SORIN BURCHIU

Curs Instalaii de nclzire

CURS INSTALATII DE INCALZIRE

CUPRINS

Capitolul 1 CLIMATUL EXTERIOR SI MICROCLIMATUL INTERIOR 1

1.1 Climatul exterior 1

1.1.1 Variaia parametrilor meteorologici exteriori.

1.1.2 Valori de calcul ale parametrilor meteorologici exteriori.

1.2 Microclimatul n interiorul cldirilor 6

1.2.1 Particularitile organismului uman.

1.2.2 Condiii necesare de microclimat.

1.2.3 Moduri de gestionare a microclimatului.

Capitolul 2 CLDIREA 17

2.1 Concepia termica a cldirilor 17

2.1.1 Transferul termic.

2.1.2 Transferul de mas.

2.2 Sarcini i consumuri energetice n perioada rece 53

2.2.1 Determinarea sarcinii termice de calcul pentru nclzire.

2.2.2 Evaluarea consumurilor energetice pentru nclzire.

Capitolul 3 SISTEMELE DE NCLZIRE 63

3.1 Clasificarea sistemelor de nclzire. 64

3.2 Surse finale de nclzire. 73

3.2.1 Aparate de nclzire i moduri de realizare a nclzirii ncperilor.

3.2.2 Echiparea aparatelor de nclzire.

3.2.3 Amplasarea aparatelor de nclzire

3.2.4 Reglarea cldurii emise de aparatele de nclzire.

3.3 Sisteme de nclzire cu ap cald 84

3.3.1 Sisteme de nclzire central cu ap cald cu circulaie natural

- sisteme de cldire cu distribuie superioar bitubular.

i

- sisteme de cldire cu distribuie inferioara bitubular.

3.3.2 Sisteme de nclzire cu ap cald cu circulaie prin pompare. 93

3.3.2.1 Sisteme pentru cldiri condominiale:

- sisteme de cldire, cu distribuie centralizat- colectiv de cldire.

- sisteme de cldire, cu distribuie centralizat- individual de cldire,

cu centrala termica amplasata la partea inferioar.

- sisteme de cldire, cu distribuie centralizat- individual de cldire,

cu centrala termica amplasata la partea superioar.

- sisteme cu centrale termice de apartament.

- sisteme urbane, cu distribuie colectiv de cldire.

- sisteme urbane, cu distribuie individual de apartament.

3.3.3 Reele de distribuie a agentului termic. 119

3.3.3.1- Alctuirea i clasificarea reelelor de distribuie.

3.3.3.2- Relaii generale pentru calculul hidraulic al reelelor de

distribuie.

3.3.3.3- Dimensionarea hidraulic a reelelor de distribuie cu circulaie

natural.

3.3.3.4- Dimensionarea hidraulic a reelelor de distribuie cu circulaie

prin pompare: cazul reelei arborescente orizontale.

3.3.3.5- Dimensionarea hidraulic a reelelor de distribuie cu circulaie

prin pompare: cazul reelei arborescente verticale (coloan).

3.3.3.6- Dimensionarea hidraulic a reelelor cu circulaie prin pompare:

cazul reelei inelare orizontale.

3.3.3.7- Repartizarea presiunilor n instalaiile de nclzire cu ap cald.

3.3.4 Reglarea automat a sistemelor de nclzire cu ap cald. 162

3.3.4.1- Elemente generale.

3.3.4.2- Elemente componente ale unui SRA.

3.3.4.3- Reglarea automat a sistemelor de nclzire cu ap cald.

ii

Capitolul 4 CENTRALE TERMICE CU AP CALD 186

4.1 Centrale termice cu ap cald cu un cazan. 186

4.1.1- caracteristici ale cazanelor de ap cald i exigene pentru

utilizarea acestora n sistemele de nclzire. 182

4.1.2- scheme de principiu pentru centrale termice cu un cazan.

4.1.3- scheme de reglare automat pentru centralele termice cu un cazan.

4.2 Centrale termice cu mai multe cazane. 213

4.2.1- necesitatea cuplrii cazanelor de ap cald n paralel i

exigene pentru racordarea n paralel.

4.2.2- scheme de principiu pentru centrale termice cu mai multe

cazane.

4.2.3- scheme complexe de centrale termice cu mai multe cazane.

4.3 Determinarea randamentului global anual al centralelor termice. 242

Capitolul 5 SISTEME DE ABUR DE JOAS PRESIUNE 247

5.1 Generaliti.

5.2 Instalaii de utilizare.

5.3 Centrale termice de producere a aburului de joasa presiune..

Bibliografie 257

Anexe 260

iii

Capitolul 1

CLIMATUL EXTERIOR I

MICROCLIMATUL INTERIOR

1.1. Climatul exterior Starea atmosferic a unei zone este definit de principalii factorii meteorologici

(temperatura aerului, umiditatea aerului, presiunea atmosferic, vntul, radiaia

solar, precipitaiile, nebulozitatea atmosferic). Factorii climatici sunt puternic

influenai de situaia geografic (latitudine, altitudine, vecintatea unor ntinderi mari

de ap, a unor masive muntoase, etc.). Factorii climatici sunt variabili, influena

acestora asupra cldirilor, deci implicit asupra microclimatului interior este

complex, depinznd de procesele nestaionare de transfer de cldur i de mas prin

cldiri.

Evaluarea climatului exterior este important pentru modul n care se concepe

o cldire, dar i pentru dimensionarea i alegerea sistemelor de realizare i de

meninere a microclimatului interior. Valorile nregistrate de staiile meteorologice

din zonele reprezentative stau la baza ntocmirii fiierelor meteorologice i a valorilor

medii utilizate de arhiteci, de inginerii constructori i cei de instalaii.

Temperatura aerului exterior are variaii zilnice, respectiv anuale, influenate

n principal de cldura primit de la soare. Variaia zilnic (figura 1.1.1) este de

form cvasi cosinusoidal, cu minime atinse n timpul iernii n jurul orei 8 i maxime

n jurul orei 14. In Romnia, luna ianuarie este cea mai friguroas, iar iulie este cea

mai clduroas. Pentru perioada rece, valorile de calcul pentru dimensionarea

sistemelor de nclzire provin din fiiere meteorologice cu valori mediate pe perioade

mari de timp (20-30 de ani). Temperatura exterioar convenional de calcul este

determinat pornind de la evaluarea influenei valorilor ce definesc o iarn

convenional (considernd-se att valorile temperaturii aerului exterior ct i durata

de apariie a acestora), asupra unui element de construcie convenional (cu o anumit

1

capacitate termic). Valorile obinute reinute (mai mari dect temperaturile ce pot

apare n zonele respective) sunt cele care au o durat de apariie suficient de mare

A B

Figura 1.1.1 Variaia zilnic a temperaturilor medii ale aerului exterior (A) i variaia anuala a temperaturii (B) pentru Bucureti (1: media maximelor; 2: maxima absoluta; 3: media minimelor; 4: minima absoluta; 5: temperatura medie lunara (media mediilor zilnice). a: valori zilnice; b: valori lunare).

pentru a influena microclimatul din interiorul cldirilor (restul temperaturilor, mai

sczute, au durate de apariie mici i influena lor este anulat de comportamentul

capacitiv al anvelopei cldirilor). Au fost determinate astfel 4 zone climatice pentru

harta Romniei (figura 1.1.2), respectiv patru temperaturi convenionale de calcul

asociate. Aceste valori se utilizeaz n corelaie cu un coeficient de corecie (m:

coeficient de masivitate termic) aplicat n cazul elementelor de construcie cu

capacitate termic diferit de cea a elementului de construcie convenional (pentru

care s-a determinat temperatura convenional de calcul).

2

Figura 1.1.2 Harta climatic i harta eolian a Romniei (temperaturi exterioare convenionale de calcul: zona I= -12C; zona II= -15C; zona III= -18C; zona IV= -21C. Viteze de calcul ale vntului n localiti / n afara localitilor: zona I= 8/10 m/s; zona II= 5/7 m/s; zona III= 4,5/6 m/s; zona IV= 4/4 m/s).

3

Vntul este produs de micarea relativ a maselor de aer din atmosfer.

Definirea acestui factor meteorologic se face pe baza vitezei (intensitii), direciei i

sensului acestuia. Influena vntului asupra cldirilor se manifest att asupra

debitelor de aer ptrunse n cldiri (ca urmare a cmpului de presiune format n jurul

anvelopei cldirii), ct i asupra rcirii elementelor de construcie prin convecie.

Valorile de calcul pentru Romnia sunt prezentate n figura 1.1.2.

Umiditatea aerului exterior provine din procesele de vaporizare a apei de pe

scoara terestr. Valorile nregistrate de staiile meteorologice sunt prelucrate pentru

definirea valorilor de calcul i valorilor orare ale umiditii relative. Evoluia

umiditii aerului exterior se face n oglind fa de cea a aerului exterior (figura

1.1.3). Pentru perioada de iarn, acest parametru influeneaz n special transferurile

de mas prin anvelopa cldirii.

A B Figura 1.1.3 Variaia zilnic (A) i variaia anual (B) a umiditii relative a aerului exterior pentru Bucureti (1: presiunea vaporilor n iulie; 2: idem n ianuarie; 3: presiunea parial n ianuarie; 4: martie; 5: mai; 6: iulie-septembrie; 7: octombrie; 8: noiembrie; 9: umiditatea relativ; 10: presiunea vaporilor.

Radiaia solar constituie sursa principal a energiei atmosferice. Radiaia

solar n zilele nsorite din sezonul rece contribuie la aporturi importante de cldur

n ncperile cu expunere spre S, SE, SV; de asemenea, faadele mai nsorite sunt

mai calde, deci pierderile de cldur prin aceste elemente de construcie sunt mai

4

mici (datorit temperaturii mai mari i a gradului de umiditate mai redus). Pentru

instalaiile de nclzire, dat fiind variabilitatea valoric a radiaiei solare, n calculele

de dimensionare nu se consider efectul nsoririi dect prin prevederea unor corecii

aplicate necesarului de cldur al ncperilor cu expunere diferita la radiaia solar.

A B C Figura 1.1.4 Caracteristici ale radiaiei solare: A: Valori ale radiaiei solare directe i difuze pentru diferite grade de nebulozitate (T=1: atmosfer curat; T=3...4: atmosfera n orae mari; T=4...6: atmosfera n zone industriale); B: Radiaia solar n luna iulie pentru Bucureti; C: Energia receptat la nivelul atmosferei, la diverse latitudini.

5

1.2 Microclimatul n interiorul cldirilor Microclimatul realizat de sistemele de nclzire, rcire sau climatizare

completeaz i definete rolul de adpost pentru activitile umane al cldirilor fa

de solicitrile mediului exterior. Microclimatul realizat ntr-o cldire devine din ce n

ce mai important n definirea valorii unei cldiri, n corelaie cu consumurile

energetice implicate i cu impactul asupra mediului nconjurtor.

