Recirculação de água quente: o tempo de troca do anel decide a vazão

A pergunta que quase todo projeto de recirculação responde é "qual vazão repõe a perda de calor do anel". Ela está certa e é insuficiente. Existe uma segunda exigência, independente da primeira, que diz quanto tempo a água pode levar para dar uma volta completa. Nos anéis grandes, essa segunda exigência é a que manda, e é também a que raramente é verificada.

O que o anel faz

Uma rede de água quente sem retorno entrega água fria toda vez que alguém abre a torneira depois de um período parado. O usuário descarta pelo ralo o volume inteiro do trecho entre o aquecedor e o ponto, esperando a água quente chegar. Em um apartamento de cobertura ligado a uma central no térreo, esse volume pode passar de dez litros por acionamento.

O anel resolve isso mantendo a água em movimento permanente entre o aquecedor e o ponto mais distante. A bomba de recirculação não aquece nada. Ela apenas compensa o calor que a tubulação perde para o ambiente, para que a temperatura no ponto mais distante não caia abaixo de um valor aceitável.

Critério 1: repor a perda térmica

Primeiro é preciso saber quanto o anel perde. Cada trecho de tubo se comporta como três resistências térmicas em série, no formato clássico de Incropera & DeWitt: condução na parede do tubo, condução no isolamento e convecção na face externa.

Os números mostram por que o isolamento domina esse cálculo. Para um tubo de cobre de 28 mm em ambiente interno:

A resistência da parede de cobre é desprezível perto das outras duas. O que muda o U é a espessura de isolamento e o coeficiente de convecção externa, maior ao ar livre por causa do vento.

Somando a perda de todos os trechos, a vazão mássica mínima sai de um balanço direto:

Essa é a conta que praticamente todo escritório faz. Ela garante que a água não chegue fria na ponta.

Critério 2: renovar toda a água do anel

O segundo critério não olha para a temperatura, e sim para o tempo. O volume de água contido no anel precisa ser trocado inteiro dentro de uma janela máxima.

A razão é sanitária. A estagnação de água morna em rede predial é o cenário clássico de formação de biofilme e de multiplicação de Legionella. O guia de controle do HSE britânico, uma das referências mais usadas no assunto, aponta a faixa de 20 °C a 45 °C como a de multiplicação da bactéria, e recomenda armazenar a água quente a 60 °C ou mais e distribuí-la a 50 °C ou mais justamente para manter a rede fora dessa janela. O anel que circula devagar demais mantém o reservatório a 60 °C e, ainda assim, tem trechos que passam horas em regime de quase estagnação.

Uma observação sobre a referência normativa, porque ela muda com frequência de mão em mão: a NBR 7198, de instalações prediais de água quente, foi cancelada em 29 de junho de 2020, no mesmo dia em que a ABNT publicou a NBR 5626:2020, que passou a tratar os sistemas prediais de água fria e de água quente num documento só. Projeto novo cita a 5626. Os valores usados neste texto para a janela de renovação de 60 minutos e para a faixa de velocidade do retorno são prática de projeto consolidada no setor, não transcrição de cláusula de norma: confira o texto vigente antes de levá-los para um memorial.

Quando os dois critérios discordam

Um anel de hotel: 150 m de tronco em cobre de 54 mm e 150 m de retorno em cobre de 35 mm, ambos com lã de vidro de 50 mm, em ambiente interno a 24 °C. Água sai a 60 °C e pode chegar a 50 °C no ponto mais distante.

A diferença é de 2,6 vezes. Dimensionado só pelo critério térmico, esse anel entrega água na temperatura certa e deixa cada litro circulando por duas horas e meia antes de voltar ao aquecedor. A rede cumpre o requisito de conforto e falha no requisito sanitário, sem nenhum sintoma visível para o usuário.

