Indrumar Termofizica VelicuC

Cristian VELICU Costel AVRAM

ÎNDRUMAR DE LABORATOR

pentru

FIZICA CONSTRUCŢIILOR

Vol. I

Editura Societăţii Academice “Matei - Teiu Botez” Iaşi 2010

Referenţi ştiinţifici: Prof. univ.dr.ing. dr.h.c. Adrian RADU

Prof. univ.dr.ing. Ioan GAVRILAŞ

Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României VELICU, CRISTIAN Îndrumar de laborator pentru fizica construcţiilor / Cristian Velicu, Costel Avram. - Iaşi : Editura Societăţii Academice "Matei - Teiu Botez", 2010- vol. ISBN 978-973-8955-85-1 Vol. 1. - 2010. - ISBN 978-973-8955-86-8

I. Avram, Costel

624 Editura Societăţii Academice "Matei - Teiu Botez" B-dul Dumitru Mangeron nr. 43 Director: Prof.univ.dr.ing. Constantin Ionescu,

e-mail:[email protected]

I

CUPRINS

CAP. 1 PRINCIPIILE MĂSURĂTORILOR DE LABORATOR 51.1 Teoria erorilor de măsură 51.2 Măsurare în sistemul internaţional. Analiză dimensională 71.3 Unităţi de măsură şi transformări 101.4 Prelucrarea datelor experimentale 13

MĂSURĂTORI DE LABORATOR ÎN FIZICA CONSTRUCŢIILOR 19

CAP. 2 MĂSURĂTORI DE TEMPERATURĂ 202.1 Temperatura aerului exterior 202.2 Temperaturi interioare 22 2.2.1 Temperatura aerului din încăpere 22 2.2.2 Temperatura medie radiantă 22 2.2.3 Temperatura operativă 22 2.2.4 Temperatura rezultantă 22 2.2.5 Temperatura efectivă 23 2.2.6 Temperatura echivalentă 232.3 Temperatura suprafeţei interioare a elementelor de

construcţie 232.4 Scări de măsură a temperaturii 242.5 Aparatura de măsurare a temperaturii 28 2.5.1 Termometre de sticlă cu lichid 28 2.5.2 Termometre bimetalice 30 2.5.3 Termometre manometrice 31 2.5.4 Termometre cu rezistenţă (termorezistenţe) 33 2.5.5 Termometre cu termocupluri 36 2.5.6 Pirometre de radiaţie 39 2.5.7 Termometrul digital 40 2.5.8 Termografia în infraroşu 402.6 Măsurarea temperaturii 42 2.6.1 Măsurarea temperaturii atmosferice 43 2.6.2 Măsurarea temperaturilor în încăperi 44

LUCRAREA DE LABORATOR NR. 1 - Măsurarea temperaturii aerului şi suprafeţelor cu diverse tipuri de instrumente 55

CAP. 3 MĂSURĂTORI ALE UMIDITĂŢII CONSTRUCŢIILOR 613.1 Umiditatea aerului 63 3.1.1 Măsurarea umidităţii aerului 66 3.1.1.1 Metoda absorbţiei 66 3.1.1.2 Metoda psihrometrică 67 3.1.1.3 Higrometrul cu fir de păr 68 3.1.1.4 Metoda măsurării punctului de rouă cu

higrometrul de LiCl 68

II

3.2 Umiditatea materialelor 69 3.2.1 Conţinutul de apă 71 3.2.2 Umiditatea de echilibru higroscopic 71 3.2.3 Umiditatea critică 72 3.2.4 Procesul de umezire şi uscare 74 3.2.5 Izotermele de sorbţie şi desorbţie 74 3.2.6 Măsurarea umidităţii materialelor 75 3.2.6.1 Metode distructive 75 3.2.6.1.1 Metoda uscării în etuvă 75 3.2.6.2 Metode nedistructive 77 3.2.6.2.1 Metode electrice 77 3.2.6.2.1.1 Metoda de măsurare rezistivă 77 3.2.6.2.1.2 Metoda de măsurare capacitivă 78 3.2.6.2.1.3 Metoda izotermei de absorbţie 79 3.2.7 Determinări de laborator asupra capacităţii de

absorbţie a apei pentru anumite materiale de construcţie 80

3.2.7.1 Absorbţia prin imersie totală 81 3.2.7.2 Absorbţia prin imersia unei suprafeţe 81 3.2.7.3 Coeficientul de absorbţie capilară 83 3.2.7.4 Determinări de laborator 83 3.2.7.5 Evaporarea apei din materialele umede 85

LUCRAREA DE LABORATOR NR. 2 Măsurarea umidităţii aerului şi a materialelor de construcţii 87

CAP. 4 MĂSURĂTORI PRIVIND CAPACITATEA DE VENTILARE A CLĂDIRILOR 914.1 Mecanismul ventilării 92 4.1.1 Ventilarea clădirilor prin deschiderea ferestrelor 94 4.1.2 Ventilarea naturală sau prin tiraj termic 94 4.1.3 Diferenţa de presiune datorată acţiunii vântului 984.2 Calculul debitelor de aer necesare ventilării 994.3 Principiul calculului ventilării naturale organizate 1014.4 Ventilarea mecanică 102 4.4.1 Ventilarea mecanică intermitentă controlată 1024.5 Alegerea soluţiei de ventilare 1044.6 Criterii şi niveluri de performanţă pentru ventilarea

naturală 1074.7 Metode de măsurare a capacităţii de ventilare a clădirilor 109LUCRAREA DE LABORATOR NR. 3 - Determinarea ratei de ventilare 112

BIBLIOGRAFIE 115

5

CAP. 1 PRINCIPIILE MĂSURĂTORILOR DE LABORATOR

1.1 TEORIA ERORILOR DE MĂSURĂ Măsurarea mărimilor fizice este activitatea de baza în orice experienţă de laborator. Gradul de încredere în valorile măsurate este strâns legat de corectitudinea cu care au fost făcute măsurătorile şi de erorile care puteau interveni. De aceea, este necesară stabilirea şi aplicarea unor reguli stricte privind modul de efectuare a măsurătorilor şi evaluarea gradului de eroare ale acestora. Măsurarea unei mărimi fizice înseamnă a determina de câte ori se cuprinde în ea o mărime fizică de acelaşi fel, aleasă ca unitate de măsură. Măsurarea poate fi directă sau indirectă. De exemplu, distanţa dintre două obiecte ar putea fi măsurată în mod direct cu metrul, dar ar putea fi determinată şi indirect cunoscând viteza luminii şi măsurând timpul în care aceasta parcurge distanţa dintre ele. Operaţia de măsurare este însoţită de erori. Erorile de măsură pot fi împărţite în două categorii: sistematice şi întâmplătoare. 1.1.1 Erorile sistematice pot avea la origine mai multe cauze: defectele aparatelor de măsură, utilizarea unui principiu de măsură eronat sau greşelile făcute de observator. Aceste erori pot fi înlăturate doar prin repararea aparatului defect, regândirea principiului de măsurare sau înlăturarea greşelilor de observare. 1.1.2 Erorile întâmplătoare sunt cauzate în special de lipsa de precizie a citirilor indicaţiilor instrumentelor de măsură şi constituie un factor legat exclusiv de persoana experimentatorului. În aceste cazuri, rezultatul unei măsurători este fie mai mare, fie mai mic în comparaţie cu valoarea corectă. Caracterul aleatoriu al erorilor întâmplătoare face ca, la repetarea de un mare număr de ori a determinărilor, numărul valorilor mai mari decât cele

6

reale să egaleze practic numărul valorilor mai mici. Rezultă de aici că erorile întâmplătoare pot fi compensate prin repetarea de un mare număr de ori a determinărilor şi medierea rezultatelor obţinute. Printre erorile întâmplătoare întâlnim şi erorile grosolane, care se pot distinge de celelalte prin aceea că oferă valori complet diferite de şirul celorlalte valori experimentale. Erorile grosolane sunt înlăturate prin refacerea măsurătorii sau ignorarea rezultatului aberant. 1.1.3 Valoarea medie. Inerent, la măsurarea directă a oricărei mărimi fizice se face o eroare de măsură. Repetând determinările de un număr mare de ori, rezultatele se distribuie simetric în jurul valorii adevărate. De aceea, prin medierea aritmetică a datelor obţinute, mai ales dacă numărul determinărilor este foarte mare, există posibilitatea ca erorile care supraestimează valoarea adevărată să se compenseze cu acelea care o subestimează. Acesta este motivul pentru care, în urma şirului de măsurători, valoarea acceptată ca rezultat final este media aritmetică a rezultatelor tuturor măsurătorilor, adică valoarea medie. 1.1.4 Abaterea pătratică medie. Faptul că valoarea medie aproximează cel mai bine valoarea adevărată a mărimii fizice pe care o măsurăm nu înseamnă că ştim şi cât de siguri putem fi de precizia măsurătorii. Precizia este legată de intervalul dintre cea mai mică şi cea mai mare valoare obţinută prin măsurare. Cu cât acest interval este mai mare în comparaţie cu valoarea medie a mărimii măsurate, cu atât precizia măsurătorii este mai mică şi încrederea în privinţa rezultatului obţinut este şi ea mai mică. De aceea, alături de valoarea medie, trebuie prezentată şi o valoare care să exprime precizia măsurătorii. În cele mai multe cazuri această valoare complementară este abaterea pătratică medie. 1.1.5 Măsurarea indirectă a unei mărimi fizice se face atunci când nu este posibilă măsurarea ei directă. Se utilizează o lege a fizicii care cuprinde atât mărimea fizică pe care dorim s-o măsurăm indirect, cât şi alte mărimi fizice a căror măsurare directă este posibilă. Valoarea pe care o

7

căutăm se exprimă în virtutea legii folosite, în funcţie de valorile măsurate ale celorlalte mărimi fizice. Eroarea finală de măsurare este determinată cunoscând erorile făcute la măsurarea fiecăreia dintre mărimile fizice implicate.(ex. măsurarea temperaturilor cu ajutorul termocuplurilor). 1.1.6 Erori absolute şi erori relative Diferenţele dintre valorile individuale ale unei măsurători şi valoarea medie, adică abaterile, se mai numesc şi erori absolute. De asemenea eroarea pătratică medie sau eroarea aparentă medie sunt tot erori absolute. Erorile absolute oferă informaţie despre precizia măsurătorii, dar această informaţie este incompletă. Pentru a caracteriza precizia unei măsurători şi din acest punct de vedere se foloseşte mărimea numită eroare relativă. Eroarea relativă se exprimă în procente şi reprezintă raportul dintre eroarea absolută şi valoarea medie a măsurătorii. Erorile relative sub 5% pot fi considerate acceptabile în condiţiile experimentale pe care le oferă laboratorul de fizica construcţiilor. În unele cazuri erorile de măsurare sunt cauzate chiar de instrumentele de măsură utilizate. Eroarea relativă a unei determinări este dată de raportul dintre valoarea care corespunde jumătăţii intervalului dintre două diviziuni consecutive şi valoarea măsurată. Orice aparat de măsură are o anumită clasă de precizie, iar micşorarea erorilor relative care apar la măsurare impune folosirea unui aparat de măsură având o clasă de precizie corespunzătoare. 1.2 MĂSURARE ÎN SISTEMUL INTERNAŢIONAL. ANALIZĂ DIMENSIONALĂ Fizica este în bună măsură o ştiinţă experimentală. Legile sale fundamentale se descoperă prin cercetări de laborator, care implică măsurarea unor mărimi fizice şi găsirea corelaţiilor dintre acestea. Fizica modernă, în particular, dar şi alte ştiinţe exacte, necesită utilizarea unui sistem de unităţi de măsură, întocmit pe principii de simplitate,

8

adecvare, universalitate. Sistemul Internaţional de Unităţi de Măsură (SI) corespunde în acest moment cel mai bine acestor nevoi. Măsurare înseamnă compararea a două mărimi fizice de acelaşi fel, dintre care una este luată ca etalon. Rezultatul măsurării este un număr. Acest număr nu poate avea o semnificaţie ulterioară dacă nu este specificat şi etalonul (numit în mod obişnuit "unitate de măsură"). În sistemele de unităţi de măsură există mărimi fizice având etaloane a căror definire se face în mod arbitrar. Aceste mărimi fizice se numesc mărimi fizice fundamentale, iar unităţile lor de măsură sunt unităţile de măsură fundamentale ale sistemului de unităţi de măsură. Alte mărimi fizice au unităţi de măsură care se definesc cu ajutorul unităţilor de măsură fundamentale. Acestea se numesc mărimi fizice derivate, iar unităţile lor de măsură sunt unităţi de măsură derivate. În Sistemul Internaţional există şapte mărimi fizice fundamentale, restul mărimilor fizice fiind mărimi derivate. În general, determinarea unei legi a fizicii se face pe cale experimentală, găsindu-se corelaţiile între valorile mărimilor fizice care intervin. Aceste valori sunt stabilite utilizând unităţi de măsură specifice fiecăreia dintre mărimile fizice implicate. Totalitatea unităţilor de măsură ataşate mărimilor fizice cunoscute la un moment dat se numeşte sistem de unităţi de măsură. În istoria ştiinţei şi tehnicii s-au folosit diverse sisteme coerente de unităţi de măsură. Utilizarea lor simultană putea duce la confuzii. De aceea prin hotărârea Conferinţei Generale de Măsuri şi Greutăţi (Paris, 1960) s-a adoptat un sistem de unităţi de măsură unic pe plan internaţional, bazat pe sistemul metric. Acesta poartă denumirea de Sistemul Internaţional de Unităţi de Măsură sau, prescurtat, SI. Sistemul Internaţional cuprinde şapte mărimi fizice fundamentale, numite dimensiuni ale acestui sistem de unităţi.

9

Tab. 1.1 Mărimile fizice fundamentale în SI Mărimea

fizică Simbolul

dimensionalUnitate de

măsură Simbolul unităţii

de măsură Lungime L metru m Timp T secundă s Masă M kilogram kg Temperatură θ Kelvin K Cantitate de substanţă N kilomol kmol Intensitatea curentului electric I amper A

Intensitate luminoasă E candelă cd Toate cele şapte unităţi de măsură fundamentale sunt definite în mod arbitrar (de exemplu, Kelvinul este a 273,16-a parte din intervalul de temperatură între zero absolut şi temperatura punctului triplu al apei distilate). Sistemul metric (folosit pentru prima oară după Revoluţia Franceză din 1789) a urmărit exprimarea simplă a multiplilor sau submultiplilor unităţilor de măsură fundamentale. Ideea principală a fost aceea că multiplii sau submultiplii se precizează prin folosirea unor prefixe, adăugate unităţii de măsură. Aceste prefixe nominalizează multiplicarea (sau demultiplicarea) prin 10 sau 1000. Iată, în continuare, prefixele folosite la ora actuală : Tab. 1.2 Multiplii şi submultiplii unităţilor fundamentale

PREFIX SIMBOL VALOARE Multiplicare 1.000.000.000.000 Terra T 1012 1.000.000.000 Giga G 109 1.000.000 Mega M 106 1.000 kilo k 103 100 hecto h 102 10 deca da 10 UNITATE FUNDAMENTALĂ Demultiplicare 0,1 deci d 10-1 0,01 centi c 10-2 0,001 mili m 10-3 0,000.001 micro μ 10-6

10

0,000.000.001 nano n 10-9 0,000.000.000.001 pico p 10-12 0,000.000.000.000.001 femto f 10-15 0,000.000.000.000.000.001 atto a 10-18

1.3 UNITĂŢI DE MĂSURĂ ŞI TRANSFORMĂRI Sistemul Internaţional de Unităţi de Măsură (SI) este folosit prin lege atât în ţara noastră, cât şi pe plan internaţional. 1.3.1 Sistemul MKS a fost la origine un sistem de unităţi de măsură folosit în tehnică, în domeniul mărimilor fizice mecanice. Dimensiunile sale sunt lungimea, masa şi timpul, iar unităţile de măsură corespunzătoare sunt metrul, kilogramul şi secunda. 1.3.2 Sistemul CGS a fost la origine un sistem de unităţi de măsură folosit în fizică sau alte ştiinţe experimentale şi acoperă tot domeniul mărimilor fizice mecanice. Dimensiunile sale sunt lungimea, masa şi timpul, iar unităţile de măsură corespunzătoare sunt centimetrul, gramul şi secunda. Formulele dimensionale ale mărimilor fizice sunt aceleaşi atât în sistemul CGS, cât şi în sistemul MKS, dar unităţile de măsură diferă. 1.3.3 Sistemul MKfS a fost la origine un sistem de unităţi de măsură folosit în tehnică, în domeniul mărimilor fizice mecanice. Dimensiunile sale sunt lungimea, forţa şi timpul, iar unităţile de măsură corespunzătoare sunt metrul, kilogramul-forţă şi secunda. 1.3.4 Sistemele CGSε0 (sistemul absolut de unităţi electrostatice), CGSμ0 (sistemul absolut de unităţi electromagnetice) şi CGS Gauss (sistemul absolut de unităţi al lui Gauss) au în comun ca unităţi de măsură fundamentale centimetrul, gramul şi secunda, dar atribuie valori convenţionale, unitare, adimensionale, unor constante fizice universale.

