Como dimensionar o boiler (volume de água quente)

O boiler (reservatório térmico) guarda água aquecida para os momentos de maior consumo, alimentado por aquecedor a gás, elétrico, bomba de calor ou placas solares. Dimensionar é definir quanto de água quente a edificação consome por dia e que volume armazenar, dado que a água fica guardada mais quente do que é usada.

O que as normas pedem

• NBR 5626:2020: o projeto do sistema de geração e armazenamento de água quente tem de especificar o tipo de aquecimento, o volume, as temperaturas máxima e mínima de operação, a fonte de calor e a potência (item 6.13.1.1). No dimensionamento com acumulação entram a frequência de utilização, o volume de armazenamento e a potência ou capacidade de recuperação da fonte de calor (6.13.1.2). O reservatório térmico precisa de limitador automático de temperatura e válvula de segurança à temperatura (6.13.3.2), de válvula de alívio ou segurança à pressão (6.13.3.5) e de isolamento térmico (6.12). A norma não fixa a temperatura de armazenamento; ela limita a água dentro dos ambientes sanitários a 70 °C (6.10.3) e exige limitador em 45 °C onde a água de uso corporal puder passar disso (6.10.4.3).
• NBR 15569:2021 (sistema de aquecimento solar): no Anexo B, informativo, traz o método de estimar o volume de consumo de água quente pelos pontos de utilização (Equação 1, B.3.1, com as vazões sugeridas na Tabela C.1) e de converter para o volume de armazenamento pela diferença de temperaturas (Equação 2, B.3.2). Ela recomenda que o volume armazenado seja de pelo menos 75 % do consumo diário, consumo a 42 °C em ducha e lavabo e armazenamento não inferior à temperatura de consumo. É o método usado aqui; o raciocínio do balanço de energia vale também para boiler a gás ou elétrico.
• Na prática a temperatura de armazenamento fica entre 50 e 60 °C (o exemplo da própria norma usa 50 °C); a de consumo (banho) em torno de 40 °C (39 a 40 °C nos pontos da Tabela C.1; 42 °C recomendados para o cálculo em B.3.2).

Passo 1: volume de água quente por dia

Dois caminhos, conforme o dado que você tem.

Pela ocupação (consumo per capita de água quente):

$$V_c = n \times c$$

Fonte: Creder (1991). A NBR 15569 não traz consumo por pessoa ou por tipo de edificação; o caminho dela é o dos pontos de utilização, abaixo.

Pelos pontos de utilização (o que cada peça consome vezes quanto tempo e quantas vezes é usada por dia; Equação 1 da NBR 15569, B.3.1):

$$V_c = \sum_{i} q_i \times t_i \times n_i$$

com $q_i$ a vazão da peça (L/min), $t_i$ o tempo médio de cada uso (min) e $n_i$ o número de usos por dia. Os valores que o UnMEP Aqua adota e as faixas sugeridas na Tabela C.1 da norma (uso racional de água; ela recomenda confirmar as vazões com o fabricante da peça):

A Tabela C.1 também dá a temperatura de consumo em cada ponto: 39 a 40 °C, exceto a lava-louças (39 a 50 °C). O lavabo e a pia que o Aqua adota ficam acima da faixa da norma; se quiser seguir a Tabela C.1, informe a vazão da peça.

Passo 2: volume de armazenamento

A água é guardada a $T_{arm}$ e usada a $T_c$, misturada com água fria a $T_a$. Por balanço de energia, o volume a armazenar é menor que o consumido (Equação 2 da NBR 15569, B.3.2):

$$V_{arm} = V_c\,\frac{T_c - T_a}{T_{arm} - T_a}$$

• $T_c$: temperatura de consumo; a norma recomenda 42 °C para ducha e lavabo (B.3.2), e 40 °C é o usual de banho;
• $T_{arm}$: temperatura de armazenamento; a norma só pede que não seja inferior a $T_c$ (B.3.2) e usa 50 °C no exemplo; na prática, 50 a 60 °C;
• $T_a$: temperatura ambiente média anual do local (B.3.2; a nota de B.3.3 sugere o Atlas Brasileiro de Energia Solar do INPE ou os dados históricos do Inmet). Para o pior caso, use a água fria do inverno.

A norma recomenda que $V_{arm}$ seja de pelo menos 75 % de $V_c$ (B.3.2): quando a fórmula dá menos que isso, adote 0,75 $V_c$. O boiler comercial é o de volume igual ou logo acima.

Exemplo resolvido

Apartamento de 4 pessoas, banho a 40 °C, boiler a 60 °C, água fria a 20 °C.