Noiunea mai general de confort resimit ntr-o ambian interioar de ctre o

persoan este o noiune complex care depinde de mai muli factori, dintre care se pot

meniona cei mai importani:

- lipsa senzaiei de cald sau de rece (confort termic),

- compoziia chimic a aerului respirat,

- luminozitatea realizat n incint (confort optic),

- nivelul de zgomot, nivelul de vibraii (confort acustic),

- factori estetici, etc.

Instalaiile de nclzire pot s realizeze doar o parte din condiiile necesare de

confort termic (acionnd direct sau indirect asupra temperaturii aerului interior,

temperaturii suprafeelor delimitatoare i vitezei curenilor de aer generai de

aparatele terminale).

Particularitile organismului uman

Confortul termic poate fi definit prin lipsa senzaiei de cald sau de rece

resimit de o persoan cu anumite caracteristici (vrst, sex, greutate, nlime, stare

de sntate, stare psihologic, cultur), care depune o anumit activitate sau care este

n repaus i care poart o anume mbrcminte; aceast senzaie reflect o stare de

echilibru termic a corpului omenesc (adic egalitatea ntre cldura intern produs n

organism n urma proceselor metabolice i cldura evacuat spre exteriorul corpului,

n scopul meninerii temperaturii corpului la valori optime), fr solicitarea excesiv

a sistemului termoregulator al organismului.

Asigurarea n bune condiii a vieii celulare a corpului omenesc implic

pstrarea constant a temperaturii acestuia, la valorile necesare. Pentru aceasta,

6

organismul uman produce prin arderi (oxidarea alimentelor n sistemul digestiv) un

flux de energie care este utilizat pentru a efectua lucru mecanic, iar diferena (mult

mai mare) este disipat n exteriorul corpului sub form de cldur. Starea de

echilibru termic a corpului uman poate fi scrisa sub forma :

M = Mth + L (W) (1.2.1)

In care: M - fluxul de energie produs de organism (metabolismul) (W),

Mth - fluxul de energie disipat spre exterior sub form de cldur (W),

L - puterea consumat de organism pentru a produce lucru mecanic n

diferite activiti (W).

Fluxul de energie produs de organism n stare de repaos poart numele de

metabolism (n repaos L = 0, iar metabolismul este egal cu cldura disipat).

Valoarea acestor fluxuri depinde n general de intensitatea activitii fizice;

metabolismul bazal este ns o constant fiziologic.

Eliminarea cldurii metabolice a corpului se face prin diferite forme:

cldur sensibil, datorat diferenelor de temperatur ntre corp i ambian

(schimburi de cldur prin radiaie, convecie i conducie) i

cldur latent coninut n vaporii de ap eliminai de organism (prin

respiraie, perspiraie i transpiraie) (figura 1.2.1).

In condiii normale, mai mult de 50% din pierderile de cldur se realizeaz

spre aer (prin convecie i transferuri de cldur latent), pn la 35% pe cale

radiativ i 6% prin alimentele ingerate; pierderile prin conducie (contact) sunt n

general neglijabile (sub 1%).

Procesele prin care corpul uman se adapteaz pentru meninerea temperaturii

sale interne sunt comandate de sistemul termoregulator al organismului

(termoreglare fiziologic). Acesta are posibilitatea de a modifica intensitatea

diferitelor fluxuri, prin mecanisme diverse: intensificarea sau diminuarea

circulaiei sngelui (vasodilataie sau vasoconstricie deschiderea sau nchiderea

unor vase capilare-, care conduce la modificarea debitului de fluid caloportor-

sngele- i a suprafeei de schimb de cldur i deci la modificarea temperaturii

7

pielii), modificarea schimburilor de cldur latent- prin perspiraie i transpiraie,

respectiv producerea de energie -n situaii limit de frig, prin tremurat.

O alt cale de adaptare a corpului uman este cea comportamental

(termoreglare comportamental) realizat prin schimbarea poziiei, a activitii, a

mbrcminii, prin ingerarea de alimente calde sau reci, prin utilizarea

adposturilor (cldirilor) i a sistemelor de microclimat aferente.

Suprasolicitarea sistemului termoregulator conduce la senzaie de cald sau de

frig i deci la inconfort. Depirea limitelor posibile de termoreglare duce

deasemenea la hipo sau hipertermie sau chiar la mbolnvire.

convecie respiratorie

umiditate respiratorie

perspiraie

convecie

transpiraie

radiaie

v r

a

conducie

Figura 1.2.1 Moduri de eliminare a cldurii metabolice (r: temperatura suprafetelor reci; c: temperatura corpului; a: temperatura aerului).

8

Condiii necesare de microclimat

Starea de confort termic este influenat de 6 parametri: doi parametri care

definesc persoana (metabolismul i mbrcmintea purtat) i ali patru care definesc

din punct de vedere termic ambiana (ncperea) respectiv. Aceti factori sunt:

- temperatura aerului interior i;

- temperatura superficial a elementelor interioare ce delimiteaz ncperea

(temperatur exprimat global prin valoarea medie- ponderat cu suprafaa-

denumit temperatur medie de radiaie a ncperii mr);

- gradul de umiditate al aerului interior (exprimat prin umiditatea relativ a

aerului i);

- viteza curenilor de aer din ncpere vi.

Temperatura aerului interior i

Temperatura aerului este un factor de influen important pentru confortul

resimit de organismul uman. Temperatura aerului reprezint de asemenea i factorul

asupra cruia acioneaz cu preponderen instalaiile de nclzire. Valoarea

temperaturii aerului interior acioneaz n principal asupra mrimii schimburilor de

cldur prin convecie ntre corpul omenesc i ambian i de asemenea, indirect,

asupra valorii schimburilor prin cldur latent.

Valoarea necesar a temperaturii aerului interior pentru starea de confort termic

este mai mare pentru o persoana lejer mbrcat i care se afla n repaos, pe cnd

pentru o persoana care efectueaz o activitate care presupune efort fizic mai mare,

avnd un grad de mbrcare mai ridicat, temperatura aerului interior trebuie s fie mai

mic.

Corpul omenesc este sensibil la variaii mici ale valorii i. Neuniformitatea

temperaturii aerului, att n plan orizontal (produs n principal de curenii de aer

convectivi ce se dezvolt pe suprafeele reci, slab izolate termic, sau datorit

infiltraiilor de aer rece din exterior, respectiv de neuniformitatea generat de

aparatele de nclzire), ct i n plan vertical (variaie produs datorit stratificrii

termice a aerului) poate produce senzaii de disconfort (ecartul cap- glezn admis in

ncperile cu cerine deosebite de confort nu trebuie s depeasc 1,5C, iar n plan

9

orizontal abaterile fa de temperatura medie nu trebuie s depeasc -0,5C pn la

+1C) [1].

Variaia temporal, produs n special de funcionarea sistemului de nclzire,

este considerat satisfctoare pentru -0,5C pn la +1C fa de temperaturile

prescrise ale aerului interior n cldirile civile (-1,0C pn la +2C n ncperile de

producie) [1].

Valorile normate pentru i sunt dependente de tipul activitii desfurate [2].

Sunt de asemenea implicate i diferene culturale i comportamentale (pentru acelai

caz, n Frana i Anglia se indic 19C, n Germania 20C, iar n SUA valori mai

mari 21-22C).

Temperatura superficial a elementelor ce delimiteaz ncperea si

ntr-o ncpere sunt n general 3 tipuri de suprafee, funcie de nivelul

temperaturii medii ale acestora:

- suprafee reci (pentru care temperatura medie a suprafeei interioare este mai

sczut dect temperatura aerului interior - de exemplu ferestrele i alte elemente de

construcie n contact cu aerul exterior).

- suprafee calde (cu temperatur mai mare dect temperatura aerului de

exemplu suprafeele aparatelor de nclzire sau suprafeele pereilor care primesc

cldur prin radiaie de la un aparat de nclzire).

- suprafee neutre termic (cu temperatura aproximativ egal cu temperatura

aerului).

Din punct de vedere convectiv, suprafeele calde (respectiv aparatele de

nclzire) genereaz cureni de aer ascendeni, fie ca strat limit cald, fie ca pana

termic, fie ca jet de aer cald. Suprafeele reci genereaz cureni de aer descendeni

(straturi limit reci), care pot ajunge pn pe pardoseal. Diferenele mari de

temperatur ntre aer i suprafeele delimitatoare (respectiv suprafeele de nclzire)

conduc la o stratificare vertical important a aerului.

Din punctul de vedere al schimburilor radiative, suprafeele calde (respectiv

aparatele de nclzire) transfer cldur spre corpul uman i spre celelalte suprafee

mai reci, n timp ce suprafeele reci primesc cldur de la suprafeele aparatelor

10

nclzitoare i de la corpul uman. Corpul uman este caracterizat de temperaturi

superficiale diferite, funcie de zona corpului, gradul de mbrcare i de rezistena

termic a acesteia, precum i de aciunea sistemului termoregulator, temperaturile

fiind n general mai mari dect temperatura suprafeelor reci. Pielea uman este

caracterizata de valori foarte mari ale absorbtivitii, respectiv emisivitii de radiatie

(0,97) i deci transferurile radiative sunt importante. Fluxurile radiative schimbate

de corpul uman cu suprafeele nconjurtoare au valori limit impuse de realizarea

confortului termic. Pentru evitarea fenomenului de radiaie rece, n ncperile cu

cerine deosebite se limiteaz diferena de temperatur ntre aerul interior i

suprafeele delimitatoare opace interioare (i - si) conform valorilor indicate in tabelul 1.2.1. Pentru suprafeele vitrate (la care nu se poate mbunti rezistena

termic dect prin schimbarea tipului de fereastr sau de geam), se aplic o corecie

pentru mrirea temperaturii aerului (a se vedea capitolul 2.2.1) prin care se

compenseaz pierderile radiative prin micorarea pierderilor convective ale corpului.

Si fluxurile radiative receptate de corpul omenesc pot afecta confortul termic:

valori limit admisibile pentru fluxul radiant asupra capului sunt utilizate pentru

verificrile soluiilor alese n cazul nclzirii prin radiaie cu suprafee radiante

amplasate la partea superioara a ncperilor (tabelul 1.2.2). Tabelul 1.2.1 Diferene maxime de temperatur ntre aerul interior i suprafeele

delimitatoare interioare, admise pentru evitarea fenomenului de radiaie rece.

i - si (C) DESTINATIA CLADIRII PERETI TAVANE PARDOSELI

Cldiri de locuit, cmine, internate. Spitale, policlinici. Cree, gradinie. coli, licee.