11

Unităţile de măsură tolerate nu aparţin Sistemului Internaţional şi nici altor sisteme de unităţi de măsură, dar se folosesc din motive practice, istorice sau pur şi simplu din inerţie. În general, se recomandă evitarea lor, şi cu toate acestea le putem întâlni adesea în viaţa de zi cu zi. Tab. 1.3 Unităţi de măsură în sistemul CGS

Măr

imea

fiz

ică

Form

ula

dim

en-s

iona

lă

Uni

tate

a de

măs

ură

în S

I

Sim

bolu

l un

ităţ

ii d

e măs

ură

în ş

i

Uni

tate

a de

măs

ură

în C

GS

Sim

bolu

l un

ităţ

ii d

e măs

ură

în C

GS

Rap

ortu

l înt

re

unităţ

ile d

e măs

ură

lungime L1M0T0 metru m centimetru cm 1 m = 102 cm timp L0M0T1 secundă s secundă s 1 s = 1 s masă L0M1T0 kilogram kg gram g 1 kg = 103 g viteză L1M0T-1 metru pe

secundă m/s centimetru

pe secundă cm/s 1 m/s =

102 cm/s acceleraţie L1M0T-2 metru pe

secundă la pătrat

m/s2 centimetru pe secundă la pătrat

cm/s2 1 m/s2 = 100 cm/s2

forţă L1M1T-2 newton N dyn dyn 1 N = 105 dyn impuls L1M1T-1 kilogram

metru pe secundă

kg�m/s

gram · centimetru pe secundă

g�cm/s 1 kg�m/s = 105 g�cm/s

energie L2M1T-2 joule J erg erg 1 J = 107 erg

putere L2M1T-3 watt W erg pe secundă

erg/s 1 W = 107 erg/s

presiune L-1M1T-2 pascal Pa barye barye 1 Pa = 10 barye

densitate L-3M1T0 kilogram pe metru cub

kg/m3 gram pe centimetru cub

g/cm3 1 kg/m3 = 10-3 g/cm3

momentul forţei

L2M1T-2 newton · metru

N�m dyn · centimetru

dyn�cm 1 N�m = 107 dyn�cm

moment cinetic

L2M1T-1 kilogram · metru pătrat pe secundă

kg�m2

/s gram · centimetru pătrat pe secundă

g�cm2/s 1 kg�m2/s = 107 g�cm2/s

moment de inerţie

L2M1T0 kilogram · metru pătrat

kg�m2 gram · centimetru pătrat

g�cm2 1 kg�m2 = 107 g�cm2

12

În tehnică, s-a folosit în paralel cu sistemul MKS sistemul MKfS (metru - kilogram-forţă - secundă). Mărimile fizice fundamentale ale celor două sisteme sunt diferite. Sistemul MKS este bazat pe lungime (L), timp (T) şi masă (M), în timp ce sistemul MKfS are ca mărimi fundamentale lungimea (L), timpul (T) şi forţa (F). În aceste condiţii, formulele dimensionale ale mărimilor fizice sunt diferite în cele două sisteme. Tab. 1.4 Unităţi de măsură în sistemul MKfS

Măr

imea

fiz

ică

Uni

tate

a de

măs

ură

în S

I

Sim

bolu

l uni

tăţi

i de

măs

ură

în S

I

Uni

tate

a de

măs

ură

în M

KfS

Sim

bolu

l uni

tăţi

i de

măs

ură

în

MK

fS

Rap

ortu

l înt

re

unităţ

ile d

e măs

ură

lungime metru m metru cm 1 m = 1 m timp secundă s secundă s 1 s = 1 s masă kilogram kg kilogram kg 1 kg = 1 kg =

1/9,8 kgf�s2/m viteză metru pe

secundă m/s metru pe

secundă m/s 1 m/s = 1m/s

acceleraţie metru pe secundă la pătrat

m/s2 metru pe secundă la pătrat

m/s2 1 m/s2 = 1 m/s2

forţă newton N kilogram-forţă kgf 1 N = 1/9,8 kgf energie joule J kilogram-forţă

- metru kgf�m 1 J = 1/9,8 kgf�m

putere watt W kilogram-forţă – metru pe secundă

kgf�m/s 1 W = 1/9,8 kgf�m/s

presiune pascal Pa kilogram-forţă pe metru pătrat

kgf/m2 1 Pa = 1/9,8 kgf/m2

Alături de unităţile de măsură aparţinând diferitelor sisteme de unităţi de măsură, putem întâlni şi unităţile de măsură tolerate. Acestea sunt menţinute fie datorită caracterului lor istoric, fie pentru că utilizarea lor este răspândită în practică. Se menţionează în continuare câteva dintre cele mai cunoscute unităţi de măsură tolerate:

13

Tab. 1.5 Unităţi de măsură tolerate Nume Simbol Mărimea

măsurată Relaţia cu unitatea SI

tonă t masa 1 t = 1000 kg carat ct masa 1 ct = 2 ·10-4

kg

unitate atomică de masă

uam masa 1 uam = 1,67 ·10-27 kg

kilogram-forţă kgf forţa 1 kgf = 9,8 N bar bar presiunea 1 bar = 100000 Pa atmosferă fizică atm presiunea 1 atm = 101325 Pa atmosferă tehnică at presiunea 1 at = 98000 Pa milimetru coloană de mercur (torr)

mm Hg (torr)

presiunea 1 mm Hg = 133,32 Pa

milimetru coloană de apă

mm H2O presiunea mm H2O = 9,8 Pa

calorie cal căldura 1 cal = 4,18 J kilowatt-oră kWh energia 1 kWh = 3,6 ·106 J electron-volt eV energia 1 eV = 1,6 10-19 J cal-putere CP puterea 1 CP = 735,5 W litru l volumul 1 l = 0,001 m3

angstrom Å lungimea 1 Å = 10-10 m Câteva unităţi de măsură anglo-americane :

• 1 inch = 2,54 cm • 1 picior = 0,3048 m • 1 yard = 0,9144 m • 1 milă terestră = 1,6093 km • 1 milă marină = 1,852 km • 1 acru = 0,4047 ha • 1 gallon (SUA) = 3,7854 l, 1 gallon (MB) = 4,546 l • 1 pintă (SUA) = 0,4732 l, 1 pintă (MB) = 0,5682 l • 1 uncie = 28,3495 g • 1 livră (funt) = 453,59 g

1.4 PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE În activitatea de laborator există câteva etape importante: ¹) proiectarea şi executarea dispozitivului experimental, ²) achiziţia de date şi ³) prelucrarea datelor obţinute. Fiecare dintre aceste etape îşi are importanţa ei, dar scopul final este atins doar printr-o bună cunoaştere a modalităţilor şi

14

tehnicilor care manipulează datele experimentale, cu obiectivul de a stabili formularea matematică a legii pe care o căutăm sau o verificăm. 1.4.1 Tabelele de date sunt necesare pentru prezentarea ordonată şi sugestivă a rezultatelor determinărilor experimentale. 1.4.2 Reprezentările grafice constituie de multe ori un ajutor preţios în efortul de a stabili corelaţii matematice între datele experimentale. Curba obţinută ca grafic poate sugera adesea forma matematică a legii pe care urmăm să o stabilim în final. De asemenea, reprezentarea grafică a unor legi ale fizicii sau tehnicii permite găsirea cu uşurinţă a unor valori care ar fi identificate relativ dificil în tabele de date. Valoarea unei reprezentări grafice stă şi în modul în care este făcută. Utilizând tehnica de calcul şi programe adecvate (Excel, Mathcad, Origin etc.) se pot obţine reprezentări grafice de foarte bună calitate. 1.4.3 Metoda celor mai mici pătrate sau metoda regresiei liniare este utilizată pentru trasarea graficelor. O curbă experimentală se trasează printre punctele experimentale, lăsând de o parte şi de alta aproximativ acelaşi număr de puncte. Metoda celor mai mici pătrate permite găsirea traseului cel mai puţin depărtat de fiecare punct în parte, dar care este totuşi o curbă continuă, fără variaţii prea bruşte. 1.4.4 Fitarea datelor experimentale este procedeul prin care dintr-un şir de date experimentale se pot trage concluzii cu privire la forma matematică a unei anumite legi a fizicii. În esenţă, fitare (din engleză - a potrivi) înseamnă să cauţi funcţia matematică care să ofere cea mai bună corelare între datele experimentale. Trebuie menţionat că funcţia găsită prin fitare nu este şi în mod necesar adevărata lege după care decurge procesul respective. În funcţie de domeniul de valori al parametrului experimental se pot găsi formule aproximative, valabile doar în domeniul considerat. Diferitele metode de fitare sunt integrate în

15

programe de calcul cum ar fi Excel, Mathcad, Mathlab şi altele. 1.4.5 Înregistrarea datelor experimentale, reprezentare grafică Înregistrarea datelor experimentale se face în tabele întocmite în prealabil. Orice tabel trebuie să cuprindă : • scopul experienţei • simbolul mărimii fizice care urmează a fi determinată şi unitatea de măsură; • aparatura utilizată; • formula de calcul; • mărimile constante; • mărimea măsurata şi unitatea de măsură; • valoarea finală şi unitatea de măsură. Tab. 1.6 Conţinutul tabelului de date Scopul experienţei:

Număr curent

Aparat sau element utilizat

Valoare constantă (unitate de măsură)

Mărime măsurată (unitate

de măsură)

Valoare finală (unitate de măsură)

1 2 3 4 5 2 3

În multe cazuri prezentarea sau chiar prelucrarea datelor experimentale este facilitată de reprezentările grafice. Avantajele acestora sunt: • permit observarea cu uşurinţă a variaţiilor mărimii studiate în raport cu variaţia parametrului ales, evidenţiind eventualele maxime sau minime; • curba trasată printre punctele experimentale este o reprezentare mai exactă a legăturii dintre mărimea studiată şi parametru decât fiecare pereche de date experimentale în parte; • sugerează relaţia matematică dintre mărimea studiată şi parametru.

16

Întocmirea unei reprezentări grafice se supune unor reguli practice cum ar fi : - graficele se trasează pe caroiaje ; - formatul trebuie să fie suficient de mare pentru ca aspectul curbei să nu aibă de suferit; - intervalele de valori ale axelor trebuie astfel alese încât curba obţinută să fie repartizată pe întreaga suprafaţă a graficului; - valorile coordonatelor axelor nu trebuie să înceapă obligatoriu de la zero ; - distanţa dintre două linii alăturate ale caroiajului trebuie să corespundă unui număr de unităţi ale mărimii reprezentate care să permită reprezentarea cu uşurinţă a valorilor intermediare; - fiecare pereche de date se va reprezenta ca un punct pe suprafaţa graficului; - curba experimentală va fi trasată printre puncte, lăsând de o parte şi de alta aproximativ acelaşi număr de puncte; - este util ca trasarea curbei să fie făcută cu un florar; - se va urmări ca aspectul curbei să fie cât mai continuu, fără variaţii bruşte de pantă sau de curbură; - dacă un punct experimental este plasat mult în afara curbei, este recomandat ca măsurătoarea respectivă să fie refăcută; - dacă în acelaşi grafic se reprezintă mai multe curbe, ele vor fi trasate cu culori diferite, iar punctele experimentale corespunzătoare vor fi marcate în mod diferit.

17

Fig. 1.1 Modul de întocmire a graficului

Fig. 1.2 Trasarea graficelor prin metoda celor mai mici pătrate 1.4.6 Metoda celor mai mici pătrate Dacă, de exemplu, legea fizică care trebuie pusa în evidenţă este o lege liniară se pot trasa printre punctele experimentale mai multe drepte care să corespundă criteriilor de întocmire a unei reprezentări grafice. Care dintre aceste drepte reprezintă cel mai corect legea căutată ? Conform metodei celor mai mici pătrate, panta dreptei şi coordonata intersecţiei sale cu axa Oy vor fi astfel alese încât suma pătratelor distanţelor de la fiecare punct experimental la dreaptă să fie minimă.

19

MĂSURĂTORI DE LABORATOR ÎN FIZICA CONSTRUCŢIILOR

In cadrul studiilor pentru asigurarea confortului termic în construcţii, prezintă interes determinările în condiţii de laborator şi la clădiri în exploatare. Aceste determinări au ca obiect: - stabilirea parametrilor microclimatului interior şi exterior prin măsurători de temperatură, umiditate, viteză a curenţilor de aer, diferenţă de presiune a aerului şi a vaporilor de apă, însorire etc.; - cunoaşterea caracteristicilor termice ale materialelor şi elementelor de construcţii (conductivitate termică, căldură specifică, rezistenţă la transmisia căldurii); - stabilirea distribuţiei temperaturilor pe suprafaţa şi interiorul elementelor de construcţii. Determinările termice sunt utile şi pentru rezolvarea altor probleme de proiectare şi execuţie: dimensionarea structurilor la eforturi datorate variaţiilor de temperatură, studiul acţiunii îngheţ-dezgheţului, comportarea structurilor la temperaturi scăzute sau înalte. In raport cu alte fenomene fizice, fenomenele termice prezintă unele aspecte particulare, care fac ca măsurătorile să fie dificile, iar organizarea încercărilor termice implică durată mare, aparatură specială, sensibilă în exploatare şi instalaţii costisitoare. Pentru rezolvarea problemelor de termica construcţiilor, pană în prezent s-au conturat următoarele direcţii, în privinţa efectuării sistematice a studiilor : - Determinări de laborator pentru stabilirea caracteristicilor termofizice de bază ale materialelor de construcţie (conductivitate termică, căldură specifică, stabilitate la temperaturile de exploatare, punct de aprindere). Aceste determinări se pot efectua cu aparatură relativ simplă, pe probe mici.

20

- Încercări cu ajutorul unor instalaţii complexe, de tipul camerelor climatice, în care se reproduc condiţiile regimului higrotermic de exploatare şi se fac determinări pe materiale şi elemente de construcţii, având mărimea peretelui unei încăperi. - Determinări în cadrul unor încercări efectuate în clădiri terminate, urmărind comportarea lor în condiţii reale de exploatare.

CAP. 2 MĂSURĂTORI DE TEMPERATURĂ Măsurătorile de temperatură sunt necesare frecvent în cele mai variate probleme de construcţii, în cadrul cercetărilor de laborator şi la clădiri în exploatare.

2.1 TEMPERATURA AERULUI EXTERIOR Temperatura aerului, adică starea de încălzire sau de răcire a aerului, este parametrul de stare climatica ce are o influentă deosebit de mare asupra regimului majorităţii proceselor din atmosferă. Ţinând seama de factorii care determină încălzirea şi răcirea suprafeţei terestre şi implicit a aerului din imediata apropiere, de lipsa de omogenitate a suprafeţei active, de variaţia energiei solare radiante, putem conchide că acest element prezintă importante variaţii, atât în timp, cât şi în spaţiu. Variaţiile în timp pot fi periodice (anuale) şi neperiodice (accidentale). Variaţiile în spaţiu ale temperaturii aerului, ca de altfel şi ale celorlalte elemente meteorologice, sunt pe orizontală şi pe verticală. Variaţia periodică diurnă sau regimul diurn al temperaturii aerului se caracterizează printr-o oscilaţie simplă cu o valoare maximă ce se produce în jurul orelor 14 şi o valoare minimă ce are loc de obicei cu puţin înainte de răsăritul soarelui. Intre aceste momente caracteristice, temperatura aerului poate avea un curs regulat; ascendent sau descendent, ori dezordonat, în funcţie de ansamblul

21

condiţiilor climatice (cer senin, înnorat, cu vânt puternic, cu precipitaţii). In afară de mişcarea de rotaţie a planetei, asupra regimului diurn al temperaturii aerului mai are influenţă şi latitudinea geografică. Latitudinea geografică alături de anotimp, altitudine şi forma reliefului, natura suprafeţei subadiacente, depărtarea sau apropierea de mări şi oceane, nebulozitatea, sunt factori importanţi care influenţează şi asupra valorii amplitudinii termice diurne, adică a diferenţei dintre cea mai mare şi cea mai mică valoare a temperaturii. Temperatura aerului este unul dintre elementele meteorologice a cărui măsurare are drept particularitate extraordinara sensibilitate la expunerea instrumentului de măsură. Măsurătorile de temperatură sunt afectate în principal de către mediul înconjurător şi anume: de prezenţa clădirilor şi a altor obstacole importante, starea suprafeţei solului, de vegetaţie, de schimbarea designului structurii de protecţie a instrumentului cu care se măsoară temperatura. Utilizarea unor instrumente sau aparate de măsură diferite ca structura şi clase de precizie, facilitează obţinerea de date necomparabile sau chiar eronate. Atunci când comparăm date de temperatura aerului trebuie să avem convingerea că datele au fost obţinute cu instrumente compatibile şi comparabile. În ceea ce priveşte oraşele, particularităţile locale sunt mult mai însemnate comparativ cu aşezările rurale. Temperatura aerului în interiorul aglomerărilor urbane reprezintă efectul însumat al prezenţei clădirilor, suprafeţelor asfaltate, circulaţiei rutiere (inclusiv a temperaturii caroseriei automobilelor sau a căldurii degajate de motoarele în funcţiune), efectelor industriei, poluării etc. Construcţiile urbane reduc viteza de circulaţie a aerului sau o măresc local, absorb şi degaja căldura, reduc ventilaţia şi prin aceasta provoacă o încălzire suplimentară a aerului. Cauzele sunt antropice şi deci datele de temperatură astfel rezultate nu pot fi comparate cu cele determinate în mediul natural, reprezentativ. Datorită proprietăţilor termice ale materialelor folosite în structura oraşelor - asfalt, acoperişuri, materialele de culoare neagră cu capacitate

22

mare de absorbţie, lipsa spaţiilor verzi sau a parcurilor - căldura este reţinută multe ore chiar şi după apusul soarelui. Toate acestea produc schimbări în bilanţul energetic al unui oraş, determinând existenţa unor temperaturi mai ridicate faţă de zonele rurale înconjurătoare. Aceste motive stau la baza amplasării staţiilor meteorologice în afara oraşelor sau în spaţii cu suprafeţe mari acoperite cu vegetaţie. 2.2 TEMPERATURI INTERIOARE 2.2.1 Temperatura aerului din încăpere este măsurată cu un termometru obişnuit având bulbul uscat şi protejat faţă de radiaţia termică a operatorului şi a suprafeţelor ce delimitează încăperea. In acest scop este indicat ca aerul să fie aspirat spre termometru printr-un tub de protecţie. Temperatura aerului din încăpere prezintă variaţii de la punct la punct. Astfel se poate vorbi fie de temperatura într-un punct sau de temperatura medie a aerului din încăpere. 2.2.2 Temperatura medie radiantă este temperatura unei suprafeţe fictive de formă sferică care ar schimba cu o sferă mică situată într-un punct oarecare din interiorul ei (punct studiat) aceeaşi cantitate de căldură ca şi ansamblul suprafeţelor interioare ale încăperii având diverse temperaturi. Temperatura medie radiantă este o măsură a gradului de încălzire prin radiaţie a punctului. Temperatura medie radiantă poate fi măsurată folosind un termometru cu glob negru.

2.2.3 Temperatura operativă - temperatura uniformă a unei incinte virtuale radiante negre, în care un ocupant schimbă aceeaşi cantitate de căldură prin radiaţie şi convecţie ca într-o ambianţă neuniformă reală. 2.2.4 Temperatura rezultantă. Pentru aprecierea gradului de confort în încăperi este necesar să se ia în considerare o temperatură fictivă denumită temperatură rezultantă sau temperatură subiectivă.

23

Temperatura rezultantă este temperatura unei încăperi izoterme (fără diferenţe de temperatură între aer şi suprafeţele care o delimitează) în care viteza aerului este 0,1 m/s, umiditatea relativă 50% şi care produce aceeaşi senzaţie higrotermică de confort ca şi încăperea studiată. Relaţia de calcul (Missenard) este: TR = (Tr + 3,17 Ti √vi)/ (1+3,17 vi) unde: Tr – temperatura medie radiantă; Ti - temperatura aerului interior; vi – viteza aerului. 2.2.5 Temperatura efectivă, stabilită de Yaglou, se defineşte ca fiind indicele care include într-o singură valoare efectul temperaturii măsurate cu termometrul cu bulb uscat, a umidităţii şi mişcării aerului şi care produce senzaţia de cald sau de rece resimţită de corpul uman (funcţie de îmbrăcăminte, activitate, vârsta etc.). 2.2.6 Temperatura echivalentă se defineşte ca fiind temperatura aerului într-o incintă unde un cilindru negru cu înălţimea de 558 mm şi diametrul de 190 mm pierde aceeaşi cantitate de căldură ca şi în mediul ambiant în condiţii echivalente. Suprafaţa cilindrului este menţinută la o temperatură egală cu temperatura corpului uman prin înregistrarea şi compensarea energiei consumate în timpul schimbului de căldură cu mediul. 2.3 TEMPERATURA SUPRAFEŢEI INTERIOARE A ELEMENTELOR DE CONSTRUCŢIE

Temperatura superficială. Aceasta poate avea o valoare diferită faţă de temperatura ambientului cu care aceasta este in contact. Valoarea sa depinde de coeficientul de transfer termic la suprafaţa, de temperatura exterioară şi cea interioară. Valoarea acesteia se poate prelua cu ajutorul

24

termometrelor de contact sau cu pirometre. Media ponderată a valorilor temperaturilor superficiale pe suprafeţele limitrofe incintei oferă valoarea temperaturii medii radiante.

Termometrul de contact indica valoarea temperaturii superficiale în dreptul contactului, pe când pirometrul indica valoarea temperaturii superficiale fără a avea contact cu suprafaţa respectivă iar valoarea afişată va fi media temperaturilor superficiale din câmpul vizat.

