NECESARUL DE CALDURA PENTRU CLADIRI

1. Conditii conventionale de calcul

1.1.. Temperatura exterioara de calcul

Pentru stabilirea temperaturii exterioare de calcul exista in lume mai multe metode: metode bazate pe formule empirice, metode bazate pe inregistrari statistice, metode bazate pe media duratelor anuale ale temperaturilor scazute etc.

In tara noastra a fost utilizata o metoda bazata de calcule termotehnice privind amortizarea oscilatiilor de temperatura in elementele de constructie (metoda mai este utilizata in fosta URSS, Polonia, Austria, Suedia). Metoda de calcul a temperaturilor exterioare poate fi rezumata astfel:

a) Se cunosc temperaturile momentane, masurate, pentru o perioada de 20..25 ani. Dintre aceste valori sunt alese cele care corespund perioadei friguroase.

b) Prin prelucrarea datelor meteorologice se stabileste o iarna conventionala care are ca baza temperaturile exterioare medii ale zilei si orei de calcul.

exemplu:

Anul Ora	1940	..	1965	tmed
1		..		○
2		.		○
..	..	..	..	○
24				○

Aceste valori medii se obtin pentru fiecare localitate din tara care are masuratori facute prin Institutele meteorologice

..

Dintre aceste valori sunt selectionate temperaturile medii cu valori cuprinse intre + 10⁰C si cele mai scazute valori ce apar.

c) Cunoscand temperaturile medii ale perioadei considerate (20.25 ani) si duratele de aparitie ale acestora se stabileste iarna conventionala de calcul. Din grafic rezulta ca temperatura de - 18⁰C apare in iarna conventionala 1 zi.

0 1 2 4 zile

+10

-12

-15

-18

-24

t_m

m <1 - inertie mare

m = 1 - caramida STAS

m >1 inertie mica

d) Prin calcule termotehnice si experiente de laborator, pentru elemente de constructie standard (caramida de 1 1/2) si pentru temperaturi interioare standard se stabilesc duratele de timp necesare fiecarei temperaturi medii pentru a crea pe fata interioara a elementului de constructie variatii de temperatura mai mari sau mai mici decat 0,3⁰C.

Pentru aceasta verificare se incepe cu temperatura cea mai scazuta care are o durata sa zicem de 0,5 zile/iarna conventionala si careia

ii sunt necesare 2 zile pentru a crea pe fata interioara a peretelui temperaturi mai scazute cu 0,3⁰C fata de cea corespunzatoare q_i.

Deoarece timpul necesar este mai mare decat frecventa (durata) de aparitie a acestei temperaturi in iarna conventionala de calcul, aceasta temperatura este eliminata din competitie. Procedand in mod asemanator se constata ca temperatura de - 18⁰C are o durata de aparitie in cadrul iernii conventionale egala cu timpul necesar pentru a crea pe peretele interior oscilatii de - 0,3⁰C. Deci aceasta temperatura poate fi considerata ca temperatura de calcul. Gruparea localitatilor cu temperaturi exterioare - 18⁰C si durate egale cu prima conduc la zona a II a de temperatura. In mod analog s-au stabilit ca temperaturi exterioare de calcul temperaturile (- 12⁰C), (- 15⁰C) si

(-21⁰C).

Dar pentru inchiderea incaperilor sunt utilizate structuri diferite de cea etalon care are un D @ 5. Structurile care au un indice de inertie termica mai mic decat cel standard vor permite ca pe fata interioara a peretelui sa apara oscilatii de temperatura intr-un timp mai scurt decat cel in care apare temperatura exterioara de calcul. Pentru a corecta acest neajuns este necesar sa se introduca un plus de caldura care sa asigure stabilitatea temperaturii pe fata interioara. Acest coeficient poarta denumirea de coeficient de masivitate si se noteaza cu 'm'. Acesta se stabileste functie de indicele de inertie termica.

Din tabel rezulta ca pentru pereti masivi se reduce necesarul de caldura , deoarece coeficientul de asimilare termica este subunitar.

