PROTECTIA TERMICA A CLADIRILOR

PROTECTIA TERMICA A CLADIRILOR

1. Protectia termica a anvelopei cladirilor

Anvelopa cladirii este alcatuita din elementele de inchidere, prin proprietatile lor, au un rol hotarator in realizarea confortului Elementele de inchidere a unei cladiri sunt caracterizate prin dimensiuni geometrice finite si prin anumite caracteristici termofizice cum ar fi conductivitatea termica, permeabilitatea la aer si vapori, etc. Din punct de vedere al protectiei termice, aceste elemente este important sa asigure (Sotir Dumitrescu):

• realizarea unui climat interior confortabil (in conformitate cu destinatia cladirii) in conditiile reducerii pierderilor de caldura catre exterior;
• evitarea condensarii vaporilor de apa atat la suprafata interioara a elementelor de constructie, cat si in interiorul acestora;
• realizarea unei stabilitati termice necesare limitarii oscilatiilor temperaturii aerului interior si pe suprafata interioara a elementelor de constructie;
• realizarea unei rezistente la infiltratiile de aer pentru reducerea pierderilor de caldura corespunzatoare incalzirii acestora.

Elementele de inchidere ale cladirilor sunt acoperisul si peretii exteriori. Acestea se realizeaza din elemente opace si elemente vitrate. Elementele vitrate, care asigura iluminatul natural, ofera o protectie termica mult mai redusa decat cele opace, de aceea ponderea lor in intregul ansamblu de inchidere se rezuma la strictul necesar asigurarii iluminatului natural (Inst. Incalz).

Pentru asigurarea unei protectii termice eficiente se folosesc materiale termoizolante. Grosimea stratului de material termoizolant influenteaza direct protectia termica. Cresterea grosimii duce la reducerea pierderilor de caldura si implicit la reducerea puterii necesare a instalatiei de incalzire si, deci, a consumului de combustibil. In acelasi timp, marirea izolatiei termice conduce la cresterea costului acesteia.

Solutia de alcatuire a elementelor de inchidere, atat a celor vitrate, cat si a celor opace, influenteaza in mod direct (Virlan) costul investitiei pentru partea constructiva, pentru instalatia de incalzire, consumul de energie folosit sub forma de combustibil pentru producerea caldurii in instalatia de incalzire, consumul de energie inglobata in partea de constructii si in partea de instalatii de incalzire. Energia inglobata este energia consumata sub forma de combustibil sau energie electrica la producerea materialelor folosite in constructia respectiva, incepand cu materia prima pana la forma lor finita, precum si pentru transportul lor.

2. Izolatia termica

Izolarea termica a anvelopei unei cladiri are ca efect evident diminuarea pierderilor de caldura si implicit micsorarea consumului de combustibil, reducand astfel cheltuielile de exploatare necesare pentru incalzirea cladirilor. De asemenea, sporirea gradului protectiei termice a constructiilor este necesara pentru diminuarea emisiilor nocive, in special a celor de bioxid de carbon, care accentueaza efectul de sera la nivel global precum si cresterea gradului de confort si imbunatatirea conditiilor de igiena.

Conform normativului C 107/0-02, prin izolarea termica a cladirilor se urmareste:

asigurarea unei ambiante termice corespunzatoare in interiorul spatiilor inchise;

eliminarea riscului de condens pe suprafata interioara a elementelor de constructie;

evitarea acumularii de apa in structura elementelor de constructie ca urmare a condensarii vaporilor de apa in structura lor;

reducerea consumurilor energetice in exploatare.

Exista un numar de elemente de constructie carora trebuie sa li se asigure o anumita capacitate de izolare termica. Acestea sunt:

elemente ce separa mediul exterior de mediul interior, cu temperaturi diferite;

elemente interioare de compartimentare care delimiteaza spatii inchise cu temperaturi de exploatare care difera intre ele cu mai mult de 5^oC.

Izolarea termica a anvelopei presupune utilizarea rationala in alcatuirea anvelopei unei cladiri, a unor materiale ce impiedica transmiterea caldurii interior-exterior, iarna, exterior-interior, vara. Acesta inveleste anvelopa cladirii pentru a-i reduce pierderile de caldura spre exterior. Aerul in repaus nu este bun conductor termic, astfel ca el reprezinta in principiu un izolant relativ bun. Insa, in spatii mai mari, precum cavitatile din pereti, caldura se poate pierde totusi prin convectie si radiatie. Rolul izolatiei este exact acela de a diviza volumul de aer in compartimente suficient de mici pentru a impiedica formarea curentilor convectivi, aerul ramanand in repaus. In acelasi timp, materialul izolator reduce radiatia de la o suprafata la alta a compartimentului cu aer.

