CATEGORII DOCUMENTE |
Aeronautica | Comunicatii | Electronica electricitate | Merceologie | Tehnica mecanica |
Caracterizarea elementelor de inchidere
Asigurarea unor spatii confortabile pentru desfasurarea activitatilor umane, presupune utilizarea unor elemente de inchidere, au o contributie importanta in asigurarea confortului termic in spatiile de sedere, deoarece ele pot constitui bariere mai mari sau mai mici la transferul de caldura, de umiditate, iluminare si zgomot.
Convenim sa impartim elementele de constructie utilizate pentru inchidere in doua categorii:
a - elemente de inchidere inertiale, caracterizate prin acumulare de caldura, transfer termic defazat si amortizat;
b - elemente de inchidere neinertiale, caracterizate prin transfer termic nedefazat si neamortizat.
Ambele categorii pot fi realizate ca structuri neomogene (din mai multe straturi neomogene).
Pe de alta parte, structurile inertiale mai pot fi numite si opace deoarece el nu permit transmiterea luminii, in timp ce elementele neinertiale unt utilizate in mod special pentru transmiterea luminii.
La alegerea structurilor de inchidere se iau in considerare doua regimuri termice externe: primul, in care temperaturile exterioare sunt foarte coborate in raport in raport cu temperaturile de confort si care este cunoscut ca regim de iarna, caracterizat prin transfer de caldura de la interior spre exterior; al doilea caracterizat de temperaturi exterioare mai mari decat cele de confort, numit regim de vara, caz in care transferul de caldura se realizeaza de la exterior spre interior.
O analiza a comportamentului celor doua categorii de elemente de inchidere, in cele doua regimuri s-ar prezenta ca in figura 1.
Rezulta deci, ca elementele de inchidere trebuie sa satisfaca simultan mai multe conditii si anume: consum minim de energie in procesul de fabricatie, transfer minim de energie termica in cadrul cladirii, transparenta optima pentru asigurarea iluminatului natural, bune izolatoare fonice. Toate aceste conditii pot fi incluse intr-o marime numita rezistenta de confort (Rcf) exprimata analitic astfel
Rcf = f(Rtermica, Rfonica, Riluminare)
Fig.1. Comportamentul elementelor de inchidere la transfer de
caldura (Q), energie luminoasa (E), energie acustica (B): a - elemente
inertiale b - elemente neinertiale
In ansamblul sau, o cladire este analizata cel putin sub aspectele enuntate mai sus, cautandu-se de fiecare data o solutie optima tehnica si economica.
2.Caracteristici termofizice
2.1.Coeficientii de transfer termic
Marimile fizice specifice elementelor de constructie omogene puse in discutie se vor referi la transferul de caldura si masa.
Dupa cum se stie, transferul de caldura se poate realiza prin conductie, convectie si radiatie.
Caracteristicile transferului conductiv, este coeficientul de conductivitate l, care exprima transferul de caldura realizat printr-o suprafata de 1 m2, la o diferenta de temperatura de 1 grad. De aici unitatea de masura: l = W/m grad; W/mK.
Transferul de caldura convectiv si radiant este aproape in toate aplicatiile noastre simultan. Se realizeaza de la catre sau catre, un fluid si o suprafata solida. Marimea fizica ce caracterizeaza aceasta forma de transfer este coeficientul de transfer superficial, notat cu "a si care inglobeaza cele doua elemente de transfer: conventie si radiatie.
Pentru cazul unui perete plan, transferul superficial prin conventie si radiatie se realizeaza atat la exterior, de la "te" la "qe cat si de la "ti" la qi
Pentru acest caz se poate scrie expresia fluxului termin unitar "q"
q = ai(ti - qi) = (qe qi ae(te - qe) = K(ti - te); W/m2
in care:
ai acvi aradi ae acve arade W/m2grd
Pentru cele doua componente, convectie (acv) si radiatie (arad) exista relatii de calcul, precum si valori globale normate.
Transferul de caldura prin radiatie, se exprima prin legea Stefan-Boltzman dupa relatia cunoscuta:
; W/m2K
in care:
C1 si C2 - sunt coeficientii de radiatie ai suprafetei elementului de constructie si ai aerului
Co = 4,96 - este coeficient de radiatie a corpului absolut negru;
ti,e - reprezinta temperatura aerului interior si exterior
qi,e - reprezinta temperatura superficiala a elementului de constructie, pentru suprafata interioara sau exterioara.
Coeficientul de transfer superficial de caldura prin conventie "a" variaza functie de diferenta de temperatura intre aer si suprafata elementului de constructie si viteza aerului.