4 3 2

Alte cldiri social culturale 4,5 3,5 2,5 Cldiri de producie cu regim normal de umiditate. 6 4,5 3

Tabelul 1.2.2 Valori maxime admisibile ale intensitii de radiaie asupra capului.

Temperatura aerului interior (C) 12 15 18 20 Intensitatea admisibil (W/m2) 45 32 19 13

11

Pentru schimburile radiative, cmpul de temperaturi superficiale dintr-o

ncpere este reprezentat simplificat printr-o valoare medie numit temperatur

medie de radiaie mr, calculat ca medie ponderat cu suprafaa a temperaturilor

medii superficiale ale suprafeelor delimitatoare interioare ale ncperii.

Pentru verificarea condiiilor impuse (fie pentru evitarea fenomenului de

radiaie rece, fie pentru valoarea maxim a temperaturii suprafeelor nclzitoare), se

vor lua n calcul temperaturile medii ale suprafeelor respective.

Alturi de valoarea mr , care trebuie s fie situat la valori suficient de mari

(apropiate de valorile temperaturii aerului interior), neuniformitatea spaial a

temperaturilor superficiale poate constitui un factor de disconfort, mai ales atunci

cnd exist o suprafa cu temperatur substanial diferit (mai rece sau mai cald)

dect a celorlalte. Un efect asemntor este realizat i atunci cnd suprafeele reci i

cele calde sunt plasate n opoziie, iar persoanele se gsesc ntre cele dou suprafee.

Valorile prescrise indic pentru ncperile prevzute cu corpuri de nclzire, ocupate

pe perioade mari, n zona perimetral, diferene maxime ale temperaturii radiante

semisferice (sub un unghi solid de 180), de 10C (de o parte i de alta a unui plan

vertical), respectiv de 5C (de o parte i de alta a unui plan orizontal) [1].

Gradul de umiditate al aerului interior (exprimat prin umiditatea relativ a

aerului i) reprezint un factor mai puin sesizat ca atare de organismul uman. Acest

factor influeneaz asupra schimburilor latente de cldur ale organismului.

Variaii ale valorilor umiditii relative ale aerului ntre 30 i 60% sunt practic

nesesizate de corpul uman. In afara acestor limite pot apare ns:

- senzaii de uscciune la nivelul mucoaselor, creterea nivelului electricitii

statice, creterea sensibilitii la fumul de igar, creterea concentraiei de

praf i de bacterii n aer, respectiv

- senzaii de zpueal (mai ales n asociere cu temperatura mai ridicat a

aerului), dezvoltarea microbian accelerat, apariia condensului pe

suprafeele reci.

Viteza curenilor de aer din ncpere vi este sesizat de organism mai ales

atunci cnd curenii de aer sunt reci i ndreptai spre anumite zone ale corpului (de

12

exemplu spre zona capului). Viteza relativ a curenilor de aer n raport cu corpul

uman trebuie sa fie mic dac persoanele sunt n repaos i cu grad de mbrcare redus

(valori ntre 0,15-0,2 m/s). Pentru activitate intens, cu corpul cu grad de mbrcare

mai mare, viteza aerului poate ajunge pn la valori de 0,5 m/s). Lipsa curenilor de

aer (viteze mai mici de 0,08 m/s) poate conduce la senzaia de aer stagnant.

Influena factorilor de confort termic nu poate fi analizat separat: definirea

confortului pentru o persoan implic analiza tuturor factorilor menionai.

Deoarece fluxul convectiv i cel radiant sunt proporionale cu diferena dintre

temperatura mbrcminii i temperatura aerului, respectiv cea medie de radiaie, se

poate defini o temperatur rezultant, ca medie aritmetic dintre temperatura aerului

i temperatura medie de radiaie: rez= (a + r)/2. Astfel, se poate aproxima c pentru

o valoare constant de rez = 20C se obine acelai grad de confort interior, indiferent

de combinaia valorilor a i r (cu anumite limite totui pentru a). Rezult astfel c,

dac din condiii de slab izolare termic a pereilor sau datorit unor suprafee vitrate

mari, r scade la 15C, pentru a obine acelai confort ca n cazul a = r = rez =

20C, temperatura aerului trebuie s creasc la 25C. Acest fenomen este cunoscut

sub numele de efect de perete rece. Invers, dac o ncpere este nclzit prin

radiaie, deci pentru care r este mai ridicat, se poate reduce valoarea temperaturii

aerului interior, obinnd acelai confort interior, dar n condiii superioare din punct

de vedere al metabolismului.

Un efect important asupra confortului termic este pus n eviden dac se

analizeaz combinaia de valori a - a. Astfel, pentru o temperatur a aerului dat, exist o limit a umiditii relative interioare peste care apare senzaia de zpueal.

In tabelul prezentat sunt indicate valorile umiditii relative maxime, corespunztoare

unor temperaturi interioare ale aerului. Tabelul 1.2.3 Valorile maxime ale umiditii relative ale aerului interior.

a (C) 22 23 25 26 27

a,max (%) 70 66 60 56 50 13

Evaluarea confortului termic

Evaluarea confortului termic realizat de o anumit ambian este necesar

pentru mai multe scopuri: caracterizarea predictiv a calitii microclimatului

termic realizat ntr-o anumit ambian, respectiv compararea mai multor ambiane;

caracterizarea condiiilor dintr-o ambian dat, pe baza valorilor msurate.

Mai multe modele de confort au fost elaborate de-a lungul timpului n diferite

ri. Criteriile de evaluare a confortului prevazute n norma ISO EN 7730 1995, i

care se refer la ambianele termice moderate, sunt:

Metoda temperaturii operative : reprezint o metod simplificat de

evaluare care prevede determinarea temperaturii operative a ncperii, cu relaia:

( ) mrao AA += 1 (1.2.2) in care o : temperatura operativ (C)

a : temperatura aerului (C)

mr : temperatura medie de radiatie (C)

A : coeficient funcie de viteza aerului (-)

vaer (m/s)

-date privind ncperea: temperatura aerului , temperatura medie de radiaie,

viteza aerului, presiunea parial a vaporilor de ap din aer, coeficientul de transfer

convectiv corp-aer.

PMV

Senzaia termic

+3 +2 +1

0 -1 -2 -3

foarte cald cald uor cald neutru uor rece rece foarte rece

A B Figura 1.2.2 A. Scala senzaiilor de confort sau de disconfort, dup valoarea PMV;

B. Corelaia ntre indicii PPD si PMV.

In figura 1.2.2-A se arat corespondena dintre optiunea medie previzibil calculat i senzaia de confort.

PPD: procentul estimat de nemulumii (Predicted Percentage of

Dissatisfied) determin, plecnd de la indicele PMV determinat pentru o anumit

ambian, procentul de persoane nemulumite de climatul artificial, adic a acelora

care au avut o opiune (PMV) de 3 sau 2 (persoanele care au avut opiunea 0 sau

1 au fost considerate mulumite).

Criteriile de performan pentru ncperi cu cerine ridicate de confort sunt:

-0,5 PMV +0,5, respectiv PPD10%.

Se remarc din graficul prezentat n figura 1.2.2-A c datorit diferenelor

interpersonale, pentru un PMV=0, rmn nc 5% persoane nemulumite de climat.

15

16

1.2.3 Moduri de gestionare a microclimatului Gestionarea microclimatului interior se realizeaz n scopul realizrii i

meninerii parametrilor necesari n condiiile unui consum energetic ct mai redus.

Aceste tehnici de gestionare se bazeaz n primul rnd pe utilizarea sistemelor de

gestionare automat pentru realizarea i meninerea microclimatului necesar.

Programele de gestiune stabilesc valorile presetate ale temperaturilor necesare

dintr-o ambian, n corelare cu ora zilei, activitatea depus n ncpere, programul de

utilizare a ncperii, etc. In aceste programe se definesc diferite nivele presetate de

temperatur a aerului interior (regim normal, respectiv regim redus- de noapte, de

sfrit de sptmna, de vacanta, etc) i intervalele orare presetate pentru aceste

regimuri termice.

Efectul ineriei termice a cldirii (a elementelor de construcie n contact cu

exteriorul, a elementelor de construcie interioare, a mobilierului), precum i a

sistemului de nclzire aferent (centrala termic, conductele de distribuie, aparatele

de nclzire) peste care se suprapun influena variabil a climatului exterior, a

surselor interioare de cldur i a programelor de gestionare, conduc la evoluii

complexe, dificil de anticipat.

Soluiile utilizate se refer la sisteme de gestionare automat autoadaptative

(care determin dup o anumit perioad de funcionare rspunsul dinamic al

cldirii). Aceste echipamente pot extrapola rezultatele nregistrate pentru a realiza

automat comenzi optimizate, prin care consumurile energetice sa fie minimizate.

Aceste funcii se refer n principal la determinarea orei de repunere n funciune a

sistemului de nclzire (dup o perioad de regim redus), respectiv a orei de

ntrerupere a alimentrii cu cldura (sau de trecere la regimul redus).

Capitolul 2. CLDIREA Cldirile reprezint adposturi create de om pentru protejarea fa de condiiile

climatului exterior. Cldirile reprezint ansambluri complexe, compuse din

elementele care alctuiesc construcia i din sisteme i instalaii pentru asigurarea

diverselor utiliti (microclimat interior, alimentare cu ap, canalizare, iluminat,

electricitate, etc.), create pentru realizarea unor condiii diverse de utilizare, la

adpost de climatul din exterior. Modul de realizare al cldirilor trebuie s

corespund att din punct de vedere structural, ct i din punct de vedere al

funciunilor realizate n interior, lund n considerare condiiile climatice din zona

respectiv, criteriile funcionale, economice, estetice, etc. precum i cele de impact

minim asupra mediului.

2.1. Concepia termic a cldirilor 2.1.1. Transferul termic

Condiionri importante asupra concepiei cldirilor sunt derivate din

necesitatea realizrii microclimatului interior, n condiii de confort termic (sau n

condiiile impuse prin criterii tehnologice), cu consumuri energetice ct mai reduse.

Pornind de la realizarea funciunilor cldirii, concepia termotehnic este la fel

de important ca i cea structural. Este recunoscut faptul c nu n orice tip de cldire

(ncpere) pot fi realizate, ntotdeauna, criteriile dorite de confort; cu att mai mult,

nu orice instalaie de microclim (nclzire, ventilare sau de aer condiionat- IVAC)

este potrivit pentru orice cldire, att din punctul de vedere al microclimatului

realizat, ct i din cel al consumurilor energetice implicate.

Cel mai adesea, n concepia cldirii trebuie s se ia n considerare

performanele posibile (funcionale i energetice) ale sistemelor IVAC, pentru

realizarea unor soluii durabile, eficiente energetic i ambiental i cu impact minor

asupra mediului nconjurtor. Concepia arhitectural a acestora trebuie sa fie strns

legat de legile fizice ale transferului de cldur i de mas din cldire, precum i de

performanele echipamentelor i sistemelor de instalaii existente.