Materialele folosite in mod curent pentru izolare termica, denumite materiale termoizolante, au conductivitate termica si densitate reduse, sunt de natura organica sau anorganica si se prezinta sub forma de placi, blocuri, saltele etc. Proprietatile lor si domeniile de aplicabilitate sunt in general bine cunoscute, ca si solutiile constructive in a caror alcatuire sunt incluse: structuri omogene usoare, structuri stratificate compacte, structuri ventilate, acoperisuri verzi, pereti cu izolatie transparenta, etc.

Materialele termoizolatoare se pot clasifica conform tipului:

• Vegetale: pluta, fibre de lemn, in, paie, etc.
• Minerale: fibra de sticla, vata minerala, argila expandata, carburi metalice, sticla spongioasa, etc.
• Materiale sintetice: polistiren expandat, spume fenolice si poliuretan, PVC, etc.

Vata minerala (figura 1) se realizeaza prin topirea la temperaturi inalte a rocii de bazalt, si prin centrifugarea materialului obtinut, pana cand ajunge sa formeze fibre. Peste aceste fibre se aplica o substanta rasinoasa care impiedica degajarea prafului din produs si care capata o rezistenta crescuta la orice actiune mecanica, facand ca vata minerala sa-si pastreze dimensiunile si forma. Poate fi gasita cel mai adesea sub forma de rulouri, saltele, dar si de placi termoizolante si poate fi aplicata atat in interior cat si la exterior, prin montare in dibluri sau pur si simplu prin atasarea cu ajutorul unui liant puternic. Pentru fatadele ventilate, se poate aplica un adeziv la rece care fixeaza materialul pe perete. Vata minerala este un material izolator foarte eficient si flexibil ce este compatibil cu foarte multe lucrari efectuate in aproape orice zona din casa, incepand cu pardoseala si terminand cu acoperisurile mansardate. Datorita flexibilitatii si densitatii materialului, acest tip de izolatie nu este doar termica, ci si fonica. Vata minerala se poate folosi si pentru structuri de lemn, cum ar fi capriorii usilor si ferestrelor, dar si pentru izolarea podurilor si mansardelor din lemn necirculabile.

Figura 1. Izolare cu vata minerala

Placile de polistiren sunt o varianta ceva mai ieftina a vatei minerale si foarte potrivite pentru hidroizolatie. Termoizolarea unei locuinte cu polistiren prezinta anumite avantaje deosebit de importante. Prin intermediul acestui material are loc cresterea eficienta a termoizolarii peretilor si eliminarea puntilor termice. Placile de polistiren au o greutate redusa care nu afecteaza structura de rezistenta a cladirii. Polistirenul permite refacerea fattadei si pastrarea detaliilor arhitecturale si ofera posibilitatea mascarii eventualelor fisuri ale peretilor. Placile de polistiren (figura 2), expandat sau extrudat, sunt folosite cu precadere in izolatiile de exterior: terase, balcoane, acoperisuri. Polistirenul expandat are diferite densitati si este folosit pentru izolarea termica a peretilor in timp ce polistirenul extrudat (cu o densitate mai ridicata) este folosit cu precadere la izolarea termica a peretilor fundatiilor si a pardoselilor. Cel din urma, avand o densitate mai mare are si rezistenta marita si se poate turna sapa si se poate fixa parchet deasupra acestuia.

Figura 2. Placi de polistiren

Cu o buna rezistenta la conditiile meteo (inghet/dezghet, infiltratii), placile de polistiren sunt de preferat celor din vata minerala, datorita usurintei cu care se monteaza. Fixarea se face tot prin dibluri sau printr-un adeziv special si necesita mult mai putina munca. Pentru realizarea unei termoizolatii de calitate a podelelor si pentru un aspect uniform al suprafetelor, se recomanda folosirea sapei mecanizata. Utilizarea acesteia impune cateva recomandari: nu se toarna sub 5^oC, iar la grosimi de peste 5 cm se armeaza cu plasa de sarma. Sapa mecanizata turnata la exterior trebuie urmarita permanent pentru a nu se fisura, pana la uscarea completa.

Exista si alte tipuri de materiale cu proprietati termice superioare in curs de introducere in practica (Bliuc):

v     materiale izolante sub forma de straturi subtiri asociate cu folii reflectante, care au rolul de a reflecta radiatia infrarosie si deci de a suprima transferul de caldura prin radiatie. Folosirea materialelor termoizolante bazate pe reflexia radiatiei si barierele termice realizeaza acest lucru economisind energia necesara incalzirii si nevoii de racoare ceea ce duce la reducerea cheltuielilor;

v     materiale izolante sub vid obtinute prin evacuarea aerului dintr-un suport fibros sau celular ambalat intr-o foaie etansa; printre acestea nanogelul de siliciu prezinta proprietati speciale, fiind mai putin conductiv decat aerul la presiune normala;

In normativul C107/0+02, Normativ pentru proiectarea si executarea lucrarilor de izolatii termice la cladiri, se prezinta caracteristicile termotehnice ale unor materiale termoizolante utilizate in mod curent. In tabelul 1 sunt date conductivitatile termice ale unor materiale termoizolante.