Pentru suprafetele interioare, rezultatele experimentale efectuate de catre K. F. Fokin, au condus la expresiile
ti - qi £ 5 grd acv = 3 + 0,008 (ti - ti); W/m2grd
ti - q > 5 grd acv = b W/m2grd
in care b este un coeficient de corectie care are urmatoarele valori
b = 2,2 - pentru aerul din incaperi inchise cu volum redus
b = 2,75 - pentru aerul din incaperi industriale cu utilaje in miscare sau langa suprafete care se racesc mult, ca de exemplu ferestre si usi;
Pentru suprafete exterioare devine importanta viteza aerului care in relatiile de calcul sunt de forma
- pentru pereti exteriori
acv = 3 + 10 [W/m2grd
- pentru acoperisuri fara pod
acv = 3 + 5 [W/m2grd
In care "v" este viteza de calcul a vantului, in m/s iar lm este latura mica a acoperisului in plan in m.
Fiecare tara are normate prin standarde, valorile globale ale acestor coeficienti de transfer de caldura.
Astfel pentru Romania exista in stas 6472 - Termotehnica in constructii - regasim:
coeficientii de conductivitate termica l pentru 98 materiale omogene;
ai acv ar 8, pentru cateva cazuri particulare;
ai acv ar = 20 si 23,pentru situatia de iarna si de vara.
Se observa ca transferul de caldura superficial datorat componentelor convectiva si radianta, la suprafata rece (exterioara iarna) este mai mare decat la suprafata calda (interioara). ae >> ai
Acest fapt se explica prin cresterea componentei convective la exterior datorita regimului turbulent determinat de miscarea aerului si in mai mica masura de schimbul radiant.
In expresia fluxului termic unitar, apare si coeficientul de transfer global de caldura notat cu "k", a carui expresie cunoscuta este urmatoarea:
; [W/m2grd]
In practica instalatiilor energetice se lucreaza curent cu marimi inverse coeficientilor de transfer, numite rezistente termice. Astfel utilizand rezistente termice la transfer convectiv, conductiv si radiant sau combinatii ale acestora.
Expresia fluxului termic unitar rescrisa functie de aceste noi marimi are forma:
[W/m2]
in care rezistentele termice pot fi scrise sub forma:
; ;
; [m2grd/W]
2.2.Acumulare de caldura
In practica constructiilor s-a constatat ca unele structuri utilizate pentru inchidere dau rezultate mai bune din punct de vedere al asigurarii confortului termic.
Spre exemplu o camera cu temperatura interioara de + 20 oC si temperatura exterioara de - 150C, avand incalzire continua, urmata de o oprire a instalatiei de incalzire timp de 8 ore, va avea o temperatura medie de radiatie qmr 0 oC daca structura este din caramida plina de 37,5 cm si qmr = -10 oC daca structura este echivalenta termic (R = idem) dar executata din B.C.A.
Aceasta diferenta de comportament, se datoreaza capacitatii de acumulare termica a celor doua materiale, exprimata printr-o marime, notata cu "s", denumita coeficient de asimilare termica.
Pentru exemplul de mai sus valorile coeficientului de acumulare sau asimilare termica sunt urmatoarele:
sBCA = 1,51 W/m2K (r = 300 kg/m3) 4,93 W/m2K (r = 1000 kg/m3)
scaramida = 9,63 W/m2K (r = 1800 kg/m3)
Explicatia comportamentului diferentiat, consta in capacitatea mare de acumulare a caldurii de catre caramida in timpul functionarii instalatiei de incalzire, ca apoi in regim de racire sa mentina o temperatura superficiala ridicata.
Tot prin capacitatea diferita de acumulare se explica senzatia de material rece sau cald pe care o putem avea la contactul cu acestea.
Daca de exemplu atingem o suprafata de marmura, avem senzatia de rece iar in cazul uneia din lemn, senzatia va fi de cald.
Coeficientii de acumulare ai celor doua materiale sunt:
Smarmura = 25,40 W/m2K; Slemn = 4 5,80 W/m2K
In primul caz, se absoarbe multa caldura, racind mana celui ce efectueaza experimentul iar in cazul al doilea se absoarbe putina caldura.
Coeficientul de acumulare termica, numit si de asimilare termica se determina functie de alte marimi fizice specifice materialelor omogene in conditiile acceptarii modelului ondulatoriu al undei de temperatura, a carei perioada de oscilatie "T" poate fi 7, 12 sau 24 ore.
; [W/m2K]
Pentru calculele uzuale utilizam perioada T = 24, caz in care coeficientul de acumulare se noteaza "s24". In relatia de mai sus s-a notat: l - coeficient de conductibilitate, cp - caldura specifica, r - masa specifica.
