Calcolo del riscaldamento ad acqua: formule, regole, esempi di esecuzione

L'uso dell'acqua come fluido termovettore in un sistema di riscaldamento è una delle opzioni più popolari per riscaldare la propria casa durante la stagione fredda. Basta progettare correttamente e poi installare il sistema. Altrimenti, il riscaldamento sarà inefficace con un elevato consumo di carburante, il che, come concorderà, è estremamente poco interessante con i prezzi odierni delle fonti energetiche.

Non è possibile effettuare da soli il calcolo del riscaldamento ad acqua (di seguito – SRA) senza l'uso di programmi specializzati, poiché nei calcoli vengono utilizzate espressioni complesse i cui valori non possono essere determinati con una normale calcolatrice. In questo articolo analizzeremo in dettaglio l'algoritmo di esecuzione dei calcoli, presenteremo le formule utilizzate, esaminando lo svolgimento dei calcoli su un esempio concreto.

Completeremo il materiale presentato con tabelle di valori e dati di riferimento necessari per i calcoli, foto tematiche e un video in cui viene mostrato un esempio di calcolo tramite il programma.

Calcolo del bilancio termico della struttura abitativa

Per l'installazione di un impianto di riscaldamento in cui l'acqua funge da fluido circolante, è necessario effettuare preventivamente precisi calcoli idraulici.

Nella progettazione e nell'implementazione di qualsiasi sistema di riscaldamento, è necessario conoscere il bilancio termico (di seguito – BT). Conoscendo la potenza termica necessaria per mantenere la temperatura ambiente, è possibile scegliere correttamente l'attrezzatura e distribuirne adeguatamente il carico.

In inverno, l'ambiente presenta determinate perdite di calore (di seguito – PDC). La maggior parte dell'energia fuoriesce attraverso gli elementi di chiusura e le aperture di ventilazione. Spese minori sono dovute ad infiltrazioni, riscaldamento di oggetti, ecc.

Le perdite termiche dipendono dagli strati che compongono le strutture di chiusura (di seguito – SC). I moderni materiali da costruzione, in particolare gli isolanti, possiedono un basso coefficiente di conducibilità termica (di seguito – CCT), grazie al quale attraverso di essi si disperde meno calore. Per case della stessa superficie, ma con diversa composizione delle SC, le perdite termiche saranno differenti.

Oltre alla determinazione delle PT, è importante calcolare il bilancio termico (BT) dell'abitazione. L'indice considera non solo la quantità di energia che lascia l'ambiente, ma anche la quantità di potenza necessaria per mantenere determinati livelli di temperatura in casa.

I risultati più accurati sono forniti da programmi specializzati sviluppati per i costruttori. Grazie ad essi è possibile considerare un maggior numero di fattori che influenzano le PT.

La maggior quantità di calore lascia l'ambiente attraverso pareti, pavimento, tetto, la minore attraverso porte e finestre.

Con elevata precisione è possibile calcolare le PT dell'abitazione utilizzando formule.

I costi termici totali della casa si calcolano con l'equazione:

Q = Q_ok + Q_v,

Dove Q_ok – quantità di calore che lascia l'ambiente attraverso le SC; Q_v – costi termici della ventilazione.

Le perdite attraverso la ventilazione vengono considerate nel caso in cui l'aria che entra nell'ambiente abbia una temperatura più bassa.

Nei calcoli solitamente si considerano le SC che confinano con l'esterno. Queste sono pareti esterne, pavimento, tetto, porte e finestre.

Le PT totali Q_ok sono uguali alla somma delle PT di ciascuna SC, cioè:

Q_ok = ∑Q_st + ∑Q_okn + ∑Q_dv +∑Q_ptl + ∑Q_pl,

Dove:

• Q_st – valore delle PT delle pareti;
• Q_okn – PT delle finestre;
• Q_dv – PT delle porte;
  
• Q_ptl – perdita termica del soffitto;
  
• Q_pl – perdita termica del pavimento.

Se il pavimento o il soffitto ha una struttura non uniforme su tutta la superficie, la perdita termica viene calcolata separatamente per ogni sezione.

Calcolo delle perdite di calore attraverso le strutture di chiusura

Per i calcoli sono necessari i seguenti dati:

• struttura delle pareti, materiali utilizzati, loro spessore, KT;
• temperatura esterna nella pentade invernale più fredda della città;
• area della struttura di chiusura;
• orientamento della struttura di chiusura;
• temperatura consigliata nell'abitazione durante il periodo invernale.

Per calcolare la perdita termica è necessario trovare la resistenza termica totale R_ok. Per farlo, occorre conoscere la resistenza termica R₁, R₂, R₃, …, R_n di ogni strato della struttura di chiusura.