De remarcat ca ferestrele si usile sunt considerate ca avand D = 1 [m(q_i-q_e) = (q_i-q_ec) Þ

m = (q_i-q_ec)/(q_i-q_e) Þ q_ec=q_{i conf} Þ m = 1].

1.2. Temperatura interioara de calcul

Pe baza consideratiilor de confort termic sunt stabilite temperaturi interioare de calcul pentru majoritatea incaperilor. In unele cazuri acestea pot fi determinate de considerente de ordin tehnologic. In cazul incaperilor neincalzite temperaturile interioare se pot stabili pe baza ecuatiilor de bilant termic.

Q_aporturi = Q_pierderi = 0

Þ

Pentru unele aplicatii poate fi aplicata si metoda standardizata potrivit careia t_i = f (Rm).

1.3. Viteza vantului de calcul

Pe baza unor ample studii efectuate de INCERC, s-a stabilit o metoda de determinare a vitezei de calcul a vantului, care tine seama de corelatia statistica existenta intre intensitatile vanturilor si temperaturile scazute.

Prin studiul amintit s-au evidentiat toate aparitiile vanturilor puternice concomitente cu temperaturile exterioare scazute, impreuna cu duratele de manifestare ale acestora, pe o perioada de 20 ani (pentru 32 localitati).

Totodata, pentru fiecare localitate in parte au fost stabilite si directiile de actiune ale acestor vanturi.

Pentru a se putea alege viteza de calcul, a fost necesar ca toate starile climatice vant - temperatura sa fie comparate cu o stare climatica de referinta. In acest scop s-au luat in consideratie numai acele vanturi care, la temperatura la care apar, dau un necesar de caldura mai mare decat necesarul de caldura, pentru incalzire corespunzator temperaturii exterioare de calcul (fara vant) si care au o durata de cel putin 960 ore (40 zile) in 20 ani.

Starea climatica de referinta s-a determinat transformand toate concordantele vant - temperatura reale, in concordante echivalente, corespunzatoare temperaturii exterioare de calcul. Aceasta inseamna ca pentru o anumita situatie reala care apare la o temperatura exterioara t_ej cu o viteza a vantului v_j si care duce la un necesar de caldura Q_j, s-a determinat o viteza fictiva echivalenta a vantului 'v₀' care la temperatura exterioara de calcul 't_e' ar da acelasi necesar de caldura.

Eliminandu-se situatiile de durata mai mica de 960 ore in 20 ani, au rezultat 4 zone climatice.

Q_j = Q_Tj + Q_Fj = Q_T + Q_F =

Situatie Situatie

reala (v_i) fictiva (v_o)

= [SS_k + (Li)v_g^4/3]Dt = [SS_k + (Li)v₀^4/3]Dt; 1/SLi

SS_k/SLi + v_j^4/3Dt_j = SS_k/SLi + v₀^4/3Dt

Definim: SS_k/SLi = e (coeficient eolian)

(e + v_j^4/3)(t_i - t_ej) = (e + v₀^4/3)(t_i - t_e)

v₀ = [(e + v_j^4/3) + (t_i - t_ej)/(t_i - t_e) - e]^4/3

e = 2040

v₀ = [(30 + v_j^4/3) + (t_i - t_ej)/(t_i - t_e) - 30]^4/3

2. Cladiri cu inaltime medie

2.1. Cazul cladirilor cu inertie termica moderata

Pentru toate categoriile de cladiri a caror anvelope se inscriu in prevederile Normativului C107, se aplica metodologia indicata in STAS 1907/98. Potrivit acestui act normativ, necesarul de energie termica, calculat in regim stationar, se stabileste cu relatia:

in care:

Q_T - flux termic cedat prin transmisie, corespunzator diferentei de temperatura intre interiorul si exteriorul elementului de constructie ce delimiteaza incaperea, calculat cu relatia:

in care marimile au semnificatia urmatoare:

C_M - coeficient de corectie dependent de masa specifica a constructiei r_EI = 0,9 Mc/Sc

r_EI < 400 kg/m² - C_M = 1

r_EI >400 kg/m² - C_M = 0,94

m - coeficient de masivitate al elementelor de constructie exterioare, ce poate fi determinat cu relatia aproximativa:

m = 1,225 - 0,05 D; cu indicele de inertie termica D_j = , care este unitar in cazul particular al zidariei de caramida plina cu d 37,5 cm (D = 4,5) si al elementelor interioare indiferent de valoarea indicelui de inertie al acestora. Pentru elemente neinertiale valoarea acestuia este m = 1,2.