17

Din punct de vedere termoenergetic, concepia i proiectarea cldirilor are ca

obiective satisfacerea urmtoarele exigene de performan pentru perioada de iarn

(conform [3]):

1. realizarea valorilor minime normate pentru rezistenele termice ale elementele

de construcie (din criterii economice i de confort termic).

2. absena pericolului de apariie a condensului pe suprafaa interioar a

elementelor de construcie (cu excepia celor vitrate).

3. absena acumulrii de ap (provenit din condensare) de la an la an n structura

elementelor de construcie i limitarea gradului de umiditate a acestora.

4. realizarea valorilor normate pentru stabilitatea termic a elementelor de

construcie ineriale i pe ansamblul fiecrei ncperi.

5. realizarea valorii normate pentru coeficientul global de izolare termic pe

ansamblul cldirii.

Aceste verificri sunt efectuate de proiectanii de specialitate (arhiteci, ingineri

constructori, ingineri de instalaii). Condiiile enunate se refer numai la perioada de

iarn, cu excepia condiiei 4, care trebuie verificat de asemenea i pentru perioada

de var (pentru dimensionarea instalaiilor de ventilare i climatizare).

Verificarea realizrii valorii minime normate pentru rezistena termic a

elementelor de construcie.

Verificarea const n compararea rezistenei termice globale corectate R0 cu

rezistena termic necesar R0nec, pentru fiecare element de construcie. Condiia de

conformitate este:

R0 R0nec , (m2K/W) (2.1.1)

Rezistena termic global corectat a unui element de construcie R0

Se consider un element de construcie multistrat, considerat infinit, compus

din straturi alctuite din materiale omogene i izotrope, aezate perpendicular pe

direcia fluxului termic, situat ntre dou medii fluide caracterizate de poteniale

termice (temperaturi) diferite, n regim termic stabilizat (fig 2.1.1).

18

Figura 2.1.1 Variaia temperaturii n regim staionar pentru un element de construcie

multistrat

Rezistena la transfer termic a stratului j al elementului de construcie se

determin cu relaia:

jj

jj b

R = , (m2K/W) (2.1.2)

n care:

j - grosimea stratului j (m) j- conductivitatea termic a materialului stratului j, (W/m K) bj factor de calitate al materialului (care ia in considerare modificarea in

timp a caracteristicilor materialului).

Rezistena la transfer termic a elementului de construcie format din n straturi, la trecerea fluxului termic paralele este:

=

=n

j jj

jn b

R1

1

, (m2K/W) (2.1.3)

Rezistena global la transfer termic a elementului de construcie multistrat: reprezint rezistena la transfer termic calculat prin includerea rezistenelor

superficiale la transfer termic la interfaa cu mediile fluide delimitatoare;

pentru elementele de construcie formate din mai multe straturi omogene plane,

n cazul n care direcia fluxului termic este perpendicular pe suprafaa

si

n=se

i

e

1

4

2

3

qie

1 2 3 n4

19

straturilor, rezistena termic global a elementelor de construcie se calculeaz

cu relaia:

Ro=Ri+R1-n+Re, (m2K/W) (2.1.4)

n care: Ri, Re sunt rezistenele superficiale la transfer termic, la interior,

respectiv exterior.

Ri=i

1 , (m2K/W) (2.1.5)

Re=e

1 , (m2K/W) (2.1.6)

i coeficientul de transfer termic superficial la interior (W/ m2 K) e coeficientul de transfer termic superficial la exterior (W/ m2 K)

Coeficienii de transfer termic superficial se calculeaz cu relaia: radcv += , (W/m2K) (2.1.7)

unde: - reprezint coeficientul de transfer termic convectiv , determinat uzual cu ajutorul relaiilor criteriale corespunztoare tipului de convecie, regimului de micare etc.;

cv

- reprezint coeficientul de transfer termic radiativ: rad ( )( )21

42

41

12 TTTT

rad = , (W/m2K) (2.1.8)

in care reprezint coeficientul de emisivitate redus al sistemului; 12 - pentru un sistem corp i nveli:

+

=111

1

22

1

1

12

SS

, (-) (2.1.9)

iar 428

KmW10675 = , reprezint constanta Stefan-Boltzmann.

Rezistena termic medie corectat a unui element de construcie ine cont de comportarea real a unui element de construcie. Aceasta valoare, mai mic

dect valoarea rezistenei teoretice a elementului de construcie, este

influenat de neomogenitatea materialelor componente, de neomogenitatea

realizrii elementului de construcie, de defectele de realizare i de efectele de

margine. Evaluarea valorii reale a acesteia este dificil, ns pentru calculele

20

practice se pot estima coeficieni de degradare a valorii rezistenei termice,

datorat diferitelor influene, care se aplic asupra zonelor (suprafeelor)

respective sau se consider uniform repartizate pentru ntreaga suprafaa a

elementului de construcie.

Rezistenele la transfer termic anterior prezentate se refer la elemente de construcie

fr efecte de margine (infinite), alctuite din materiale omogene. Structura

elementelor de construcie este n realitate diferit, datorit prezenei unor elemente

cu rezisten termic diferit, precum i a unor zone de accentuare a fluxurilor

termice. Aceste zone sunt denumite puni termice.

Puntea termic reprezint o zon dintr-un element de construcie pentru

care rezistena termic este neuniform, iar izotermele nu sunt paralele

cu suprafeele elementelor de construcie. Punile termice sunt

caracterizate n general fie printr-o valoare a rezistenei termice mai

mic dect valoarea din cmp, fie printr-o intensificare a fluxului termic

datorit unor fenomene fizice diverse (efectul de col, efectul de

aripioar, etc.- vezi fig 2.1.2 si fig 2.1.3).

Principalele puni termice de care trebuie s se in seama n calculul

rezistenei termice corectate medii a unui element de construcie sunt:

pentru perei: stlpi, grinzi, centuri, plci de balcoane, logii i bovindouri, buiandrugi, stlpiori, coluri i conturul tmplriei;

pentru planeele de la terase i de la poduri: atice, cornie, streini, couri i ventilaii;

pentru planeele de peste subsol, termoizolate la partea superioar: pereii structurali i nestructurali de la parter i zona de racordare cu soclul;

pentru planeele de peste subsol, termoizolate la partea inferioar: pereii structurali i nestructurali de la subsol, grinzile ( dac nu sunt termoizolate) i

zona de racordare cu soclul;

pentru plcile n contact cu solul: zona de racordare cu soclul, precum i toate zonele cu termoizolaia ntrerupt;

21

pentru planeele care delimiteaz volumul cldirii la partea inferioar, fa de aerul exterior: grinzi (dac nu sunt termoizolate), centuri, precum i zona de

racordare cu pereii adiaceni.

Figura 2.1.2 Clasificarea punilor termice: a-zone cu arii diferite la exterior fa de interior; b-zone cu grosimi sau/i materiale diferite; c...f- zone cu incluziuni pariale (c...e) sau totale (d,f) din materiale cu conductiviti diferite. a...d- puni termice liniare; e,f- puni termice punctuale.

22

Figura 2.1.3 Tipuri caracteristice de coeficieni liniari de transfer termic : a: un singur coeficient; b: coeficieni egali (simetrici); c: coeficieni inegali; d: coeficieni cumulai (2) simetrici); e: coeficieni afereni mai multor puni termice (2) .

23

Prezena acestor puni termice se reflect n micorarea rezistenei termice

medii a elementelor de construcie respective, ceea ce conduce la intensificarea

fluxurilor termice transferate prin elementul de construcie respectiv i de asemenea

la scderea temperaturii superficiale (interioare) i n straturile elementului, n zona

respectiv.

Determinarea valorii rezistenei termice n dreptul punilor termice se

realizeaz cu metode de calcul diferite, adaptate fiecrui caz n parte.

n fazele preliminare de proiectare, influena punilor termice se poate evalua

cu ajutorul unor coeficieni globali de corecie (de micorare) a rezistenelor termice

n cmp curent - pe ansamblul elementului de construcie. Conform [3] valoarea

coeficienilor de corecie a valorii rezistentei termice medii a elementelor de

construcie se situeaz pentru cazurile curente in intervalele:

pentru perei exteriori ccpt=2045% pentru terase i planee sub poduri ccpt=1525% pentru planee peste subsoluri i sub bovindouri ccpt=2535% pentru rosturi ccpt=1020%

Calculul precis al influenei punilor termice asupra transferului termic prin

elementele de construcie se realizeaz n fazele finale ale proiectrii cldirii,

conform unor metode specifice fiecrei categorii de punte termic, pentru verificarea

valorilor coeficienilor preliminar adoptai i pentru stabilirea valorii finale a

rezistenelor termice a elementelor de construcie.

Rezistena termic global corectat a elementului de construcie, care ine cont

de prezena punilor termice, va fi determinat cu relaia:

Ro= Ro (100-ccpt ) / 100 (m2K/W) (2.1.10)

n care:

ccpt coeficient de corecie a rezistenei termice datorat punilor termice (-)

RRo -rezistena global la transfer termic (n cmp) pentru un element de

construcie cvasiomogen, (m2K/W)

24

Fluxul termic n regim staionar

n regim stabilizat de temperaturi, ntre dou medii de temperaturi diferite

(i, e) separate de o structur cu rezisten termic finit Ro, apare (conform

Newton) un flux termic unitar qi-e de la mediul cu potenial termic mai ridicat spre

mediul cu potenial termic mai sczut, exprimat prin relaia :

qi-e= (i-e)/ Ro (W/m2) (2.1.11)

n care:

i - temperatura mediului i (C) e - temperatura mediului e (C)

Figura 2.1.4 Fluxul termic n regim staionar pentru un element de construcie multistrat.

Fluxul termic transferat printr-un element de construcie aflat n regim staionar

poate fi exprimat i n funcie de temperaturile din straturile componente ale

elementului de construcie:

i1= (ti-si) / Ri (W/m2) (2.1.12) 1= (i -1) / R1 (W/m2)

..

n+1= (n-se) / Re (W/m2)n regim termic staionar se poate scrie relaia:

i-e= 1= 2= ..= n+1 (W/m2) (2.1.13)

si

n=se

i

e

1

4 3

2 qie

1 2 3 4 n

i1 1 4 n+12 n

1 n2 3 4

25

Rezistena termic necesar a elementului de construcie

Din punct de vedere termoenergetic, structura unui element de construcie

trebuie s corespund criteriilor prezentate la nceputul capitolului. Aceste condiii se

traduc prin determinarea caracteristicilor necesare privind rezistena termic i

capacitatea termic a elementelor de construcie.