Il coefficiente R_n si calcola con la formula:

Rn = B/k,

Nella formula: B – spessore dello strato della struttura di chiusura in mm, k – KT di ogni strato.

La R totale può essere determinata dall'espressione:

R = ∑R_n

I produttori di porte e finestre solitamente indicano il coefficiente R nel passaporto del prodotto, quindi non è necessario calcolarlo separatamente.

La resistenza termica delle finestre non deve essere calcolata, poiché nel passaporto tecnico sono già presenti le informazioni necessarie, il che semplifica il calcolo della perdita termica

La formula generale per il calcolo della perdita termica attraverso le strutture di chiusura è la seguente:

Q_ok = ∑S × (t_vnt – t_nar) × R × l,

Nell'espressione:

• S – area della struttura di chiusura, m²;
• t_vnt – temperatura desiderata nell'ambiente;
• t_nar – temperatura esterna dell'aria;
• R – coefficiente di resistenza, calcolato separatamente o ricavato dal passaporto del prodotto;
• l – coefficiente di correzione che tiene conto dell'orientamento delle pareti rispetto ai punti cardinali.

Il calcolo del bilancio termico consente di selezionare l'attrezzatura con la potenza necessaria, eliminando la probabilità di formazione di una carenza o di un eccesso di calore. La carenza di energia termica viene compensata aumentando il flusso d'aria attraverso la ventilazione, l'eccesso viene compensato installando ulteriori apparecchi di riscaldamento.

Perdite termiche per ventilazione

La formula generale per il calcolo della perdita termica della ventilazione è la seguente:

Q_v = 0.28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt – t_nar),

Nell'espressione le variabili hanno il seguente significato:

• L_n – portata dell'aria in ingresso;
• p_vnt – densità dell'aria a una determinata temperatura nell'ambiente;
• c – capacità termica dell'aria;
• t_vnt – temperatura in casa;
• t_nar – temperatura esterna dell'aria.

Se nell'edificio è installata una ventilazione, il parametro L_n si ricava dalle caratteristiche tecniche dell'apparecchio. Se invece non è presente ventilazione, si adotta il valore standard del ricambio d'aria specifico, pari a 3 m³ all'ora.

Di conseguenza, L_n si calcola con la formula:

L_n = 3 × S_pl,

Nell'espressione S_pl – superficie del pavimento.

Il 2% di tutte le perdite di calore è dovuto all'infiltrazione, il 18% – alla ventilazione. Se il locale è dotato di un sistema di ventilazione, nei calcoli si considerano le perdite di calore attraverso la ventilazione, mentre l'infiltrazione non viene presa in considerazione.

Successivamente, è necessario calcolare la densità dell'aria p_vnt alla temperatura t_vnt impostata nel locale.

Si può fare con la formula:

p_vnt = 353/(273+t_vnt),

Capacità termica specifica c = 1,0005.

Se la ventilazione o l'infiltrazione sono non organizzate, e nelle pareti sono presenti fessure o buchi, il calcolo delle perdite di calore attraverso i fori dovrebbe essere affidato a programmi speciali.

In un nostro altro articolo abbiamo fornito un dettagliato esempio di calcolo termotecnico di un edificio con esempi concreti e formule.

Esempio di calcolo del bilancio termico

Consideriamo una casa alta 2,5 m, larga 6 m e lunga 8 m, situata nella città di Ocha nell'oblast' di Sakhalin, dove nel periodo di cinque giorni più freddo il termometro scende a -29 gradi.

In seguito alla misurazione è stata determinata la temperatura del terreno – +5. La temperatura consigliata all'interno della costruzione è di +21 gradi.

È più comodo disegnare lo schema della casa su carta, indicando non solo la lunghezza, la larghezza e l'altezza dell'edificio, ma anche l'orientamento rispetto ai punti cardinali, nonché la posizione e le dimensioni di finestre e porte.

Le pareti della casa in esame sono costituite da:

• muratura in mattoni di spessore B=0,51 m, conducibilità termica k=0,64;
• lana minerale B=0,05 m, k=0,05;
• rivestimento B=0,09 m, k=0,26.

Per determinare k, è meglio utilizzare le tabelle fornite sul sito web del produttore o trovare le informazioni nella scheda tecnica del prodotto.

Conoscendo la conducibilità termica, è possibile selezionare i materiali più efficaci dal punto di vista dell'isolamento termico. Sulla base della tabella sopra riportata, è più opportuno utilizzare in edilizia pannelli di lana minerale e polistirene espanso.