S - suprafata de calcul a elementului de constructie prin care se considera transferul termic. Pentru elementele neinertiale, aceasta este reprezentata de suprafata golurilor, iar pentru pereti inaltimea se considera intre suprafetele finite ale pardoselilor.

t_i, t_e - temperaturile interioare si exterioare de calcul.

R_opt rezistenta termica optimizata a elementului de constructie.

Q_S - flux termic cedat prin pardoseli asezate direct pe sol, care pentru constructii cu forme regulate se calculeaza cu relatia:

[W]

in care marimile au semnificatia urmatoare:

- - aria cumulata a pardoselii si peretilor aflati sub cota terenului;

- S_bc - suprafata benzii de contur de latime unitara corespunzatoare perimetrului peretilor exteriori;

- - suprafata benzii de contur de latime unitara corespunzatoare perimetrului peretilor interiori;

- t_i, t_e - temperaturile de calcul interioare si exterioare;

- - temperatura interioara de calcul a incaperilor vecine;

- t_s - temperatura in sol sau a apei freatice, stabilita functie de zona de temperatura;

- n_s - coeficient de corectie al conductivitatii solului;

- R_pd - rezistenta termica a pardoselii, pentru care 1/a_e = 0;

- R_bc - rezistenta termica a benzii de contur, care se stabileste functie de adancimea apei freatice si adancimea de ingropare a pardoselii;

A_o - adaos de orientare, care introduce efectul radiatiei solare asupra cladirii. Valorile acestuia se stabilesc pentru cazul cel mai dezavantajat de orientare al incaperii de calcul.

A_c - adaos pentru compensarea efectului suprafetelor reci, care se stabileste functie de rezistenta termica medie a elementelor delimitatoare, calculata cu relatia:

[m²K/W]

in care S_T - se va calcula ca suprafata totala a camerei de calcul iar S Q_T - reprezinta suma fluxurilor termice transferate prin elementele exterioare si interioare.

Q_i - sarcina termica pentru incalzirea aerului infiltrat prin rosturile elementelor mobile si la deschiderea frecventa a acestora, care se determina ca valoare maxima obtinuta din expresiile:

[W] conditie de ventilare

[W] conditie de infiltrare normala

conditia de ventilare naturala sau mecanica impune asigurarea unui nivel de ventilare, evaluat prin numarul de schimburi orare (n_ao), care este normat functie de destinatia camerei.

conditia de infiltrare normala, ia in considerare infiltratiile datorate presiunii vantului, presiunii termice si a presiunii datorate ventilarii naturale. Factorul , introduce tocmai efectul combinat al celor trei potentiale ce pot determina infiltratiile de aer. Pentru componenta care se refera la deschideri frecvente (Q_u), in cazuri normale nu se ia in considerare, efectul acestor infiltratii fiind contracarat prin masuri constructive sau instalatii speciale.

2.2.Spatii simplu vitrate

Cazul serelor simplu vitrate, beneficiaza de relatii experimentale de forma:

Q = [0,44 S + (0,41 + 1,25 k_conv) S_F] (t_i-t_e) [W]

in care:

S -suprafata terenului pe care este amplasata sera;

S_F - suprafata geamurilor;

t_i, t_e - temperaturile conventionale de calcul, interioare si exterioare;

k_conv - coeficient total de transfer termic prin convectie, prin suprafata vitrata stabilit dupa cum urmeaza:

k_conv = k_eT [1 + p n (k_eT)^n-1] [W/m^{2 0}C]

cu precizarile:

;

a, i - reprezinta coeficientii superficiali de transfer si respectiv entalpia aerului;

n - coeficient de neetanseitate.