Rezistena termic minim necesar a unui element de construcie se

determin din condiia:

RRonec= MAX ( RonecI, RonecII, RonecIII, , R onecN) (m K/W) (2.1.14) 2

n care:

- RonecI - rezistena termic minim necesar pentru evitarea fenomenului de

condensare a vaporilor de ap din aerul interior pe suprafaa interioar a

elementului de construcie, (m2K/W)

- RonecII - rezistena termic minim necesar pentru evitarea fenomenului de

radiaie rece ntre corpul uman i suprafeele reci delimitatoare, (m2K/W)

- RonecIII rezistena termic necesar rezultat din calculul de optim

economic, (m2K/W)

- RonecN rezistena termic necesar pentru ndeplinirea criteriului N, (m2K/W)

n calculele practice, proiectantul de instalaii verific in special primele trei

condiii:

Condiia de evitare a fenomenului de condensare a vaporilor de ap din aerul

interior presupune ca suprafeele interioare ale elementelor de construcie

delimitatoare s aib temperatura (si) mai mare dect temperatura punctului de rou (), adic: si > (C) (2.1.15)

n practic, condiia se scrie:

si= +(12) (C) (2.1.16) n care:

si temperatura suprafeei interioare a elementului de construcie (C) 26

- temperatura punctului de rou pentru aerul interior (C )

Figura 2.1.5 Moduri de condensare a vaporilor de apa din aer.

Aceast condiie poate fi realizat prin dimensionarea corespunztoare a

rezistenei termice a elementului de construcie. Astfel, din relaiile (2.1.12) i

(2.1.13) rezult:

si = i-iR

R0 (i-e), (C) (2.1.17)

Din (2.1.16) i (2.1.17) rezult rezistena termic minim necesar pentru

evitarea fenomenului de condensare superficial:

RR ]onecI= [ (1...2)i ei siR

+ , (m K/W) (2.1.18)

2

Figura 2.1.5 prezint i cazul n care condensarea vaporilor de ap din aer se produce

n ntreg volumul de aer, datorit rcirii acestuia sub temperatura punctului de rou:

aceast limit este determinant pentru stabilirea temperaturii presetate n ambianele

interioare n perioadele de neocupare.

I (i, i)

si=

I (i, i)

I (i, i)

I1 (, i=100%)

i

i

x

I1(,i=100%) i=100%

i I1 (i, i =100%)

xi xi

27

Corpul uman schimb cldur radiativ cu suprafeele nconjurtoare:

schimbul de cldur cu suprafeele foarte reci poate conduce la fenomene de

disconfort (radiaie rece), atunci cnd valoarea acestui flux depete anumite limite

(figura 2.1.6).

e i si

c-si

Figura 2.1.6 Schimbul termic al corpului cu suprafeele reci delimitatoare.

Condiia de evitare a fenomenului de radiaie rece ntre corpul uman i suprafeele

reci delimitatoare const n limitarea diferenei de temperatur ntre aerul interior i

suprafaa interioar a elementului de construcie [1]. Aceast condiie este normat

prin impunerea unei diferene maxime de temperatur ntre maxi i i si. i- si (C) (2.1.19) maxi

Din relaiile (2.1.17) i (2.1.19) rezult expresia rezistenei termice

minime necesare pentru evitarea fenomenului de radiaie rece:

RonecII = max

i ei

i

R

(m2K/W) (2.1.20)

Din punct de vedere termic, o ncpere reprezint o incint n care

introducem un debit de cldur S (prin intermediul aparatelor de nclzire-

radiatoare, ventiloconvectoare, etc) pentru a compensa pierderile de cldur ctre

mediul exterior P , n scopul meninerii unei temperaturi superioare n mediul

interior fa de mediul exterior (figura 2.1.7). Creterea rezistenei la transfer termic a

anvelopei incintei conduce la diminuarea pierderilor de cldur ctre exterior, i deci

la micorarea debitelor de cldur introduse i n acelai timp la reducerea mrimii

necesare a aparatelor nclzitoare i a sistemului conex (conducte, surs termic, etc).

28

e i

s

p

i>e

ep

Figura 2.1.7 Meninerea unei incinte la o temperatura mai mare dect cea a mediului nconjurtor.

n acelai timp, mrirea rezistenei termice a anvelopei necesit costuri de

investiie mai mari, datorit costurilor implicate de izolaia termic suplimentar.

Pentru fiecare caz (zon geografic, perioad de utilizare a cldirii, etc) se pot

determina valori optime din punct de vedere economic pentru rezistena termic a

elementelor de construcie ce alctuiesc o cldire. Principiul de calcul const n

minimizarea costului specific a elementelor anvelopei, pentru o anumit perioad (de

obicei egal cu perioada de recuperare a investiiei).

Costul specific al unui element de construcie j este calculat cu relaia:

C(R0j) = C1(R0j)+ C2(R0j)+ C3(R0j)N, (unitate monetar/m2) (2.1.21)

C1= costul iniial al elementului j (unitate monetar/m2)

C2= costul iniial al sistemului de nclzire (um/ m2)

C3= costul de exploatare al sistemului de nclzire (um/ m2 an)

N= perioada de recuperare a investiiei (ani)

Costul iniial al elementului j este:

C1= C1 + C1 (um/m2) (2.1.22)

C1 : costul structurii peretelui

C1 : costul straturilor de finisare

Costul iniial al sistemului de nclzire este:

C2= C2 + C2 + C2 (um/m2) (2.1.23)

C2 : costul aparatelor de nclzire

C2 : costul reelei de distribuie

29

C2 : costul sursei termice

Costul de exploatare al sistemului de nclzire este:

C3= C3 + C3 (um /m2 an) (2.1.24)

C3: costul combustibilului

C3: costul energiei electrice consumate

Condiia de optim din punct de vedere economic este dat de relaia:

00=

RC

Aceast valoare necesar a rezistenei termice se determin prin calculul

tehnico-economic asupra cldirii i instalaiilor aferente. Se urmrete obinerea unei

valori a rezistenei termice a elementului de construcie care s conduc la cheltuieli

de investiie i de exploatare minime pentru ntreaga cldire, pe perioada estimat de

utilizare.

n [3] sunt indicate valorile minime ale rezistenelor termice (RonecIII) pentru

diferite tipuri de elemente de construcie.

Condiia de conformitate pentru rezistena termic a elementelor de

construcie se verifica cu relaia (2.1.1). Dac condiia nu este ndeplinit, se impune

creterea rezistenei termice a elementului de construcie:

Pentru cldirile aflate n faza de proiectare, aceasta se realizeaz prin: -adugarea unui strat de izolaie termic (sau prin mrirea stratului de izolaie

existent);

-modificarea materialelor utilizate la alctuirea structurilor (materiale cu mai

sczut).

-msuri de izolare termic suplimentar pentru punile termice.

Pentru cldirile existente ce se supun reabilitrii, creterea rezistenei termice se realizeaz prin:

- montarea unui strat suplimentar de izolaie termic i a elementelor auxiliare

aferente (protecii, finisaje exterioare, etc.) .

- msuri de izolare termic suplimentar pentru punile termice

30

Adugarea unui strat de izolaie termic presupune creterea rezistenei termice

a structurii pn cel puin la valoarea necesar realizrii condiiei impuse prin relaia

(2.1.1):

RRo+ Riz Ronec R (m2K/W) (2.1.25) n care : Riz = rezistena termic a izolaiei.

Riz =iziy

iz

b =Ronec -Ro (m2K/W) (2.1.26)

Pentru valorile iz i biz se utilizeaz valorile indicate de productori. Grosimea necesar a stratului de izolaie termic se determin cu relaia:

iziziz b = (Ronec - RRo) (m) (2.1.27) Grosimea final iz F a izolaiei se obine prin majorarea grosimii necesare la

valorile indicate de productorii de materiale de izolare termic.

Valoarea final (dup alegerea izolaiei termice) a rezistenei elementului de

construcie (RoF) este:

RoF= Ro+ RizF (m2K/W) (2.1.28)

Determinarea cmpului de temperatur n regim staionar

Determinarea cmpului de temperaturi pentru elementul de construcie

considerat se poate face (din aproape n aproape) pornind de la relaiile (2.1.11),

(2.1.12) i (2.1.13):

i si i eF

i oR R = ( )isi i i eF

o

RR

= (C) (2.1.29)

1

1

si i eFoR R

= 11 ( )si iFo

RR

e = (C) (2.1.30)

( )se e i e ese e i eF Fe o o

RR R R

= = + (C) (2.1.31)

31

Stabilitatea termic a elementelor de construcie

Cldirile sunt structuri complexe din punct de vedere al comportamentului

termic. Caracterul capacitiv al elementelor de construcie care compun anvelopa

cldirii, precum i al celor interioare (perei, planee, mobilier, materiale depozitate,

etc.) reacioneaz la solicitrile variabile (exterioare i interioare) ntr-un mod dificil

de evaluat.

Noiunea de capacitate termic se poate referi la:

- comportarea anvelopei cldirii la solicitrile exterioare;

- comportarea ansamblului sistem de nclzire - cldire.

Capacitatea termic a anvelopei intervine n special asupra transferurilor

termice prin pereii capacitivi, n strns corelare cu masa acestora, compoziia

straturilor i poziia acestora (n special poziia izolaiei termice) i cu solicitarea

variabil a mediului exterior.

Comportarea sistemului de nclzire este influenat de capacitatea intern a

elementelor de construcie i de caracteristicile de emisie ale surselor finale.

Concepia cldirilor din acest punct de vedere trebuie sa urmreasc obinerea

microclimatului necesar cu minimum de energie consumat. Astfel, n cazul cldirilor

cu aporturi de cldur mari i variabile (de exemplu cele provenite din nsorire),

elementele de construcie interioare trebuie s aib o capacitate important de stocare

a cldurii, n scopul amortizrii fluctuaiilor de temperatur. De asemenea, n cazul

ncperilor cu utilizare permanent (cldiri de locuit) o capacitate termic important

permite obinerea unui microclimat stabil, chiar n condiiile unor pauze n

alimentarea cu cldur (caracteristic avantajoas atunci cnd sursa primar prepar

ap cald de consum n livrare prioritar).

Totui, capacitatea termic mare poate fi penalizant atunci cnd se urmrete

realizarea de economii de energie prin programe de utilizare reduse (program redus

de noapte, etc), deoarece viteza de rcire, respectiv de nclzire sunt lente.

In cazul nclzirii intermitente (cldiri de birouri, etc.) cu programe cu pauze

mari, se urmrete obinerea unei capaciti termice interioare mici, n scopul

micorrii energiei consumate pentru aducerea n regim termic a ncperii.