Il rivestimento del pavimento è costituito dai seguenti strati:

• pannelli OSB B=0,1 m, k=0,13;
• lana minerale B=0,05 m, k=0,047;
• massetto cementizio B=0,05 m, k=0,58;
• polistirene espanso B=0,06 m, k=0,043.

Nella casa non c'è un seminterrato e il pavimento ha la stessa struttura su tutta l'area.

Il soffitto è costituito da strati:

• lastre di cartongesso B=0,025 m, k=0,21;
• isolante B=0,05 m, k=0,14;
• copertura del tetto B=0,05 m, k=0,043.

Nella casa ci sono in totale 6 finestre a doppia camera con vetro I e argon. Dal certificato tecnico dei prodotti risulta che R=0.7. Le finestre hanno dimensioni 1.1 x 1.4 m.

Le porte hanno dimensioni 1 x 2.2 m, valore R=0.36.

Passo #1 – calcolo delle perdite di calore della parete

Le pareti su tutta la superficie sono composte da tre strati. Per prima cosa si calcola la loro resistenza termica totale.

A tal fine si utilizza la formula:

R = ∑R_n,

e l'espressione:

R_n = B/k

Considerando i dati iniziali, si ottiene:

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

Conosciuto R, si può procedere al calcolo delle dispersioni termiche delle pareti nord, sud, est e ovest.

I coefficienti addizionali tengono conto delle peculiarità della disposizione delle pareti rispetto ai punti cardinali. Di solito nella parte settentrionale durante il freddo si forma una “rosa dei venti”, di conseguenza le dispersioni termiche da questo lato saranno superiori rispetto agli altri.

Si calcola l'area della parete nord:

S_sev.sten = 8 × 2.5 = 20

Quindi, sostituendo nella formula Q_ok = ∑S × (t_vnt – t_nar) × R × l e considerando che l=1.1, si ottiene:

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

Area della parete sud S_yuch.st = S_sev.st = 20.

Nella parete non sono presenti finestre o porte incorporate, pertanto, considerando il coefficiente l=1, si ottengono le seguenti dispersioni termiche:

Q_yuch.st = 20 × (21 +29) × 1 × 2.14 = 2140

Per la parete ovest e est il coefficiente l=1.05. Pertanto si può trovare l'area totale di queste pareti, cioè:

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

Nelle pareti sono incorporate 6 finestre e una porta. Si calcola l'area totale delle finestre e la S delle porte:

S_okn = 1.1 × 1.4 × 6 = 9.24

S_dv = 1 × 2.2 = 2.2

Si determina l'area S delle pareti escludendo l'area S delle finestre e delle porte:

S_vost+zap = 30 – 9.24 – 2.2 = 18.56

Si calcolano le dispersioni termiche totali della parete est e ovest:

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

Ottenuti i risultati, si calcola la quantità di calore dispersa attraverso le pareti:

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

In totale, le dispersioni termiche complessive delle pareti ammontano a 6 kW.

Passo #2 – calcolo delle perdite di calore di finestre e porte

Le finestre sono situate sulle pareti est e ovest, quindi nei calcoli il coefficiente l=1.05. È noto che la struttura di tutti gli elementi è la stessa e R=0.7.

Utilizzando i valori di area sopra riportati, si ottiene:

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

Sapendo che per le porte R=0.36 e S=2.2, si determinano le loro dispersioni termiche:

Q_dv = 2.2 × (21 +29) × 1.05 × 0.36 = 42

In definitiva, attraverso le finestre si disperdono 340 W di calore, e attraverso le porte – 42 W.

Passo #3 – determinazione delle perdite di calore di pavimento e soffitto

È evidente che l'area del soffitto e del pavimento sarà la stessa, e si calcola come segue:

S_pol = S_ptl = 6 × 8 = 48

Si calcola la resistenza termica totale del pavimento tenendo conto della sua struttura.

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

Sapendo che la temperatura del terreno t_nar=+5 e considerando il coefficiente l=1, calcoliamo Q del pavimento:

Q_pol = 48 × (21 – 5) × 1 × 3.4 = 2611

Arrotondando, otteniamo che la perdita di calore del pavimento è di circa 3 kW.

Nei calcoli TP è necessario considerare gli strati che influenzano l'isolamento termico, ad esempio cemento, assi, muratura, isolanti, ecc.

Determiniamo la resistenza termica del soffitto R_ptl e il suo Q:

• 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

Da ciò segue che attraverso il soffitto e il pavimento si perdono quasi 6 kW.

Passo #4 – calcolo delle perdite di calore per ventilazione

Nel locale la ventilazione è organizzata, si calcola con la formula:

Q_v = 0.28 × L_n × p_vnt × c × (t_vnt – t_nar)

In base alle caratteristiche tecniche, lo scambio termico specifico è di 3 metri cubi all'ora, ovvero:

L_n = 3 × 48 = 144.