2.3. Pierderi de caldura pentru incaperi partial ingropate

A. Metoda Kissin

Q_pd = [k₁(S₁ + 4n) + k₂S₂ + k₃S₃ + k₄S₄](t_i-t_e)

n - numarul colturilor de suprafata 4 m²

Desi temperatura pamantului la oarecare adancime este uniforma si foarte putin influentata de conditiile climatice, pierderile de caldura prin pardoseala din apropierea zidurilor sunt mai mari decat pierderile prin restul pardoselii.

Tinand seama de acest fapt M.I. Kissin a propus sa se determine pierderile de caldura prin pardoseala introducand in calcul un coeficient de transmisie termica conventional, in functie de distanta la peretii exteriori.

Pentru pardoseli reci: ( k₁ = 0,4; k₂ = 0,2; k₃ = 0,1; k₄ = 0,06) (beton, mozaic)

Pentru pardoseli calde: (lemn, linoleum, mocheta)

Pentru ziduri exterioare partial ingropate calculul se conduce la fel. Zona 1 considerandu-se ca incepand de la nivelul terenului.

B. Metoda din 4701

Q_pd=mS(t_i-t_e¢)+

in care:

S - suprafata totala care se invecineaza cu solul (pardoseala si pereti);

t_e^' = 0 . 5⁰C;

m = f(h, a/b ,S);

t_s = 10⁰C.

C. Metoda Nicolae Leonachescu

Q = Q_e1 + Q_e2 + Q_e5 + S Q_a

Pentru cazul curent al semispatiului j = 0 si L = 0 relatiile sunt mult mai simplificate.

D.Metoda STAS 1907

2. Pierderi de caldura ale halelor industriale

Necesarul de energie termica aferent acestor categorii de cladiri se poate evalua cu relatiile stabilite la paragraful anterior fata de care se fac urmatoarele precizari:

Rezistenta termica a elementelor inertiale se stabileste functie de structura elementelor omogene si se corecteaza pe baza de nomograme.

Rezistenta termica a elementelor neinertiale (luminatoare) sau plafoane, aceasta se corecteaza functie de factorul 'r' ce depinde inaltimea halei (R_0c =R₀/r).

Coeficientul 'E' se stabileste in conditii particulare pe baza de recomandari.

Pentru hale industriale cu inaltimi pana la 8 m necesarul de caldura se stabileste pe baza indicatiilor din STAS 1907 - 68, adica prin utilizarea relatiei:

Este important de semnalat cateva aspecte ale halelor industriale.

In cazul unor hale cu suprafete exterioare opuse infiltratiile de aer pot fi considerate numai pe o fatada, deoarece a doua fatada se poate considera in depresiune.

In cazul incalzirii cu aer cald, se pot elimina complet infiltratiile de aer daca incaperea se va afla in suprapresiune. Deci se va putea considera Q_i = 0.

Pentru halele cu inaltime mai mare de 8 m pierderile de caldura prin transmisie sunt afectate de modificarea coeficientului 'k' sau R = 1/k.

Se stie ca a_i = a_c + a_r. In cazul cladirilor foarte inalte componenta 'a_r' se micsoreaza foarte mult, putand fi considerata nula.

a_i^* = 4,05 W/m^{2 0}C - pentru hale fara

; compartimentari, avand inaltimea mai mare decat

adancimea incaperii.

a_i^* = 5,8 W/m^{2 0}C (5,0 kcal/m²h ⁰C) - pentru hale compartimentate sau pentru incaperi a caror inaltime este mai mica decat adancimea lor. Important ar mai fi si eventualitatea luarii in considerare a bilantului de aer in zona de sedere in cazul incalzirii cu aer cald. Modificarile se datoreaza micsorarii lui a_r inclus in a_c.

2.5. Cladiri cu masivitate mare

Din aceasta categorie fac parte adaposturile sau alte incaperi subterane. Datorita faptului ca aceste incaperi sunt marginite de pereti cu capacitate mare de acumulare a caldurii, pierderea de caldura prin transmisie este practic independenta de regimul de functionare.

Calculul necesarului de caldura se poate face utilizand metoda propusa de N. Leonachescu de la I.C.B.

