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

Parte 5 – Fluxo de Água do Sistema Insuficiente

Num sistema de bomba de calor ar-água que sirva tantopiso radiante e ventiloconvectores, uma das reclamações mais comuns é:

“A bomba de calor está a funcionar e a água que sai está quente, mas o piso radiante ainda não consegue aquecer adequadamente as divisões.”

Ao solucionar este problema, muitas pessoas suspeitam imediatamente de capacidade insuficiente da bomba de calor.

No entanto, a bomba de calor pode estar a produzir calor suficiente.

O verdadeiro problema pode ser muito mais simples:

O sistema hidrônico não está circulando água suficiente.

O fluxo de água insuficiente é um dos problemas hidráulicos mais comuns em bombas de calor ar-água e sistemas de piso radiante. Isso pode ser causado por tubos subdimensionados, queda excessiva de pressão, muitas conexões, má instalação, seleção incorreta da bomba, localização inadequada da bomba ou arquitetura de sistema inadequada.

EmParte 5 da nossa série de solução de problemas “Uma fonte de calor, dois terminais”, explicamos como o fluxo insuficiente do sistema afeta o desempenho do UFH e como os engenheiros devem diagnosticar o problema.

1. Por que o fluxo de água é importante em um sistema de aquecimento com bomba de calor

Um sistema de aquecimento hidrônico transfere calor através da água circulante.

A relação básica é:

$$Q = ponto{m} vezes c_p vezes Delta T$$

Onde:

• P= taxa de transferência de calor

• ṁ= vazão mássica de água

• CP= capacidade calorífica específica da água

• ΔT= diferença de temperatura da água de alimentação/retorno

Para cálculos práticos de HVAC usando água:

$$Q(kW) aproximadamente 1,163 vezes Fluxo(m³/h) vezes Delta T(K)$$

Portanto:

$$Fluxo(m³/h)=frac{Q(kW)}{1,163vezesDelta T(K)}$$

Esta equação explica um princípio importante:

A capacidade de aquecimento por si só não garante o fornecimento de calor. O sistema também deve fornecer fluxo de água suficiente para transportar esse calor até os terminais.

2. Um exemplo simples: bomba de calor de 20 kW a ΔT = 5°C

Suponha que uma bomba de calor ar-água forneça:

Capacidade de aquecimento de 20 kW

com uma diferença de temperatura projetada de fornecimento/retorno de:

5°C

A vazão necessária é aproximadamente:

$$Fluxo=frac{20}{1,163vezes5}$$ $$Fluxo de aproximadamente 3,44m³/h$$

Portanto o sistema hidrônico deve ser capaz de circular aproximadamente:

3,4 m³/h

sob a resistência real do sistema.

Se a tubagem e a bomba conseguem fornecer apenas 2,0 m³/h, o problema não pode ser simplesmente resolvido dizendo:

“A bomba de calor tem 20 kW, por isso deve ser suficiente.”

O calor pode ser gerado na fonte, mas não pode ser transportado de forma eficaz para o chão.

3. A vazão e a cabeça da bomba são diferentes

Esta é uma distinção importante.

Ao selecionar uma bomba de circulação, os engenheiros precisam considerar ambos:

Taxa de fluxo

Quanta água deve circular pelo sistema.

Geralmente expresso como:

• m³/h

• L/min

• L/s

Cabeça da bomba

Quanta resistência hidráulica a bomba deve superar nessa vazão.

Geralmente expresso como:

• metros de coluna de água

• kPa

Uma bomba pode, teoricamente, fornecer fluxo suficiente sob baixa resistência, mas não consegue atingir o fluxo necessário uma vez conectada ao sistema real.

Portanto, selecionar uma bomba apenas de acordo com a vazão nominal não é suficiente.

Precisamos encontrar o ponto operacional necessário em:

Curva da Bomba × Curva de Resistência do Sistema

4. O diâmetro do tubo é uma das primeiras coisas a verificar

Um problema muito comum é que o tubo de distribuição principal é muito pequeno.