Per calcolare la densità, utilizziamo la formula:

p_vnt = 353/(273+t_vnt).

La temperatura di progetto nel locale è di +21 gradi.

La TP di ventilazione non viene calcolata se il sistema è dotato di un dispositivo di riscaldamento dell'aria

Sostituendo i valori noti, otteniamo:

p_vnt = 353/(273+21) = 1.2

Sostituiamo i numeri ottenuti nella formula precedente:

Q_v = 0.28 × 144 × 1.2 × 1.005 × (21  – 29) = 2431

Tenendo conto della TP per la ventilazione, il Q totale dell'edificio sarà:

Q = 7000 + 6000 + 3000 = 16000.

Convertendo in kW, otteniamo una perdita di calore totale di 16 kW.

Particolarità del calcolo del SRA

Dopo aver trovato l'indicatore TP, si passa al calcolo idraulico (di seguito - HR).

Sulla sua base si ottengono informazioni sui seguenti indicatori:

• diametro ottimale dei tubi, che con le differenze di pressione sarà in grado di far passare una determinata quantità di fluido termovettore;
• portata del fluido termovettore in una determinata sezione;
• velocità del movimento dell'acqua;
• valore della resistenza specifica.

Prima di iniziare i calcoli, per semplificare le operazioni, si rappresenta uno schema spaziale del sistema, in cui tutti i suoi elementi sono disposti parallelamente tra loro.

Nello schema è rappresentato un sistema di riscaldamento con distribuzione dall'alto, il movimento del fluido termovettore è a fondo cieco

Consideriamo le fasi principali dei calcoli per il riscaldamento ad acqua.

Calcolo idraulico del circuito di circolazione principale

La metodologia di calcolo idraulico si basa sul presupposto che in tutte le colonne montanti e nei rami le differenze di temperatura siano uguali.

L'algoritmo di calcolo è il seguente:

1. Sullo schema rappresentato, tenendo conto delle perdite di calore, si riportano i carichi termici agenti sugli apparecchi di riscaldamento e sulle colonne montanti.
2. In base allo schema, si sceglie l'anello di circolazione principale (di seguito – ACP). La particolarità di questo anello è che in esso la pressione di circolazione per unità di lunghezza assume il valore minimo.
3. L'ACP viene suddiviso in tratti con portata termica costante. Per ogni tratto si indicano il numero, il carico termico, il diametro e la lunghezza.

In un sistema verticale di tipo monotubo, come anello principale di circolazione (APC) si prende l'anello che attraversa il montante più caricato, in caso di flusso a fondo cieco o di flusso parallelo lungo le tubazioni principali. Per maggiori dettagli sull'equilibratura degli anelli di circolazione in un sistema monotubo e sulla scelta dell'anello principale, abbiamo parlato nell'articolo seguente. Abbiamo inoltre dedicato particolare attenzione alla procedura di esecuzione dei calcoli, utilizzando un esempio concreto per chiarezza.

Nei sistemi verticali a due tubi, l'ACP passa attraverso il dispositivo di riscaldamento inferiore che ha il carico massimo con movimento dell'acqua a fondo cieco o parallelo.

In un sistema orizzontale monotubo, l'anello principale di circolazione deve avere la minor pressione di circolazione per unità di lunghezza dell'anello. Per i sistemi con circolazione naturale la situazione è analoga.

Nel calcolo idraulico delle colonne montanti di un sistema verticale monotubo, le colonne montanti a flusso continuo e a flusso regolabile, dotate di gruppi unificati, sono considerate come un unico circuito. Per le colonne montanti con tratti di chiusura, si effettua una suddivisione, tenendo conto della distribuzione dell'acqua nella tubatura di ogni gruppo di apparecchio.

La portata d'acqua nel tratto specificato si calcola con la formula:

G_kont = (3.6 × Q_kont × β₁ × β₂)/((t_r – t₀) × c)

Nell'espressione, i simboli letterali assumono i seguenti valori:

• Q_kont – carico termico del circuito;
• β_1, β₂ – coefficienti tabellari addizionali che tengono conto della cessione di calore nell'ambiente;
• c – capacità termica dell'acqua, pari a 4,187;
• t_r – temperatura dell'acqua nella condotta di mandata;
• t₀ – temperatura dell'acqua nella condotta di ritorno.

Dopo aver determinato il diametro e la quantità d'acqua, è necessario conoscere la velocità del suo movimento e il valore della resistenza specifica R. Tutti i calcoli sono più convenienti da eseguire con l'aiuto di programmi speciali.