Dacă valoarea temperaturii superficiale este mai mică decât cea a punctului de rouă, apare fenomenul de condensare a apei pe respectiva suprafaţă. Acest fapt va fi perceput de cele mai multe ori ca fiind neconfortabil, cu diverse efecte dăunătoare. 2.4 SCĂRI DE MĂSURĂ A TEMPERATURII Prin cunoaşterea relaţiei dintre temperatura şi volumul unor substanţe s-au putut construi diferite tipuri de termometre, iar pe baza acestora s-a definit gradul de temperatură, stabilit faţă de anumite puncte termice fixe (temperatura de fierbere a apei distilate la presiune normală - 760 mmHg şi temperatura de topire a gheţii) intervalul dintre cele două puncte termice este împărţit într-un număr variabil de părţi egale, fiecare reprezentând un grad de temperatură. Sunt utilizate mai multe scări de temperatură. a) Scara Celsius (denumita şi centigrada) introdusă de astronomul şi fizicianul suedez Anders Celsius în 1742, este divizată de la 0 - 100˚C, în 100 de părţi egale; Scara centigradă sau Celsius, folosită în majoritatea lumii situează punctul de îngheţ la 0 grade C şi pe cel de fierbere la 100 grade C. In anul 1742, Anders Celsius a propus o scară „inversă” scării Celsius moderne, unde 0 era temperatura de fierbere,

25

iar 100 cea de îngheţ a apei. El a constatat că temperatura de îngheţare a apei nu depinde practic de presiune. De asemenea, el a determinat cu o precizie remarcabilă cum depinde temperatura de fierbere a apei de presiunea atmosferică. Celsius a folosit două puncte fixe în scara sa: temperatura de topire a apei şi temperatura de fierbere a apei. Aceasta nu era o idee nouă, Isaac Newton lucrând deja cu ceva asemănător. Deosebirea era aceea că Celsius a folosit temperatura de topire a apei şi nu cea de îngheţ. Experimentele pentru o bună calibrare a termometrului s-au desfăşurat pe parcursul a două ierni. Repetând experimentul iarăşi şi iarăşi, el a descoperit că gheaţa se topeşte întotdeauna la acelaşi punct de calibrare marcat pe termometru. El a descoperit un punct similar la fierberea apei, punctul de evaporare a apei. Când această determinare se face cu o precizie ridicată se observă o variaţie a acestui punct în funcţie de presiunea atmosferică. Când Celsius a decis să folosească propria scară de temperatură, el a ales punctul de fierbere a apei pure la 0 °C (212 °F) şi punctul de îngheţ (solidificare) la 100 °C (32 °F). Un an mai târziu, Frenchman Jean Pierre Cristin a propus o versiune inversată a scării, cu punctul de îngheţ la 0 °C (32 °F) şi punctul de fierbere la 100 °C (212 °F), denumind-o Centigrad. Celsius a propus o metodă de calibrare a termometrelor: - se introduce tubul termometrului într-un amestec de gheaţă pisată şi apă pură şi se marchează punctul unde lichidul termometric (mercurul) se stabilizează; acest punct reprezintă punctul de îngheţ/dezgheţ al apei; - similar, se marchează punctul în care mercurul se stabilizează când termometrul este ţinut în vapori de apă; - se împarte distanta dintre cele două puncte în 100 de diviziuni egale. b) Scara Réaumur divizată în 80 de părţi egale (0-80˚), gradul Réaumur fiind astfel mai mare decât gradul Celsius;

26

A fost inventată de fizicianul şi naturalistul francez René Antoine Ferchault. c) Scara Fahrenheit împărţită în 180 de părţi egale (32-212˚); a fost imaginată de fizicianul german Gabriel Daniel Fahrenheit în 1715 care situează, la presiune atmosferică standard, punctul de îngheţ şi de topire al gheţii la 32 grade F şi punctul de fierbere al apei la 212 grade F. Gradul Fahrenheit este o unitate tolerată şi se mai utilizează în ţările anglo – americane. d) Scara Rankine, concepută de inginerul şi fizicianul britanic William J. M. Rankine, situează zero absolut la 459.69 grade F (0 grade R) şi punctul de îngheţ la 491.69 grade R. e) Scara Kelvin numită şi “scara termometrică absolută a lui Kelvin” este o unitate de măsură (simbol K) pentru intervalele de temperatură, egală cu 1/273,15 din temperatura absolută a punctului triplu al apei. La această scară se notează cu 0 K cea mai coborâtă temperatură posibilă (-273,15˚C). Mărimea gradelor de temperatură în scara Kelvin este egală cu cea a gradelor din scara Celsius (1˚K=1˚C) deosebirea fiind dată de locul de marcare al valorii zero. A fost imaginată de lordul William Thompson Kelvin. Unitatea şi scara Kelvin sunt definite, conform convenţiilor internaţionale, prin două puncte: zero absolut şi punctul triplu al apei. De asemenea, această definiţie leagă exact scara Kelvin de scara Celsius. Zero absolut - temperatura faţă de care nimic nu poate fi mai rece şi la care în substanţă nu mai există energie sub formă de căldură - este definită ca fiind exact 0 K şi −273,15 °C. Punctul triplu al apei este definit ca fiind starea în care gheaţa, apa lichidă şi vaporii de apă coexistă în echilibru la exact 273,16 K şi 0,01 °C (această stare poate fi obţinută numai la o presiune a vaporilor de apă de 4,58 torr). Această definiţie are trei consecinţe: - stabileşte valoarea unităţii Kelvin ca fiind exact 1 / 273,16 părţi din diferenţa dintre punctul triplu al apei şi zero absolut;

27

- stabileşte că un Kelvin are exact aceeaşi mărime cu un grad de pe scara Celsius; - stabileşte că diferenţa punctelor de zero între cele două scări este exact 273,15 Kelvin (0 K = −273,15 °C şi 273,16 K = 0,01 °C). Celelalte două scări de temperatură (Kelvin şi Rankine) sunt scările utilizate pentru descrierea temperaturii absolute, a căror valoare minimă este egală cu minimul termodinamic. Aceste două scări se definesc prin intermediul relaţiilor:

15,273TCK +=θ

67,459TFR +=θ unde: θK şi θR sunt temperaturile absolute pe scara Kelvin şi Rankine; TC şi TF - temperaturile pe scara Celsius şi Fahrenheit. In tabelul de mai jos sunt prezentate câteva temperaturi de bază pe scara Celsius şi corespondentele lor pe alte scări. Tab. 2.1

Kelvin Celsius Fahrenheit

Zero absolut (exact, prin definiţie)

0 K −273,15 °C −459,67 °F

Punctul de topire al gheţii

273,15 K 0 °C 32 °F

Punctul triplu al apei (exact, prin definiţie)

273,16 K 0,01 °C 32,018 °F

Punctul de fierbere a apei 373,1339 K 99,9839 °C 211,9710 °F

28

2.5 APARATURA DE MĂSURARE A TEMPERATURII Temperatura este mărimea fizică ce caracterizează starea de încălzire a unui corp. Aparatele pentru măsurarea temperaturii se bazează pe modificarea cu temperatura a unor mărimi fizice, şi anume: - variaţia dimensiunilor prin dilatare (termometre bimetalice); - variaţia volumului prin dilatare (termometre de sticlă cu lichid); - variaţia presiunii lichidelor şi gazelor închise în incinte de volum constant (termometre manometrice); - variaţia rezistenţei electrice (termorezistenţe); - variaţia tensiunii generate prin efect termoelectric (termocupluri); - variaţia intensităţilor radiaţiilor corpurilor calde (termometre de radiaţie). 2.5.1 Termometre de sticlă cu lichid Măsurarea temperaturii cu ajutorul termometrelor de sticlă cu lichid se bazează pe variaţia volumului unui lichid (mercur, toluen, alcool etilic, eter de petrol, pentan) închis într-un tub capilar de sticlă. Invenţia termometrului îi este atribuită lui Galileo Galilei, deşi termometrul etanş nu a fost inventat decât abia în 1650. Termometrele moderne cu alcool şi mercur au fost inventate de fizicianul german Gabriel Fahrenheit.

Fig. 2.1 Termometre de sticlă cu mercur: a- cu contacte fixe; b- cu contacte mobile

29

Cele mai utilizate termometre sunt cele cu mercur (- 38oC ... 700oC). Dezavantajul acestora constă în faptul ca au inerţie termică mare nefiind adecvate măsurării temperaturii în regim variabil.

Din punct de vedere constructiv se deosebesc: termometre capsulate, la care tubul capilar şi scala gradată sunt introduse împreună într-un tub de protecţie, precum şi termometre tijă, a căror scală este gradată direct pe tubul capilar. In afară de acestea există şi alte construcţii speciale ca de exemplu: termometre cu contacte fixe, cu contacte mobile etc. Termometrele cu lichid indică corect temperatura numai atunci când întreaga masă a lichidului termometric se află la temperatura care trebuie măsurată, deci când elementul sensibil este cufundat în întregime în mediul de măsurat.

Termometrele clinice cu mercur pot fi folosite pentru măsurarea temperaturii corpului uman. Acestea au o piedică (un gât îngust) la baza tubului astfel încât lichidul nu revine în rezervor imediat după efectuarea măsurătorii.

Fig. 2.2 Termometru cu mercur Termometre de maxim şi minim înregistrează cele mai ridicate, respectiv cele mai scăzute temperaturi. Sunt adesea combinate într-un singur termometru de maxim şi minim. Termometrul de maxim cu înregistrare automată al lui Daniel Rutherford (inventat în 1794) constă într-un tub cu mercur în interiorul căruia se află o mică bucată de oţel, aşezată deasupra nivelului lichidului. Pe măsură ce acesta se dilată, odată cu creşterea temperaturii, împinge bucata de oţel. La contractare aceasta rămâne pe loc, marcând

30

astfel cea mai înaltă temperatură atinsă de la fixarea termometrului. Instrumentul poate fi resetat cu ajutorul unui magnet. Termometrul de minim conţine alcool, în loc de mercur, în interior găsindu-se o mică bucată de sticlă cu capătul cel mai îndepărtat atingând suprafaţa lichidului. Pe măsură ce alcoolul se contractă sticla este condusă de acesta. La dilatare ea îşi păstrează poziţia, capătul ei indicând cea mai scăzută temperatură atinsă.

Fig. 2.3 Termometru de maxim şi minim şi termometru electric 2.5.2 Termometre bimetalice La diverse materiale, dilatarea funcţie de temperatură este diferită. Dilatarea liniară cu temperatura este caracterizată prin coeficientul de dilatare termică. Diversele materiale au coeficientul de dilatare diferit. Termometrele bimetalice se bazează pe dilatarea diferită a diverselor materiale. In fig. 2.4, este reprezentat un termometru bimetalic tubular compus din tubul l, cu coeficient de dilatare α1 mult mai mic decât coeficientul de dilatare α2 al tijei 2. Astfel, introducând tubul cu tija într-un mediu cu o anumită temperatură, tija se va dilata şi valoarea temperaturii se va putea citi pe scala aparatului. Efectul de dilatare menţionat se obţine dacă de exemplu tubul este din porţelan, iar tija din aluminiu.

31

Fig. 2.4 Termometru bimetalic cu teacă In fig. 2.5 este reprezentată o lamă bimetalică care este constituită din două lamele sudate l şi 2, realizate din metale cu coeficienţi de dilatare diferiţi α1 şi α2 . Lama este încastrată la unul din capete şi este orizontală, la o temperatură θ0 (poziţia punctată). Dacă lama este încălzită la o temperatură θ > θ0 lama se îndoaie, deoarece lama 2 se alungeşte mai mult decât lama 1. Pe acest principiu se bazează termometrul cu lamela bimetalică: dacă termometrul este încălzit, lama va tinde să se îndrepte, capătul liber se va ridica. Deplasarea capătului liber este proporţională cu temperatura, de aceea de acest capăt se fixează acul indicator.

Fig. 2.5 Termometru cu lamelă bimetalică 2.5.3 Termometre manometrice Principiul de funcţionare al termometrelor manometrice se bazează pe variaţia cu temperatura a presiunii lichidelor şi gazelor închise în incinte de volum constant care în funcţie de fluidul de lucru pot fi:

32

- termometre manometrice lichide; - termometre manometrice cu gaz. Acestea au construcţii identice şi diferă numai fluidul de umplere (gaz sau lichid).

Fig. 2.6 Termometru manometric cu traductor tip Bourbon Termometrul manometric este compus dintr-un cartuş termic ce reprezintă un balon (de aproximativ 10-15 cm2 ) care comunica printr-un tub capilar, cu traductorul manometric. Traductorul de presiune poate fi un traductor de tub Bourbon (fig. 2.6) sau un traductor cu membrană. Cartuşul termic, tubular capilar şi traductorul sunt umplute cu un fluid sub presiune (fig. 2.7).

Fig. 2.7 Termometru manometric cu traductor cu membrană

33

Termometrul manometric cu gaz este umplut, de obicei, cu azot sub presiune, iar cartuşul termic se introduce în mediul a cărui temperatură trebuie măsurată. In cazul gazelor ideale, dacă volumul V al incintei este constant şi masa gazului din incinta este M, atunci conform legii gazelor perfecte, presiunea este proporţională cu temperatura θ. Astfel, în cazul termometrului din fig. 2.7, daca fluidul 4 este un gaz, presiunea acestuia va creşte cu creşterea temperaturi θ. Aceasta presiune va acţiona asupra membranei 5, a traductorului de presiune. Membrana va strânge resortul 6 şi va deplasa, acul indicator 7. Pe scala aparatului se citeşte în dreptul acului indicator valoarea temperaturii θ. Aceste termometre manometrice se utilizează pentru măsurarea temperaturilor între -200 °C şi +500 °C. Termometrul manometric cu lichid este umplut de obicei cu mercur. Fluidul de umplere, fiind lichid sub presiune, prin încălzirea cartuşului termic la temperatura θ, lichidul se dilată şi presiunea fluidului creşte. Aceasta creştere a presiunii, care este funcţie de temperatură, duce la deplasarea acului indicator 7, ca şi în cazul termometrului manometric cu gaz. Termometrele manometrice cu lichid se utilizează pentru măsurarea temperaturilor între -80 °C şi +300 °C, gama de măsurare a temperaturii depinzând de lichidul de umplere. 2.5.4 Termometre cu rezistenţă (termorezistenţe) Principiul de funcţionare al termorezistenţelor se bazează pe proprietatea unor conductoare de a-şi modifica rezistivitatea electrică la modificarea temperaturii mediului în care se găsesc. Materialele din care se confecţionează termorezistenţele trebuie să-şi păstreze în timp proprietăţile fizico-chimice, iar coeficientul de variaţie a rezistivităţii electrice funcţie de temperatură să fie cât mai mare, la rândul ei - variaţia rezistivităţii funcţie de temperatură să fie cât mai liniară etc.

34

Cel mai des, la confecţionarea termorezistenţelor, sunt utilizate materiale ca: platina, cuprul, nichelul şi fierul; cele mai performante termorezistenţe sunt executate din platină sau cupru. Termorezistenţele din platină se folosesc de obicei pentru măsurări de precizie, pe când, pentru măsurările obişnuite, se folosesc termorezistenţe din cupru. Termorezistenţele din cupru se utilizează pentru domenii mici de variaţie a temperaturii (-200 °C şi +150 °C). Pentru domeniul de variaţie a temperaturii mai mari (-200 °C şi +550 °C) se utilizează termorezistenţe din platină.

Fig. 2.8 Variaţia indicelui Rθ/R0 pentru diverse metale în funcţie de temperatură Constructiv (fig. 2.9), termorezistenţele sunt alcătuite dintr-o înfăşurare de fire sau benzi l, executate pe un suport izolator din punct de vedere electric 2 (ceramică, mică). Această înfăşurare se acoperă cu un strat izolant 3 şi se introduce într-un tub de protecţie 4, confecţionat din cupru sau oţel. In cazul în care termorezistenţele sunt destinate măsurării unor temperaturi joase, tubul de protecţie este etanş şi uneori umplut cu gaz sub presiune - un bun conducător de căldura sau cu parafină. Gazul sau parafina servesc la reducerea rezistentei termice care ar exista la transmiterea căldurii dintre mediu şi

35

înfăşurarea 1. La capetele termorezistenţei se sudează fire din acelaşi material ca şi spirele înfăşurării, care se aduc la o cutie cu borne.

Fig. 2.9 Termometru cu termorezistenţă Termistoarele sunt termorezistenţe care folosesc materiale semiconductoare în locul spirelor din cupru sau platină etc. ce constituiau înfăşurarea termosensibilă a termorezistenţelor. Spre deosebire de termorezistenţe, termistoarele sunt rezistente cu coeficienţi negativi de variaţie a rezistivităţii cu temperatura. Rezistenţa termistorului scade cu creşterea temperaturii.

Fig. 2.10 Variaţia cu temperatura a rezistenţei electrice a unui termistor Termistoarele au coeficienţi mari de variaţie a rezistenţei electrice cu temperatura. Modificarea cu un grad a temperaturii produce o variaţie a rezistenţei de 3 % din

36

rezistenţa termistorului. Această sensibilitate mare face să fie utilizate pentru măsurări de precizie. Rezistivitatea mare a semiconductoarelor face posibilă utilizarea termistoarelor pentru măsurări la distanţe mari de aparatul indicator, deoarece rezistenţa conductoarelor de legătură este neglijabilă. Sunt utilizate pentru măsurarea temperaturii între -80 °C şi +600 °C. Un dezavantaj al termistoarelor îl reprezintă caracterul neliniar al caracteristicii sale care limitează utilizarea lor în domenii largi de măsurare a temperaturilor, servind în special pentru compensarea influentei temperaturii unor elemente de circuit în montajele electronice de măsurat. 2.5.5 Termometre cu termocupluri Termocuplurile se bazează pe proprietatea pe care o au două metale diferite sudate între ele, de a produce o tensiune electrică, când capetele sudate se găsesc la temperaturi diferite. Tensiunea electrică rezultată poartă denumirea de tensiune electromotoare şi depinde de diferenţa de temperatură între cele două capete şi de un coeficient specific metalelor care alcătuiesc termocuplul. Conductoarele din materiale diferite care alcătuiesc termocuplul se numesc termoelectrozi. Termoelectrozii se confecţionează din metale şi aliaje ale acestora, tipul metalelor definind tipurile de termocupluri. Caracteristicile unor termocupluri se prezintă în fig. 2.11: - termocuplul fier-constantan (aliaj cu 57 % Cu şi 43% Ni) utilizat pentru măsurarea temperaturii între -200 °C şi +450 °C, tensiunea termoelectromotoare produsă la 450 °C fiind de aproximativ 30 mV; - termocuplul cromel-alumel (cromelul este aliaj cu 90% Ni şi 10% Cr, iar alumelul conţine 94% Ni, 3% Mn, 2% Al şi l % Si), utilizat în domeniul -50 °C şi +900 °C, tensiunea obţinută la 900 °C fiind de 37,36 mV; - termocuplul platin-rhodiu-platin (90'% Pt, 10% Rh), destinat măsurării temperaturii până la 1300 °C, iar la o funcţionare intermitentă, până la 1600 °C.

37

Fig. 2.11 Caracteristicile câtorva tipuri de termocupluri Pentru măsurarea continuă a temperaturilor se utilizează un ansamblu de măsurare (fig. 2.12) care este constituit dintr-un termocuplu şi un aparat indicator de tip magnetoelectric (de regulă un milivoltmetru). Acesta se conectează la bornele termocuplurilor prin intermediul unor conductoare de legătură. Conductoarele de legătură se confecţionează din aceleaşi materiale ca şi termocuplurile. In unele situaţii, conductoarele de legătură (cablurile de prelungire) se fac din alte materiale, cum ar fi aliajele cupru-nichel.