O instalador pode conectar vários coletores a um tubo principal sem calcular:

• fluxo total do projeto;

• velocidade da água;

• perda de pressão;

• demanda operacional simultânea;

• comprimento equivalente do tubo.

À medida que o fluxo aumenta através de um pequeno tubo, a velocidade da água aumenta.

Ao mesmo tempo, a queda de pressão aumenta rapidamente.

Isso pode resultar em:

Alta resistência → Fluxo reduzido → Transferência de calor insuficiente → Zonas UFH frias

Isto é particularmente importante em casas grandes e edifícios de vários andares.

5. Não selecione o tamanho do tubo principal apenas por experiência

Um instalador pode dizer:

“Normalmente usamos este tamanho de tubo para aquecimento de piso.”

Essa não é uma base de engenharia suficiente.

O dimensionamento do tubo principal deve ser baseado nas necessidades hidráulicas reais.

Um cálculo profissional deve considerar:

Capacidade de aquecimento necessária

↓

Projeto ΔT

↓

Fluxo de água necessário

↓

Diâmetro do tubo

↓

Velocidade da Água

↓

Perda por fricção no tubo

↓

Conexões e Válvulas

↓

Queda de pressão total

↓

Seleção de bomba

Ignorar esses cálculos é uma das razões pelas quais alguns sistemas funcionam bem em projetos pequenos, mas falham quando o mesmo método de instalação é copiado para edifícios maiores.

6. O comprimento do tubo é apenas parte da resistência

Um erro comum é calcular apenas o comprimento do tubo reto.

A resistência real do sistema também vem de:

• cotovelos;

• camisetas;

• válvulas;

• filtros;

• válvulas de retenção;

• variedades;

• trocadores de calor;

• tanques tampão;

• válvulas de controle;

• redutores;

• outros acessórios.

Esses componentes criamperdas de pressão locais.

Portanto:

$$Queda de pressão total = atrito do tubo + perdas locais$$

Os engenheiros muitas vezes convertem acessórios emcomprimento equivalente do tubopara cálculos simplificados.

Por exemplo, um cotovelo acentuado de 90° cria consideravelmente mais resistência do que uma mudança suave de direção.

É por isso que um bom projeto hidrônico deve evitar acessórios desnecessários e mudanças bruscas de direção.

7. Por que muitos cotovelos de 90° podem se tornar um problema

Em instalações reais, a tubulação raramente segue um caminho perfeitamente reto.

Mas cada cotovelo desnecessário acrescenta resistência.

Quando possível, o layout da tubulação deve usar:

• roteamento mais suave;

• curvas de raio longo;

• acessórios apropriados de 45°;

• menos mudanças de direção desnecessárias.

Isto se torna cada vez mais importante quando:

• o tubo principal é relativamente pequeno;

• o pipeline é longo;

• o fluxo necessário é alto;

• vários andares são fornecidos a partir de uma sala de fábrica.

Normalmente, um cotovelo por si só não destruirá um sistema adequadamente projetado.

O problema éperda de pressão acumulada em todo o circuito hidráulico.

8. A instalação do tubo PPR pode criar restrições ocultas

Mesmo quando o diâmetro do tubo projetado parece correto no papel, a qualidade da instalação pode alterar o desempenho hidráulico real.

Isto é particularmente relevante paraTubulação PPR.

Durante a instalação por fusão a quente, a inserção excessiva ou o mau acabamento podem reduzir parcialmente a passagem do fluxo interno em uma junta.

Externamente, o tubo pode parecer completamente normal.

Internamente, entretanto, o diâmetro efetivo pode tornar-se muito menor.

Isso cria uma restrição oculta.

Os sintomas podem incluir:

• baixo fluxo do sistema;

• grande oferta/retorno ΔT;

• fluxo fraco em variedades distantes;

• mau desempenho do HNF;

• bomba operando em alta velocidade sem melhora.

Esta é uma das razões pelas quais as medições de comissionamento são essenciais.

Um desenho correto não garante uma instalação correta.

9. Grande oferta/retorno ΔT pode ser um sinal de alerta

Suponhamos que a bomba de calor produz água quente normalmente.