Calcolo idraulico del circuito di circolazione secondario

Dopo il calcolo idraulico dell'anello principale, si determina la pressione nell'anello di circolazione minore, che si genera attraverso i suoi montanti più vicini, tenendo conto che le perdite di carico possono differire non più del 15% in uno schema a fondo cieco e non più del 5% in uno schema di flusso parallelo.

Se non è possibile conciliare le perdite di carico, si installa una rondella di strozzamento, il cui diametro viene calcolato utilizzando metodi software.

Calcolo dei radiatori

Torniamo alla pianta della casa presentata sopra. Attraverso i calcoli è emerso che per mantenere il bilancio termico sono necessari 16 kW di energia. Nella casa in esame ci sono 6 ambienti di diversa destinazione: soggiorno, bagno, cucina, camera da letto, corridoio, ingresso.

In base alle dimensioni della struttura, si può calcolare il volume V:

V=6×8×2.5=120 m³

Successivamente, è necessario trovare la quantità di potenza termica per metro cubo. Per fare ciò, Q va diviso per il volume trovato, ovvero:

P=16000/120=133 W per m³

Successivamente, è necessario determinare quanta potenza termica sarà necessaria per una stanza. Nello schema, l'area di ogni ambiente è già stata calcolata.

Determiniamo il volume:

• bagno – 4.19×2.5=10.47;
• soggiorno – 13.83×2.5=34.58;
• cucina – 9.43×2.5=23.58;
• camera da letto – 10.33×2.5=25.83;
• corridoio – 4.10×2.5=10.25;
• ingresso – 5.8×2.5=14.5.

Nei calcoli bisogna anche tenere conto degli ambienti in cui non ci sono radiatori, ad esempio il corridoio.

Il corridoio viene riscaldato in modo passivo: il calore vi entrerà grazie alla circolazione dell'aria calda durante lo spostamento delle persone, attraverso le porte, ecc.

Determiniamo la quantità di calore necessaria per ogni stanza, moltiplicando il volume della stanza per il valore P.

Otteniamo la potenza richiesta:

• per il bagno – 10.47×133=1392 W;
• per il soggiorno – 34.58×133=4599 W;
• per la cucina – 23.58×133=3136 W;
• per la camera da letto – 25.83×133=3435 W;
• per il corridoio – 10.25×133=1363 W;
• per l'ingresso – 14.5×133=1889 W.

Passiamo al calcolo dei radiatori. Utilizzeremo radiatori in alluminio, la cui altezza è di 60 cm, la potenza a temperatura 70 è di 150 W.

Calcoliamo il numero necessario di radiatori:

• bagno – 1392/150=10;
• soggiorno – 4599/150=31;
• cucina – 3136/150=21;
• camera da letto – 3435/150=23;
• ingresso – 1889/150=13.

Totale necessario: 10+31+21+23+13=98 radiatori.

Sul nostro sito web sono presenti anche altri articoli in cui abbiamo esaminato in dettaglio la procedura per eseguire il calcolo termico dell'impianto di riscaldamento, il calcolo passo passo della potenza dei radiatori e dei tubi di riscaldamento. E se il Suo sistema prevede la presenza di pavimenti riscaldati, sarà necessario eseguire calcoli aggiuntivi.

Tutti questi aspetti sono trattati più in dettaglio nei seguenti nostri articoli:

• Calcolo termico dell'impianto di riscaldamento: come eseguire correttamente il calcolo del carico sul sistema
• Calcolo dei radiatori di riscaldamento: come calcolare il numero e la potenza necessari dei termosifoni
• Calcolo del volume del tubo: principi di calcolo e regole per eseguire i calcoli in litri e metri cubi
• Come calcolare il riscaldamento a pavimento: esempio con sistema ad acqua
• Calcolo dei tubi per pavimento riscaldato: tipi di tubi, modalità e passo di posa + calcolo della portata

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video è possibile vedere un esempio di calcolo del riscaldamento ad acqua, effettuato tramite il programma Valtec:

I calcoli idraulici è meglio eseguirli con programmi speciali che garantiscono un'elevata precisione dei calcoli e tengono conto di tutti i dettagli costruttivi..

Lei si specializza nell'esecuzione di calcoli per impianti di riscaldamento che utilizzano acqua come fluido termovettore e desidera integrare il nostro articolo con formule utili, condividere segreti professionali?

Oppure vuole porre l'accento su calcoli aggiuntivi o segnalare un'inesattezza nei nostri calcoli? Scriva, per favore, le Sue osservazioni e raccomandazioni nel blocco sotto l'articolo.