Acumularea de caldura este bine sa fie maxima iarna si minima vara, conditii care trebuie indeplinite de catre structurile alese pentru inchidere. Pentru a obtine aceasta calitate a structurilor, se au in vedere combinatii de materiale omogene, utilizandu-se asa numitele structuri neomogene. In multe aplicatii practice se iau in discutie structuri care contin materiale termoizolatoare (care se caracterizeaza prin l = mic, r = mic si s = mic).
Pentru a evidentia dependenta capacitatii de acumulare termica de regimul termic extern si pozitia straturilor termoizolatoare se considera un perete plan la care consideram segmentul q i q e, corespunzator regimului stationar initial si segmentul q i q e regimului stationar final (dupa incalzire).
Pentru suprafata interioara situata la distanta "x" de fata interiara si de grosime infinit mica "dx" vom putea scrie:
qi qx qi qe Þ
Þ qx qi qi qe
qx qi qi qe");
Pe baza ecuatiei calorimetrice clasice scrisa pentru un element de volum de grosime "dx" si cu suprafata de 1 m2 avem:
dq= qx qx')dx
de unde pentru integrare rezulta:
q=rcp [w/m2]
Calculandu-se aria cuprinsa intre cele doua segmente, in conditii de temperatura medie, se obtine:
A=d qm qm')=;
In cazul montajului extern al termoizolatiei suprafata qi qi q qe" este mai mare decat suprafata q q q1Bqe", de unde concluzia ca acumularea maxima de caldura se obtine pentru cazul termoizolatiei externe.
Regimul de vara:
Suprafata qi qi q1A qe qe' este mai mica decat suprafata qi qi q1B qe qe', deci acumularea de caldura este
Suprafata ce reprezinta caldura acumulata intr-un perete de grosime "d" si suprafata de 1 m2.Pentru a analiza influenta pozitiei stratului termoizolator asupra capacitatii de acumulare vom considera un perete plan compus din doua straturi, iar starea initiala caracterizata de egalitatea temperaturilor initiale. Consideram doua posibilitati de amplasare a termoizolatiei: la exterior cazul A si la interior cazul B. Pe de alta parte se vor considera cele doua regimuri termice: iarna si vara.mai mica vara, daca materialul termoizolator va fi montat la exterior.
Iata deci ca prin prevederea unor materiale termoizolatoare la exterior obtinem acumulare mare iarna si mica vara, o calitate ce trebuie conferita constructiilor noi (chiar daca izolatia este mica).
2.Masivitatea elementelor de constructie
Notiunea de masivitate este conventional acceptata, pentru a permite o clasificare a comportamentului elementelor de constructie fata de solicitarile termice externe. In calculele de transfer de caldura se utilizeaza marimea numita coeficient de masivitate, notat cu "m" si exprima inertia pe care o manifesta o structura oarecare la transmiterea fuxului de caldura.
Aceasta marime se calculeaza cu relatia aproximativa:
m 1,225 - 0,05D
in care D - reprezinta indicele de inertie termica al unui element de constructie, care se poate determina cu relatia:
D = Rs24 = s24;
Pentru structuri neomogene acest indice se calculeaza ca suma a indicilor de inertie a structurilor omogene:
Luand in considerare sensul de masivitate in clasificarea elementelor de constructie se obtine tabelul de mai jos:
masivitate mica |
masivitate mare |
|||||
D | ||||||
m | ||||||
Limita inferioara a elementelor cu masivitate mica este reprezentata de catre elementele neinertiale (ferestre, usi etc.), care nu acumuleaza caldura si o transmit instantaneu (fara defazaj), media este reprezentata de zidaria din caramida plina iar limita inferioara de structurile inertiale care au rezistentele termice optimizate.
2.4.Capacitatea de amortizare a undelor de temperatura
Transferul de caldura prin pereti plani, in conditii reale, se realizeaza in regim nestationar. Modelele de calcul corespunzatoare acestei realitati sunt complicate si pot fi efectuate numai utilizand tehnici de calcul automat. Pentru multe aplicatii curente, este insa satisfacator modelul de transfer stationar, la care insa se ataseaza marimi fizice ca amortizarea si defazarea fluxului termic sau a unei unde de temperatura.
Pentru explicarea acestor marimi, vom considera un perete plan pe care vom reprezenta variatiile amplitudinii undelor termice.
Variatiile de temperatura ale aerului exterior, produc variatii de temperatura in structura elementelor de constructie si sunt in buna parte - pana ajung in parte interioara - amortizate.