Fig. 2.12 Alcătuirea unui termocuplu In cazul măsurării temperaturii cu termocuplul, care se conectează la milivoltmetru, rezistenţa liniei şi rezistenţa aparatului de măsurare sunt factori importanţi. Deviaţia acului indicator depinde de intensitatea curentului care circula prin bobina

38

mobilă, iar acesta, de rezistenţa totală a circuitului electric şi de tensiunea termoelectromotoare obţinută la bornele termocuplului. Deoarece rezistenţa electrica a termocuplului creşte odată cu temperatura, se produce o eroare de măsurare, cu atât mai mare, cu cât rezistenţa exterioară aparatului indicator este mai mare în raport cu rezistenţa internă. Pentru reducerea erorilor de măsurare, în practică se utilizează milivoltmetre cu rezistenţa internă mare, iar rezistenţa exterioară se stabileşte la o anumită valoare. Această rezistenţă, denumită şi rezistenţă de egalizare, sau rezistenţă de linie, se intercalează pe conductorul pozitiv lângă milivoltmetru. Pentru măsurări practice se pot utiliza două scheme de conectare a termocuplurilor, şi anume : - conectarea diferenţială, în cazul când lipitura caldă şi rece sunt conectate la aparatul de măsură cu ajutorul unor conductori, aparatul măsurând diferenţa de temperatură între t1 şi t2, montaj care se foloseşte în cazul unor diferenţe mici de temperatură. Un capăt este introdus într-un mediu cu temperatură constantă (de referinţă) şi celălalt se pune în contact cu mediul de măsurat. Măsurând diferenţa de potenţial şi cunoscând caracteristicile de etalonare a termocuplului, se poate determina diferenţa de temperatură ; - conectarea la lipitura rece, în care caz termocuplul are o singură lipitură; bornele aparatului înlocuind pe cealaltă. Aparatul indică diferenţa de temperatură între lipitura termocuplului, pusă în contact cu mediul de măsurat şi bornele aparatului, care sunt la temperatura aerului înconjurător. Pentru a mări sensibilitatea de măsurare la diferenţe mici de temperaturi, se poate folosi montarea în serie a termocuplurilor (termobateria) cu mai multe lipituri calde şi reci, situate respectiv în zona de aceeaşi tempera-tură. Forţa termoelectromotoare a termobateriei creşte proporţional cu numărul de cupluri termoelectrice legate în serie. Forţa termoelectromotoare produsă de un

39

termocuplu este funcţie de diferenţa de temperatură şi mărimea temperaturii însăşi. Etalonarea termocuplurilor. Etalonarea termocuplurilor este operaţia de laborator prin care se stabileşte corelaţia între diferenţa de temperatură a sudurilor termocuplurilor şi parametrul electric măsurat (diferenţa de potenţial, curent), exprimându-se în °C/diviziune. Operaţia de etalonare se începe prin încălzirea uleiului până la o anumită temperatură t1 care reprezintă temperatura sudurii calde a termocuplului. Etalonarea propriu-zisă se face în timpul răcirii uleiului, măsurând temperatura în permanenţă. Prin etalonare se urmăreşte stabilirea unei curbe pentru un termocuplu Cu — Constantan, construit în laborator pentru măsurători de temperatura ale suprafeţelor elementelor de construcţie. Prin utilizarea termocuplurilor se pot obţine următoarele avantaje : - posibilitatea de a măsura temperatura suprafeţelor şi punctelor din solide; - determinarea temperaturilor în intervale foarte largi (până la 1600°C); - precizie foarte bună de ordinul sutimii de °C; - fineţe în măsurători, datorită dimensiunilor reduse ale dispozitivului de măsurare; - posibilitate de înregistrare automată a rezultatelor. 2.5.6 Pirometre de radiaţie Termenul de pirometrie derivă de la cuvântul grecesc piro, care înseamnă foc; noţiunea referindu-se la metodele de măsurare a temperaturii prin metode fără contact, pe baza legilor radiaţiei termice. Astfel, funcţionarea pirometrelor de radiaţie se bazează pe măsurarea energiei radiante emisă de corpurile încălzite. Avantajele măsurării temperaturii cu ajutorul pirometrelor de radiaţie sunt următoarele: - măsurarea temperaturii se face fără contact, deci fără

40

perturbarea mediului măsurat; - limita superioară de măsurare a temperaturii este teoretic nelimitată; 2.5.7 Termometrul digital Tensiunea termoelectromotoare care apare în circuit poate fi măsurată şi cu un aparat digital. Senzorul de temperatură este un termocuplu.

Acest aparat permite citirea temperaturii direct în 0C, 0F sau K.

Domeniul de măsurare pentru termocuplul digital este 200-18000C (depinde de tipul termocuplului) iar domeniul de tensiuni de la –10-75 mV.

Fig. 2.13 Termometru digital 2.5.8 Termografia în infraroşu Termografia în infraroşu (IR) reprezintă o tehnologie modernă de teledetecţie şi telemăsurare a temperaturii suprafeţelor aflate în stare de repaos sau de mişcare, bazată pe fenomenele de emisie şi absorbţie a radiaţiilor infraroşii. Instrumentele de teledetecţie transformă imagini ale obiectelor din spectrul radiaţiilor invizibile în imagini vizibile în alb-negru sau color. Aşa cum se observă în fig. 2.14, un sistem de termoviziune este alcătuit din camera IR şi dispozitivele aferente:

41

Fig. 2.14 Sistemul de termoviziune

- sistem de receptare a imaginilor termice – camera IR; - sistem de prelucrare a imaginilor termice – calculator cu program specializat. Imaginea în infraroşu (termografia) a unui obiect este imaginea termică a obiectului. Fiecare punct din imaginea fotografică are un punct corespondent în imaginea termografică. Culorile indică valoarea temperaturii conform legendei, culorile deschise reprezintă temperaturi înalte, culorile închise temperaturi joase.

Softul aferent instrumentului, permite vizualizarea imaginii termice, determinarea temperaturilor pe suprafaţa scanată, indicarea valorilor de maxim, minim, medie, într-o zonă de interes, şi reprezentarea grafică a valorilor temperaturii.

42

Fig. 2.15 Grafic şi imagini termografice obţinute cu o camera IR: a- profil de temperatura; b- imagine fotografica; c- imagine IR 2.6 MĂSURAREA TEMPERATURII

Pentru măsurarea temperaturii se recurge la un corp termometric ale cărui proprietăţi fizice variază cu temperatura prezentate in cap. 2.5. Indicarea temperaturii se obţine prin stabilirea echilibrului termodinamic între corpul al cărui temperatură se doreşte a fi stabilită şi corpul termometric, stare în care, transferul de căldură dintre acestea se anulează.

Metodele şi aparatele folosite pentru măsurarea temperaturii se clasifică în funcţie de proprietatea fizică a corpului termometric utilizată în acest scop. In general, se foloseşte variaţia următoarelor proprietăţi fizice ale

43

materialelor sau corpurilor termometrice funcţie de temperatură:

- variaţia dimensiunilor liniare ale unor corpuri solide cu temperatura (termometre cu tub şi tijă, termometre cu lamă bimetalică);

- variaţia volumului funcţie de temperatură a unor lichide în tuburi capilare (termometre cu lichid);

- variaţia presiunii funcţie de temperatură a unor vapori, gaze sau lichide aflate într-un volum închis (termometre manometrice);

- variaţia funcţie de temperatură a rezistenţei electrice a unor conductoare (termorezistenţe) şi semiconductoare (termistoare) (traductoare termorezistive);

- apariţia unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) la capetele libere a două conductoare diferite, sudate între ele, când sudura se află la temperatura de măsurat iar capetele libere la o temperatură cunoscută şi constantă (termocupluri);

- acţiunea termică şi distribuţia spectrală a energiei radiate de un corp încălzit (pirometre optice cu radiaţie totală, pirometre optice cu benzi de radiaţie, pirometre spectrale şi pirometre cu dispersie sau de culoare);

- alte metode bazate pe variaţia proprietăţilor fizice şi chimice ale corpurilor.

In general, aparatele care servesc pentru măsurarea temperaturilor sub 660oC - se numesc termometre, iar peste 660oC - pirometre.

2.6.1. Măsurarea temperaturii atmosferice Conform standardelor OMM cuprinse în Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, măsurarea temperaturii aerului se realizează cu

44

termometre clasice sau senzori speciali. In general, instrumentele de măsurare a temperaturii aerului sunt amplasate la înălţimea de 2 m faţă de suprafaţa solului. Pentru protejarea acestor instrumente şi în scopul obţinerii unor date fără erori, sunt utilizate adăposturi meteorologice special confecţionate care au rolul de ecrane de protecţie împotriva radiaţiei mediului înconjurător (soare, clădiri, drumuri asfaltate etc.). Adăpostul meteorologic este astfel conceput încât să permită libera circulaţie a aerului în jurul termometrului. Expunerea termometrelor şi amplasarea lor are de asemenea o importanţă determinantă. Radiaţia care provine de la soare, nori, pământ şi alte obiecte din mediul înconjurător trece prin aer fără a modifica în mod apreciabil temperatura aerului. Nu este şi cazul unui termometru, care expus liber aceleiaşi radiaţii, poate absorbi din aceasta o cantitate importantă. Astfel, temperatura unui termometru expus liber radiaţiei mediului înconjurător poate diferi de temperatura reală a aerului la umbra, diferenţa dintre acestea depinzând de intensitatea radiaţiei şi de raportul dintre radiaţia absorbită şi căldura cedată de către termometru. 2.6.2 Măsurarea temperaturilor în încăperi Următoarele tipuri de temperaturi interioare sunt necesare în proiectare şi analiza higrotermică a comportării clădirilor: - temperatura aerului interior; - temperatura suprafeţei interioare (superficială) a elementelor de construcţie; - temperatura medie radiantă; - temperatura rezultantă. 1. Măsurarea temperaturii aerului interior Temperatura aerului dintr-o încăpere prezintă valori diferite de la punct la punct, tavanul fiind de regulă mai cald decât pardoseala. Există de asemenea diferenţe mari cauzate de elementele de încălzire, ferestre, infiltraţiile de aer rece din

45

exterior etc. Astfel, se poate vorbi fie de temperatura dintr-un punct, fie de temperatura medie a aerului din încăpere. Amplasarea senzorilor de măsurare a parametrilor de confort ai unei ambianţe se face, de regulă, în centrul încăperii, la diverse înălţimi indicate în tab. 2.2 Tab. 2.2

Înălţimi recomandate (m)

Coeficienţi de pondere a valorilor măsurate pentru

calculul valorilor medii Poziţia senzorilor

Aşezat Ortostatism Ambianţă omogenă

Ambianţă neomogenă

Nivelul capului

1,1 1,7 - 1

Nivelul abdomenului

0,6 1,1 1 1

Nivelul gleznelor

0,1 0,1 - 1

La măsurarea temperaturii aerului se pot utiliza următoarele tipuri de senzori de temperatură: - termometru cu dilatare de lichid sau cu dilatare de solid; - termometru cu rezistenţă electrică; - termocuplu. Domeniul de măsurare al aparatelor trebuie să fie cuprins între 10 şi 30°C cu o precizie de ±0,2°C. La măsurarea temperaturii aerului, senzorul trebuie să fie protejat împotriva influenţei radiaţiei termice provenite din vecinătăţi (de ex. pereţi calzi sau reci, soare). Tipurile de protecţie utilizate curent sunt: - acoperirea senzorului cu o vopsea reflectantă ; - lustruirea senzorului, în cazul celor metalici; - interpunerea unor ecrane reflectante între pereţi şi senzorul de temperatură.

Datorită inerţiei termice a senzorilor de temperatură, se recomandă ca măsurarea să se efectueze într-un interval

46

de timp de cel puţin 1,5 ori timpul de răspuns al acestora. Pentru urmărirea variaţiei în timp a temperaturii aerului se pot folosi termometre de minimă şi maximă, pentru domeniul -40° +70°C şi termografe (fig. 2.16) pentru înregistrarea săptămânală a temperaturilor. Termohigrografele înregistrează simultan valorile temperaturii şi umidităţii aerului.

Fig. 2.16 Termograf cu tambur 2. Măsurarea temperaturii medii de radiaţie Temperatura medie de radiaţie se determină cu ajutorul temperaturii globului negru.

Termometrul cu glob negru este constituit dintr-o sferă neagră în centrul căreia este plasat un captator de temperatură (termometru cu mercur, termocuplu, termorezistenţă). Teoretic, diametrul sferei poate fi oarecare, dar se recomandă utilizarea unui diametru de 15 cm, pentru care relaţiile de calcul ale temperaturii medii de radiaţie sunt bine stabilite. Influenţa temperaturii şi vitezei aerului asupra preciziei măsurării este cu atât mai mare, cu cât diametrul sferei este mai mic.

Sfera trebuie să fie confecţionată dintr-un material foarte bun conducător de căldură şi suprafaţa sa trebuie să fie înnegrită, fie prin metode electrolitice, fie prin vopsire cu o vopsea neagră mată, astfel încât să fie

47

capabila să absoarbă radiaţia termică de la elementele delimitatoare ale încăperii. La măsurarea temperaturii cu globtermometrul trebuie să se aibă în vedere următoarele: - timpul de răspuns al unui globtermometru este de 20-30 minute, în funcţie de caracteristicile fizice ale sferei şi ale ambianţei termice; - pentru înregistrarea echilibrului termic trebuie efectuate citiri succesive; - datorită inerţiei termice mari, globtermometrul nu poate fi utilizat pentru determinarea temperaturii de radiaţie în ambianţe termice care variază rapid. 3. Măsurarea temperaturii suprafeţei interioare a elementelor de construcţie Măsurarea temperaturilor cu termocupluri. Pentru măsurarea temperaturilor suprafeţelor elementelor de construcţie in punctul ales se aplică lipitura caldă a termocuplului şi se presează cu un tampon de plută, timp de 2—3 min, până ce sudura se încălzeşte sau se răceşte, reflectând temperatura suprafeţei; în acest scop este necesar să se asigure un contact intim între termocuplu şi suprafaţa respectivă. Prin presarea termocuplului cu tamponul de plută se obţine, de fapt, o temperatură medie a suprafeţelor în contact. Cu cât durata de contact a tamponului cu peretele este mai mare, cu atât va reflecta în mai mare măsură temperatura suprafeţei elementului de construcţie. In cazul măsurătorilor de temperaturi cu termocupluri montate fix pe suprafaţa şi în interiorul elementelor de construcţie, precizia creşte datorită adaptării permanente la temperatura mediului. Reflectarea temperaturii de către termocuplu este cu atât mai buna, cu cât condiţiile termice la care este supus elementul de construcţie se apropie de regimul staţionar. Termocuplurile se pot dispune fie în aceeaşi secţiune orizontală, fie în secţiuni diferite. In cazul montării termocuplurilor, la execuţia peretelui se poate folosi

48

sistemul la care conductorul este orientat după direcţia izotermelor, ceea ce face ca termocuplul să reflecte fidel temperatura planului izoterm respectiv.

Fig. 2.17 Montarea termocuplurilor pentru măsurarea temperaturilor în elementele de construcţie: a- termocupluri

montate la execuţia peretelui; b- termocupluri montate după execuţie.

Pentru măsurători termice mai riguroase apare utila determinarea fluxului termic ce trece prin elementul de construcţie. Determinarea debitului termic Q poate fi realizată cu un dispozitiv termoflux (fig. 2.18), alcătuit dintr-un ansamblu de termocupluri montate în serie, astfel încât lipiturile să se succeadă pe cele două feţe ale unui material de grosime şi rezistenţă termică cunoscute şi constante. Forţele termoelectrice ale termocuplurilor se însumează. Diferenţa de temperatura pe feţele elementului de măsură pot fi citite cu ajutorul unui aparat mai puţin sensibil sau înregistrate automat. Dispozitivul se aplică pe suprafeţele elementelor de construcţie, sub formă de benzi mari (A = 0,5...1,0 m2 ), ceea ce permite împreună cu măsurătorile de temperaturi stabilirea parametrilor termici ai elementelor de construcţie.

49

Fig. 2.18 Sistem de achiziţii de date pe bază de dispozitiv

termoflux Izoterme, câmp termic şi curbe de temperatură. Cu ajutorul termocuplurilor se pot efectua măsurători privind câmpul termic la clădiri cu structuri din: beton armat, zidării, panouri mari de beton armat, faţade ventilate etc. Măsurătorile se pot efectua atât în condiţii de iarnă cât şi în condiţii de vară, la interior sau exterior, la pereţi, planşee sau acoperişuri. Prin trasarea curbelor izoterme şi vizualizarea câmpului termic se pot remarca zonele de mare permeabilitate termică, defecte ale termoizolaţiei, deficienţe de etanşeitate la apă şi aer. Aceste zone sunt caracterizate prin îndesirea izotermelor. Cunoscând comportarea termică în anumite condiţii staţionare de temperatură, se poate determina rezistenţa termică reală prin extrapolare pentru condiţiile normate de dimensionare termică, făcând comparaţia datelor obţinute cu cele din curbele de temperatură teoretice, corespunzătoare zonei climatice respective (fig. 2.19). Valorile practice ale temperaturilor obţinute la construcţii în exploatare pe baza trasării izotermelor şi a câmpului termic sunt necesare pentru verificarea condiţiilor reale privind regimul termic, condiţiile igienice şi pierderile de căldură la construcţiile cu structuri noi.

50

Fig. 2.19 Curba de temperatură la un perete din zidărie Cunoscându-se câmpul termic şi variaţia temperaturii

într-un plan vertical al elementului de construcţie, se poate determina rezistenţa termică minimă în zona punţii termice şi, pe această bază, coeficientul mediu de transmisie termică

Fig. 2.20 Schema de calcul a coeficientului

mediu de transmisie termică

51

Determinarea rezistenţei minime la transmisia termică totală în zona punţii şi respectiv coeficientul maxim de transmisie termică se poate obţine cu ajutorul expresiei: Rmin = 1/Kmax = (Ti – Te)/(Ti –Ti min ) αi

Cunoscând Rmax şi respectiv Kmin în secţiunea curentă, exterioară zonei de influenţă a punţilor, se calculează coeficientul Kmed care poate fi luat în considerare la calculul pierderilor de căldură la aceste structuri, pe baza relaţiei : Q = [Sp Kmed + (S – Sp ) Kmin ] ∆t în care : S este suprafaţa totală a elementului de construcţie, m2 ; Sp - suprafaţa zonei punţii termice, calculată pe baza lăţimii de influenţă bi şi a lungimii l a punţii, în m2 ; Kmed şi Kmin - coeficienţii de transmisie termică totală în zona de influenţă a punţii şi în secţiunea curentă, în W/m2 °C; ∆t căderea de temperatură conform condiţiilor de exploatare a clădirilor şi zonelor climatice din România, în °C.

Măsurarea temperaturilor cu termometrul digital de contact Termometrul digital de contact are ca element de măsură un termocuplu şi este folosit pentru determinarea câmpului

Fig. 2.21 Aparat multifuncţional,inclusiv termometru digital de contact

52

de temperaturi pe suprafeţele elementelor de construcţie prin măsurarea directă a temperaturilor în diferite puncte.

Măsurarea temperaturii cu termograful IR Metodologia este o procedură eficientă pentru detectarea neregularităţilor termice ale elementelor de construcţie care alcătuiesc anvelopa. Metoda este utilizată pentru identificarea neomogenităţilor proprietăţilor termice, inclusiv prezenta unor surse de căldura şi etanşeitatea la aer a componentelor care alcătuiesc anvelopa clădirilor. Neregularităţile proprietăţilor termice ale părţilor constituente ale anvelopei unei clădiri au ca rezultat neuniformităţi ale temperaturii pe suprafeţele anvelopei, în acest fel, prin cunoaşterea distribuţiei temperaturii pe suprafaţa anvelopei se poate evalua structura şi poziţia punţilor termice. I n mod normal aceste elemente se pot defini pe baza proiectului clădirii, în condiţiile din proiect, dar sunt dificil de evaluat în condiţii reale, ţinând cont de calitatea execuţiei, îmbătrânirea şi degradarea calităţii materialelor sau în lipsa proiectului de execuţie al clădirii. Se condiţionează existenţa unui regim termic şi aeraulic care poate fi asimilat regimului staţionar de transfer de căldură şi masă: - Diferenţa de temperatură de pe feţele anvelopei trebuie să

fie de minim 15°C ca să permită detecţia neregularităţilor termice;

- Variaţia (pe durata înregistrărilor) a temperaturii aerului interior şi exterior să fie sub 2°C;

- Anvelopa să nu fie expusă la radiaţia solară directă; - Viteza vântului să fie sub 2 m/s. Efectuarea înregistrării se desfăşoară astfel: 1. Informaţiile care trebuie să fie înregistrate sunt cele

referitoare la temperatura aerului exterior, nebulozitate, precipitaţii şi orice umiditate în exteriorul anvelopei clădirii, cât şi condiţiile de vânt. De asemenea, se notează orientarea clădirii în raport cu punctele cardinale.

2. Trebuie să fie determinate cu o precizie de ±1°C temperaturile aerului interior şi exterior, înainte de

53

începerea înregistrărilor. Se recomandă măsurarea cu o precizie de ±2 Pa pe faţa expusă la vânt şi opusă vântului la nivelul fiecărui etaj. Se înregistrează valorile constatate. Se identifică direcţia diferenţei de presiune prin secţiunea anvelopei clădirii şi poziţia planului neutru, dacă există.