32

Oscilaia temperaturii aerului exterior (care poate fi considerat de form

sinusoidal cu perioada de 24 h) conduce la apariia unei oscilaii a temperaturii pe

faa interioar a elementelor de construcie.

n vederea asigurrii stabilitii termice a elementelor de construcie, se impune

condiia ca oscilaia amortizat a temperaturii pe faa interioar a elementelor de

construcie s aib o amplitudine care s nu depeasc 0,3C. Aceast condiie se

verifica prin calcularea coeficientului de amortizare , care reprezint raportul dintre amplitudinea temperaturii aerului exterior i amplitudinea temperaturii suprafeei

interioare:

si

e

AA

,

,

= (2.1.29)

Calculul coeficientului de amortizare se face dup [3], aplicnd relaia

aproximativ:

( ) ( ) ( )

( )

+

+

+=

=

=+

2exp9.0

1

1

111

D

Ss

SSss

n

jjje

ne

n

jjji

(2.1.30)

unde: reprezint coeficienii de transfer termic superficial (W/mei , 2K) ; reprezint coeficienii de asimilare termic a straturilor care alctuiesc elementul de construcie pentru o perioad de oscilaii

js

T :

cT

s 2= (W/m2K); (2.1.31)

cs 324 10528,8 = (W/m2K); - conductivitatea termic, (W/mK); - densitatea, (kg/m3); - cldura specific, (J/kg K); c

reprezint indicele de inerie termic pentru un element de construcie : D (2.1.32)

==

n

jjj sRD

1

33

reprezint coeficienii de asimilare termic ai suprafeelor exterioare straturilor respective:

jS

- pentru straturi subiri ( 1jD ) se calculeaz succesiv cu relaiile :

i

i

RsRS

1

211

1 1++= (2.1.33)

1

12

1

++=

jj

jjjj SR

SsRS , (W/m2K) (2.1.34)

- pentru straturi groase ( ): 1>jD (2.1.35) jj sS = Performanta capacitiv a anvelopei cldirii i a ncperilor n ansamblu sunt

prevzute n normative, n funcie de destinaie.

Figura 2.1.8 Exigenele de stabilitate termic la cldirile de locuit conform [4].

34

Coeficientului global de izolare termic al cldirii

Reducerea consumurilor de energie pentru nclzirea cldirilor de locuit

presupune limitarea pierderilor de cldur n exploatare, acionndu-se nc din

faza de proiectare asupra:

-concepiei cldirii (configuraia cldirii, procentul de vitrare, etc.)

-alctuirii structurii elementelor de construcie perimetrale i a detaliilor

(caracteristicile termotehnice ale materialelor utilizate, tipul tmplriei

exterioare, etc.).

Metoda de calcul pentru determinarea coeficientului global de izolare termic

pentru cldirile de locuit este stabilit prin normativul C107/1-1997, iar pentru

cldirile teriare prin normativul C107/2-1997.

Reglementrile tehnice prezentate n aceste normative au caracter obligatoriu

n faza de proiectare i de verificare a cldirilor noi condiionnd obinerea

autorizaiei de construcie.

Conformarea cldirii din punct de vedere al nivelului de izolare termic global

pentru o cldire de locuit presupune ndeplinirea condiiei:

G GN (W/m3K) (2.1.36)

n care:

G- coeficientul global de izolare termic al unei cldiri, (W/mK)

GN - coeficientul global normat de izolare termic al unei cldiri (W/mK)

Coeficientul global de izolare termic (G) reprezint suma pierderilor de cldur realizate prin transmisie direct prin aria anvelopei cldirii, calculate

pentru o diferen de temperatur ntre interior i exterior de 1K, raportat la

volumul cldirii, la care se adaug pierderile de cldur aferente

remprosptrii aerului interior, precum i cele datorate infiltraiilor

suplimentare de aer rece.

Coeficientul global de izolare termic (G) se calculeaz cu relaia:

35

G= nVL jj 34.0

)( + (W/mK) (2.1.37)

n care:

Lj- coeficient de cuplaj termic: j

Fo

jj R

AL = (W/K)

j - factor de corecie al temperaturilor exterioare (-) V- volumul nclzit al cldirii (m3)

n- viteza de ventilare (numrul de schimburi de aer pe or) (1/h)

A - aria anvelopei cldirii (m2)

j indicele elementului de construcie (perete exterior, fereastr, etc)

Aria anvelopei cldirii se calculeaz ca suma ariilor elementelor de construcie perimetrale (Aj) ale cldirii, prin care au loc pierderi de cldur:

A= (mjA 2) (2.1.38) n calculul ariei anvelopei cldirii se folosesc dimensiunile interioare ale

elementelor de construcie (pe orizontal)- neglijndu-se grosimea pereilor

interiori-, dimensiunile nominale ale golurilor din perei pentru ariile

tmplriei exterioare precum i nlimea de la faa superioar a pardoselii

de la primul nivel nclzit pn la tavanul ultimului nivel nclzit.

RoR F- rezistena termic specific corectat medie, pe ansamblul cldirii, a unui element de construcie (m K/W) 2

- factorul de corecie al temperaturilor exterioare se calculeaz cu relaia: = i

i e

j (-) (2.1.39)

n care:

i - temperatura interioar medie convenional de calcul pe timpul iernii, considerat pentru cldirile de locuit egala cu temperatura

predominant a ncperilor: ti=20 (C), pentru regim permanent de incalzire.

e - temperatura exterioar convenional de calcul (C)

36

j- temperatura mediului exterior anvelopei; j poate fi: -pentru elemente de construcie exterioare: j =e (C)

-pentru elemente de construcie interioare: j =u (C) u- temperatura n spaiile nenclzite din exteriorul anvelopei, determinat pe baza unui calcul de bilan termic.

V- volumul nclzit al cldirii (m3) Volumul interior al cldirii cuprinde ncperile nclzite direct (cu elemente de

nclzire) i cele nclzite indirect la care cldura ptrunde prin pereii adiaceni

(cmri, debarale, holuri, casa scrii, puul liftului, alte spaii comune).

Mansardele i ncperile de la subsol se includ n volumul cldirii dac sunt nclzite

la temperaturi apropiate de temperatura predominant a cldirii.

ncperile cu temperatura interioar mult mai mic dect temperatura predominant a

cldirii (camere de pubele) i verandele, balcoanele, logiile (chiar nchise cu

tmplrie exterioar) nu se includ n volumul cldirii.

0.34- produsul dintre capacitatea caloric masic (ca) i densitatea aparent a aerului (a):

ca= 1000 (Ws /kg K); a=1.23 (kg/ m3) caa= 1230 (Ws/ m3K)=1230:3600=0.34 (Wh/ m3K) n- viteza de ventilare natural a cldirii, respectiv numrul de schimburi de

aer pe or (1/h).

Coeficientul global normat de izolare termic a unei cldiri (GN) se stabilete n funcie de numrul de niveluri ale cldirii (N) i de raportul dintre

aria anvelopei cldirii (A) i volumul cldirii (V).

Recomandri pentru mbuntirea comportrii termotehnice i reducerea

valorii coeficientului global de izolare termic la cldirile de locuit.

Pentru mbuntirea comportrii termotehnice a cldirilor de locuit i pentru

reducerea coeficientului global de izolare termic sunt recomandate (conform [3])

urmtoarele msuri:

37

La alctuirea general a cldirii:

la stabilirea poziiilor i dimensiunilor tmplriei exterioare se va avea n vedere orientarea cardinal i orientarea fa de direcia vnturilor

dominante, innd seama i de existena cldirilor nvecinate (ferestrele

orientate spre sud au un aport solar semnificativ).

reducerea pierderilor de cldur spre spaiile de circulaie comun (se prevd la intrarea n cldiri windfanguri, aparate de nchidere automat a

uilor, termoizolaii la uile de la intrarea n apartamente, etc.).

termoizolarea pereilor interiori la cmrile cu aerisire direct. La alctuirea elementelor de construcie perimetrale:

utilizarea soluiilor cu rezistene termice specifice sporite (utilizarea materialelor termoizolante eficiente: polistiren, vat mineral, etc.)

utilizarea soluiilor mbuntite de tmplrie exterioar (geamuri termoizolante, trei rnduri de geamuri, etc.)

eliminarea total sau reducerea n ct mai mare msur a punilor termice de orice fel (n coluri, la socluri, cornie, atice, balcoane, logii, in jurul

golurilor de ferestre i ui de balcon, etc.)

interzicerea utilizrii tmplriei cu tocuri i cercevele de aluminiu fr ntreruperea punilor termice.

2.1.2. Transferul de mas

2.1.2.1. Transferul de umiditate

Expunerea problemei

Umiditatea excesiv poate aprea n materialele constitutive ale elementelor de

construcie datorit procedeelor umede de fabricaie i/sau de montaj, prin efectul

direct al precipitaiilor, prin procesele capilare de transport ale apei, sau prin

condensarea vaporilor de ap pe suprafaa elementelor de construcie sau n masa

acestora.

Umiditatea acumulat n masa pereilor poate produce degradri importante ale

elementelor de construcie prin :

38

- modificarea rezistenei mecanice a materialelor sub aciunea direct a

umiditii, sau ca urmare a efectului proceselor de nghe-dezghe a apei

acumulate n masa materialelor

- modificarea caracteristicilor termice ale materialelor (reducerea rezistenei

termice)

- apariia i dezvoltarea mucegaiurilor, ciupercilor, etc.

- degradarea straturilor de finisare

Aerul dintr-o cldire (ncpere) provine din aerul exterior, cu acelai coninut

de umiditate, la care se adaug umiditatea degajata de ocupani (prin procesele de

transpiraie si perspiraie) i n cursul diverselor activiti (prepararea hranei, splare,

uscare, combustia liber, etc), care conduce la mrirea umiditii aerului interior.

Iarna, coninutul de umiditate al aerului interior este mai mare dect cel al

aerului exterior.

Aceast diferen de potenial de umiditate (diferen de presiune parial a

vaporilor de ap ntre interior i exterior) genereaz un transfer de vapori de ap prin

masa elementelor de construcie care separ cele dou medii.

n acelai timp, apa coninut n perei (umiditate natural, ap provenit din

condensare, etc) tinde s migreze prin capilaritate spre mediul interior, cci

umiditatea relativ a aerului interior este inferioar celei a aerului exterior. Migraia

apei (n faz lichid i de vapori) prin structura elementelor de construcie este un

fenomen complex, dificil de cuantificat.

Dac capilaritatea materialelor este redus, principalul fenomen de transport de

umiditate prin elementele de construcie este reprezentat de difuzia vaporilor de ap,

produs de diferena de presiune a vaporilor de ap din mediul interior i cel exterior.

Difuzia vaporilor de ap prin elementele de construcie

Considernd problema unidimensional, densitatea fluxului de vapori ce

tranziteaz un element de construcie monostrat, realizat dintr-un material izotrop,

poate fi evaluat prin Legea Fick :

( )dx

xdpg vV = (kg/ m2 s) (2.1.40)

39

gv= densitatea fluxului de vapori (kg / m2 s)

= coeficient de permeabilitate la vapori a materialului (kg /m s Pa)

pv= presiunea parial a vaporilor de ap (Pa).