Aceste variatii se produc de obicei, sub forma de oscilatii de temperatura, cu perioada de 24 ore,
Pentru a caracteriza capacitatea elementelor de constructie de a amortiza aceste oscilatii de temperatura s-a introdus notiunea de coeficient de amortizare, notat cu "n", care este definit ca fiind raportul intre amplitudinea oscilatiilor de temperatura exterioare "Ate" si amplitudinea oscilatiei temperaturii pe fata interioara (calda) "Ati"
; n [1]
Aceasta caracteristica termica, este importanta pentru confortul termic interior, deoarece variatii mari ale temperaturii suprafetelor interioare pot conduce la temperaturi medii de radiatie (qmr) in afara limitelor de confort sau la temperaturi mai mici sau egale cu cea a punctului de roua, caz in care vaporii de apa din aer pot condensa pe aceste suprafete.
Din aceste cauze, in timpul iernii trebuie sa se asigure o oscilatie a temperaturii suprafetei interioare de maximum
Ati= 0,6.0,7grd.
Avand in vedere ca oscilatiile de temperatura ale aerului exterior, sunt Ate= 6grd., rezulta ca este necesar sa se asigure un coeficient de amortizare de
n
Proprietatea elementelor de constructie de a amortiza oscilatiile de temperatura are influenta asupra stabilirii temperaturilor exterioare teoretice de calcul (te) respectiv asupra rezistentei la transmisia de caldura. De exemplu pentru stabilirea temperaturii exterioare de calcul s-au avut in vedere elementele de constructie care aveau un coeficient de amortizare de circa n = 30. Pentru elementele de constructie cu capacitati de amortizare mai mici s-au prevazut coeficienti de corectie numiti coeficienti de masivitate (m).
Dar fluxul termic ce traverseaza o structura pe langa amortizare mai sufera si o defazare fata de momentul plecarii. Daca deci, o solicitare termica externa provoaca aparitia unui transfer de caldura (flux termic) la momentul t = 0, acesta ajunge catre suprafata interioara la momentul t = h, defazajul fiind marimea care exprima diferenta acestor timpi. Deci putem scrie:
h t t ore
Cele doua marimi, n si h sunt dependente de indicele de inertie D precum si de capacitatea de acumulare termica a suprafetelor.
In figura alaturata este indicata variatia celor doua marimi n si h, functie de D, pentru betonul armat.
Se observa ca variatia coeficientului de amortizare n,se prezinta sub forma unei curbe si ca are valori semnificative pana la D £ 4, in timp ce valorile defazajului h, cresc linear cu D. Datorita acestui comportament s-au facut propuneri ca normarea structurilor sa se faca in functie de n si h, ceea ce a fost preluat de catre metoda romaneasca de stabilire a temperaturii exterioare de calcul.
Aceste doua marimi sunt importante deoarece permit stabilirea regimului de incalzire, alegerea aparatelor de automatizare aferente si a masurilor de gestionare a energiei in cladiri.
Rezistente termice pentru elemente inertiale
1.Structuri omogene
Consideram un perete plan care este supus unei solicitari termice ti > te, pentru care ne propunem sa stabilim campul de temperaturi si a conditiilor minime pe care trebuie sa le indeplineasca.
Scriem expresia conservarii fluxului termic:
din care se poate deduce campul de temperaturi:
Ambele temperaturi superficiale depind de rezistenta termica totala care nu este cunoscuta. Aceasta poate fi dedusa daca structurii i se impun doua conditii de confort care trebuie indeplinite simultan si anume:
- temperatura "qi" sa asigure conditia de confort ca temperatura medie de radiatie, putand astfel satisface si conditia ca amplitudinea oscilatiei temperaturii superficiale sa se incadreze in valorile normale.
- temperatura "qi" sa fie mai mare decat temperatura punctului de roua "qt" la care vaporii de apa din aerul unei incaperi pot condensa pe acea suprafata. Pentru aceasta conditie este important sa amintim conditia ce rezulta din diagrama I-x.
Pentru un punct de stare "A" exista o temperatura "ttA" de la care vaporii de apa din aerul umed, vor condensa pe o suprafata a carei temperatura este egala.
Revenind la expresia conservarii fluxului termic putem scrie:
[m2K/W]
Daca temperaturile "qi" i se acorda valori normate pentru cazurile enumerate mai sus, putem introduce notiunea de rezistenta termica minima necesara astfel:
R0min = Ri; [m2K/W]
in care: Dqimax = ti - qi, poate introduce conditiile amintite, dar cu conditia verificarii acestora.
m - coeficient de masivitate, asupra careia putem face urmatoarele precizari, prezenta acestuia in relatia expresiei fluxului termic transferat printr-o suprafata plana este de forma
R0min=Ri
De aici rezulta necesitatea eliminarii coeficientului de masivitate din relatia rezistentei minime.