Examinarea trebuie să înceapă cu efectuarea unei încercări preliminare pe suprafaţa anvelopei. Se studiază în detaliu părţi ale suprafeţei care prezintă interes special sau zone care prezintă anomalii. Trebuie să fie înregistrate termograme ale părţilor selectate ale anvelopei investigate (părţi care nu prezintă defecte cât şi părţi în care se bănuieşte prezenţa defectelor de construcţie). Pentru a decide dacă o variaţie a radiaţiei de la suprafaţa implicată se datorează reflexiei de la o altă suprafaţă este cel mai bine să se studieze suprafaţa din diferite poziţii pentru că, în general, reflexia se va modifica cu poziţia. Poziţiile părţilor reprezentate în termograme trebuie să fie indicate pe un plan sau schiţă a clădirii.

Domeniile principale de utilizare a termografiei IR în construcţii sunt: - vizualizarea câmpului de temperaturi pe suprafaţa anvelopei; - localizarea punţilor termice; - identificarea imperfecţiunilor în izolaţia termică; - localizarea zonelor neetanşe ale pereţilor acoperişurilor, uşilor şi ferestrelor clădirii prin care au loc pierderi suplimentare de căldură; - depistarea infiltraţiilor de apă sau de aer prin acoperişuri şi alte părţi ale anvelopei; - ca mijloc auxiliar important pentru expertizarea şi certificarea energetică a clădirilor şi a reţelelor exterioare de furnizare a căldurii.

54

Fig.

2.2

2 Fa

ctor

ii ca

re in

fluenţe

ază

măs

ură

tori

le in

IR

55

LUCRAREA N°1 Denumirea lucrării

Măsurarea temperaturii aerului şi suprafeţelor cu diverse tipuri de instrumente

Cuprinsul lucrării

1. măsurarea temperaturii aerului în diverse puncte ale laboratorului de fizica construcţiilor cu ajutorul unui termometru clasic cu mercur şi cu un termometru digital; 2. măsurarea temperaturii pe suprafaţă în diverse puncte ale laboratorului de fizica construcţiilor cu ajutorul unui termometru digital; 3. determinarea diferenţelor de temperatură ce apar pe suprafaţa pereţilor laboratorului de fizica construcţiilor cu ajutorul unei camere în infraroşu şi localizarea punţilor termice.

1. Măsurarea temperaturii aerului

1.1 Aparatura şi materiale necesare:

termometrul cu alcool termometrul digital

1.2 Modul

de lucru

Funcţionarea termometrului digital este simplă el având doar trei butoane de comandă: pentru deschidere, pentru închidere şi pentru alegerea scării de temperatura în care să se facă afişarea valorii temperaturii Celsius respectiv Fahrenheit. In timpul utilizării celor două tipuri de instrumente trebuie avut grijă să nu se atingă elementele sensibile la variaţia temperaturii adică rezervorul cu alcool al termometrului clasic, respectiv tija metalică a termometrului digital. Se vor citi indicaţiile termometrelor, se vor nota în tabelul de mai jos şi se vor compara valorile temperaturii aerului în diverse zone:

56

Loca

lizar

ea p

un

ctu

lui

de m

ăsu

ră

T ref î

n c

entr

ul

geom

etri

c al

săl

ii

T la

niv

elu

l pla

nşe

ulu

i

T la

niv

elu

l par

dose

lii

T lâ

ngă

per

etel

e in

teri

or a

l săl

ii

T lâ

ngă

per

etel

e ex

teri

or a

l săl

ii

T în

tre

geam

uri

le

fere

stre

i

T (ºC) Δ T= Tref –T (ºC)

1.3 Interpretarea rezultatelor

Temperatura de referinţă se consideră a fi cea din centrul geometric al încăperii. Se constată că există o neuniformitate termică destul de mare în interiorul camerei, temperatura aerului crescând de jos în sus şi de la peretele exterior spre peretele interior.

2. Măsurarea temperaturii suprafeţelor pereţilor încăperii 2.1 Aparatură şi materiale necesare:

termometrul de contact digital pentru determinarea temperaturii pe suprafaţă

2.2 Modul de lucru

Se deschide instrumentul de la butonul ON. Tija (elementul sensibil la variaţia temperaturii) ataşată aparatului se aduce în contact cu suprafaţa a cărei temperatură dorim să o

57

determinăm. Se aşteaptă câteva minute până se obţine o stabilizare relativă a indicaţiei aparatului şi se notează în tabelul de mai jos. Instrumentul are în dotare şi un datalloger astfel că se pot memora valorile. De asemenea poate fi programat să memoreze datele pe o perioadă şi după o eşantionare dinainte stabilită. Panoul de comanda al instrumentului este completat cu câteva butoane care controlează funcţiile datallogerului.


Temperatura de referinţă se consideră a fi cea din centrul geometric al peretelui interior. Se constată că există o neuniformitate termică destul de mare pe suprafeţele din interiorul camerei. Este de dorit ca aceste diferenţe să fie cât mai mici întrucât generează disconfort termic. Acest lucru se poate realiza doar dacă anvelopa clădirii este bine izolată termic.

3. Determinarea diferenţelor de temperatură pe suprafaţă cu ajutorul termoviziunii în infraroşu 3.1 Aparatură şi materiale necesare:

Camera de luat vederi (termoviziune) în infraroşu

3.2 Modul de lucru

Modul de utilizare este asemănător cu cel al unui aparat de fotografiat. Adică după apăsarea tastei ON, se scanează ţinta şi se alege zona de interes, se focalizează, se apasă butonul de înregistrare având grijă să se evite pe cât posibil tremurul mâinii. Imaginea obţinută se descarcă pe un calculator şi cu ajutorul unui soft adecvat se extrag informaţiile dorite.

58

Datele de intrare pentru soft sunt: temperatura atmosferică, distanţa dintre obiectul scanat şi operator, emisivitatea materialului scanat. Datele de ieşire sunt temperatura în oricare punct, temperatura minimă, maximă şi media temperaturilor din zona scanată, grafice de variaţie a temperaturii.

Figura ilustrează imaginea faţadei unui bloc obţinută în spectrul vizibil şi aceeaşi faţadă văzută în spectrul infraroşu. Imaginea în IR este o distribuţie de culori după temperaturile din zona scanată. Conform legendei din dreapta figurii, temperaturile joase sunt marcate în culori închise, temperaturile înalte sunt marcate în culori deschise. Se vor vizualiza comparativ zonele de intersecţie a pereţilor interiori cu planşeul şi zonele de punte termică de la intersecţia peretelui exterior, interior şi planşeului, punţile termice date de prezenţa ferestrelor. Se completează tabelul de mai jos cu valorile temperaturilor citite cu camera IR

59

Loca

lizar

ea

pun

ctu

lui d

e măs

ură

T ref în

cen

tru

l geo

m.

pere

te in

ter.

T

la p

eret

e ex

t.

T

la

pere

teex

tlâ

ngă

toc

T

pe t

ocu

l fer

estr

ei

T

pe s

ticl

a fe

rest

rei

T

pe p

ard.

T (ºC) Δ T= Tref –T (ºC)


Temperatura de referinţă se consideră a fi cea din centrul geometric al peretelui interior. Se constată că există o neuniformitate termică destul de mare pe suprafeţele din interiorul camerei. Este de dorit ca aceste diferenţe să fie cât mai mici întrucât generează disconfort termic. Acest lucru se poate realiza doar dacă anvelopa clădirii este bine izolată termic. Camera în infraroşu, spre deosebire de termometrul de contact, va da o imagine de ansamblu asupra zonelor de punte termică şi a neetanşeităţilor ferestrei.

61

CAP. 3 MĂSURĂTORI ALE UMIDITĂŢII CONSTRUCŢIILOR

Studiul umidităţii în construcţii prezintă o importanţă deosebită. Sub formă de vapori, în stare lichidă sau solidă, apa intervine permanent la formarea materialelor, la executarea şi exploatarea construcţiilor. In mod practic, pentru majoritatea construcţiilor, umiditatea relativă a aerului din încăperi trebuie să fie cuprinsă în limitele :

Uri = 30% ... 70%. Pentru construcţii de locuinţe, valorile optime ale umidităţii aerului în funcţie de temperatură sunt: Uri = 55 % la temperatura aerului interior ti = 23°C; Uri = 65 % la temperatura aerului interior ti = 20°C. Prezenţa apei sub formă lichidă pe suprafaţa interioară şi în grosimea elementelor de construcţie, ca urmare a fenomenelor de condens, a infiltraţiilor din ape meteorice, sau din exploatări necorespunzătoare ale instalaţiilor de apă conduce la umezirea excesivă (igrasie) ce nu poate fi acceptată în practica construcţiilor. Materialele nu sunt niciodată perfect uscate în stare normală, cu excepţia materialelor foarte dense. Pentru materialele din care sunt alcătuite elementele de construcţie, în condiţii de exploatare, se stabilesc umidităţi de echilibru în raport cu umiditatea relativă şi temperatura aerului. Variaţia umidităţii produce modificări importante ale caracteristicilor materialelor care alcătuiesc elementele de construcţie. La variaţii mari de umiditate se produc deformaţii vizibile, fisuri, exfolieri. Fenomenele datorate variaţiei umidităţii se suprapun cu fenomenele datorate variaţiei de temperatură (dilatări sau contracţii). Practic,

62

starea de echilibru relativ este rezultanta acestor două fenomene simultane. Condensul şi îngheţul accelerează şi agravează aceste fenomene, conducând la degradări incompatibile cu exploatarea în continuare a construcţiei. Conductivitatea, căldura specifică şi masa specifică a materialelor sunt de asemenea influenţate de umiditate. Izolarea termică a materialelor scade, dacă umiditatea creşte, cu valori ce nu pot fi neglijate în calculul termic al elementelor de construcţie. Acest fenomen se datorează faptului că, pe măsura umezirii materialelor, aerul din pori având o conductivitate termică redusă (λ = 0,02 kcal/mh°C) este înlocuit de apă cu conductivitatea termică mai mare (λ = 0,49 kcal/mh°C). Apa influenţează schimbul de căldură prin fenomenele de conducţie şi de evaporare-condensare din masa materialului contribuind la amplificarea conducţiei termice aparente. Unele metale, deşi nehigroscopice, sunt susceptibile de a fi degradate datorită umidităţii, prin fenomenul de coroziune. Intre construcţie - ca ansamblu complex cu diferite funcţii, alcătuit din materiale sensibile la acţiunea variată a apei - şi factorii climatici naturali şi tehnologici se stabileşte un echilibru higrotermic nestaţionar, a cărui cunoaştere şi dirijare trebuie asigurată de către inginerul constructor. Pe lângă analiza teoretică a fenomenului higrotermic apare utilă efectuarea măsurătorilor prin care să poată fi determinata umiditatea materialelor de construcţie şi a aerului interior şi exterior. Fenomenele fizice produse de umiditate pot fi însoţite şi de fenomene biologice. Astfel, pe suprafeţele umede se dezvoltă mucegaiuri, bacterii şi insecte, care contribuie la reducerea confortului in clădiri şi la degradarea lor. La fabricarea materialelor de construcţie şi la punerea lor în operă, procesul tehnologic poate cuprinde numeroase

63

faze umede, apa fiind necesară pentru plastifierea materiei prime (argilă etc.) sau pentru realizarea reacţiilor chimice (betoane etc.). Apa necesară tehnologic, care depăşeşte în general cantitatea ce intră în combinaţiile chimice sau care se degajă cu ocazia lor (de exemplu, la întărirea mortarelor de var aerian), se elimină lent şi cu atât mai puţin intens, cu cât umiditatea mediului ambiant este mai ridicată. În condiţii periodice ale regimului climatic interior şi exterior, se stabileşte umiditatea de echilibru între material şi aerul înconjurător, materialul reţinând o cantitate variabilă de apă liberă, care depinde de umiditatea ambiantă şi de caracteristicile sale fizice. Există numeroase posibilităţi pentru a determina, cu suficientă precizie, umiditatea probelor de material examinate în laborator. Metodele utilizate se bazează în principiu pe cântărire, măsurarea unor proprietăţi electrice care variază cu umiditatea, folosind drept traductor materialul care constituie elementul de construcţie sau probe din materiale higroscopice înglobate în construcţie. 3.1 UMIDITATEA AERULUI Aerul poate conţine apă într-una sau în mai multe faze: gazoasă (vapori), lichidă (picături) şi uneori solidă (fulgi). Presiunea atmosferică totală (PA) este suma presiunilor parţiale ale gazelor componente (pi) şi vaporilor de apă (pv ): PA = Σ pi + pv

Presiunile se măsoară în Pascali (Pa): 1 Pa = 1 N/m2

Presiunea vaporilor de apă. La suprafaţa apei (aflată în stare lichidă sau solidă) sunt expulzate permanent molecule de apă, datorită agitaţiei moleculare. Astfel, pe această suprafaţă se formează o pătură de vapori.

64

Dacă stratul de vapori nu este antrenat în aerul în mişcare, se atinge starea de saturaţie în care faza gazoasă este în echilibru stabil cu faza lichidă sau solidă a apei, numărul moleculelor de apă ce trec în atmosferă fiind egal cu acela care o părăsesc prin condensare. Se realizează în această situaţie egalitatea între presiunea sau tensiunea de vaporizare a apei şi presiunea vaporilor de apă din atmosferă. Presiunea de saturaţie a vaporilor ps denumită uneori şi tensiune sau presiune maximă, exprimată în mod uzual prin înălţimea unei coloane de mercur (mm Hg), depinde numai de temperatura aerului şi creşte repede cu temperatura. Starea de saturaţie se poate deci produce fie prin mărirea concentraţiei de vapori de apă în aerul de temperatură dată, fie prin coborârea temperaturii aerului, având un conţinut dat de vapori. Presiunea efectivă a vaporilor de apă este presiunea parţială a vaporilor de apă pv din aerul umed. Presiunea aerului şi prezenţa altor gaze nu influenţează presiunea vaporilor de apă. Aerul umed este un amestec de vapori de apă şi aer uscat, care se comportă independent potrivit legii lui Dalton, având fiecare o presiune parţială ce nu se influenţează în volumul respectiv. Procesul de trecere al apei din faza gazoasă în faza lichidă are loc prin condens, atunci când coborârea temperaturii sau mărirea concentraţiei vaporilor determină atingerea presiunii de saturaţie. Punctul de rouă τ în °C, al aerului umed, având un anumit raport de amestec (gvapori/gaer), este temperatura la care trebuie răcit aerul, cu păstrarea aceluiaşi raport de amestec, pentru ca el să devină saturat.

65

Fig. 3.1 Condensul pe suprafaţă Umiditatea absolută a aerului sau concentraţia vaporilor Ua , în g/m3, este dată de relaţia: U a = m v /V în care: mv este masa vaporilor de apă, în g; V - volumul aerului umed care conţine vapori, în m3. Umiditatea relativă (procentuală) a aerului umed Ur , în %, la temperatura t se exprimă prin relaţiile : Ur =100 pv/ps Ur = 100 Ua/Um

în care: Um este umiditatea maximă posibilă, corespunzătoare stării de saturaţie; Pv - presiunea efectivă a vaporilor de apă; Ps - presiunea de saturaţie. Cantitatea de vapori de apă din aer se poate stabili cu ajutorul mai multor expresii: - conţinutul de vapori X = mv / (ma + mv) (kgvap / kgaer umed) - concentraţia vaporilor c = mv / ma (kgvap / kgaer uscat) - umiditatea absolută Ua = mv / Va (kgvap / m3aer) unde: mv - masa vaporilor de apă; ma – masa aerului uscat; Va – volumul total de aer.

66

Prezenţa vaporilor de apă în aer mai poate fi caracterizată prin umiditatea relativă a aerului (φ), definită prin raportul între presiunile parţială şi de saturaţie: φ = pv 100/pvs

Fig. 3.2 Umiditatea aerului 3.1.1 Măsurarea umidităţii aerului Determinarea umidităţii aerului se efectuează pentru : - aprecierea posibilităţii de apariţie a condensului superficial, în cadrul exigentelor de igienă şi confort; - stabilirea parametrilor de calcul, necesari la dimensionarea elementelor de construcţie; - asigurarea condiţiilor de umiditate optimă depozitării şi punerii în operă a materialelor higroscopice (parchet, tâmplărie de lemn, mortar, BCA etc.); - executarea unor lucrări sensibile la variaţia umidităţii atmosferice (izolaţii hidrofuge etc.). Aparatele pentru măsurarea umidităţii se numesc higrometre, care pot fi de diferite tipuri. Se cunosc peste 16 metode diferite de măsurare a umidităţii aerului. In raport cu necesităţile şi condiţiile de determinare, în construcţii se folosesc metodele descrise mai jos. 3.1.1.1 Metoda absorbţiei determină cantitatea de vapori de apă absorbită de către o substanţă

67

higroscopică, prin care a circulat un volum determinat de aer umed. 3.1.1.2 Metoda psihrometrică foloseşte diferenţa temperaturilor indicate de două termometre, unul uscat şi altul umed, ţinând seama de faptul că această diferenţă este dependentă de umiditatea aerului. Termometrul umed trebuie să aibă rezervorul în permanenţă înconjurat de o peliculă de apă. Pentru aceasta, rezervorul este îmbrăcat cu o ţesătură îmbibată cu apă. Se citeşte temperatura termometrului umed, adică temperatura de echilibru în timpul evaporării apei de pe bulb. Temperatura termometrului umed depinde de viteza aerului şi de umiditatea aceştia. Termometrul uscat măsoară temperatura aerului, cu condiţia ca bulbul său să nu fie influenţat prin radiaţii termice de suprafeţele corpurilor învecinate.

Fig. 3.3 Psihrometrul Asmann Psihrometrele pot fi dotate, sau nu, cu ventilator pentru a activa mişcarea aerului, respectiv evaporarea apei. Cel mai frecvent se foloseşte psihrometrul cu aspirator, ventilatorul fiind acţionat de un arc.

Rezultatele obţinute prin această metodă permit aprecierea umidităţii cu erori sub ± 1% până la t = 40°C;

68

metoda poate fi aplicată, deşi cu precizie scăzută, până la t = 100°C. 3.1.1.3 Higrometrul cu fir de păr. Acest aparat este foarte des întâlnit, datorită comodităţii în exploatare şi faptului că permite înregistrarea continuă a valorilor umidităţii printr-un dispozitiv simplu. Precizia obţinută, ± 3...5%, este suficientă pentru determinările tehnice, cu condiţia ca etalonarea lor să fie revăzută din timp în timp. Aparatele de acest fel se bazează pe proprietatea firului de păr uman degresat de a se lungi când creşte umiditatea.

Fig. 3.4 Termohigrograf cu tambur Figura 3.4 reprezintă fotografia unui aparat prevăzut cu dispozitiv de înregistrare pentru umidităţi şi temperaturi, denumit termohigrograf. 3.1.1.4 Metoda măsurării punctului de rouă cu higrometrul de LiCl. Construcţia acestui tip de higrometru se bazează pe faptul că soluţia de clorură de litiu umedă, spre deosebire de cea uscată, conduce curentul electric. Clorură de litiu este dispusă între doi electrozi inoxidabili şi absoarbe apa din atmosferă. Cât timp clorura de litiu se menţine umedă, curentul circulă prin ea şi o încălzeşte până la temperatura la care presiunea vaporilor de apă din material devine egală cu presiunea vaporilor de apă din atmosfera înconjurătoare.