Tabel 1. Valori ale conductivitatii termice ale unor materiale termoizolante

Modul de montare a izolatiei pe peretele exterior al unei cladiri este prezentat in figura 3:

Figura a. perete exterior cu alcatuire compacta, cu inertie termica mica, b. perete exterior cu alcatuire compacta cu inertie termica medie, c. perete exterior cu alcatuire compacta, cu inertie termica mica

Pentru economisirea energiei cladirilor, cei mai importanti factori ai constructiei sunt peretii exteriori.  Calitatea confortului termic din interiorul locuintelor influenteaza esential o proiectare corespunzatoare a modului de realizare a peretilor exteriori. Peretii exteriori clasici cu un singur strat nu asigura cerintele termoizolante, nici cerintele fonice ale interiorului cladirii, de aceea se propun constructii cu mai multe straturi, eventual sisteme ulterioare de protectie termica. O insemnatate esentiala la cladirile nou construite si la cele renovate o are intotdeauna izolatia termica. Izolarea externa a peretilor de zid are beneficiul ca pastreaza structura calda. Masa termica a peretilor de zid externi ajuta la mentinerea temperaturii stabile - acumuland caldura iarna si reducand patrunderea razelor solare vara. Izolarea externa a peretilor este adecvata pentru proiectele noi si de renovare.

Multe dintre cladirile vechi, in special cele construite in anii 60 si 70, sufera datorita deteriorarii materialului extern al peretelui, penetrarii apei, condensului si pierderii excesive a caldurii datorita lipsei unei izolatii adecvate. In proiectele de renovare si reabilitare, izolarea externa este de obicei combinata cu inlocuirea ferestrelor astfel evitandu-se un blocaj termic. Montarea izolatiei si aplicarea tencuielii este prezentata in figura 4:

Figura 4. Aplicarea izolatiei si a tencuielii pe peretele exterior al unei cladiri

Din punctul de vederea al fizicii constructiilor, in zonele cu clima rece, solutia optima de izolatie termica, este cea pe suprafata exterioara a cladirii, micsorandu-se riscul aparitiei condensarii interstitiale a vaporilor de apa; in cazul acestei solutii si structura va fi protejata termic, iar capacitatea acesteia de a stoca caldura va fi utilizata din plin. Atunci cand nu este posibila aplicarea izolatiei la exteriorul peretilor, aceasta se poate aplica si la interior (figura 5.) si poate fi folosita pentru:  

Captusirea peretilor solizi, noi, care prezinta blindaj extern sau tencuiala,

Imbunatatirea peretilor solizi, existenti  pentru a ameliora izolatia termica.

Figura 5. Aplicarea izolatiei termice pe interiorul unui perete

Plasarea izolatiei pe partea interna a  unui perete exterior, imbunatateste timpul raspunsului termic al cladirii si este  adecvat pentru un regim intermitent de incalzire. La folosirea izolatiei interne trebuiesc luate in calcul urmatoarele probleme:

• Blocaj termic - cand izolatia este intrerupta la jonctiuni, acolo unde se separa peretii si la deschizaturi;
• Infiltrarea aerului - prevenirea trecerii aerului de la cavitate, in spatele izolatiei, inspre cladire;
• Condensul peretilor din zid - incorporarea unui strat de combatere a vaporilor pe partea calda a izolatiei;
• Igrasia - unii dintre peretii solizi existenti pot avea temporar igrasie, aceasta trebuie curatata inainte de a incepe lucrul.

Marimea izolatiei termice se alege functie de mai multi factori:

v     Normativele in domeniul reabilitarii termice a cladirilor pot cuprinde specificatii asupra grosimii izolatiei care trebuie adaugate.

v     Starea si grosimea izolatiei existente impun grosimea si felul izolatiei care trebuie adaugate.

v     Modul in care este construita casa determina cata izolatie poate fi practic adaugata.

v     Derularea altor lucrari de reabilitare poate permite re-izolarea casei la un nivel superior.

Determinarea rezistentelor termice specifice ale

elementelor de constructie opace

1. Rezistenta termica specifica a unui strat omogen

Rezistenta termica specifica a unui strat omogen al elementului de constructie se determina cu relatia:

[m² K/W], (l)

in care: d - grosimea de calcul a stratului in m, λ - conductivitatea termica de calcul a materialului.

La straturile la care grosimea finala, dupa punerea in opera, este mai mica decat grosimea initiala, in calcule se considera grosimea finala (dupa tasare). In cazurile in care abaterea negativa admisa la grosimea straturilor este semnificativa, grosimea de calcul a stratului se va considera egala cu grosimea minima admisa. Rezistentele termice ale straturilor omogene se calculeaza cu 3 zecimale.