A. Cladiri total ingropate

Q_e = Q_e1 + Q_e2 + Q_e2 + Q_e4 + Q_e5 + Q_e6

Q_a = Q_a1 + Q_a2 + Q_a2 + Q_a4 + Q_a5

; j = 1; 2; 3; 4; 5; 6.

j = 1; 2; 3; 4; 5; 6.

in conditiile geometrice:

h > sau h >

H >

B. Constructii cu intreruperi mari in functionarea instalatiilor

(monumente istorice, biserici etc)

La aceste tipuri de incaperi intereseaza mai putin pierderea de caldura furnizat de instalatia de incalzire, care nu variaza in limite largi si in masura mult mai mare variatia temperaturii aerului interior si a elementelor delimitatoare, pentru a se putea stabili durata perioadei de reincalzire, inainte de a putea fi folosita incaperea. Din acest motiv si pentru simplificarea calculelor se considera constant debitul de caldura furnizat de instalatia de incalzire.

Neglijand caldura necesara incalzirii aerului infiltrat se poate scrie:

Q = S K_fS_F (t_i - t_e) + S S_P a_P (t_i - t₀)

t_i = temperatura interioara ceruta iar t₀ = temperatura interioara de la care incepe incalzirea.

[kcal/m²h ⁰C]

z - timpul de preincalzire

- caracteristica materialului

La constructiile cu pereti extrem de masivi caldura pe care trebuia sa o cedeze corpurile de incalzire se stabileste astfel:

2.6. Cladiri inalte

Specifica cladirilor inalte este aparitia unor factori perturbatori ce influenteaza necesarul de caldura al unei incaperi in functie de nivelul la care se afla incaperea respectiva.

- presiunea vantului

- presiunea termica (sau efectul de cos)

- ventilarea natural organizata sau ventilarea mecanica

Cercetarile din mai multe tari au relevat importanta cunoasterii variatiei vitezei vantului cu inaltimea, aceasta ducand la o diferentiere sensibila a necesarului de caldura de la etaj la etaj.

Efectul de cos, des intalnit si la cladiri cu putine nivele, dar neconsiderat in calcule, produce infiltratii la nivelele inferioare si exfiltratii la nivelele superioare.

Pe de alta parte, existenta ventilarii de evacuare, contribuie sectiunea produsa la majorarea infiltratiilor de aer.

Plecand de la faptul ca in general, pentru calculul necesarului de caldura este considerata valabila o relatie de forma:

; ;

Pentru determinarea debitului de aer infiltrat se vor avea in vedere urmatoarele:

;

Prin suprapunerea efectelor se obtine o noua distributie a diferentelor de presiune (Dp_ech), functie de care, se calculeaza G^*_inf si apoi Q^*_inf.

In standardul 1907, pe baza acestor studii, apare coeficientul E care s-a obtinut prin raportarea .

3. Necesarul de caldura pentru alte scopuri

Stabilirea sarcinii termice pe categorii de consumatori este importanta atat pentru alegerea economica a cazanelor cat si pentru gestionarea energiei termice.

Cazul cel mai general presupune o sursa de agent termic capabila sa asigure simultan 4 categorii de consumatori:

Q_CT = Q_i + Q_acm + Q_v + Q_th ; [kW]

in care:

Q_CT - sarcina termica a cazanelor;

Q_i - sarcina termica a consumatorilor pentru incalzire de confort;

Q_acm- sarcina termica necesara prepararii apei calde menajere;

Q_v - sarcina termica a instalatiilor de ventilare si/sau climatizare;

Q_th - sarcina termica a consumatorilor tehnologici.

Necesitatea asigurarii concomitente a celor 4 categorii de consumatori, poate fi pusa in discutie functie de categoria cladirii care urmeaza a beneficia de serviciile sursei.

Tabel 1. Cazuri posibile de cuplaj a consumatorilor

Categoria consumatorului Clasa cladirii	S Qi	S Qacm	S Qv	S Qth
Cladiri de locuit individuale sau colective	O	O		Å
Cladiri social culturale	O	O	O
Cladiri industriale	O	O	O	A

Å consumuri tehnologice specifice unor servicii colective (spalatorii etc)

A consumuri tehnologice industriale, asigurate de regula cu abur saturat;

3.1. Sarcina termica pentru incalzire de confort

Necesarul de energie termica pentru aceasta categorie de consum se stabileste in conformitate cu prevederile STAS 1907/98 cu relatia generala:

Q_i = ; [kW]

Dependenta directa de oscilatiile temperaturii exterioare, face ca aceasta categorie de consum sa fie foarte variabila, pe parcursul unei zile, luni sau a perioadei de incalzire;

Pentru dimensionarea sursei de agent termic, in mod special pentru alegerea cazanelor, se va lua in consideratie curba clasata a sarcinii termice de incalzire (vezi cap. 2).