69

Începând cu acest moment, temperatura rămâne constantă şi este denumită temperatură de inversiune, iar materialul începe a se usca. 3.2 UMIDITATEA MATERIALELOR Apa se poate găsi în materiale, sub următoarele forme : - apa de constituţie, legată prin combinaţii chimice în moleculele materialelor ; - apa de structură sau hidratare, care participă la cristalizarea unor materiale ; - apa higroscopică, absorbită sau adsorbită de materiale, sub formă capilară. Materialele poroase conţin goluri de aer, aceste goluri fiind susceptibile sau nu de a conţine gaze sau lichide. Structura scheletului materialelor poroase poate fi, nedeformabilă şi consolidată sau evolutivă în funcţie de acţiunea pe care o pot avea compuşii fizico-chimici situaţi în goluri sau în materialul scheletului. Golurile acestor materiale sunt în general denumite pori sau celule comunicând sau nu între ele. Marea majoritate a materialelor de construcţii se consideră ca o structură poroasă sau celulară şi în particular o porozitate deschisă într-o structură consolidată. Structurile cu porozitate deschisă au în general particularitatea de acumulare a umidităţii, corespunzătoare a trei tipuri de mecanisme: - adsorbţia vaporilor de apă din aer; - capilaritatea în contact cu apa; - condensarea prin saturarea vaporilor de apa. Cantitatea de umiditate acumulată în aceste materiale poroase este legată de: - natura constituenţilor materialului scheletului; - densitatea, forma, dimensiunile şi organizarea porilor în material; - interacţiunile fizico-chimice între diferitele faze: solidă/ lichidă/ gazoasă;

70

- condiţiile termodinamice aplicate materialului (presiuni, temperaturi). In cazul corpurilor eterogene, formate din fază solidă şi fază fluidă, se produc următoarele fenomene între faze: - absorbţia, adică difuzarea moleculelor fazei fluide în faza solidă; - adsorbţia, adică formarea pe faţa solidului a unei pelicule de molecule din faza fluidă, legată de faza solidă prin forţe van der Waals; adsorbţia este însoţită de o degajare de căldură, al cărui ordin de mărime este identic cu acela al căldurii latente de vaporizare. Fenomenul de adsorbţie se produce pe toată suprafaţa porilor deschişi; - sorbţia, adică ansamblul fenomenelor de absorbţie şi adsorbţie; - desorbţie, adică inversul fenomenelor de sorbţie; - chemosorbţia se deosebeşte de sorbţie, prin aceea că legătura apei cu faza solidă se realizează prin satisfacerea valenţelor, în cazul chemosorbţiei, căldura degajată este de ordinul de mărime al căldurii atomice de combinare chimică. In afară de aceste forme, apa mai poate fi prezentă prin reţinere, fără adeziune, în cavităţile materialelor, datorită infiltraţiilor din ploi sau ca urmare a fenomenelor de condens. Apa conţinută de material sub această formă se numeşte apa legată mecanic. Depunerea apei prin condens se produce la suprafaţa elementelor de construcţii, atunci când se atinge presiunea de saturaţie. In timpul iernii, datorită diferenţei de temperatură, presiunea efectivă a vaporilor de apă din aerul încăperilor este mai mare decât presiunea vaporilor din exterior. Datorită diferenţei de presiune, în pereţi are loc migraţia vaporilor către exterior. Deoarece temperatura pereţilor descreşte spre exterior se poate întâmpla ca, în anumite zone, vaporii să ajungă la presiunea de saturaţie şi să condenseze, umezind astfel materialul în masa elementelor de construcţie. Este important să se reţină faptul că

71

umezirea materialului poate începe, chiar dacă temperaturile nu coboară până la punctul de rouă, prin fenomenul de condensare capilară. 3.2.1 Conţinutul de apă Materialul poros prezintă în general trei faze: - o fază solidă, a structurii (sau scheletului) materialului; - o fază lichidă, adică apa conţinută în material (apa liberă sau apa absorbită); - o fază gazoasă, aerul umed din pori. Masa (mT) şi volumul total al materialului (VT) sunt exprimate prin:

mT = ms + ml + mg

VT = Vs + Vl + Vg Conţinutul de apă se exprimă în volume sau în masă de apă, prin relaţiile: - conţinutul volumic de apă: Ua = (Vl / VT) 100 = volumul de apă / volumul total - conţinutul masic de apă: Ug = (ml /ms ) 100 = masa de apă/masa materialului în stare uscată - conţinutul masic de vapori de apă: Uv = (mv / ms ) 100 = masa vaporilor de apă/masa materialului în stare uscată 3.2.2 Umiditatea de echilibru higroscopic. Majoritatea corpurilor capilar-poroase sunt higroscopice, între umiditatea acestora şi cea relativă a aerului existând o legătură permanentă. Materialul are proprietatea de a absorbi (sorbţie) vapori din atmosferă şi de a-i restitui (desorbţie) pentru a se menţine la umiditatea de echilibru cu mediul înconjurător. După atingerea umidităţii de echilibru higroscopic, materialul mai poate primi apă, dar acest proces poate avea

72

loc numai în contact cu apa în faza lichidă. Dacă se întrerupe contactul cu faza lichidă, materialul revine la umiditatea de echilibru prin uscare, dar se constată un fenomen de histerezis;

Fig. 3.5 Legătura între umiditatea materialelor şi umiditatea relativă a aerului: a - curbe de sorbţie; b – curba desorbţie 3.2.3 Umiditatea critică. Transferul capilar al apei în faza lichidă se face cu viteze mari, dacă există suficientă apă pentru asigurarea continuităţii acesteia în tuburile interne. Această particularitate poate fi evidenţiată când se depune o picătura de apă pe un corp poros. Pata umedă se extinde repede dar numai pe o anumită rază. Mai departe materialul rămâne aparent uscat. Umiditatea sub care transportul capilar în faza lichidă încetează, rămânând posibil numai prin migraţia vaporilor, se numeşte umiditate critică (Ucr). Umiditatea critică se determină observând momentul în care viteza de uscare a unei probe de material umed scade brusc. Din cauza acestei particularităţi viteza de umezire a elementelor de construcţie expuse contactului cu apa în fază lichidă este mult mai mare decât cea de uscare iar la umidităţi superioare celei critice umiditatea în material este practic uniformă. Umiditatea unui material este raportul între masa de apă libera conţinută şi masa materialului în stare uscată, calculat în procente, cu relaţia :

73

%Uga = 100 (mu – m0)/m0 = 100 ma/m0

în care: mu este masa materialului în stare umedă (masa iniţială), în g; m0 - masa materialului în stare uscată (în condiţii specificate de standarde), în g; ma - masa de apă, în g. In unele cazuri, umiditatea, denumită gravimetrică, se mai exprimă şi prin raportul:

%Ugr = 100 (mu – m0)/ mu = 100 ma/mu Umiditatea, denumită volumetrică, este exprimată în procente faţă de volumul materialului:

%Uv = 100 Va/Vm

în care : Va este volumul de apă din material; Vm - volumul materialului. Intre diferitele expresii de mai sus există relaţii de conversiune simple :

Uga = 100 Ug/(100-Ugr)

Ugr = 100 Uga/(100+Uga)

Uv = Ug / 1000

Ug = 1000 Uv /ρ în care: ρ este densitatea aparentă a materialului în stare umedă sau uscată, corespunzător modului în care s-a considerat Ugr sau Uga. Pentru indicarea masei de apă a materialului umed se consideră curent că partea de apă ma sau Va este numai

74

cantitatea de apă legată fizic şi mecanic, deci apa higroscopică şi apa ce staţionează în cavităţi. 3.2.4 Procesul de umezire şi uscare. Pătrunderea apei în corpuri este un fenomen complex, în decursul căruia se satisfac legăturile menţionate şi se echilibrează nivelurile de presiune, sub acţiunea simultană a câmpurilor de tensiune de adsorbţie şi de tensiune superficială a apei, a tendinţei de difuzie şi uneori a gravitaţiei. In general, procesul de egalizarea umidităţii durează zile întregi, şi chiar săptămâni. Procesul de umezire prin adsorbţie şi absorbţie a vaporilor durează atât timp cât presiunea parţială a vaporilor de apă din mediul înconjurător este mai mare decât presiunea de saturaţie, diminuată de forţele de legătură; dimpotrivă, materialul cedează apă sub formă de vapori, atunci când presiunea parţială a vaporilor de apă este sub această limită. 3.2.5 Izotermele de sorbţie şi desorbţie. Izotermele de sorbţie descriu această stare de echilibru (fig. 3.5) în abscisă este reprezentată umiditatea relativă a aerului iar în ordonată umiditatea materialului. Se observă că o curba pentru creşterea umidităţii nu este identică cu cea de cedare a apei şi că aceste curbe nu au o variaţie uniformă a pantei; procesul de umezire fiind mai puternic la umidităţile mici şi la cele foarte mari şi relativ mai puţin intens la umidităţi mijlocii. Cauza acestei variaţii se explică prin faptul că, la început, intră în joc forţele de legătură, care sunt mari pentru primele molecule depuse şi care scad treptat prin creşterea grosimii păturii de apă. Astfel scade şi creşterea umidităţii Uga în raport cu creşterea umidităţii relative a aerului Ur .

Când pătura de apă adsorbită devine atât de mare, încât să se poată realiza migraţia capilară a masei de apă, atunci în ultima parte a domeniului higroscopic Uga creşte repede.

75

Forţele de legătură depind de temperatură. Din această cauză, starea de echilibru a umidităţii unui material de-pinde şi ea de temperatură şi se poate exprima prin relaţia :

Uga = Ugo e-C/T

în care : Ugo este valoarea de referinţă a umidităţii independentă de temperatură ; T - temperatura absolută; C - constantă. 3.2.6. Măsurarea umidităţii materialelor Măsurarea umidităţii materialelor intervine frecvent în construcţii, de exemplu la: - dozarea agregatelor pentru betoane şi mortare; - recepţia produselor din lemn (parchet, tâmplărie); - montarea prefabricatelor în vederea asigurării unei contracţii minime; - execuţia izolaţiilor hidrofuge şi pardoselilor din mase plastice, care necesită suport uscat; - controlul regimului higrotermic de exploatare al elementelor de construcţii civile, industriale, hidrotehnice şi rutiere. Determinările se pot efectua prin : - metode distructive (pe probe); - metode nedistructive (direct asupra construcţiei). 3.2.6.1 Metode distructive Pentru determinarea umidităţii prin metode distructive este necesar să se recolteze probe de material din locul unde se urmăreşte determinarea umidităţii. Metodele distructive se aplica de preferinţă la studiul materialelor de construcţie aflate în fabricaţie sau în depozite. 3.2.6.1.1 Metoda uscării în etuvă. Se bazează pe eliminarea apei sub formă de vapori, măsurarea diferenţei

76

de greutate rezultată şi calculul umidităţii. Ea constituie metoda cea mai sigură şi precisă, în acest scop se realizează în aparatul de măsură o atmosferă având o presiune a vaporilor de apă inferioară acelei a apei fixate de substanţa probei. La ridicarea temperaturii, legăturile materialului cu apa slăbesc. De exemplu, forţele capilare scad cu circa 0,2% pentru fiecare grad de temperatură. Acest fapt este folosit la uscarea prin încălzire. Potrivit cu felul şi intensitatea legăturilor, consumul de energie termică pentru îndepărtarea completă a apei este de 20...700 kcal, pentru fiecare kilogram de apă.

Fig. 3.6 Metoda uscării în etuvă De preferinţă, în etuvele pentru încălzire şi uscare, încălzirea se efectuează la temperaturi între 105 şi 110°C, pentru a evita pierderea apei de cristalizare şi volatilizarea unor compuşi organici. Anumite materiale de construcţie impun temperaturi de uscare mai mici: ipsosul (40°C), oxizii metalici, bitumurile etc. Rezultate mai bune se obţin încălzind probele în vid la temperaturi inferioare.

77

Acurateţea măsurătorii implică reducerea numărului de manipulări şi durata acestora. In acest scop exista aparate speciale, în care cântărirea se efectuează direct în etuvă. Un aparat de acest tip este prezentat în fig. 3.7

Fig. 3.7 Aparat pentru determinarea umidităţii materialelor 3.2.6.2 Metode nedistructive 3.2.6.2.1 Metode electrice. Materialele higroscopice sunt de regulă izolante în stare uscată, conductivitatea lor electrică crescând cu conţinutul de apă. Deoarece conductivitatea electrică creşte din ce în ce mai încet, pe măsură ce creşte umiditatea, această metodă este sensibilă mai ales la umidităţi mici şi medii. In cadrul metodelor electrice de măsură se utilizează de asemenea măsurarea capacităţii, bazată pe faptul că permitivitatea sau constanta dielectrică a unui material creşte cu conţinutul de apă; la materialele uscate, valoarea constantei este de 2...8, în timp ce la apa pură constanta dielectrică are valoarea 80. 3.2.6.2.1.1 Metoda de măsurare rezistivă Rezistenţa electrică a materialelor (raportată la conţinutul de apă) este măsurată de electrozi care sunt fixaţi în material. Adâncimea ideală de măsurare este de cca. 1/3 din grosime materialului iar distanţa până la capetele materialului > 50cm

78

Fig. 3.8 Principiul metodei de măsurare rezistivă Pentru a evita polarizarea electrozilor şi descompunerea apei, determinările nu trebuie efectuate in curent continuu. 3.2.6.2.1.2 Metoda de măsurare capacitivă Straturile externe se usucă mai rapid decât cele interne. Astfel se formează un gradient de umezeală în material, care descrie raportul dintre stratul extern (mai uscat) şi stratul intern (mai umed). Instrumentul are adâncimea de măsurare de aproximativ 5 cm.

Fig. 3.9 Principiul metodei de măsurare capacitivă

79

Fig. 3.10 Aparat pentru măsurarea umidităţii prin metoda capacitivă

3.2.6.2.1.3 Metoda izotermei de absorbţie Izotermele de absorbţie definesc corelaţia dintre umiditatea de echilibru şi cea din material care se stabileşte in timp. Fiecărui material îi este specifică o izotermă de absorbţie. Lanţul de aparate măsoară umiditate de echilibru (umiditatea relativă) şi calculează umezeala materialului. Calculul se realizează prin integrarea izotermelor de absorbţie.

Fig. 3.11 Măsurarea umidităţii prin metoda izotermei de absorbţie

80

3.2.7 Determinări de laborator asupra capacităţii de absorbţie a apei pentru anumite materiale de construcţie Pentru compararea umidităţii materialelor de construcţie este necesar sa se cunoască :

1. cantitatea de apă absorbită de o probă de material cufundată în întregime în apă, denumită capacitate de absorbţie a apei/coeficient de îmbibare ; 2. viteza sau puterea de absorbţie de către o probă scufundată în întregime, denumită putere de absorbţie; 3. viteza de evaporare a apei din probă.

Coeficientul de îmbibare prezintă un interes limitat întrucât, un material pus în operă, nu este niciodată în întregime imersat, mai puţin în cazul unei fundaţii aflate sub nivelul pânzei de apă freatică. Interesează mai mult studiul cantităţii de apă pe care un material o poate absorbi când numai una dintre suprafeţele sale este în contact cu apa. Aceasta experimentare redă mult mai bine condiţiile reale de absorbţie dintr-un element de construcţie. Direcţiile principale de cercetare trebuie să fie următoarele : 1. conţinutul volumic Ua şi conţinutul masic de apă Uq absorbită prin imersie ; 2. greutatea de apa absorbită într-un anumit timp de o anumită suprafaţă care se numeşte coeficient de absorbţie capilară. Absorbţia prin imersie printr-o suprafaţă este o caracteristică a materialelor poroase şi permeabile, cu granule fine şi omogene (cărămizi, tuf, calcar, gresie). Din contra, materialele mai puţin coerente sau alveolare (travertin) care umplu golurile cu apă în cazul imersiei totale, au un coeficient de absorbţie capilară nul, atunci când numai o suprafaţă este în contact cu lichidul. In ceea ce privesc experimentările de laborator asupra comportamentului materialelor de construcţie în raport cu

81

umiditatea este util de stabilit criterii precise care să reproducă, pe cât posibil, condiţiile reale de punere în opera.

3.2.7.1 Absorbţia prin imersie totală Materialele de construcţie pot fi clasificate în funcţie conţinutul volumic de umiditate dobândit prin imersie totală astfel :

Tab. 3.1 Nr. crt.

Conţinutul volumic de umiditate (%)

Materialul de construcţie

1. 0 ÷ 5 Granit, marmură, calcar 2. 5 ÷ 20 Gresie, travertin, mortar de

ciment, mortar de var, cărămizi presate, cărămizi pentru parament

3. 20 ÷ 35 Tuf calcaros, mortar var ciment, cărămizi obişnuite

4. 35 ÷ 55 Tuf vulcanic, ipsos Materialele cu conţinut volumic de umiditate mare sunt cele cu greutăţi specifice mici care se pretează cel mai bine la construcţia clădirilor de locuit.

3.2.7.2 Absorbţia prin imersia unei suprafeţe Această capacitate a materialelor poate fi exprimată în procente de umiditate sau în grame de apă absorbită într-un timp dat. Astfel se pot obţine pentru fiecare material de construcţie câte doi indicatori precişi : măsura cantităţii de apă absorbită şi viteza de absorbţie. Experimentările se efectuează astfel : 1. eşantioanele de material au dimensiunile de 5 x 14 x 28 cm ; 2. in locul uscării eşantioanelor într-un cuptor la 100 oC acestea trebuie uscate natural pana la umiditate constanta,

82

în aer liber, protejate de intemperii. Astfel tratate, aceste materiale pot fi considerate ca uscate din punct de vedere tehnic, la fel ca şi cele puse în operă ; 3. se va folosi apa potabilă la temperatura ambiantă ; 4. experimentele trebuie repetate în diverse condiţii, o perioadă mai îndelungată, pentru a se stabili comportamentul reprezentativ al materialului. 5. eşantionul se introduce într-un recipient etanş conţinând câţiva centimetri de apă şi este susţinut de câţiva distanţieri pentru a nu atinge fundul vasului. Tab. 3.2

Procent de umiditate Nr. Crt.

Material Greutate specifică In raport

cu greutatea părţii imersate

In raport cu volumul părţii imersate

1. Mortar 1300 23,8 31 2. Tuf vulcanic 1250-1800 22-11,2 31,2 3. Cărămidă 1550 19,6 30,4 4. Cărămidă 2000 11,2 23 5. Mortar 1540 12,2 18,8 6. Mortar de

ciment 1750 8,4 14,7

7. Travertin 2550 1,1 2,8 Tab. 3.3 Nr. Crt.

Material Cantitatea de apă absorbită (g)

1. Cărămidă din argilă nearsă 29,5 2. Cărămidă arsă pentru

parament 16

3. Cărămidă presată 14,5 4. Mortar de var 6,5 5. Tuf vulcanic 3,2 6. Mortar de ciment 0,1 7. Travertin 0,09

83

Din tab. 3.2 şi 3.3 rezultă că blocurile de zidărie (cărămizile) au cel mai mare potenţial de absorbţie, tuful şi mortarele mult mai mic. Absorbţia este mult mai rapidă dar mai puţin importantă la mortarul de var decât cel de ciment. 3.2.7.3 Coeficientul de absorbţie capilară se exprimă prin numărul de grame de apă absorbite într-o oră de 1 dm3 de material a cărui bază este imersată în lichid. Această determinare se poate continua cu timpul necesar unei îmbibări complete sau până atunci când lichidul nu mai progresează deloc în material.

3.2.7.4 Determinări de laborator Dacă se introduce un eşantion compus dintr-un bloc de argilă nearsă protejat pe o faţă cu un strat de mortar, diferenţa între vitezele de îmbibare este semnificativă : argila se impregnează mai repede ca mortarul, chiar dacă acesta aderă perfect (fig. 3.12).

Fig. 3.12 Determinarea vitezei de îmbibare Limita superioară a zonei de ascensiune capilară diferă mult de la un material la altul. Acest fenomen se poate

84

explica datorită faptului că vasele capilare au natura şi diametrul diferit în structura fiecărui material. Cărămizile din argilă nearsă au cea mai mare ascensiune capilară. Materialele considerate cele mai refractare la absorbţie sunt pietrele naturale din trei grupe: granit, calcar şi bazalt. In argila arsă cantitatea de apă absorbită este uniform repartizată pe toată înălţimea, însă în piatră naturală straturile superioare conţin totdeauna mai puţină apă ca straturile inferioare. Aceasta se poate explica prin faptul ca pietrele naturale poroase (gresie calcaroasă) conţin vase capilare de diverse diametre, cele mai subţiri ridică apa la înălţimi mai mari (fig. 3.13).