2. Rezistenta termica specifica a unui strat neomogen

In practica realizarii elementelor de constructie se intalnesc si elemente neomogene, formate din mai multe straturi sau zone asezate fie perpendicular pe directia fluxului termic (figura 6), paralel cu directia fluxului termic (figura 7).

Pentru un element de constructie neomogen, format din "n" straturi perpendiculare pe directia fluxului termic, se pot scrie relatiile (Sotir Dumitrescu):

(2.)

si

()

unde: q₁, q₂, .., q_n sunt fluxurile termice unitare prin fiecare din cele "n" straturi ; q - fluxul termic unitar total prin elementul de constructie neomogen; ΔT₁, ΔT₂,..., ΔT_n - caderile de temperatura pe fiecare strat al elementului de constructie; iar ΔT caderea totala de temperatura pe elementul de constructie.

Figura 6. Elemente de constructie neomogene cu straturi paralele cu directia fluxului termic (a.) sau straturi perpendiculare si paralele cu directia fluxului termic (b.,c.,d.).

Pentru fiecare strat se poate scrie, tinand cont de relatia 2.:

(4.)

in care, in afara notatiilor definite anterior, s-a notat cu R_i rezistentele termice ale celor "n" straturi.

Rezistenta termica echivalenta a unui element de constructie neomogen format din mai multe straturi perpendiculare pe directia fluxului termic este:

(5.)

sau, tinand cont de relatia :

(6.)

In practica, straturile de material prezinta straturi de aer, care introduc la randul lor o rezistenta termica R_a. Tinand cont de aceasta rezistenta termica si de relatia 6.1., rezistenta termica echivalenta a unui element de constuctie neomogen este:

(7.)

In cazul elementelor de constructie neomogene formate din "n" zone paralele cu fluxul termic (figura 6.a.) se pot scrie relatiile:

(8)

(9.)

unde Q este fluxul termic total de caldura transmis prin elementul de constructie neomogen; Q₁, Q₂,. Q_n - fluxurile termice transmise prin fiecare zona (omogena) a elementului de constructie; iar ΔT₁, ΔT₂,..., ΔT_n, ΔT - caderile de temperatura pe fiecare zona al elementului de constructie, respectiv pe intregul element.

Tinand cont de relatiile dintre fluxurile termice si fluxurile termice unitare, se poate scrie:

(10.)

in care q₁, q₂,..., q_n sunt fluxurile termice unitare prin fiecare dintre cele "n" zone paralele cu fluxul termic; q - fluxul termic unitar echivalent prin elementul de constructie neomogen; A₁, A₂,.. , A_∑ - suprafetele celor "n" zone, respectiv suprafata totala a elementului de constructie:

(11)

Pentru fiecare zona se poate scrie, tinand cont de relatia 2.:

(12.)

in care, in afara notatiilor definite anterior, s-a notat cu R_i rezistentele termice ale celor "n" straturi, calculate cu relatia 1.

Rezistenta termica echivalenta a unui element de constructie neomogen format din mai multe straturi paralele cu directia fluxului termic este:

(1)

sau, tinand cont de relatia 9. - 12.:

(14.)

In cazul cel mai general, un element de constructie are anumite zone formate la randul lor din mai multe straturi (figura 7.).Rezistenta termica echivalenta a unui astfel de element de constructie se poate determina in doua moduri:

se imparte elementul in straturi prin plane perpendiculare pe directia fluxului termic (figura 7.a.). Pentru straturile neomogene, formate din mai multe zone, se determina rezistenta termica cu relatia 14. Rezistenta termica echivalenta a elementului se determina cu relatia 7;

Figura 7. Element de constructie real: a - impartire in straturi (prin plane perpendiculare pe directia fluxului termic); b - impartire in zone (prin plane paralele cu directia fluxului termic)

se imparte elementul in zone prin plane paralele cu directia fluxului termic (figura 7.b.). Pentru zonele neomogene , formate din mai multe straturi, se determina rezistenta termica cu relatia 7. Rezistenta termica echivalenta a elementului se determina cu relatia 14.

Cele doua rezistente termice echivalente si au valori diferite, iar valoarea reala a rezistentei termice R_t a elementului de constructie se gaseste intre cele doua valori (figura 8.)

Figura 8. Variatia raportului dintre rezistenta termica R₀ a unui bloc omogen si rezistenta termica R_l a aceluiasi bloc dar cu un miez de material termoizolant foarte puternic (λ_I≈0) de lungime "l".

Normativul C 107-3 recomanda utilizarea notiunii de strat cvasiomogen, un strat in care in anumite conditii sa se inlocuiasca materiale cu conductivitati termice diferite cu un material avand o conductivitate unica, echivalenta. Ca exemple de straturi cvasiomogene se pot da zidariile (alcatuite din caramizi sau blocuri + mortar), precum si straturile termoizolante din cadrul elementelor de constructie tristrat, prin care trec ancore din otel inoxidabil de diametre reduse, dispuse uniform pe suprafata elementului de constructie. Rezistenta unui astfel de strat se calculeaza cu relatia 1, la care in loc de conductivitatea termica λ se utilizeaza o conductivitate termica echivalenta λ_e.

