;

• acabamento de piso de menor resistência;

• isolamento melhorado;

• ou aquecimento suplementar.

É por isso que o layout dos móveis deve ser consideradoantes que o layout da tubulação UFH seja finalizado.

4. Tapetes grossos podem se tornar um isolamento térmico

Os móveis não são o único problema.

Os revestimentos de piso também podem reduzir a transferência de calor.

Um tapete grosso, especialmente quando combinado com uma base isolante, acrescenta resistência térmica entre o piso aquecido e o ambiente.

Em vez de o calor subir facilmente, o revestimento do piso retarda a transferência.

Isso pode criar uma situação interessante:

O chão por baixo do tapete está quente, mas a divisão de cima não recebe calor útil suficiente.

Por outras palavras, o sistema UFH está a produzir calor – mas o calor não pode ser libertado de forma eficiente.

É por isso que os materiais do piso devem sempre ser considerados ao projetar sistemas de aquecimento de baixa temperatura.

5. A resistência térmica do revestimento de piso é importante

Diferentes acabamentos de piso possuem características térmicas diferentes.

Os acabamentos típicos incluem:

• telha cerâmica;

• pedra;

• madeira projetada;

• laminado;

• vinil;

• tapete.

Ladrilhos cerâmicos e pedras geralmente proporcionam uma transferência de calor relativamente boa.

Madeira, laminado e carpete normalmente apresentam maior resistência térmica, embora o desempenho real dependa muito do produto específico e da espessura.

O parâmetro de engenharia importante é a resistência térmica total de:

Acabamento do piso + base + outras camadas acima da estrutura de aquecimento

Os fabricantes de pisos compatíveis com UFH geralmente especificam uma resistência térmica máxima permitida.

Esta informação deve ser verificada durante o projeto.

6. O layout dos móveis deve ser discutido antes da instalação do UFH

Em projetos reais, nem sempre o projetista de HVAC ou UFH recebe o layout final do mobiliário.

Isso pode criar problemas mais tarde.

Por exemplo, os tubos podem ser instalados uniformemente em todo o quarto.

Após a construção, o proprietário instala:

• uma grande cama de base sólida;

• guarda-roupas do chão ao teto;

• carpete grosso.

Uma percentagem significativa da superfície de aquecimento está agora obstruída.

O cliente pode então reclamar:

“O chão está quente em alguns lugares, mas a temperatura ambiente ainda é baixa.”

Do ponto de vista do comissionamento, isso pode ser confuso porque:

• o funcionamento da bomba de calor é normal;

• a temperatura da água está normal;

• o fluxo é normal;

• a operação do coletor é normal.

O fator que falta é osuperfície emissora de calor utilizável.

Para novas construções, o planeamento do mobiliário e o design da UFH devem, portanto, ser coordenados sempre que possível.

7. O espaçamento dos tubos pode criar uma redução oculta na capacidade efetiva de aquecimento

Existe outro tipo de “área de dissipação de calor insuficiente” que é menos visível.

O piso pode parecer completamente disponível, mas oO espaçamento dos tubos UFH é muito grande.

Por exemplo, imagine uma sala de alta carga onde o projeto calculado requer espaçamento de tubos relativamente pequeno.

Se o instalador aumentar o espaçamento simplesmente para:

• reduzir o consumo de tubos;

• reduzir o tempo de instalação;

• reduzir o custo dos materiais;

o piso pode não fornecer mais saída de calor suficiente.

O espaçamento comum pode variar de aproximadamente:

100 mm / 150 mm / 200 mm / 250 mm / 300 mm

dependendo do projeto do sistema.

Não existe um espaçamento único adequado para cada cômodo.

8. Por que o espaçamento mais amplo entre tubos reduz a produção de calor

O calor se espalha lateralmente pelo piso a partir de cada tubo UFH.

Se os tubos estiverem relativamente próximos, a temperatura da superfície do piso torna-se mais uniforme.

Se o espaçamento se tornar muito grande, a variação de temperatura entre a área diretamente acima do tubo e a área entre os tubos torna-se maior.

Conceitualmente:

Espaçamento mais próximo entre tubos

→ temperatura do piso mais uniforme
→ maior capacidade efetiva de transferência de calor

Espaçamento de tubo mais amplo

→ zonas frias maiores entre tubos
→ menor temperatura média da superfície
→ saída de calor ambiente potencialmente menor

Portanto, simplesmente cobrir toda a sala com tubo UFH não garante capacidade de aquecimento suficiente.