Pentru o variaie liniar a pv n funcie de x i pentru un material omogen de grosime

:

( veviV ppg = ) (kg/ m2 s) (2.1.41)

pvi = presiunea parial a vaporilor de ap n aerul interior (Pa).

pve = presiunea parial a vaporilor de ap n aerul exterior (Pa).

Fenomenul de difuziune a vaporilor prin elementul de construcie este analog

transferurilor termice ntre dou medii de temperaturi diferite:

0Rttq eiT

= (W/ m2) (2.1.42)

v

evivV R

ppg ,,

= (kg /m2 s) (2.1.43)

n care =Rv , rezistena la transferul vaporilor (Pa s /kg)

Pentru elementele de construcie multistrat, transferul de vapori este descris prin

relaia

=

= ni

v

evivV

R

ppg

1

,, (kg /m2 s) (2.1.44)

n : numrul total de straturi ale elementului de construcie

Presiunea parial a vaporilor de ap din aer este funcie de umiditatea absolut

a aerului x (cantitatea de umiditate corespunztoare unui kg de aer uscat):

622,0+= x

pxpv (Pa) (2.1.45)

p : presiunea barometric a aerului (Pa)

x : umiditatea absolut a aerului (kg/kg de aer uscat)

Presiunea de saturaie a vaporilor de ap este funcie de temperatur i poate fi

evaluat prin formulele lui Cardiergues :

40

7858,25,265

48,9log10 ++=

sp , pentru < 0C (2.1.46)

7858,23,2375,7log10 ++=

sp , pentru 0C (2.1.47)

Pentru o suprafa x (figura 2.1.9), definit prin temperatura x i prin presiunea parial a vaporilor pvx putem scrie:

x

xix R

q0

= (W /m2) (2.1.48)

( eixixxT RRqq ==

0

0 ) (W /m2) (2.1.49)

xv

xvivx R

ppg

,

,, = (kg / m2 s) (2.1.50)

Figura 2.1.9 Fluxul termic i de mas pentru un perete plan

( evivxv

vivxvxV ppR

Rppgg ,,,

,, == )

x

(kg / m2 s) (2.1.51)

i-x

i-e

gi-e

Ecuaiile (2.1.49) i (2.1.50) permit determinarea i trasarea evoluiei temperaturii,

respectiv presiunii pariale a vaporilor de ap pentru elementul de construcie.

Dac valoarea presiunii pariale a vaporilor egaleaz sau depete valoarea

presiunii de saturaie corespunztoare, atunci o anumit cantitate de vapori de ap va

condensa n masa elementului de construcie.

pvi

x

i

pve e

gi-e

41

Analiza condensrii vaporilor de ap din aer n masa elementului de

construcie.

n aceast analiz se va utiliza o metod grafic aproximativ, elaborat de

Glaser. Aceast metod este aplicabil pentru difuzia vaporilor de ap prin

elementele de construcie n regim permanent.

Metoda const n analiza variaiei presiunii pariale a vaporilor de ap pv i a

presiunii de saturaie corespunztoare ps, trasate ntr-un sistem de axe Rv (sau x)- pv.

Reprezentarea unui punct de stare A n diagrama aerului umed este dat prin

schema:

(C)

Figura 2.1.10 Diagrama aerului umed (Mollier).

Metoda const n reprezentarea presiunii pariale a vaporilor de ap (pv) i a

presiunii vaporilor de ap la saturaie (ps) pentru un element de construcie, pe acelai

grafic i la aceeai scar. Dac presiunea parial a vaporilor de ap atinge valorile de

saturaie (deci dac graficele se intersecteaz), o parte din vaporii de ap aflai n

tranziie va condensa n elementul de construcie.

x (g/kg)

A .A

iA

=1

A pv(Pa)

psA

pvA

42

A. Cazul elementelor de construcie monostrat

Putem ntlni mai multe cazuri:

A1 - Cazul n care pv(x) nu intersecteaz ps(x) : n acest caz, difuzia vaporilor se

produce fr apariia condensrii (figura 2.1.11-A).

A2 - Cazul n care pv(x) intersecteaz ps(x) ntr-un punct 1: n acest caz, o parte din

masa vaporilor care traverseaz peretele condenseaz n zona definit de planul x

(figura 2.1.11-B).

Cantitatea de vapori de ap condensai ntr-o perioad Nw este:

NwR

pR

pG

exv

ex

xiv

xiw

=

.,

,

,,

, (kg /m2) (2.1.52)

NwR

ppR

ppG

exv

evxv

xiv

xvivw

=

.,

,,

,,

,, (kg /m2) (2.1.53)

A B

Figura 2.1.11. Analiza grafic a condensrii pentru un perete monostrat: A : cazul n care pv(x) nu intersecteaz ps(x) ; B : cazul n care pv(x) intersecteaz ps(x) intr-un punct.

A3 - Cazul n care pv(x) intersecteaz ps(x) n dou puncte (1 i 2): n acest

caz, zona de condensare este definit teoretic de dou planuri x et y care conin

psi

pvi

pve

pse

psi

pvi

psepve

x

A C

1

B D

x

43

punctele de intersecie 1 i 2 (figura 2.1.12-A). n realitate presiunea vaporilor de ap

nu poate s depeasc presiunea de saturaie a vaporilor, zona real de condensare

fiind delimitat de planurile x i y (punctele 1 i 2) (figura 2.1.12-B). Variaia

presiunii pariale a vaporilor de ap este deci reprezentat de curba C-1-2-D.

Cantitatea de vapori de ap condensat n zona x-y a peretelui, pentru o

perioad Nw este:

NwRp

Rp

Gev

ev

iv

ivw

=

,'2,

,'2,

'1,,

'1,, (kg /m2) (2.1.54)

NwR

ppR

ppG

exv

evxv

xiv

xvivw

=

.,

,',

,,

',, (kg /m2) (2.1.55)

pve

y x

y x

D

B

C

A

2

1

psepve

A

y x

y x

B D

C

2 1

pse

pvi

psi psi

pvi

Figura 2.1.12. Analiza grafic a condensrii pentru un perete multistrat.

Cazul n care pv(x) intersecteaz ps(x) n dou puncte : A :determinarea zonei fictive de condensare ; B : determinarea zonei reale de condensare

B. Perei multistrat

n cazul pereilor multistrat, metoda grafic respect aceleai principii (figura

2.1.13). Zona real de condensare este determinat de tangentele la curba ps(x).

44

psi

pvi

psepve

C

A

B

F

x

x

Figura 2.1.13. Analiza grafic a condensrii pentru perei multistrat. Cazul n care pv(x) intersecteaz ps(x) n dou puncte : Determinarea zonei reale de condensare.

Protecia higrometric a elementelor de construcie este reglementat prin

standardul naional STAS 6472/4-89 (Fizica construciilor. Termotehnic.

Comportarea elementelor de construcie la difuzia vaporilor de ap).

Acest standard prevede:

Verificarea absenei acumulrii progresive n elementele de construcie a

apei provenite din condensare pentru un an (cantitatea de ap eventual

condensat n perioada rece trebuie s fie complet eliminat n perioada

cald, fr acumulare de la un an la altul).

Limitarea umiditii masice a elementelor de construcie dup sezonul rece

(umiditatea masic la care ajunge elementul de construcie la sfritul

sezonului rece nu trebuie s depeasc umiditatea admisibil a materialelor

componente).

Aceste condiii se verific cu ajutorul metodei grafice (Glaser), pentru

condiiile la limit mediate pentru fiecare sezon.

Msuri pentru reducerea efectelor induse de condensarea n masa elementelor

de construcie (pereilor)

A. Reducerea debitului de vapori transferat ctre exterior

1

2

D E

y

45

- reducerea umiditii aerului interior

- prin ventilarea ncperilor cu degajri mari de umiditate (buctrii, camere de

baie etc) prin sisteme automate sau manuale;

- prin utilizarea materialelor de finisare cu capacitate de absorbie a umiditii,

n vederea diminurii variaiilor importante ale umiditii (straturi pe baz de

var).

- reducerea permeabilitii la vapori a pereilor :

- straturi cu permeabilitate redusa la trecerea vaporilor amplasate la partea

interioar a ncperilor (faian emailat, ceramic emailat, vopsea, tapet etc.)

aplicabile in cazul in care producerea de vapori este foarte intens (buctrii,

camere de baie etc).

B. Creterea capacitii de evacuare a vaporilor

- limitarea pericolului de condensare prin creterea temperaturii in structura

elementului de construcie (obinut prin creterea rezistenei termice, prin

amplasarea nspre exterior a izolaiei termice), n corelaie cu valorile permeabilitii

la vapori a materialelor de construcie : ca regul general, o structur multistrat

trebuie s fie realizat cu straturile izolatoare termic plasate ctre exterior i cu

straturile cu permeabilitate sczut la vapori (bariere de vapori) ctre interiorul

ncperilor.

- prin ventilarea structurilor pereilor.

46

2.1.2.2. Transferul aeraulic prin cldiri

Expunerea problemei

Permeabilitatea cldirilor la trecerea aerului este o caracteristic rezultat din

efectul cumulat a mai multor elemente:

- permeabilitatea materialelor din care sunt realizate elementele de construcie

(datorat microcanalelor, fisurilor, porilor, etc).

- permeabilitatea elementelor de construcie (datorat rosturilor de montaj-

la zidrie din blocuri, la mbinarea elementelor prefabricate, la mbinarea ramelor de

ferestre cu peretele, etc; rosturilor de fabricaie- n construcia ferestrelor, uilor,

etc).

- permeabilitatea ncperilor, respectiv cldirii n ansamblu (implicat de

forma, poziia i caracteristicile aeraulice ale elementelor de compartimentare, ale

anvelopei, ale sistemelor i dispozitivelor de aerisire, ventilare, etc) .

Transferul aeraulic ntre incintele interioare, respectiv ntre interior i exterior,

este generat de cmpul de presiuni rezultat din aciunea combinat a trei efecte

motoare: efectul vntului, efectul termic i efectul dispozitivelor de ventilare.

Sub aciunea diferenelor de presiune ce se stabilesc astfel de o parte i de alta

a elementelor de construcie, prin orificiile (mai mici sau mai mari) din acestea, iau

natere debite de aer care tranziteaz elementele de construcie, ncperile, respectiv

cldirea; direcia i mrimea acestor debite depind de intensitatea fenomenelor care le

produc (deci de cmpul de presiune din cldire) i de rezistena la transferul aeraulic

ale elementelor de construcie, ncperilor i a cldirii n ansamblu.