In cazul instalatiilor de incalzire mici se poate lucra cu o curba clasata a perioadei de incalzire, utilizand temperaturile medii lunare sau chiar cu sarcina termica maxima raportata la temperatura de calcul.

Fig. 3.1. Curba clasata a sarcinii termice de incalzire

Sarcina termica a cazanelor se va putea astfel stabili sa acopere intreg necesarul de energie termica putand alege un numar convenabil care insa sa asigure exploatarea la randamente maxime.

Pentru sarcini termice mici, cum este cazul cladirilor individuale, sarcina termica de calcul este cea maxima de calcul, care uneori trebuie amendata pentru conditii extreme de calcul.

3.2.Sarcina termica pentru ventilare si climatizare

In aceasta categorie putem include cateva categorii tipice de instalatii si anume:

- instalatii de incalzire cu aer cald,

- instalatii de ventilare de compensare a evacuarilor tehnologice,

- instalatii de climatizare,

Evaluarea necesarului de energie termica pentru primele doua cazuri, porneste de la o analiza a sarcinii termice reale, stabilita functie de evolutia proceselor in diagrama I - x.

Necesarul de energie termica serveste bateriei de incalzire a aerului cald pentru care se cunoaste expresia:

Q_BI^max= L c_p r (t_R-t_e)

Aceasta poate lucra numai in regim de aer proaspat (ER) sau in regim de recirculare (M-R^*).

Si in acest caz se poate construi o curba clasata care va avea in cadranul II, curba , cu observatia ca temperatura de intrerupere nu va fi mai mica de 20C, pentru a putea satisface conditiile de confort la refularea aerului cald.

Pentru instalatiile de climatizare se va avea in vedere ca procesele termodinamice impun si in sezonul cald o reincalzire.

In principiu aceasta sarcina termica se va analiza cu multa atentie daca se discuta de un cuplaj cu cea de incalzire, nu rareori proiectantul putand decide asigurarea acesteia cu surse independente.

3.3. Sarcina termica pentru prepararea apei calde menajere

Pentru categoria instalatiilor individuale de mica sau medie capacitate aceasta va fi asigurata optand pentru una din solutiile:

- preparare locala cu sau fara acumulare;

- preparare centralizata cu sau fara acumulare;

Sarcina termica globala poate fi determinata cu relatia:

Q_acm= G_{ac m} x c ( t_ac - t_ar ); [ W ]

in care 'G' reprezinta debitul masic de apa rece ce se determina functie de consumurile specifice ale consumatorilor instalati.

In cazul prepararii locale fara acumulare, acest debit se va considera egal cu debitul specific al obiectelor cu cel mai mare consum, iar in cazul adoptarii solutiei cu acumulare vor fi utilizate notiunile din cursul de 'Instalatii sanitare'.

3. Sarcina termica pentru nevoi tehnologice

Aceasta se va stabili pe baza temei tehnologice, luand in considerare debitele orare si timpii de functionare cu factorii de simultaneitate.

Numarul anual de grade zile

O alta metoda de evaluare a consumului anual de energie termica pentru incalzire este definita prin calculul numarului anual de grade zile.

Numarul de grade- zile corespunzator unei anumite perioade de incalzire, (N), se calculeaza cu relatia:

sau

N=(ti-te) z = (t_im-t_em) z

t_i,x- temperatura interioara medie zilnica a incaperii sau a constructiei in perioada considerata, conform pct. 2.1.1 (ºC);

t_e,x- temperatura exterioara medie zilnica in perioada considerata, (ºC);

z- numarul zilelor in perioada considerata;

t_i- temperatura interioara medie a incaperii sau constructiei, in perioada considerata, (ºC);