Fig. 3.13 Vasele capilare în piatra naturală In argila arsă toate capilarele au aproximativ acelaşi diametru. De aceea procentul de umiditate este aproape identic în imersie totală ca şi în imersie de suprafaţă. Materialele naturale (gresie, tuf) şi betoanele poroase absorb mai multă apă în imersie totală.

85

Tab. 3.4 Conţinut volumic de apă

absorbită (%) Nr. crt. Material Greutate

specifică Imersie totală

Imersia unei suprafeţe (1/5 din înălţimea

probei) 1. Cărămidă

normală 1650 30,4 29,7

2. Gresie 1750 28,1 18 3. Blocuri din scorie 1350 13,9 5,5 4. Beton poros 1040 21,7 14,5 3.2.7.5 Evaporarea apei din materialele umede Determinarea practică a cantităţii aproximative pentru evaporarea totală se poate realiza pe eşantioanele aşezate pe o balanţă şi se măsoară pierderea de greutate provocată de evaporarea superficială a materialului, care continuă să absoarbă apa pe la bază.

Condiţiile de temperatură variază între 13 şi 26 0C şi umiditatea relativă a aerului între 65 şi 85%.

Fig. 3.14 Variaţia umidităţii unui perete după umezire, pentru

uscare în condiţii de iarnă

86

Cantitatea totală de apă evaporată de 1 g m2/h un maxim atins în laborator şi depinde de dimensiunile eşantionului. De asemenea se poate constata că evaporarea totală creşte de la 3 la 5 ori sub acţiunea unui curent de aer slab şi de la 2 la 3 ori sub acţiunea soarelui.

87

LUCRAREA N° 2

Denumirea lucrării

Măsurarea umidităţii aerului şi a materialelor de construcţii

Cuprinsul lucrării

1. măsurarea umidităţii aerului în diverse puncte ale laboratorului cu ajutorul unui psihrometru Asmann şi cu un psihrometru digital; 2. determinarea umidităţii materialelor de construcţii cu utilizând o termobalanţă; 3. determinarea înălţimii la care urcă apa prin ascensiune capilară în materiale de construcţii: cărămidă, BCA, beton.

1. Măsurarea umidităţii aerului

1.1 Aparatură şi materiale necesare:

- psihrometru cu ventilator de tip Asmann - psihrometru digital

1, 2 - termometre; 3 - suport; 4 - ventilator 1.2 Modul de lucru

Psihrometru cu ventilator Asmann constă dintr-un termometru uscat (1) şi un termometru umed (2), ultimul fiind înfăşurat într-o pânză higroscopică îmbibată cu apă. Capetele termometrelor sunt scăldate de curentul de aer umed aspirat de către un mic ventilator (4), acţionat cu resort metalic sau electric, cu o

88

viteză mai mare de 2,5 m/s. Datorită evaporării, temperatura tum indicată de termometrul umed (2) este mai mică decât temperatura tus indicată de termometru uscat (1). Umiditatea relativă a aerului se determină folosind relaţia :

în care: p’s este presiunea parţială a vaporilor de apă saturaţi conţinuţi de aer, la temperatura tum; ps - presiunea parţială a vaporilor de apă saturaţi conţinuţi de aer însă la temperatura tus; C - coeficient psihrometric, în bar / K; pb = p este presiunea barometrică şi totodată şi presiunea totală a aerului umed, în bar; po = 1,01325 bar, este presiunea la starea fizica normală.

Pentru a simplifica utilizarea, psihrometrul este însoţit de tabele cu ajutorul cărora se poate determina umiditatea relativă a aerului dintr-o încăpere funcţie de temperaturile indicate de termometrul umed şi de termometrul uscat. Lucrul cu psihrometrul Asmann implică următoarele: umezirea tifonului care acoperă rezervorul termometrului, armarea dispozitivului care ventilează termometrele, se aşteaptă câteva minute până când valoarea temperaturilor nu se mai modifică, se notează indicaţiile termometrelor în tabelul de mai jos, se vor citi umidităţile din tabelele care însoţesc psihrometrul.

Psihrometrul digital indică direct pe ecran valoarea umidităţii relative şi absolute, imediat după deschiderea aparatului (prin acţionarea butonului on/off)

89

Localizarea punctului de măsură In

laborator Pe hol In exteriorul clădirii

Ttermometru uscat (ºC)

Ttermometru umed (ºC)

Δ T= Tuscat –T umed (ºC)

Umiditate relativa (%)


Se va observa diferenţa de umiditate între cele trei zone de măsură. Concluzia acestor determinări este că în încăperile locuite umiditatea aerului este mai mare decât în exterior. De aici rezultă necesitatea ventilării (aerisirii) camerelor pentru a se evita creşterea umidităţii aerului şi implicit apariţia condensului.

2. Determinarea umidităţii materialelor de construcţii utilizând o termobalanţă 2.1 Aparatură şi materiale necesare:

- termobalanţă - eşantioane de materiale de construcţii (cioburi de cărămidă, BCA, beton) cărora li se va determină umiditatea

2.2 Modul de lucru

- se aşează instrumentul în poziţie perfect orizontală - se deschide cu butonul ON - se aşează materialul de studiat pe talerul termobalanţei

90

- se alege un mod de uscare (o curbă de temperaturi) după care să se facă încălzirea - se specifică momentul opririi uscării - se completează rezultatele obţinute pentru cele trei probe de material în tabelul de mai jos

Material cărămida BCA beton Umiditate material 2.3 Interpretarea rezultatelor

Se va observa diferenţa de umiditate între cele trei materiale de construcţii ţinute toate în prealabil în aceeaşi cameră deci în aceeaşi umiditate atmosferică. Se constata ca materialele se umezesc diferit funcţie de natura lor.

3. Determinarea înălţimii la care urcă apa prin ascensiune capilară în materiale de construcţii: cărămidă, BCA, beton 3.1 Echipament

- eşantioane de materiale de construcţii: cărămidă, BCA, beton - tavă cu apă - riglă pentru determinarea înălţimii la care se ridică lichidul

3.2 Modul de

lucru

Cele trei mostre de material, uscate în prealabil, se introduc simultan în baia cu apă, la începutul orei de laborator. Apa se va ridica vertical în toată masa materialului umezindu-l.Spre sfârşitul orei se măsoară cu ajutorul riglei diferenţa de nivel la fiecare din cele trei materiale. Valorile măsurate se trec în tabelul de mai jos.

Material BCA cărămidă beton Δh (m) 3.3 Interpretarea rezultatelor

Înălţimea la care apa urcă capilar depinde de natura materialului.

91

CAP. 4 MĂSURĂTORI PRIVIND CAPACITATEA DE VENTILARE A CLĂDIRILOR

Ventilarea are ca scop menţinerea calităţii aerului în clădiri. De fapt, ventilarea este necesară din trei motive: - evitarea acumulării de bioxid de carbon şi mirosuri; - menţinerea unui nivel de umiditate acceptabil; - aportul de oxigen necesar aparatelor casnice cu combustie. i) În general în cazul ventilării insuficiente, se simte, la început, apariţia mirosurilor. Aceste mirosuri provin cel mai adesea din bucătărie, WC, etc., dar pot fi şi mirosuri corporale. Conţinutul de bioxid de carbon al aerului din zona urbană este în medie de 0,04% din volum. Respiraţia unei persoane produce aproximativ 20 l de bioxid de carbon pe oră (în funcţie de activitatea desfăşurată). Nivelul concentraţiei de CO2 trebuie să rămână mai mic de 0,1 % pentru evitarea senzaţiei de disconfort, cel maxim admisibil fiind de 0,5%. ii) Ocupanţii imobilelor degajă vapori de apă (între 40…70 g/h de persoană în cazul repausului) la care se adaugă cei proveniţi din prepararea hranei, toaletă şi baie, plante, spălarea şi mai ales uscarea rufelor, care se ridică la 2… 8 g pe oră şi m3 de volum locuit şi care datorită reîmprospătării aerului sunt treptat eliminaţi. Invers, dacă ventilaţia este insuficientă, aerul se încarcă progresiv cu vapori de apă. Efectele unei umidităţi interioare ridicate nu se manifestă numai prin fenomenul de condens care deteriorează clădirile, ci şi la alte fenomene: - senzaţia de disconfort (umezeală) când umiditatea este apropiată de nivelul de saturaţie; - umiditatea permite dezvoltarea microbilor şi acarienilor pe suprafaţa elementelor de construcţie. iii) O parte din cantitatea de aer proaspăt pătruns în locuinţă serveşte pentru întreţinerea arderii în aparatele cu combustie (aragazuri, centrale termice). Atunci când

92

cantitatea de aer proaspăt este redusă se produc arderi incomplete care generează oxid de carbon (CO), un gaz nociv care, în cazul lipsei tirajului, se raspândeşte in toate încăperile. Ventilarea clădirilor, care este indispensabilă pentru menţinerea unui nivel corespunzător al calităţii aerului, trebuie în acelaşi timp limitată pentru a nu amplifica pierderile de căldură şi pentru a nu fi o sursă de disconfort. Se poate admite ca pierderile de căldură prin ventilare să reprezinte 1/3 din pierderile totale ale unei locuinţe tradiţionale. Aceasta este valabilă dacă rata ventilării este de 1 volum pe oră. Raportul poate urca la 2/3 dacă rata ventilării este de 2 volume/oră. 4.1 MECANISMUL VENTILĂRII Mişcarea aerului este generată de o diferenţă de presiune. După sursa care o determină se disting: - ventilarea naturală cauzata de vânt şi de diferenţe de temperatură ale aerului; - ventilarea mecanică asigurată cu ventilatoare. Diferitele moduri de ventilare utilizabile pentru împrospătarea aerului din clădiri sunt: - ventilarea naturală prin ferestre şi prin tiraj termic; - în anumite cazuri, ventilarea mecanică care se bazează pe mişcarea forţată a aerului cu ajutorul unor echipamente electro-mecanice (ventilatoare). În afara diferenţelor de presiune, ventilarea implică existenţa unor căi prin care aerul să poată fi admis şi evacuat străbătând elementele de închidere şi cele de compartimentare. Din acest punct de vedere ventilarea naturală se consideră: - neorganizată când aerul circulă prin fisurile şi rosturile elementelor de închidere şi compartimentare; - organizată atunci când aerul circulă prin deschideri special prevăzute în acest scop (uşi, ferestre, guri de admisie/evacuare, canale).

93

Ventilarea naturală neorganizată realizată prin infiltraţii de aer exterior şi deschiderea ferestrelor este admisă la clădirile de locuit, clădirile civile fără aglomerări de persoane, precum şi pentru clădirile de producţie fără degajări de noxe şi aglomerări de persoane, cu condiţia asigurării unui schimb orar minim de 0,5. Prin ventilarea naturală organizată se poate asigura evacuarea: - căldurii degajate de sursele interioare sau pătrunsă datorită radiaţiei solare; - gazelor şi vaporilor, însoţiţi de degajări de căldură la nivelul zonei de activitate, care asigură prin tiraj natural debitele de aer necesare pentru realizarea pe întreaga perioadă a anului a concentraţiei normate în zona de activitate considerată. - gazelor sau vaporilor din încăperile cu suprapresiune creată de instalaţii de introducere mecanică a aerului proaspăt; - prin ventilare locală a gazelor produse de procese tehnologice sau combustie. Tot prin ventilare naturala se asigura: - introducerea aerului proaspăt de compensare în încăperi cu instalaţii de evacuare pe cale mecanică; - ventilarea dependinţelor din clădirile de locuit şi cele asimilate acestora. Ventilarea mecanică generală se prevede pentru a asigura: - un debit de aer constant în timp (sau pe anumite perioade) în încăperile sau spaţiile ventilate, ceea ce permite o diluare permanentă a noxelor; - filtrarea şi încălzirea/răcirea aerului introdus; - posibilitatea menţinerii supra/subpresiunii în incintele ventilate; - controlul mişcării aerului în interiorul încăperilor; - recircularea parţială sau totală a aerului evacuat. Baza fizică a schimbului de aer al încăperilor Circulaţia aerului între exterior şi încăperi, prin structura elementelor separatoare sau prin sistemele cu care sunt

94

prevăzute, este posibilă datorită diferenţei de presiune a aerului de o parte şi de alta a anvelopei. Diferenţa de presiune a aerului poate fi generată de factori naturali: - diferenţa de temperatură; - acţiunea vântului. 4.1.1 Ventilarea clădirilor prin deschiderea ferestrelor Acesta este cel mai simplu mod de ventilare care permite, în câteva minute, reîmprospătarea aerului într-o încăpere, însă este intermitent şi nu este posibil controlul debitului de aer. Mai mult, deschiderea ferestrelor generează curenţi de aer rece (iarna) şi determină pătrunderea de zgomot din exterior. Din acest motiv, ocupanţii pot avea tendinţa să evite ventilarea.

Fig. 4.1 Distribuţia diferenţei de presiune termică pe înălţimea

ferestrei Ventilarea prin ferestre numai pe baza tirajului termic nu dă rezultate în lipsa diferenţei de temperatură între aerul exterior şi cel interior, situaţie întâlnită însă foarte rar şi de scurtă durată. Existenţa vântului chiar de intensitate foarte mică determină diferenţe de presiune care activează sensibil schimbul de aer dintre exterior şi interior. 4.1.2 Ventilarea naturală prin tiraj termic În sezonul rece, în clădirile încălzite, diferenţa între greutatea specifică a aerului rece exterior şi aceea a aerului cald interior determină tendinţa de deplasare a aerului. Diferenţa de presiune, care pune în mişcare aerul, denumită tiraj termic sau efect de coş, este proporţională

95

cu diferenţa de temperatură între aerul interior şi cel exterior şi cu înălţimea coloanei virtuale de aer. Dacă această diferenţă de presiune depăşeşte pierderile de presiune la admisia şi evacuarea aerului din clădire are loc mişcarea aerului prin tiraj. Ventilarea naturală se produce prin deschiderile datorate defectelor de etanşeitate (neetanşeităţi) la aer a construcţiei (în special a tâmplăriei), orificii (guri) de admisie/evacuare a aerului şi prin canale de ventilare.

Fig. 4.2 Goluri de ventilare amplasate în ferestre

Fig. 4.3 Orificii de admisie autoreglabile amplasate în cerceveaua ferestrei

96

Fig. 4.4 Dispozitive de evacuarea aerului În absenţa influenţei vântului diferenţa de presiune termică care generează ventilarea într-o incintă se poate exprima cu relaţia: ΔPT = 0,044 h (Ti – Te) în care: ΔP – diferenţa de presiune, în Pa; h – înălţimea coloanei de aer (distanţa între zona de admisie şi evacuare a aerului), în m; Ti, Te – temperatura aerului interior şi exterior în °C. Debitul de aer este proporţional cu înălţimea coloanei de aer.

Fig. 4.5 – Ventilarea prin tiraj termic

97

Distribuţia diferenţelor de presiune termică pe înălţimea încăperilor depinde de poziţia golurilor de admisie şi evacuare.

Fig. 4.6 – Distribuţia diferenţelor de presiune pe înălţimea unei

încăperi în situaţia Ti > Te În clădiri fenomenul de tiraj este influenţat de efectul vântului. Vântul generează diferenţele de presiune între faţadele opuse ale unei clădiri care pot favoriza tirajul termic sau pot să îl inverseze.

Fig. 4.7 – Efectul combinat al tirajului termic şi vântului Dată fiind influenţa vântului, eficienţa ventilării naturale necesită dispunerea unui canal vertical de ventilare a cărui evacuare nu trebuie să fie amplasată într-o zonă de suprapresiune a clădirii, în raport cu acţiunea vântului dominant sau trebuie să iasă din această zonă.

98

În absenţa vântului şi a ventilării artificiale, diferenţa de presiune termică dintre exterior şi interior pe înălţimea peretelui exterior al unei încăperi rezultă liniară. Diferenţa de presiune termică este redusă (cca. 2…4 Pa pe etaj), fiind suficientã însă pentru ventilarea minimă pe cale naturală a încăperilor, daca exista cai de admisie şi cai de evacuare a aerului. 4.1.3 Diferenţa de presiune datorată acţiunii vântului Acţiunea vântului asupra clădirilor determină creşteri ale presiunii aerului pe suprafeţele expuse şi sucţiuni pe cele opuse, ca urmare a transformării în energie potenţială a unei părţi din energia cinetică a aerului în mişcare, la întâlnirea unui obstacol. Mărimea presiunilor care iau naştere depinde de presiunea dinamică a vântului, respectiv de viteza aerului, de greutatea specifică a aerului, de forma clădirii şi unghiul de incidenţă al vântului, care se iau în considerare prin intermediul coeficientului aerodinamic, de caracterul curgerii aerului în jurul clădirii.

Fig. 4.8 Distribuţia de presiuni şi sucţiuni datorate acţiunii vântului

Tirajul datorat acţiunii vântului este funcţie de viteza vântului:

∆P = ρ v2 c / 2

în care: v – viteza vântului, în m/s ρ – densitatea aerului

99

c – coeficient aerodinamic, exprimând cota parte din presiunea dinamică care acţionează pe suprafaţa unui element al clădirii; valorile medii ale coeficientului aerodinamic pentru diferitele suprafeţe ale clădirii sunt: c = 0,6 ... 0,8 pentru faţadele expuse şi c= - 0,4 ... – 0,5 pentru celelalte faţade. Presiunile exercitate de vânt prezintă interes nu numai pentru împrospătarea aerului din încăperi, ci şi pentru funcţionarea optimă a elementelor de construcţie cu strat de aer ventilat (pereţi, acoperişuri). Pentru un regim constant de ventilare, neinfluenţat de vârtejuri care ar putea inversa tirajul, este indicat ca orificiile de ventilare ale căilor de ventilare (canale, coşuri de fum) să fie dispuse în afara zonei de turbulenţă locală, indusă de clădire, trebuind să depăşească anumite înălţimi minime deasupra acoperişurilor. Acţiunea vântului are un rol pozitiv asupra ventilării naturale a clădirilor vara şi în perioadele de tranziţie când diferenţele de temperatură Ti – Te sunt mici. Acest efect este util mai ales la ultimul nivel unde înălţimea coloanei virtuale de aer este minimă, ceea ce face ca tirajul termic să fie insuficient pentru evacuarea vaporilor de apă şi aerului viciat din băi şi alte încăperi fără ferestre, chiar în timpul iernii. La viteze mai mari ale vântului, iarna, pierderile de căldură devin excesive. De aceea este preferabil ca intensitatea ventilării să poată fi controlată. 4.2 CALCULUL DEBITELOR DE AER NECESARE VENTILĂRII a. Prin structurile capilar-poroase şi fisurile sau rosturile fine, migraţia aerului se face cu viteze mici, având caracter de filtrare. Este valabilă legea Darcy, stabilită expe-rimental, având expresia:

100

Df = Σ ij Δp S / dj în care: Df - debitul de aer (m3 /m2.h); dj - grosimea stratului (m) ; ij - coeficient de permeabilitate la aer (m3/m.h.Pa) al materialului; Δp - diferenţa de presiune care determină curgerea (Pa). b. Prin rosturile tâmplăriei închise curgerea aerului atinge viteze mai mari decât prin pori, regimul fiind turbulent. Pentru debitul Dr , se aplica relaţia: Dr = Σ aj Lj Δp2/3

în care:

aj - coeficient de permeabilitate la aer al rostului tâmplăriei, depinzând de dimensiunile acestuia (m3/m.h.Pa2/3)

Lj - lungimea rostului (m); Δp - diferenţa de presiune care determină curgerea (Pa). c. Prin canale verticale netede de evacuare a aerului, debitul de aer poate fi stabilit cu ajutorul nomogramei din fig. 4.9 în funcţie de: - diferenţa de presiune exercitată la capetele canalului (egală cu pierderea de sarcină); - dimensiunile grilelor şi orificiilor de admisie în canal.

Fig. 4.9 Nomogramă pentru stabilirea debitului de aer evacuat prin canale verticale

101

Eficacitatea ventilării naturale prin canale depinde de diferenţa temperaturilor aerului interior şi exterior şi de înălţimea activă, respectiv de distanţa dintre orificiile de admisie şi evacuare, circulaţia fiind posibilă dacă aerul din canal este mai cald decât cel din afară. Având o funcţionare nesigură, dependentă de acţiunea unor factori climatici, ventilarea naturală prin canale este indicată în special la clădirile care nu necesită ventilare cu program sau un schimb de aer predeterminat (încăperi de serviciu).