Você mede:

Água de abastecimento: 42°C

Água de retorno: 32°C

Então:

$$DeltaT=10°C$$

Se o sistema foi projetado para aproximadamente 5°C, esse ΔT maior que o esperado pode indicar fluxo de água insuficiente.

A relação é direta:

Para uma dada taxa de transferência de calor,

Fluxo inferior → ΔT maior

e:

Fluxo Maior → ΔT Menor

Isso não significa que todo ΔT grande seja automaticamente um problema na bomba.

Isso significa que ΔT deve ser investigado em conjunto com:

• fluxo real;

• demanda terminal;

• potência da bomba de calor;

• posições das válvulas;

• ponto de operação da bomba.

10. Longas distâncias de distribuição aumentam o problema

Outra situação comum ocorre em grandes vilas ou edifícios comerciais.

A bomba de calor e o depósito acumulador podem ser instalados longe dos terminais de aquecimento.

Tubos mais longos significam:

• maior perda por atrito;

• mais acessórios;

• mais perda de calor;

• maior exigência de cabeçote da bomba.

Se os tubos também forem subdimensionados, o efeito torna-se muito pior.

O isolamento dos tubos também deve ser considerado.

Um tubo de aquecimento longo não isolado ou mal isolado pode perder uma quantidade significativa de calor útil antes que a água chegue ao coletor de piso radiante.

Portanto, para sistemas hidrônicos de longa distância, os engenheiros devem avaliar:

Perda Hidráulica + Perda Térmica

11. Edifícios de vários andares precisam de atenção especial

Considere uma villa de três andares.

Um arranjo comum é:

Bomba de calor → Tanque tampão → Tubo de distribuição principal → Coletores de piso

Se se espera que uma bomba de circulação central sirva todos os pisos simultaneamente, o equilíbrio hidráulico pode tornar-se difícil.

O circuito mais próximo pode receber muito fluxo enquanto os circuitos distantes recebem muito pouco.

Os sintomas incluem:

• primeiro andar quente;

• andares superiores frios;

• algumas variedades recebendo fluxo forte;

• outros recebendo fluxo fraco;

• quartos aquecendo de forma desigual.

A simples instalação de uma bomba maior nem sempre é a melhor solução.

12. Bomba maior não significa automaticamente melhor aquecimento

Este é outro mal-entendido comum.

Quando o piso não aquece adequadamente, alguns instaladores substituem imediatamente a bomba de circulação por uma maior.

Às vezes isso ajuda.

Às vezes isso cria novos problemas.

Uma bomba superdimensionada pode causar:

• velocidade excessiva da água;

• ruído hidráulico;

• consumo desnecessário de eletricidade;

• ruído da válvula;

• autoridade de controle deficiente;

• desequilíbrio hidráulico.

O objetivo correto não é:

“Instale a maior bomba possível.”

Isso é:

Selecione uma bomba que forneça a vazão de projeto necessária com a resistência calculada do sistema.

13. Bomba de Circulação vs Bomba de Reforço

Esses dois conceitos não devem ser confundidos.

Bomba de Circulação

Seu principal objetivo é fazer circular a água em um circuito hidrônico fechado.

Bomba de reforço

Seu objetivo principal é aumentar a pressão disponível quando a pressão existente for insuficiente para a condição de distribuição necessária.

Nos sistemas de bomba de calor, a seleção e localização da bomba devem seguir a arquitetura hidráulica real.

Adicionar uma bomba sem compreender o sistema pode criar interação de pressão em vez de resolver o problema.

14. A localização da bomba é importante

A posição de instalação da bomba pode afetar significativamente o comportamento do sistema.

Por exemplo, se um tanque tampão proporciona separação hidráulica, o lado da bomba de calor e o lado do terminal devem ser analisados ​​como circuitos hidráulicos separados.

Um arranjo típico pode ser:

Circuito Primário

Bomba de calor → Tanque tampão → Bomba de calor

e:

Circuito Secundário

Tanque tampão → Bomba de circulação → UFH / Fan Coils → Tanque tampão

Isto é fundamentalmente diferente de simplesmente colocar múltiplas bombas aleatoriamente em série.