Rezistentele termice superficiale

Rezisten a termica specifica unidirec ionala a unui element de construc ii alcatuit din unul sau mai multe straturi din materiale omogene, fara pun i termice, inclusiv, din eventuale straturi de aer neventilat, dispuse perpendicular pe direc ia fluxului termic, se calculeaza cu rela ia:

R= (15)

in care: - sunt rezistente termice superficiale determinate cu relatiile

Rezistentele termice superficiale se considera in calcule in conformitate cu tabelul 2 , in functie de directia si sensul fluxului termic, conform normativului C 107- La determinarea rezistentelor termice ale elementelor de constructie interioare, pe ambele suprafete ale elementului se considera valori α_i = α_e = 8W/(m ² K). In spatiile neincalzite, indiferent de sensul fluxului termic, se considera α_i = α_e=12W/(m² K).

- rezisten ele termice ale straturilor de aer neventilate (tabelul ) se iau in func ie de direc ia i sensul fluxului termic i de grosimea stratului de aer; valorile din tabel, din coloana "flux termic orizontal" sunt valabile i pentru fluxuri termice inclinate cu cel mult 30 fa a de verticala, iar cele din coloanele "flux termic vertical" sunt valabile i pentru fluxuri inclinate cu cel mult 30 fa a de orizontala ;

- rezisten a termica specifica a unui strat omogen al elementului de construc ii se determina cu rela ia:

(16)

in care:

-d - grosimea de calcul a stratului in m ;

conductivitatea termica de calcul a materialului in W/mK;

In calculul unidirec ional, suprafe ele izoterme se considera ca sunt paralele cu suprafa a elementului de construc ii.

La elementele de constructii cu permeabilitate la aer ridicata, determinarea rezistentei termice specifice unidirectionale se face cu luarea in considerare a prevederilor STAS 6472/7.

4.Rezistenta termica minima necesara

Pentru a putea sa asigure un anumit grad de confort la interior, rezistenta termica a peretelui trebuie sa depaseasca anumite valori minime stabilite prin calcul, care asigura acest nivel de confort. Trebuie sa fie indeplinite trei conditii:

evitarea condensului pe suprafata interioara a peretului;

evitarea disconfortului datorat radiatiei reci a peretelui;

conditie tehnico-economica.

Rezistenta termica a peretelui, pentru calculul de proiectare, se va alege ca maxima dintre cele trei conditii enuntate mai sus.

In regim termic stationar, se poate scrie relatia:

(17)

unde, in afara notatiilor definite anterior, s-au mai notat cu T_i, T_e si cu T_pi temperaturile aerului interior, ale aerului exterior si ale peretelui la suprafata interioara.

Rezulta:

(18)

In regimul termic nestationar real la care este supus un element de constructie, trebuie tinut cont de inertia termica a acestuia, si ca urmare, relatia 18 devine:

(19)

in care m este coeficientul de masivitate termica a elementului de constructie.

Pentru ca vaporii de apa sa nu condenseze pe suprafata interioara a elementelor de constructie, trebuie ca temperatura peretelui la suprafata interioara determinata cu relatia 19 sa indeplineasca conditia:

(20)

unde T_r este temperatura punctului de roua a aerului interior.

Indeplinirea conditiei 20 se face atat pentru campul curent al elementului de constructie cat si in dreptul puntilor termice.

Pentru realizarea confortului termic este necesar ca pentru un element de constructie (cu exceptia suprafetelor vitrate) sa fie valabila relatia:

(21)

in care este diferenta maxima de temperatura admisa intre aerul interior si suprafata interioara a elementului de constructie, valoare data de normative pentru tipuri caracteristice de element de constructie (perete lateral, acoperis, pardoseala) si in functie de destinatia incintei. Cu cat rezistenta termica a peretelui este mai mare cu atat si diferenta dintre temperatura aerului interior si temperatura suprafetei interioare a peretelui este mai scazuta, iar discvonfortul radiatiei reci este mai scazut.

Avand in vedere relatia 19, rezistenta termica R a unui element de constructie este:

(22)

Ca urmare, tinand cont de relatia 22, valoarea rezistentei termice pentru elementele de constructie opace necesare realizarii confortului termic si evitarii condensarii vaporilor de apa se poate scrie sub forma:

(23)

Pentru elementele de constructie vitrate, conform normativelor (STAS 6472-3/1989), rezistenta termica necesara se determina cu relatia:

(24)

unde R_min este data in normativ in functie de tipul elementului de constructie vitrat (fereastra, luminator, perete vitrat).