4.3 PRINCIPIUL CALCULULUI VENTILĂRII NATURALE ORGANIZATE

Scopul calculului este de a stabili rata ventilării naturale pentru o încăpere sau un grup de încăperi care comunică între ele ţinând seama de caracteristicile constructive şi de diferenţa de temperatură interior-exterior. Metoda de calcul este bazată pe aproximaţii succesive şi are ca prim obiectiv stabilirea presiunii din spaţiul ventilat, respectiv a diferenţelor de presiune care îşi exercită acţiunea asupra elementelor de închidere şi la capetele canalelor de ventilare.

Pentru aceasta se porneşte de la o valoare presupusă a presiunii interioare în spaţiul ventilat, valoare apreciată ţinând seama de presiunea termică şi de presiunea vântului, în raport cu presiunea atmosferică la o cotă arbitrar aleasă. Dacă valoarea propusă pentru presiunea interioară este cea reală, atunci este îndeplinită condiţia:

Σ Dinf –Σ De = 0 în care: Dinf - debitul de aer care pătrunde în spaţiul ventilat în m3/h; De - debitul de aer evacuat prin canale verticale în m3/h.

102

Dacă valoarea presiunii din spaţiul ventilat nu este cea reală relaţia de mai sus nu se verifică. Se reia calculul pentru o nouă valoare a presiunii interioare şi se repetă până când ecuaţia de bilanţ este satisfăcută.

Fig. 4.10 Schemă de plan cu indicarea circulaţiei aerului în cazul unei soluţii eficiente de ventilare organizată de ansamblu

a apartamentului, cu canale de ventilare în bucătării şi grupuri sanitare

4.4 VENTILAREA MECANICĂ Pentru a nu fi influenţată de temperatura exterioară şi nici de vânt, diferenţa de presiune necesară punerii în mişcare a aerului este generată de un ventilator mecanic. În această situaţie se pot distinge: - ventilarea prin evacuarea aerului din încăpere, când locuinţa este supusă unei uşoare depresiuni; - ventilare prin introducerea aerului, când locuinţa se află într-o uşoară suprapresiune; - ventilare dublă cu infiltrare şi apoi exfiltrare mecanică a aerului. 4.4.1 Ventilarea mecanică intermitentă controlată Ventilarea mecanică este, în general, o cauză de mărire a consumului de energie termică şi de zgomot. Totuşi, în construcţiile cu grupuri sanitare fără ferestre soluţia constă în folosirea unor ventilatoare cu funcţionare intermitentă, comandată. Acestea sunt utile mai ales vara, când tirajul natural lipseşte sau este inversat, aerul din clădire fiind mai

103

rece decât cel din exterior. Intrarea în funcţiune a ventilatoarelor pentru o durată scurtă este comandată de un întrerupător cu releu de temporizare care intră în funcţiune la aprinderea luminii sau la deschiderea uşii (fig. 4.11, 4.12, 4.13).

Fig. 4.11 1- Ventilator de evacuare: 2 - dispozitiv de evacuare; 3 - canal individual de evacuare a aerului

Fig. 4.12 - Ansamblu gură de evacuare, ventilator şi clapetă de

închidere; 2- dispozitiv de evacuare; 3 - canal de evacuare a aerului;

4 - gură de curăţire

104

Fig. 4.13 - Ventilator de evacuare; 2 - dispozitiv de evacuare; 3 -

canal individual de evacuare a aerului; 4 - filtru de aer; 5 - hotă; 6 - maşină de gătit.

4.5 ALEGEREA SOLUŢIEI DE VENTILARE Ventilarea naturală neorganizată, prin porii sau fisurile materialelor şi prin rosturi, este prea slabă pentru asigurarea necesarului de aer proaspăt în încăperi. De aceea, se adoptă ventilarea organizată prin intermediul ferestrelor, orificiilor şi canalelor de ventilare. Într-o primă etapă se stabileşte un proiect de ventilare în una din variantele: - prin încăperi separate, utilizând deschiderea ferestrelor ca mijloc de ventilare a încăperilor principale şi eventual a încăperilor secundare, altele decât bucătăria (fig. 4.14b); Acest tip de ventilare implică o etanşeitate perfectă a elementelor de compartimentare şi mai ales a uşilor prin care se comunică cu celelalte spaţii. Este nepractică, deoarece ocupanţii unei unităţi funcţionale (apartament) simt nevoia contactului între încăperi iar tendinţa este de a concepe structuri bazate pe celule mari în care

105

compartimentările să fie uşoare, pentru a putea fi oricând modificate.

Fig. 4.14 – Exemple de ventilare a unui imobil. a - ventilare

generală; b - ventilarea separată a fiecărei încăperi În plus, unele încăperi pot fi lipsite de ferestre (băi, grupuri sanitare, cămări) şi nu pot fi ventilate chiar dacă sunt racordate la canale de evacuare a aerului viciat. - ventilarea generală şi permanentă cu admisia aerului prin încăperile principale şi evacuarea prin încăperile de serviciu (fig. 4.14a). Aceasta presupune ca aerul proaspăt care pătrunde în camera de zi, dormitoare etc. să circule

106

spre băi, bucătării şi alte anexe dotate în mod obligatoriu cu canale verticale de evacuare a aerului viciat şi aflate în depresiune faţă de restul încăperilor. Astfel vaporii de apă, mirosurile şi oxidul de carbon nu se pot răspândi în încăperile de locuit. Circuitul corect al aerului pentru ventilare in locuinţe - Aerul proaspăt trebuie să pătrundă din exterior în încăperile principale (de gradul I) şi anume: dormitoare, camere de zi, birouri (mai ales cele dotate cu calculatoare), camere de joacă etc.;

- Aerul viciat trebuie să fie evacuat din încăperile secundare (de gradul II) şi anume: bucătarii, băi, spălătorii etc.;

- Între cele două tipuri de încăperi aerul trebuie să circule prin încăperile de tranzit (gradul III) şi anume: holuri, coridoare, antreuri etc.

Circulaţia aerului între încăperi se poate organiza în mai multe moduri: - Cea mai simplă cale este pe sub uşi, care pot fi prevăzute cu un spaţiu de trecere lat cât uşa şi înalt de 1…2 cm („luft”-ul de prag);

- O a doua cale este montarea în uşi a unor „grile de transfer”, cu dimensiuni variabile (de ex. 100 x 200 mm sau mai mari), prin care să treacă aerul, dar nu şi lumina; există şi grile de transfer insonorizate, care reţin sunetele de orice fel;

- În fine, aceleaşi grile de transfer pot fi montate în pereţi, la partea superioară (spre tavan), favorizând migraţia vaporilor de apă, cu condiţia prevederilor de la început a golurilor.

Alegerea uneia dintre soluţii depinde de existenţa canalelor de ventilare în clădire, de starea lor sau de posibilitatea construirii lor. Dacă imobilul este dotat cu canale în încăperile de serviciu, se pot crea orificii de admisie în încăperile principale în

107

locuri alese astfel încât să nu creeze senzaţii de disconfort. In cazul unor canale înfundate spaţiul acestora se poate utiliza pentru montarea unor tuburi de ventilare în sistem individual sau colectiv.

Fig. 4.15 – Ventilarea imobilelor etajate. a - ventilare naturală prin canale individuale; b - ventilare naturală prin canal

colector; c - ventilare mecanică 4.6 CRITERII ŞI NIVELURI DE PERFORMANŢĂ PENTRU VENTILAREA NATURALĂ Intensitatea ventilării unei încăperi sau unităţi funcţionale (apartament, sală de clasă etc.) poate fi apreciată după următoarele criterii: - debitul necesar de aer proaspăt, exprimat în m3 / oră sau m3 / oră şi persoană; - rata ventilării, dată de raportul între volumul de aer împrospătat într-o oră şi volumul încăperii, exprimată în schimburi / oră; - viteza de mişcare a aerului în încăperi. Debitele aerului ventilat trebuie să fie: - 90 m3/h într-un apartament cu mai puţin de 3 camere principale; - 120 m3/h în apartamentele de 3 şi mai multe camere principale.

108

Conform normativelor în vigoare, pentru clădirile de locuit valorile ratei ventilării pe ansamblul clădirii sunt prezentate în tab. 4.1 Tab. 4.1 Rata minimă a ventilării la clădiri de locuit

Clasa de permeabilitate Categoria clădirii Clasa de adăpostire ridicată medie scăzută

neadăpostite 1,5 0,8 0,5 moderat adăpostite 1,1 0,6 0,5

Clădiri individuale (case unifamiliale, cuplate sau înşiruite etc.) adăpostite 0,7 0,5 0,5

neadăpostite 1,2 0,7 0,5 moderat adăpostite 0,9 0,6 0,5 Dublă

expunere adăpostite 0,6 0,5 0,5 neadăpostite 1,0 0,6 0,5 moderat adăpostite 0,7 0,5 0,5

Clădiri cu mai multe aparta-mente, cămine, internate etc.

Simplă expunere

adăpostite 0,5 0,5 0,5 Clasa de adăpostire

neadăpostite: clădiri foarte înalte, clădiri la periferia oraşelor şi în pieţe, clădiri la şes;

moderat adăpostite: clădiri în interiorul oraşelor, cu minim 3 clădiri în apropiere, clădiri la şes protejate de arbori;

adăpostite: clădiri în centrul oraşelor, clădiri în păduri. Clasa de permeabilitate ridicată: clădiri cu tâmplăria exterioară fără măsuri de etanşare; medie: clădiri cu tâmplăria exterioară cu garnituri de etanşare; scăzută: clădiri cu ventilare controlată şi cu tâmplăria exterioară

prevăzută cu măsuri speciale de etanşare; Tab. 4.2 Viteza maximă a aerului din încăperi Tipul activităţii Viteza maximă (m/s) Activităţi sedentare (locuinţă, birou, sală de spectacole) 0,1 … 0,2

Activităţi ce reclamă un efort fizic moderat (ateliere, magazine etc.) 0,25

Activităţi ce implică o mişcare permanentă a ocupanţilor 0,5

Zonele cu climat cald 2 … 3

109

4.7 METODE DE MĂSURARE A CAPACITĂŢII DE VENTILARE A CLĂDIRILOR Pentru determinarea experimentală a capacităţii de ventilare, respectiv a permeabilităţii globale la aer a unei clădiri sau unităţi funcţionale, sunt cunoscute două metode: - metoda presiunii; - metoda gazului trasor. a. Metoda presiunii se bazează pe crearea cu mijloace mecanice a unei diferenţe de presiune ∆p ≥ 50 Pa între interiorul şi exteriorul spaţiului analizat concomitent cu măsurarea debitului de aer pentru diferenţe de presiune ∆p = 10...100 Pa. Instalaţia utilizată în metoda presiunii (fig. 4.16) trebuie să fie reversibilă, adică să permită realizarea succesivă a presiunii şi depresiunii în încăperi pentru a determina debitul de aer infiltrat, respectiv exfiltrat prin rosturi.

Fig. 4.16 Schema echipamentului privind determinări prin metoda presiunii

Rezultate corecte se obţin numai pentru anumite condiţii exterioare: viteza vântului sub 8 m/s iar diferenţa de temperatură interior - exterior să nu depăşească 10 °C. Metoda este recomandabilă pentru analiza construcţiilor unifamiliale şi pentru apartamente în cazul blocurilor, ca şi pentru localizarea punctelor de exfiltraţii.

110

b. Metoda gazului trasor constă în injectarea în atmosfera incintei de studiat a unei cantităţi suficiente de gaz care trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: - să poată fi sesizat cu uşurinţă în concentraţii reduse; - să nu fie absorbit de elemente de construcţie sau de obiectele din încăperi; - compoziţia chimică să nu fie influenţată de prezenţa altor gaze din aer; - să nu fie toxic, inflamabil sau exploziv; - să nu fie generat şi de alte surse pe durata determinărilor; - sa nu fie absorbit de construcţie. Aceste condiţii sunt îndeplinite parţial de hidrogen şi heliu (sunt prea uşoare iar hidrogenul prezintă pericol de incendiu), de hexafluorură de sulf (sesizabilă la concentraţii reduse) şi de protoxidul de azot (necesită un analizator bazat pe absorbţie în infraroşu). O precizie suficient de bună se obţine, utilizând dioxid de carbon. Metoda gazului trasor implică existenţa unui generator de gaz şi a unui dispozitiv de măsurare a concentraţiei, cunoscând trei variante de aplicare: Metoda concentraţiei descrescătoare de gaz (tehnica îmbătrânirii gazului) permite stabilirea ratei schimbului de aer, n , cunoscând concentraţia de gaz în momentul iniţial, C0 şi concentraţia Ct , după un interval de timp, t , cu ajutorul relaţiei:

n = (1/t ) x ln (C0/Ct) (1/h) rezultată pe baza bilanţului de gaz trasor în aerul interior. Măsurătorile de concentraţie încep din momentul în care s-a realizat amestecul omogen al gazului trasor cu aerul din încăperea testată. Amestecul aerului cu gazul durează cca. 0,5 – 1 oră iar măsurarea câteva ore. Precizia metodei este de aprox. +/- 12%. Metoda concentraţiei constante implică emisia continuă de gaz într-un punct al incintei şi măsurarea continuă a concentraţiei în alt punct. Emisia trebuie astfel controlată

111

încât să asigure o valoare constantă a concentraţiei în punctul de măsură. In ipoteza unui amestec perfect al gazului trasor cu aerul interior, debitul de gaz emis echilibrează debitul de gaz evacuat, rata ventilării rezultând pe baza relaţiei:

n = q/c .v (1/h) în care: q - debitul gazului trasor emis, în m3/h; c - concentraţia de gaz trasor din aerul interior, în %; v - volumul spaţiului analizat, în m3. Precizia măsurării este de aprox. +/- 10%. Metoda emisiei constante reprezintă o variantă asemănătoare celei precedente şi are în vedere asigurarea unui debit constant al emisiei de gaz. Drept gaz trasor emis cu debit constant poate fi utilizat dioxidul de carbon rezultat din respiraţia ocupanţilor, cunoscând că un adult degajă prin respiraţie 20 l de CO2 pe oră iar un copil 13 l. Înregistrarea continuă pe durata a 24 de ore a concentraţiei de CO2, în camere cu diverse destinaţii permite determinarea ratei ventilării. Este o modalitate mai puţin precisa, dar mai apropiata de condiţiile efective de utilizare a clădirii.

112

LUCRAREA N° 3 Denumirea lucrării Determinarea ratei de ventilare

Cuprinsul lucrării

1. introducere 2. producerea de gaz trasor într-o încăpere; 3. trasarea graficului de variaţie a concentraţiei bioxidului de carbon 4. determinarea ratei ventilării

1. Introducere Una din metodele de determinare a ratei de ventilare naturală este metoda gazului trasor, care constă în injectarea unui gaz uşor de detectat în compoziţia aerului atmosferic. Concentraţia gazului va scădea în timp funcţie de rata ventilării incintei în care se fac măsurătorile. Bioxidul de carbon poate fi considerat un astfel de gaz trasor iar sursa o constituie un arzător de butan. Viteza de descreştere a concentraţiei de bioxid de carbon este o măsură a ratei ventilării şi este dată de relaţia:

12

12 )(ln)(lntt

tntnVVmL −

−==

unde: V – volumul camerei (m3/h ); V - volumul de aer înlocuit (m3/h); n(t1) – concentraţia de CO2 la începutul măsurătorilor(ppm); n(t2) – concentraţia de CO2 la sfârşitul măsurătorilor (ppm); Δt – timpul scurs Δt=t2-t1 2. Producerea de gaz trasor într-o încăpere

113

2.1 Materiale necesare

Arzător de butan ataşat la o butelie de combustibil prin intermediul unui furtun şi a unui regulator de presiune.

2.2 Modul de lucru

Se aprinde arzătorul, în încăperea în care se doreşte determinarea ratei ventilării, se deschide la maxim robinetul de gaz astfel încât degajarea de bioxid de carbon să fie cât mai mare. După aproximativ 15 min timp în care uşa încăperii a fost ermetic închisă, pentru a putea evita scurgerile necontrolate de bioxid de carbon, se stinge flacăra. In acest moment avem o cameră cu o încărcătură mare de gaz trasor.

3. Trasarea graficului de variaţie a concentraţiei bioxidului de carbon 3.1 Aparatură şi materiale necesare:

Analizor de gaze, calculator cu soft adecvat pentru descărcarea şi prelucrarea datelor

3.2 Modul de lucru

- analizorul de gaze este programat pentru a începe înregistrarea la 5 min după stingerea arzătorului; Această durată este necesară pentru ca în cameră să se uniformizeze concentraţia de CO2;

114

- analizorul se aşează în centrul camerei înainte de aprinderea arzătorului pentru ca studentul se evite un contact prelungit cu gazele de ardere; - după stingerea arzătorului se părăseşte rapid camera şi se închide uşa (de data aceasta neetanş) ; - în cameră are loc o ventilare naturală (prin neetanşeităţile tâmplăriei şi alte cai: coşuri, canale, rosturi, fisuri, etc.), în acest timp aparatul memorează valorile concentraţiei de CO2; - după o oră şi jumătate se opreşte înregistrarea şi se descarcă datele pe calculator; - se reprezintă grafic valorile înregistrate; - se obţine un grafic asemănător cu cel de mai jos.

4. Determinarea ratei ventilării - se aleg de pe grafic două puncte unul de

la începutul înregistrării şi unul de la sfârşit. - valorile concentraţiei n(t1), n(t2) şi momentele (t1, t2) corespunzătoare se introduc în relaţia :

12

12 )(ln)(lntt

tntnVVmL −

−== ,

obţinându-se astfel valoarea ratei ventilării.


115

BIBLIOGRAFIE 1. Focşa, V., Radu, A. Clădiri civile şi construcţii industriale –

Îndrumător pentru lucrări de laborator, Ed. Didactica şi pedagogica, Bucureşti, 1967

2. Boutet, T. Controlling Air Movement, McGrow-Hill Book Company, 1987

3. Collection Concevoir et construire – Humidité – Editions Alternatives 2001

4. Massari, G. Bâtiments humides et insalubres, Ed. Eyrolles, 1971

5. Velicu, C. Reabilitarea termofizica a clădirilor , Ed. Experţilor Tehnici Iaşi 2007

6. Velicu, C. Clădiri civile, Ed. Terra Nostra Iasi, 2009 7. Stefanescu, D., Velicu, C. Fizica construcţiilor, Ed. Matei

Botez Iasi, 2009 8. SR 13517/2009 Măsurarea umidităţii aerului - Higrometre

cu condensare 9. SR 13518/2009 Măsurarea umidităţii aerului -

Generatoare de aer umed cu soluţii de săruri pentru etalonarea higrometrelor

10. SR 13519/2009 Măsurarea umidităţii aerului - Higrometru cu variaţia impedanţei (capacitiv şi rezistiv)

11. SR 13520/2009 Măsurarea umidităţii aerului - Higrometre electrolitice

12. SR 13521/2009 Măsurarea umidităţii aerului - Higrometre mecanice

13. SR 13522/2009 Măsurarea umidităţii aerului - Psihrometre

14. SR 13533/2009 Măsurarea umidităţii aerului – Parametri higrotermici

15. MP-037-04 Metodologie privind determinările termografice in construcţii

16. SR EN ISO 13788/2002 Performanta higrotermică a componentelor şi elementelor de construcţie. Temperatura superficiala interioara pentru evitarea umidităţii superficiale critice şi condensul interior

17. SR 6724-1/1995 Ventilarea naturala. Ventilarea dependinţelor din clădirile de locuit

18. SR 6724-3/1996 Ventilarea mecanica cu ventilatoare individuale de evacuare

19. SR 11573/1998 Ventilarea naturala organizata a clădirilor

Indrumar Termofizica VelicuC

Documents

Transcript of Indrumar Termofizica VelicuC