Cada bomba deve ter uma responsabilidade hidráulica claramente definida.

15. Por que um tanque tampão pode ajudar

Um tanque tampão corretamente projetado pode fornecer diversas funções:

• separação hidráulica;

• volume adicional de água do sistema;

• operação mais estável da bomba de calor;

• ciclismo curto reduzido;

• integração mais fácil de múltiplos circuitos terminais;

• maior flexibilidade de zoneamento.

Em umuma fonte de calor, dois terminaissistema, a bomba de calor pode fornecer ambos:

Aquecimento radiante + ventiloconvectores

Esses dois tipos de terminais podem ter muito diferentes:

• requisitos de fluxo;

• requisitos de temperatura da água;

• lógica de controle;

• horários de funcionamento.

A separação hidráulica pode, portanto, tornar o sistema mais fácil de controlar.

No entanto:

Um tanque tampão não compensa o dimensionamento incorreto da tubulação ou uma bomba de circulação selecionada incorretamente.

Cada circuito ainda precisa de um fluxo de projeto adequado.

16. Sistemas primário-secundário podem ser melhores para grandes projetos

Para vilas maiores ou projetos multizonais, uma arquitetura hidrônica primária-secundária pode ser mais prática.

Por exemplo:

Lado Primário

Bomba de calor → Tanque tampão

Lado Secundário

Tanque tampão → Bomba da Zona 1 → Térreo UFH
Tanque tampão → Bomba da zona 2 → UFH do primeiro andar
Tanque tampão → Bomba da zona 3 → UFH do segundo andar
Tanque tampão → Circuito separado → Fan Coils

Esta arquitetura permite que diferentes zonas operem de acordo com a demanda.

Se apenas um andar necessitar de aquecimento, não há necessidade de forçar o fluxo total do projeto através de cada circuito terminal.

Isso pode melhorar:

• estabilidade hidráulica;

• zoneamento;

• conforto;

• controlar;

• eficiência de bombeamento.

17. Por que o bombeamento do lado de retorno é frequentemente usado em circuitos UFH secundários

Em alguns arranjos de piso radiante secundário, a bomba de circulação é instalada no lado de retorno do circuito terminal.

A localização exata da bomba deve sempre seguir o projeto hidráulico, o ponto de conexão do vaso de expansão, as relações de pressão e os requisitos do fabricante.

O princípio importante não é simplesmente “lado da oferta” versus “lado do retorno”.

Isso é:

A bomba deve ser posicionada de modo que o circuito pretendido receba pressão diferencial estável e vazão projetada sem interferir em outros circuitos.

Isto é particularmente importante quando múltiplas bombas compartilham um tanque tampão ou coletor comum.

18. O balanceamento hidráulico é essencial

Mesmo com tamanhos de tubos e bombas corretos, um sistema desequilibrado ainda pode apresentar problemas de vazão.

A água segue naturalmente o caminho de menor resistência.

Portanto, circuitos mais curtos podem receber muito fluxo enquanto circuitos mais longos recebem muito pouco.

O balanceamento hidráulico pode envolver:

• medidores de vazão múltiplos;

• válvulas de balanceamento;

• controle de pressão diferencial;

• bombas de velocidade variável;

• válvulas de zona;

• ajustes de comissionamento.

O objetivo não é fazer com que todos os circuitos recebam o mesmo fluxo.

O objetivo é fazer com que cada circuito receba seufluxo de projeto.

19. Uma sequência prática de solução de problemas

Quando um sistema de piso radiante não atinge a temperatura, não aumente imediatamente o ponto de regulação da bomba de calor.

Um diagnóstico sistemático é muito mais eficaz.

Passo 1 — Confirme a saída da bomba de calor

Verificar:

• deixando a temperatura da água;

• temperatura da água de retorno;

• frequência/capacidade de operação;

• alarmes;

• necessidade real de aquecimento.

Passo 2 — Medir ΔT

Compare o ΔT real de fornecimento/retorno com a condição de projeto.

Um ΔT excepcionalmente alto pode indicar fluxo baixo.