Transferurile aeraulice implic, din punct de vedere al instalaiilor de nclzire,

mai multe aspecte:

- consumul energetic suplimentar, necesar pentru nclzirea debitelor de aer

rece ptrunse n incinta respectiv;

- micorarea rezistenei termice a elementelor de construcie strbtute de

curenii de aer;

- micorarea temperaturii elementelor de construcie (care conduce i la

pericolul de condensare);

47

- n cazul ncperilor cu elemente de construcie exterioare, debitele ptrunse

din exterior aduc n ncpere aer curat, care contribuie la mprosptarea aerului din

interior.

Cmpul de presiune

Cmpul de presiune ce se stabilete ntr-o cldire este rezultanta aciunii

combinate a vntului, diferenelor de greutate a aerului aflat la temperaturi diferite,

precum i a sistemelor de ventilare mecanic.

EFECTUL VNTULUI ASUPRA CLDIRILOR Vntul creeaz asupra cldirilor un cmp de presiuni statice care depinde de :

- direcia i viteza vntului;

- caracteristicile de proximitate ale zonei (dispunerea cldirii fa de celelalte

cldiri, formele de relief, vegetaia, etc);

- caracteristicile aerodinamice ale cldirii (form, dimensiuni, rugozitatea

suprafeelor, etc).

Presiunea dinamic a vntului este exprimat prin relaia:

2

2VpDIN= (Pa) (2.1.56)

in care reprezint densitatea aerului i V viteza acestuia.

Presiunea static exercitat de efectul vntului asupra unei suprafee exterioare i

a cldirii poate fi exprimat prin:

DINii

V pCpp = (Pa) (2.1.57) n care Cpi : coeficient de presiune (aerodinamic) pentru suprafaa i (valori

determinate experimental).

48

Figura 2.1.14. Circulaia aerului n jurul unei cldiri: a: cldire cu lime mare; b: cldire cu lime mic.

EFECTUL TERMIC Dou volume de aer aflate la temperaturi (densiti) diferite, genereaz pe suprafaa

comun de contact un cmp de presiune (diferen de presiune) definit prin:

( ) ( )[ ] gzzzp IET = (Pa) (2.1.58) n care E, I sunt densitile aerului la interior, respectiv la exterior;

z : cota punctului;

g : acceleraia gravitaional;

n cazul n care n incint se afl aer mai cald (I > E) apare o suprapresiune

(-) la partea superioar, n timp ce, mai jos de o anumit cot (cota axei neutre,

unde diferenele de presiune se anuleaz), apare o depresiune (+). Dac ntre cele

dou medii exist orificii de legtur, direcia debitelor care tranziteaz suprafaa

incintei este indicat de valoarea presiunilor.

n caz contrar (I < E), sensul este inversat.

49

E < I E > I

E I

-

+ +

-

+

-

I

-

+ +

-

+

-

E

Figura 2.1.15. Repartiia presiunilor termice pentru o incint.

EFECTUL SISTEMELOR DE VENTILARE MECANIC Energia mecanic introdus prin intermediul ventilatoarelor ce compun

sistemele de ventilare mecanic creeaz un cmp de presiune n interiorul cldirii,

care depinde de sistemul de ventilare utilizat, de valoarea energiei mecanice

introduse, de rezistena aeraulic a elementelor de construcie interioare i exterioare.

Simplificat, orice sistem de ventilare poate fi reprezentat printr-un subsistem de

introducere (SI) a aerului (proaspt sau tratat) i printr-un subsistem de evacuare

(SEv) a aerului (interior sau viciat). De asemenea, permeabilitatea la aer a cldirii

(incintei) poate fi reprezentat printr-un orificiu (O). n funcie de debitele (L)

vehiculate prin subsistemele SI i Sev, respectiv prin O, se stabilete un cmp de

presiune generat de sistemul de ventilare mecanic.

pint > pext LSI

pint < pext

LSEv

LO

pint

pext

LSI LSEv

LO

pint

pext

Figura 2.1.15. Repartiia presiunilor pentru o incint ventilat.

50

Cele trei efecte motoare se suprapun in realitate, genernd un cmp de presiune

rezultant care conduce la diferene de presiune pentru fiecare element de construcie

i pentru fiecare incint.

Debitele de aer

Diferenele de potenial de presiune induc debite de aer prin orificiile existente

n elementele construcie. Simplificat, aceste orificii sunt reprezentate prin dou

modele:

- orificii de mici dimensiuni (fisuri, crpturi, microcanale, fante, pori etc),

caracterizate prin faptul c curgerea aerului prin seciunea de trecere se realizeaz

ntr-un singur sens.

- orificii de dimensiuni mari (ui, ferestre, etc), pentru care curgerea prin

seciune se poate realiza (simultan) n mai multe sensuri.

Debitul de aer printr-un orificiu de dimensiuni mici poate fi evaluat prin relaia:

npSBL = (m3/s) (2.1.59) n care: B: coeficient de debit al orificiului;

S: suprafaa de trecere a orificiului

p: diferena de presiune asupra orificiului (elementului de

constructie care conine orificiul);

n: exponent (funcie de tipul curgerii)

Pentru orificii mari, este necesar determinarea axelor neutre ale curgerii, precum i variaia diferenelor de presiune att n plan orizontal, ct i n

plan vertical.

51

52

Msuri constructive pentru micorarea impactului energetic indus de

transferul aeraulic prin cldiri.

Debitele de cldur pentru nclzirea aerului ce ptrunde din exterior pot avea

valori foarte mari. Adeseori, ele pot depi debitele de cldur pentru compensarea

pierderilor de cldur spre exterior.

Deoarece debitele de aer generate de vnt i de diferena de densitate au valori

i direcii ce pot fi foarte diferite (datorit variabilitii acestor fenomene),

modalitatea curent de rezolvare (de luare n calcul a fenomenului) pentru cerinele

sezonului rece const n micorarea permeabilitii la aer a structurilor i a cldirilor

n general, asociat cu prevederea de sisteme de ventilare controlat pentru asigurarea

debitului necesar de aer proaspt i pentru nlturarea umiditii n exces.

Msurile minime necesare sunt:

- montarea de tmplrie (ferestre, ui) cu grad de etanare ridicat (n special la

elementele exterioare), n corelare cu sisteme mecanice de ventilare (prevzute cu

dispozitive unisens i de nchidere automat);

- elementele perimetrale opace se vor realiza prin soluii constructive

caracterizate printr-o permeabilitate redus la aer .

- montarea straturilor cu permeabilitate aeraulic mic (bariere aeraulice) la

structurile cu porozitate structural mare (perei i planee din lemn, nvelitori din

indril i igl, etc.);

- etanarea cu chituri de calitate corespunztoare a rosturilor dintre panourile

mari prefabricate (rosturile vor fi exclusiv de tip nchis) pentru o deplin siguran

fa de infiltraiile de ap i aer.

- montajul ngrijit la mbinarea elementelor de construcie (mbinare intre

perei, mbinarea intre rama ferestrei si perete, etc); excluderea posibilitilor de

infiltraii (prin etanare corespunztoare) la suprafeele vitrate, luminatoare, tmplrie

fix.

- concepia avantajoas din punct de vedere arhitectural;

- poziionarea avantajoas a cldirii n planul urbanistic, considernd i direcia

vnturilor dominante.

2.2. Sarcini i consumuri energetice n perioada rece Calculul energetic al unui sistem de nclzire poate avea n general urmtoarele

scopuri:

- determinarea puterii termice necesare ce trebuie furnizat de sistemul de

nclzire pentru acoperirea sarcinii maxime de calcul pentru ncperea (cldirea)

nclzit: aceast valoare fundamenteaz dimensionarea (alegerea) sistemului de

nclzire necesar i a echipamentelor componente.

- determinarea (previzional) a consumurilor de energie a unui sistem de

nclzire dintr-o cldire, pentru meninerea microclimatului interior la parametri de

temperatur cerui.

2.2.1. Determinarea sarcinii termice de calcul pentru nclzire

Expunerea problemei

Pentru o cldire n perioada rece, transferurile termice sunt reprezentate schematic

in figura 2.2.1 :

e

v,Gv Gv e

e i,Gi i e + e e f

+ Gi, i e

s

NECESARUL DE CLDUR = SARCINA TERMIC NECESAR

ACOPERIRII PIERDERILOR DE CLDUR + APORTURI DE CLDUR

RECUPERATE

53

= e + S + i + + (W) (2.2.1)

e= pierderi de cldur prin elementele de construcie aflate n contact cu aerul

exterior sau cu alte spaii adiacente (W).

S= pierderi de cldur prin elementele de construcie aflate n contact cu solul (W).

i= pierderi de cldur pentru nclzirea aerului exterior ptruns n ncpere (W).

v= sarcina termic necesar pentru nclzirea aerului exterior ptruns prin instalaia

de ventilare (W).

F= sarcina termic necesar pentru nclzirea aerului exterior ptruns prin infiltraie

datorit neetaneitii ferestrelor i aciunii vntului (W).

p= sarcina termic necesar pentru nclzirea aerului exterior ptruns prin

deschiderea uilor exterioare (W).

+ = aporturi de cldur recuperate (W).

Metodele utilizate pentru calculul pierderilor de cldur sunt specifice fiecrei

ri. Pentru Romnia se aplica SR 1907/ 1997.

Metoda romneasc de calcul al pierderilor de cldur (SR 1907-1997)

(Necesarul de cldur de calcul. Prescripii de calcul)

Domeniul de utilizare

Acest standard stabilete metoda de calcul a necesarului de cldur de calcul

pentru cldiri de locuit, teriare i industriale, n vederea dimensionrii instalaiei de

nclzire.

Standardul nu este aplicabil pentru ncperi subterane, ncperi fr inerie termic

(sere, etc.), ncperi cu instalaii de nclzire local, avnd efecte pe zone limitate

(eminee, sobe, etc.), ncperi nclzite prin radiaie, ncperi nclzite rar sau pentru

perioade scurte.

Relaii generale de calcul

Calculul se efectueaz pentru fiecare ncpere care trebuie nclzit. Necesarul de

cldur de calcul pentru o ncpere se calculeaz cu relaia :

1100

C OT

A A+ = + + i (W) (2.2.2)

54

T : pierderi de cldur prin transmisie, n regim permanent, ntre

interiorul i exteriorul ncperii (W).

AC, AO : factori de compensare (-)

i : pierderi de cldur pentru remprosptarea aerului (W).

Aporturile gratuite de cldur recuperate n ncpere sunt luate n calcul numai

dac sunt permanente i valoarea lor depete 5% din valoarea necesarului de

cldur.

A. Pierderile de cldur prin transmisie T sunt alctuite din acele fluxuri termice

care strbat elementele delimitatoare ale ncperii, spre medii exterioare adiacente

aflate la temperaturi diferite de cele ale aerului din ncpere.

T=e+S (W) (2.2.3)

A1 Pierderi prin elementele de construcie aflate n contact cu aerul exterior sau cu

alte