In cazul in care nu este indeplinita relatia 23 este necesara izolarea termica suplimentara a elementului de constructie respectiv. Situatia neindeplinirii relatiei 23 apare mai des in dreptul puntilor termice. Pentru ameliorarea comportarii elementelor de constructie cu punti termice se iau urmatoarele masuri:

• materialele cu conductivitate termica mare se dispun spre exteriorul elementelor de constructie (figura 9.a.);
• se micsoreaza latimea puntii termice (figura 9.b.);
• se izoleaza suplimentar elementul de constructie in zona puntii termice (figura 9.c. si d.).

Figura 9. Metode de tratare a puntilor termice.

4.Determinarea rezistentelor termice specifice ale

elementelor de constructie vitrate

Rezistenta termica a tamplariei exterioare (ferestre si usi vitrate) din lemn, a luminatoarelor si a peretilor exteriori vitrati se considera conform tabelului 4 (normativul C 107/3):

Tabelul 4. Rezistente termice specifice pentru elemente de constructie vitrate

Pentru usile interioare, opace sau vitrate, rezistentele termice pot fi determinate prin calcul, in functie de materialele utilizate la tocuri si foi, de alcatuirea si grosimea acestora si de valorile R_si si R_se corespunzatoare pozitiei usilor. Pentru tamplariile metalice simple, realizate din profile de otel se vor considera urmatoarele rezistente termice:

- cu o foaie de geam simplu: R=0,17 m²K/W

- cu un geam termoizolant: R= 0,28 m²K/W.

Pentru calculele termotehnice din faza de proiectare se pot utiliza niste formule aproximative, conform normativului C 107- In figura 10 sunt date dimensiunile de calcul pentru tipurile de suprafete vitrate utilizate.

Figura 10. Exemple de usi si ferestre de lemn, dimensiuni caracteristice

Caracterisitici termotehnice

Conductivitatea termica a geamurilor se considera λ = l,0 W/(mK).

Conductivitatile termice ale tocurilor si cercevelelor din lemn (cu o umiditate de 12%) se considera astfel:

- Lemn de esenta moale (brad) (ρ=600 kg/m³ ) λ = 0,19 W/(mK),

- Lemn de esenta tare (stejar) (ρ= 900 kg/m³ ) λ = 0,25 W/(mK).

5. Stabilitatea termica a cladirilor

Stabilitatea termica este proprietatea unei cladiri, a unei incaperi sau a unui element de inchidere de a-si pastra temperatura la un nivel relativ constant in cazul oscilatiilor fluxului de caldura.

Calculul la stabilitate termica este o etapa a dimensionarii termotehnice a cladirilor, prin care se urmareste asigurarea confortului termic interior pe timp de vara si pe timp de iarna. Elementele de constructii care se verifica la exigenta de stabilitate sunt (Inst. Incalzire):

o       partea opaca a peretilor exteriori supraterani ai incaperilor incalzite;

o       planseele de peste ultimul nivel incalzit, de sub terase si poduri.

Determinarea stabilitatii termice a elementelor de constructii perimetrale ale cladirilor se face in conformitate cu prevederile NP 200/6 , "Instructiuni tehnice provizorii pentru proiectarea la stabilitate termica a elementelor de inchidere ale cladirilor

Transferul de caldura prin elementele de constructie care delimiteaza o cladire are loc, in realitate, in regim nestationar. Cauzele acestor regimuri nestationare de transfer de caldura sunt:

• variatiile temperaturii exterioare in cursul zilei in jurul valorii medii ale acesteia (atat iarna, cat si vara);
• variatia vitezei si directiei vantului;
• variatiile diurne ale intensitatii radiatiei solare (vara).

In regimul nestationar de transfer de caldura un rol important asupra valorii factorilor de microclimat interior il are, pe langa izolarea termica a cladirii, inertia termica a acesteia. Literatura de specialitate prezinta exemplul a doua incinte identice din punctul de vedere al formei, dimensiunilor si al izolarii termice (elementele de constructie folosite avand aceleasi rezistente termice). Incintele se diferentiaza prin materialele de constructie folosite: caramida de pamant ars pentru prima incinta si beton celular autoclavizat, pentru a doua. In conditiile unei temperaturi exterioare de -15 C, instalatiile de incalzire mentin in cele doua incinte aceeasi temperatura interioara de 20 C. La intreruperea alimentarii cu caldura a ambelor incinte, dupa 8 ore, in prima incinta, temperatura suprafetei interioare a elementelor de constructie este ceva mai mare de 0 C, iar in cea de a doua aceasta temperatura este sub -10 C. Explicatia aceste situatii o constituie diferenta dintre inertia termica a peretilor incintelor in cele doua variante constructive, respectiv diferenta dintre cantitatile de caldura inmagazinate in peretii incintelor (mult mai mari in cazul peretilor de caramida decat in cazul betonului celular autoclavizat).

Pentru caracterizarea unui element de constructie sau a unei cladiri din punctul de vedere al inertiei termice se foloseste o marime adimensionala denumita indice de inertie termica D. Pentru un element de constructie omogen indicele de inertie termica D este:

(25)

unde R - rezistenta termica a elementului de constructie, in m²K/W; iar s₂₄ - coeficientul de asimilare termica a elementului de constructie respectiv pentru oscilatii ale fluxului termic cu perioade de 24 ore, in W/m²K.