Adotando os 432 L/h, o ΔT efetivo ao longo do anel cai de 10 °C para 3,8 °C, e a água retorna ao aquecedor a 56,2 °C em vez de 50 °C. Circular mais rápido significa perder menos temperatura por volta, não perder mais energia: a perda térmica total do anel continua sendo os mesmos 1.871 W, porque ela depende do isolamento e do ΔT com o ambiente, e não da velocidade da água.

A vazão de projeto é sempre o maior entre os dois critérios. Em residências e em anéis curtos, o critério térmico costuma vencer. Em edifícios, hotéis e hospitais, com tronco longo e bitola grande, o volume contido cresce com o quadrado do diâmetro e o critério volumétrico assume.

Velocidade: o limite dos dois lados

Escolhida a vazão, o diâmetro do retorno precisa cair numa faixa de velocidade aceitável. O teto protege contra ruído e erosão. O piso, em torno de 0,3 m/s, existe para evitar deposição de sedimento em um tubo que passa a maior parte do tempo com escoamento baixo.

No exemplo acima, os 432 L/h em um retorno de cobre de 15 mm dão 0,90 m/s, dentro da faixa confortável. Aumentar a exigência de renovação para 30 minutos dobra a vazão para 863 L/h e empurra o retorno para 22 mm. O tempo de troca que se escolhe no início, portanto, define a bitola do retorno, a bomba e a conta de energia da instalação inteira.

O isolamento mexe nos dois critérios ao mesmo tempo

Um anel residencial de 60 m de cobre de 28 mm na ida e 60 m de cobre de 22 mm na volta, em ambiente interno a 22 °C, saindo a 60 °C e chegando a 55 °C:

Deixar de isolar triplica a perda, triplica a vazão necessária e triplica o trabalho da bomba, de forma permanente, 24 horas por dia. É a única decisão do projeto que piora o custo de operação e o custo de equipamento ao mesmo tempo, e normalmente é tomada na obra, sem passar pelo projeto.

Quatro detalhes que mudam o resultado

• O retorno é um trecho, não um acessório. Ele tem comprimento, isolamento e ambiente próprios, perde calor como qualquer outro trecho e conta no volume do anel. Tratá-lo apenas como uma bitola sugerida subestima a perda e o volume de uma vez só.
• Trechos expostos pesam muito mais. O mesmo tubo nu passa de 0,704 para 1,319 W/m·K ao sair do shaft para a cobertura, quase o dobro, antes mesmo de contar o efeito da radiação e do vento sobre o ΔT.
• A perda de carga do anel não é a do circuito primário solar. São duas redes físicas diferentes, com catálogos de tubo diferentes e regimes de escoamento diferentes. Aplicar o método de uma na outra gera uma bomba de porte errado.
• Vazão não é consumo. A água do anel volta ao aquecedor. O que a recirculação consome é a energia da perda térmica mais a energia elétrica da bomba, e é por isso que o isolamento é o item que mais influencia a conta.

O que verificar no projeto

Antes de fechar a bomba, confira se os dois critérios foram calculados separadamente e se o maior deles foi o adotado. Confira se o volume do anel incluiu o trecho de retorno. Confira se os trechos expostos ao tempo foram identificados como tais. E confira a temperatura de retorno resultante: se ela ficar muito próxima da mínima aceitável, o anel não tem folga nenhuma para um dia mais frio.

Esse mesmo raciocínio de "dois critérios independentes, o maior manda" aparece em outros pontos do projeto hidráulico. Em piscina, a evaporação decide a potência do aquecedor enquanto o volume decide o tempo de aquecimento inicial. No circuito fechado de um sistema solar, o vaso de expansão precisa atender à dilatação e à faixa de pressão de trabalho ao mesmo tempo. E o hábito de conferir uma conta com um segundo método é o que separa um projeto revisado de uma planilha que nunca foi auditada.

O modelo de cálculo que o Dimensol usa foi desenvolvido por Luciano Torres Pereira (CREA-MG), um dos responsáveis pelo desenvolvimento da NBR 15569, a norma brasileira de aquecimento solar.