Odensidade e layout da tubulaçãomatéria.

9. O espaçamento dos tubos deve seguir a carga de calor da sala

Um bom projeto de UFH deve começar com cálculos de perda de calor sala por sala.

Diferentes áreas do mesmo edifício podem exigir diferentes espaçamentos entre tubos.

Por exemplo:

Quarto interno

Bom isolamento, janela pequena e baixa perda de calor:

Um espaçamento maior pode ser aceitável.

Sala com vidros grandes

Maior perda de calor perimetral:

Pode ser necessário um espaçamento menor.

Banheiro

Maior exigência de temperatura de conforto:

Um espaçamento menor pode ser apropriado.

Zona perimetral perto de grandes janelas

Maior perda de calor local:

Um espaçamento menor entre tubos pode ajudar a compensar a maior demanda.

A lógica de engenharia deve, portanto, ser:

Perda de calor na sala → Área efetiva disponível do piso → W/m² necessário → Espaçamento entre tubos → Temperatura da água → Fluxo

não:

Use o mesmo espaçamento entre tubos em todos os lugares.

10. A área efetiva deve ser considerada antes de calcular o W/m² necessário

Este é um ponto particularmente importante.

Suponha que uma sala de estar exija:

3.000 W

e tem uma área total de:

30 m²

À primeira vista:

$$3000 ÷ 30 = 100W/m²$$

Mas suponha que 8 m² estejam efetivamente indisponíveis devido a:

• armários fixos;

• móveis grandes;

• escadaria;

• estruturas de piso permanentes.

A área de aquecimento efetiva real é:

$$30-8=22m²$$

Agora:

$$3000 ÷ 22aproximadamente 136W/m²$$

Essa é uma condição de design muito diferente.

Dependendo da temperatura interior necessária, do acabamento do piso e da temperatura permitida da superfície do piso, o sistema UFH pode já não ser capaz de fornecer toda a carga de aquecimento ambiente.

Neste ponto, o projetista não deve simplesmente continuar a aumentar a temperatura da água da bomba de calor.

11. Por que o aumento da temperatura da água tem limites

Uma resposta comum à produção insuficiente de HNF é:

“Aumente a temperatura da água de saída.”

Aumentar a temperatura média da água pode aumentar a produção de calor do piso.

Mas existem limites.

A temperatura mais alta da água pode resultar em:

• bomba de calor inferior COP;

• maior custo operacional;

• temperatura excessiva da superfície do piso;

• conforto reduzido;

• possíveis limitações do piso;

• maiores perdas do sistema.

Uma das principais vantagens da UFH combinada com uma bomba de calor é a capacidade de operar a temperaturas da água relativamente baixas.

Se o sistema necessitar de temperaturas de água desnecessariamente elevadas porque a área útil do piso foi mal concebida, a bomba de calor perde parte da sua vantagem de eficiência.

12. A temperatura da superfície do piso também tem limites de conforto

O piso não deve simplesmente ficar “o mais quente possível”.

O projeto de UFH deve considerar temperaturas aceitáveis ​​da superfície do piso.

Os padrões de conforto geralmente diferenciam entre áreas ocupadas e zonas especiais/perimetrais, e os requisitos do projeto devem seguir o padrão local aplicável.

Isto significa que existe um limite prático para a quantidade de calor que pode ser extraída de cada metro quadrado de piso.

Portanto:

Se a sala necessitar de mais calor do que a área disponível do piso pode fornecer com segurança e conforto, a solução deve vir do design do sistema – e não simplesmente de uma temperatura mais elevada da água.

As soluções possíveis incluem:

• aumentando a área de aquecimento efetiva;

• reduzindo a perda de calor;

• otimizar o espaçamento entre tubos;

• melhorar a construção do piso;

• adicionando outro terminal de aquecimento.

13. Isto se torna especialmente importante com bombas de calor

As caldeiras tradicionais podem gerar facilmente água em alta temperatura.

As bombas de calor ar-água têm melhor desempenho em temperaturas de saída de água mais baixas.

Em geral:

Menor temperatura da água de saída → Menor elevação do compressor → Melhor eficiência

Portanto, um sistema UFH devidamente concebido é um excelente terminal para bombas de calor.