Coeficientul de asimilare termica a unui element de constructie omogen se determina cu relatia:

(26)

in care t este durata perioadei de oscilatie considerate (in cazul de fata 24 h), in s; c_p - caldura specifica masica a materialului de constructie, in J/kg.K; λ - coeficientul de conductivitate termica, in W/mK; iar ρ densitatea materialului, in kg/m

Pentru un element de constructie neomogen format din mai multe straturi, indicele de inertie termica D este:

(27)

unde D_i este indicele de inertie termica a stratului omogen "i" calculat cu relatiile 25 si 26.

In cazul un element de constructie neomogen format din mai multe zone distincte , indicele de inertie termica D se determina cu relatia:

(28)

in care D_i este indicele de inertie termica a zonei distincte "i" omogene sau neomogene, calculat cu relatiile 25 - 27 ; iar A_i - suprafata zonei distincte "i".

Relatia 28 poate fi folosita si pentru calculul indicelui de inertie termica pentru o incinta.

S.T.A.S. 6472/3-1989 recomanda urmatoarele valori limita ale necesare pentru realizarea confortului termic:

• pentru incalzirea cu sobe (incalzire intermitenta): D ≥ 2,5
• pentru incalzirea centrala (centrale termice, cogenerare):

cladiri de locuit, spitale, crese, gradinite D ≥ 2,0

rest cladiri D ≥ 1,5.

Aprecierea comportarii unei cladiri in regim dinamic numai pe baza indicelui de inertie termica poate conduce la concluzii eronate. Astfel, valoarea indicelui de inertie termica este aceeasi indiferent de ordinea in care sunt asezate straturile care compun elementul de constructie, adunarea fiind comutativa. In realitate, temperaturile medii ale straturilor sunt influentate de ordinea in care sunt asezate acestea (vezi figura 10). Izolatia termica usoara se realizeaza din materiale cu capacitate de inmagazinare a caldurii redusa (cu caldura specifica masica redusa), iar izolatia termica grea din materiale cu capacitate de inmagazinare a caldurii mare (cu caldura specifica masica mare). Ca urmare, cantitatea de caldura care se acumuleaza in diversele elemente de constructie va depinde de ordinea de asezare a straturilor, deci si inertia termica a cladirii va depinde de aceasta ordine.

Figura 10. Influenta ordinii straturilor izolante asupra temperaturilor medii ale acestora

Avand in vedere aspectele de mai sus, la cladirile locuite permanent, izolatia grea, cu capacitate mare de inmagazinare a caldurii se va amplasa spre interiorul incintei, astfel modificarile temperaturii exterioare si/sau ale cantitatii de caldura introduse de instalatia de incalzire vor avea un efect mai redus asupra temperaturii interioare. In cazul cladirilor locuite temporar, izolatia grea, cu capacitate mare de inmagazinare a caldurii se va amplasa spre exteriorul incintei, astfel, temperatura interioara ajunge mai iute la valoarea de regim la pornirea incalzirii.

Undele de temperatura ale aerului exterior (Te) si interior (Ti) pot fi reprezentate sub forma de oscilatii armonice perfecte sau ca o suma a unei serii de armonici fara a admite erori considerabile. (vezi figura 11).

Figura 11. Variatiile temperaturii interioare intr-o incapere: a. incapere neincalzita;

b. incapere incalzita (debit de caldura constant).

Oscilatiile temperaturii aerului exterior provoaca variatii ale fluxului de caldura si temperaturii pe suprafetele si in interiorul cladirii. Aceste variatii vor fi de asemenea oscilatii armonice complexe cu perioada de 24 ore (sau T in cazul general). Inertia termica a elementelor de constructie conduce la amortizarea si intarzierea (defazajul) undei de temperatura in acestea.

Coeficientul de amortizare ν a undei de temperatura intr-un element de constructie se defineste ca raportul:

(29)

unde A_te este amplitudinea oscilatiei temperaturii exterioare; iar A_tpi - oscilatia temperaturii suprafetei interioare a elementului de constructie.

Oscilatiile vor intarzia in timp fata de oscilatiile temperaturii aerului exterior cu ε ore. Marimea coeficientului de defazaj ε poate fi calculata cu formula aproximativa (Virlan):

(30)

Calculele analitice ale coeficientului de amortizate ν a undei de temperatura si de defazaj sunt foarte laborioase si sunt practic aplicabile doar pentru elementele de constructie reale (neomogene) si nu pentru incinte. In cazul incintelor, valorile coeficientului de amortizate ν a undei de temperatura si de defazaj se pot determina numai prin calculul transferului termic in regim nestationar folosind metode numerice (diferente sau elemente finite).