Passo 3 — Verifique o fluxo real

Usar:

• dados de fluxo da bomba de calor;

• medidor de vazão externo;

• medidores de vazão múltiplos;

• instrumentos de comissionamento.

Não confie apenas em tocar nos canos.

Passo 4 — Verifique o diâmetro do tubo

Verifique se o tubo de distribuição principal pode transportar o fluxo total necessário.

Passo 5 — Calcular a Queda de Pressão

Incluir:

• tubos retos;

• cotovelos;

• válvulas;

• filtros;

• variedades;

• trocadores de calor;

• acessórios.

Passo 6 — Inspecione a qualidade da instalação

Procurar:

• válvulas parcialmente fechadas;

• filtros bloqueados;

• restrições de fusão PPR;

• tubos torcidos;

• conexões incorretas;

• fechaduras de ar.

Passo 7 — Verifique a seleção da bomba

Compare o ponto operacional necessário com a curva real da bomba.

Passo 8 — Verifique a posição da bomba

Confirme se a bomba está atendendo ao circuito hidráulico pretendido.

Passo 9 — Equilibre o Sistema

Ajuste cada circuito ao fluxo de projeto necessário.

Passo 10 — Verifique novamente o desempenho da sala

Somente depois que o sistema hidráulico estiver funcionando corretamente o desempenho do aquecimento terminal deverá ser avaliado.

20. Tabela de diagnóstico rápido

21. Um importante princípio de engenharia: fluxo antes da temperatura

Quando uma sala está fria, aumentar a temperatura da água de saída da bomba de calor é muitas vezes a primeira reação.

Mas se o verdadeiro problema for o fluxo insuficiente, esta abordagem não aborda a causa raiz.

Uma sequência de solução de problemas melhor é:

Demanda de calor

↓

Saída de calor necessária

↓

Fluxo de água necessário

↓

Diâmetro do tubo

↓

Queda de pressão do sistema

↓

Ponto de operação da bomba

↓

Balanceamento Hidráulico

↓

Saída de calor terminal

Somente após a verificação desses parâmetros devemos considerar o aumento da temperatura da água.

22. Por que o fluxo correto também melhora a eficiência da bomba de calor

O projeto hidráulico afeta mais do que o conforto.

Também afeta o desempenho da bomba de calor.

Fluxo insuficiente pode contribuir para:

• temperatura instável da água de saída;

• ΔT excessivo;

• transferência de calor reduzida;

• ciclismo frequente;

• proteção contra alta pressão sob algumas condições;

• recuperação deficiente do degelo;

• eficiência sazonal reduzida.

Uma bomba de calor ar-água nunca deve, portanto, ser considerada uma máquina isolada.

Faz parte de um sistema hidrônico completo.

Uma bomba de calor de alta eficiência ligada a um sistema de água mal concebido não pode fornecer um sistema de aquecimento de alta eficiência.

Conclusão final de engenharia

Por umuma fonte de calor, dois terminaissistema que combina piso radiante e ventiloconvectores, o fluxo de água insuficiente é um dos problemas mais importantes a diagnosticar.

A causa raiz pode ser:

Tubo Subdimensionado

→Queda de pressão excessiva

→Cabeça da bomba insuficiente

→Mau balanceamento hidráulico

→Fluxo terminal insuficiente

→Transferência de calor insuficiente

→A sala não consegue atingir a temperatura definida

A solução não é simplesmente uma bomba de calor maior ou uma bomba de circulação maior.

A abordagem correta é tratar todo o sistema como uma rede hidráulica e calcular:

Capacidade + ΔT + Fluxo + Tamanho do tubo + Queda de pressão + Cabeça da bomba + Balanceamento

Quando todos estes parâmetros funcionam em conjunto, o calor produzido pela bomba de calor pode realmente chegar às divisões onde é necessário.

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

Este artigo éParte 5da nossa série de engenharia:

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
Parte 5 – Fluxo de Água do Sistema Insuficiente

Artigos mais práticos continuarão a examinar bombas de calor ar-água, piso radiante, fan coils e design de sistemas hidrônicos a partir de uma perspectiva real de engenharia.

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