Mas esta vantagem depende de ter uma superfície de aquecimento suficientemente eficaz.

Se a área UFH for demasiado pequena, o sistema poderá necessitar de temperaturas de água mais elevadas para compensar.

Isso pode reduzir a eficiência sazonal.

Portanto, a área útil não é apenas uma questão de conforto.

É também umproblema de eficiência da bomba de calor.

14. Uma fonte de calor, dois terminais podem oferecer uma vantagem

Em nossa série, estamos discutindo um sistema com:

Uma fonte de calor + dois terminais

Tipicamente:

Bomba de calor ar-água

↓

Fan Coils + Piso Aquecedor

Este arranjo pode oferecer maior flexibilidade.

Suponha que o sistema UFH não consiga cobrir toda a carga de aquecimento projetada porque a área efetiva do piso é limitada.

O fan coil pode fornecer capacidade suplementar durante:

• clima muito frio;

• aquecimento rápido;

• períodos de pico de carga.

Enquanto isso, a UFH oferece:

• conforto radiante estável;

• operação em baixa temperatura;

• aquecimento básico contínuo.

Esta pode ser uma estratégia de design eficaz quando controlada adequadamente.

No entanto, os dois sistemas terminais devem ser coordenados hidraulicamente e termicamente.

15. Como identificar uma área UFH eficaz e insuficiente?

Os sintomas são diferentes de uma obstrução de ar ou falha da bomba.

Os sinais típicos incluem:

Todo o piso exposto parece razoavelmente quente

Isso sugere que a circulação pode estar normal.

As temperaturas de fornecimento e retorno são razoáveis

O circuito hidráulico parece estar transferindo calor.

As taxas de fluxo do coletor estão próximas dos valores de projeto

Não há nenhum problema óbvio de baixo fluxo.

A sala ainda não consegue atingir a temperatura definida

Agora devemos comparar a produção do piso com a perda de calor do edifício.

As áreas sob tapetes ou móveis se comportam de maneira diferente

Isto sugere resistência térmica local.

O problema piora durante o tempo muito frio

Isto pode indicar que a saída máxima de UFH é inferior ao pico de perda de calor da sala.

Neste ponto, a pergunta correta não é mais:

“Porque é que a bomba de calor não aquece?”

Torna-se:

“A área disponível pode emitir calor suficiente para cobrir a perda de calor da sala?”

16. Uma equação diagnóstica útil

Uma maneira simplificada de entender o problema é:

$$Q_{sala}=A_{efetivo}vezes q$$

Onde:

• Qroom= capacidade de aquecimento ambiente necessária, W

• Aeficaz= área útil emissora de calor efetiva, m²

• q= produção de calor média necessária, W/m²

Portanto:

$$q=frac{Q_{sala}}{A_{efetivo}}$$

À medida que a área útil diminui, a produção necessária por metro quadrado aumenta.

Essa é a razão fundamental pela qual móveis grandes, tapetes grossos e mau layout de tubulações podem se tornar problemas sérios.

17. Não confunda “piso quente” com “capacidade de aquecimento suficiente”

Outro mal-entendido comum é julgar o UFH apenas tocando o chão.

Um piso UFH confortável e de baixa temperatura não necessariamente parece muito quente.

E, inversamente, um piso visivelmente quente não significa automaticamente que a divisão receba capacidade de aquecimento total suficiente.

O que importa é:

$$Saída de calor útil total geq Perda de calor ambiente$$

Portanto, o diagnóstico de engenharia deve utilizar:

• temperatura ambiente;

• perda de calor projetada;

• temperatura de alimentação/retorno;

• fluxo de água;

• área útil útil;

• temperatura da superfície do piso;

em vez de confiar apenas na sensação de calor do piso com as mãos.

18. Sequência prática de solução de problemas

Quando a bomba de calor e a circulação da água parecem normais mas a divisão permanece fria, verifique o seguinte.

Passo 1 — Calcule a perda de calor ambiente

Quantos watts a sala realmente necessita nas condições de projeto?

Passo 2 — Calcule a área efetiva de UFH

Exclua ou avalie cuidadosamente áreas permanentemente obstruídas.

Passo 3 — Calcule o W/m² necessário

A superfície do piso disponível pode fornecer isso de forma realista?

Passo 4 — Verifique os móveis

Itens grandes de base sólida estão bloqueando uma área significativa do piso?