Constructiile realizate in mod curent in Romania sunt caracterizate prin valori ale coeficientului de amortizate ν a undei de temperatura in domeniul 15 - 30 si ale intarzierii in domeniul 4 - 12 h.

6. Difuzia vaporilor de apa prin elementele de constructie

Difuzia este deplasarea vaporilor printr-o substanta solida. Deplasarea umezelii sub forma de vapori printr-o substanta este determinata de diferenta de presiune de o parte si de alta a substantei. De exemplu, daca de o parte a unui zid exista o presiune mai mica a vaporilor din aer, iar in partea cealalta avem vaporii din aer la o presiune mai mare. Vaporii din aer din partea cu presiune mai mare vor trece prin zid pentru a echilibra presiunea. Unele materiale permit aceasta trecere fara nici un fel de rezistenta. In acest caz materialele au permeabilitate mare.

Comportarea unui element de constructie la difuzia vaporilor de apa este corespunzatoare daca sunt indeplinite conditiile:

cantitatea de apa m_w provenita din condensarea vaporilor in masa elementului de constructie in perioada rece a anului este mai mica decat cantitatea de apa m_v care s-ar putea evapora in perioada calda a anului: m_w < m_v. Nu este admisa acumularea progresiva a caldurii;

cresterea umiditatii relative masice ΔW trebuie sa fie mai mica decat valoarea maxim admisibila ΔW_adm la sfarsitul perioadei de condensare interioara:

(31)

unde : ρ - densitatea materialului care s-a umezit prin condensare in kg/m³, d_w - grosimea stratului de material in care se produce acumularea de apa in m.

Pentru a studia comportamentul elementelor de constructie la difuzia vaporilor se poate aplica o metoda de calcul bazata pe analiza fenomenului fizic cu valori medii, in ipoteza regimului stationar sau o metoda de calcul in regim real nestationar, bazata pe analiza dinamica a fenomenului fizic.

Verificarea comportarii la difuzia vaporilor se face pentru peretii exteriori ai incaperilor cu umiditati relative ale aerului interior de peste 60% (spalatorii, saune, uscatorii).

Etapele calculului prin prima metoda, grafo-analitica, sunt urmatoarele (Inst. Incalzire):

1. Se stabilesc rezistentele termice specifice ale straturilor componente R_s;
2. Se stabileste variatia temperaturii in interiorul elementului si temperatura exterioara egala cu media perioadei reci T_em:

pentru zona I: T_em=+ 10,5 ^oC;

pentru zona II: T_em=+ 9,5 ^oC;

pentru zona III: T_em=+ 7,5 ^oC;

pentru zona IV: T_em=+ 6,5 ^oC.

Calculele se fac in ipoteza ca elementul de constructie este alcatuit din straturi omogene perpendiculare pe directia fluxului termic.

Se determina temperatura pe suprafata interioara a elementului de constructie;

4. Se determina temperatura pe suprafata exterioara a elementului de constructie cu relatia:

(32)

(33)

5. Se determina temperatura intr-un plan n din interiorul elementului de constructie cu relatia:

, [^oC]    (34)

unde - suma rezistentelor termice specifice ale straturilor amplasate intre suprafata interioara, respectiv exterioara si planul n.

6. Se stabilesc temperaturile medii ale straturilor, corespunzator acestora, a valorilor coeficientilor de difuzie a vaporilor M_j.

7. Se determina rezistenta la permeabilitate la vapori R_v a elementelor de constructie, pe baza coeficientilor de difuziune a vaporilor de apa M_j si a factorilor rezistenti la permeabilitate la vapori cu relatia:

(35)

8. Se reprezinta grafic elementul de constructie, amplasandu-se pe abscisa rezistentele la permeabilitatea la vapori ale straturilor componente, iar pe ordonata presiunile la vapori.

9. Se reprezinta grafic curba de variatie a presiunilor de saturatie corectate ale vaporilor de apa in interiorul elementului de constructie calculata cu relatiile urmatoare:

Pentru zona I:

_{Pentru zona II:}

_{Pentru zona III:}

_{Pentru zona IV:}

_{unde: pskm - presiunea de saturatie a vaporilor de apa in sectiunea k.}

_{10. Se reprezinta grafic linia presiunilor partiale pv ale vaporilor de apa.}

_{Figura 1 Trasarea curbelor de variatie a presiunilor de saturatie si a presiunilor daca linia presiunilor partiale nu intersecteaza curba presiunilor corectate nu are loc acumularea progresiva de apa de la an la an; in caz contrar este necesara imbunatatirea alcatuirii elementului de constructii, introducandu-se bariere contra vaporilor sau prevazandu-se straturi de aerare sau ventilare a structurii.}

Calculul se efectueaza in perioada rece a anului pentru determinarea cantitatii de vapori care condenseaza in elementul de constructie si in perioada calda a anului pentru determinarea cantitatii de apa acumulata care se poate evapora.