Pela ocupação

Volume de água quente por dia:

$$\boldsymbol{V_c = n \times c}$$$$V_c = 4 \times 60 = 240 \text{ L/dia}$$

Volume de armazenamento (Equação 2 da NBR 15569):

$$\boldsymbol{V_{arm} = V_c\,\frac{T_c - T_a}{T_{arm} - T_a}}$$$$V_{arm} = 240 \times \frac{40 - 20}{60 - 20} = 120 \text{ L}$$

Mínimo recomendado pela norma:

$$\boldsymbol{V_{arm,min} = 0{,}75\,V_c}$$$$V_{arm,min} = 0{,}75 \times 240 = 180 \text{ L}$$

Pela fórmula bastariam 120 L (boiler de 150 L), mas a norma recomenda no mínimo 75 % do consumo: 180 L. Boiler comercial de 200 L.

Pelos pontos de utilização

4 banhos de 10 min a 7,2 L/min, mais 3 min de pia a 15 L/min (Equação 1 da NBR 15569):

$$\boldsymbol{V_c = \sum_{i} q_i \times t_i \times n_i}$$$$V_c = 4 \times 10 \times 7{,}2 + 3 \times 15 = 288 + 45 = 333 \text{ L/dia}$$

Mesmas fórmulas do volume de armazenamento e do mínimo de 75 %:

$$V_{arm} = 333 \times \frac{20}{40} = 167 \text{ L}$$$$V_{arm,min} = 0{,}75 \times 333 = 250 \text{ L}$$

Boiler de 250 L (ou 300 L, conforme a linha do fabricante). O método por pontos dá mais, porque conta banhos de 10 minutos; os dois são aceitáveis, e a escolha depende do perfil dos moradores. Com os 42 °C de consumo que a norma recomenda, os volumes da fórmula sobem para 132 L e 183 L, e os mínimos de 75 % continuam mandando.

Para comparar, o exemplo da própria norma (B.3.6) tem 4 moradores com ducha de 6,6 L/min por 10 min, lavabo e cozinha a 3,0 L/min por 3 min duas vezes por dia: 408 L/dia, que a 42 °C de consumo, 50 °C de armazenamento e 21 °C de ambiente dão 295,5 L, boiler de 300 L.

Como o UnMEP Aqua calcula

Na tela Sistemas de Aquecimento › Boiler:

1. Demanda diária da edificação: escolha o tipo na lista (os 10 da tabela acima) e informe a quantidade; ou Demanda diária por pontos de utilização: marque as peças (as 7 da tabela) e o tempo ou os ciclos por dia. O método ativo é o das Configurações Gerais › Opções do Boiler.
2. Cálculo da Demanda de Energia: informe T consumo, T armazenamento e T ambiente; o Aqua aplica a fórmula do volume de armazenamento e mostra V armazenamento. V arm. adotada aceita o volume comercial que você escolher.
3. Cálculo da Pressão do Boiler: Novo Item, selecione o boiler no modelo e Calcular. O Aqua calcula a pressão de água fria que chega ao boiler como em qualquer peça; essa pressão pode ser somada à pressão inicial da água quente nas verificações (ou desconsiderada, em Opções do Boiler).

O volume adotado é o que o cálculo de placas solares usa como ponto de partida (Como dimensionar o aquecimento solar).

Passo a passo no plugin: Como dimensionar o boiler?.

Perguntas frequentes

Armazenar a 50 ou a 60 °C? A 60 °C o boiler é menor e inibe a legionela; a 50 °C perde menos calor e gasta menos energia. A NBR 15569 só pede armazenamento não inferior à temperatura de consumo (B.3.2) e usa 50 °C no exemplo. Com solar, 50 °C é o usual; com gás ou elétrico, 60 °C.

O boiler precisa ter o volume de um dia inteiro? O método acima guarda o consumo diário aquecido, que é o conservador, e a NBR 15569 recomenda não descer de 75 % do consumo diário (B.3.2). Com aquecedor de recuperação rápida (gás), pode-se guardar menos e reaquecer ao longo do dia.

Água fria a que temperatura? Para o volume, a NBR 15569 usa a temperatura ambiente média anual do local, tirada do INPE ou do Inmet (B.3.2 e nota de B.3.3). Para a potência do aquecedor que repõe o calor, a do inverno.

Fontes

• ABNT NBR 5626:2020, Sistemas prediais de água fria e água quente: projeto, execução, operação e manutenção (6.10, 6.12, 6.13).
• ABNT NBR 15569:2021, Sistema de aquecimento solar de água em circuito direto: requisitos de projeto e instalação (Anexo B informativo, itens B.3.1 e B.3.2; Anexo C, Tabela C.1).
• Creder, H. Instalações Hidráulicas e Sanitárias. LTC, 1991 (consumo de água quente por ocupação).