Passo 5 — Verifique tapetes e carpetes

Os revestimentos de alta resistência estão reduzindo a transferência de calor?

Passo 6 – Verifique o acabamento do piso

A resistência térmica é compatível com UFH?

Passo 7 — Verifique o espaçamento dos tubos

O espaçamento foi projetado de acordo com a carga térmica?

Passo 8 — Verifique a temperatura da água

É apropriado para a construção do piso?

Passo 9 — Verifique o fluxo real

Confirme se o loop recebe o fluxo de design necessário.

Passo 10 — Compare a produção de calor com a perda de calor

Este é o teste final de engenharia.

Tabela de solução rápida de problemas

19. Perguntas frequentes

Os móveis podem reduzir o desempenho do piso radiante?

Sim. Móveis grandes com pouco ou nenhum espaço embaixo podem reduzir a transferência útil de calor do chão para o ambiente. Móveis fixos devem ser considerados durante o projeto do UFH.

Um carpete grosso pode impedir o funcionamento adequado do piso radiante?

Pode reduzir significativamente a produção de calor se o carpete e a base tiverem alta resistência térmica. Verifique sempre se o sistema de piso é adequado para UFH.

O espaçamento mais próximo dos tubos UFH fornece mais calor?

Geralmente, um espaçamento mais próximo pode melhorar a uniformidade da temperatura superficial e aumentar a produção de calor alcançável sob as mesmas condições operacionais. No entanto, o espaçamento deve ser selecionado através do projeto térmico e hidráulico, em vez de simplesmente torná-lo o mais próximo possível.

Por que meu chão está quente, mas meu quarto ainda está frio?

O piso pode estar transferindo calor, mas a produção total de calor ainda pode ser inferior à perda de calor do edifício. Verifique a área de aquecimento eficaz, o isolamento, as janelas, os revestimentos de piso e a carga térmica projetada.

Devo aumentar a temperatura da água da bomba de calor?

Somente após confirmar que a vazão, o equilíbrio hidráulico e o projeto do UFH estão corretos. Uma temperatura de saída da água mais elevada pode aumentar a produção, mas normalmente reduz a eficiência da bomba de calor.

Os fan coils podem ajudar se a capacidade do UFH for insuficiente?

Sim. Em um sistema de uma fonte e dois terminais corretamente projetado, os fan coils podem fornecer aquecimento suplementar durante períodos de pico de carga, enquanto o UFH fornece aquecimento de base estável.

Princípio Final de Engenharia

Quando a temperatura e a circulação da água UFH estiverem normais, mas o ambiente ainda estiver frio, pare de perguntar apenas:

“Há água quente suficiente chegando ao chão?”

A próxima pergunta deve ser:

“O piso tem área de superfície efetiva suficiente para transferir o calor necessário para o ambiente?”

O relacionamento de engenharia completo é:

Perda de calor predial

↓

Capacidade de aquecimento necessária

↓

Área Efetiva de UFH

↓

Necessário W/m²

↓

Espaçamento de tubos + construção de piso

↓

Temperatura da água + fluxo

↓

Saída de calor do piso

↓

Conforto interno

Isso nos leva a outro princípio importante:

A capacidade do piso radiante é determinada não apenas pela quantidade de calor que entra nos tubos, mas também pela eficácia com que o piso pode liberar esse calor para o ambiente.

Para sistemas de bombas de calor ar-água, maximizar a área efetiva de emissão de calor a baixa temperatura permite que a bomba de calor opere a temperaturas mais baixas da água - e essa é uma das chaves para alcançar ambosconforto e alta eficiência sazonal.

Uma fonte de calor, dois terminais – Série de solução de problemas

Nossa série agora inclui:

Parte 1 — Comissionamento Inicial ou Desligamento de Longo Prazo
Parte 2 - Ar preso em tubos de aquecimento por piso radiante
Parte 3 – Projeto e Layout de Tubulação Insatisfatórios
Parte 4 — Área de Dissipação de Calor Efetiva Insuficiente

Continuaremos a examinar as causas reais do fraco desempenho da UFH na perspectiva dobomba de calor completa + sistema hidrônico, em vez de focar apenas na própria unidade da bomba de calor.

Para mais artigos técnicos sobre bombas de calor ar-água, piso radiante, fan coils e design de sistemas hidrônicos:

www.ecoheat-pump.com