2.Structuri neomogene
Cazul cel mai .frecvent intalnit in practica este cel al structurilor formate din mai multe straturi omogene. Vom lua in discutie cazul cand fluxul termic este perpendicular pe suprafata de transfer termic. Expresiile campului de temperatura se obtin din bilantul termic scris pentru fiecare strat.
in care:
Ri=1/ai; Re=1/ai; R1=d l ; R2=d l ; R3=d l
R0=Ri+R1+R2+R3+Re=; [m2K/W]
Din sirul de egalitati rezulta:
qi=ti-
q qi-
q q -
qe q -
Pentru determinarea rezistentei "R0" minim necesare se considera valabile valorile normate pentru ecartul (ti-qi) care in STAS 6472 este denumit "diferenta minima necesara". Cu cat aceasta diferenta este mai mica qi va fi mai apropiata de "ti" si deci conditia de necondensare a vaporilor de apa din aerul incaperii pe suprafata sau cea referitoare la temperatura medie de radiatie vor fi satisfacute. Vom putea scrie:
R0min=Ri; [m2K/W]
Din prudenta pot fi facute verificarile mentionate mai sus pentru temperatura superficiala "qi
; in care:
tt - temperatura punctului de roua, corespunzator starii aerului din incapere (ti=20o, ji
"n" - coeficient ce ia in considerare posibilitatea tasarii termoizolatiei.
Daca conditia de mai sus nu se verifica, se impune marirea rezistentei termice a unuia dintre straturi sau introducerea unui strat suplimentar ca strat termoizolator.
Deci vom admite ca qi < tt
R'0min=Ri;
Cu aceasta rezistenta vom incerca ajutarea rezistenti structurii neomogene pusa in discutie
R 0min=
Admitand modificarea grosimii stratului "2" prin explicitare rezulta:
Noua grosime a stratului "" va trebui majorata la valoarea de fabricatie
In conditiile noi, rezistenta reala a structurii va fi calculata cu valoarea noua , rezultand o rezistenta corectata "Roc"
Roc=;
Pentru obtinerea coeficientului de masivitate "m" se va calcula indicele de inertie termica
Doc=R1s1+R2rats2+R3s3 in care R2rat=
ca apoi
moc=1,225 - 0,05Doc
Structuri mixte
a. Structuri neomogene care au suprafetele paralele cu directia fluxului termic
Consideram o structura de grosime "d" care este formata din mai multe straturi omogene, de suprafata F1, F2, F3 a caror latime este egala cu unitatea,
Pentru acest caz se poate scrie:
[m2K/W]
in care:
[W/mK]
b. Structuri neomogene compuse din incluziuni regulate cu laturi paralele si perpendiculare pe directia fluxului termic
Pentru structura pusa in discutie, fluxul termic are suprafata in raport cu care este perpendiculara sau paralela.
Evaluarea rezistentei termice totale se poate face facand o medie ponderata intre rezistentele R┴ si Rll dupa cum urmeaza:
- se imparte elementul in straturi prin planuri perpendiculare pe directia fluxului termic si se calculeaza rezistenta R┴, pentru straturile neomogene calculandu-se valoarea preponderenta "lmed
Stratul 2 este neomogen pentru care putem calcula:
R┴ ; [m2K/W]
- se imparte in straturi prin planuri paralele cu directia fluxului termic si se calculeaza Rll cu relatia:
Rll=; [m2K/W]
in cazul in care R2=;
Rezistentele R┴ si Rll au valori diferite , iar rezistenta reala se va gasi intre aceste valori. Cercetari experimentale au condus la relatia:
R0=(2R┴+Rll)/3
Daca diferenta dintre R┴ si Rll depaseste 25 %, aceasta metoda nu mai este aplicabila, rezistenta termica putand fi stabilita prin calculul campului de temperatura.
c. Structuri neomogene compuse din diferite materiale cu dimensiuni reduse si forme neregulate
Fie o structura formata din deseuri de piatra si mortar de beton, care contine 4 categorii de materiale omogene de forme diferite. Pentru stabilirea rezistentei termice se procedeaza dupa cum urmeaza:
- se determina volumul fiecarui material care are aceeasi conductivitate termica "l
- se determina aproximativ conductivitatea termica medie, utilizand expresia mediei ponderate
,
in care: l - reprezinta conductivitatile termice ale materialelor omogene
V1,2,3,4 - volumele pe care le ocupa aceste materiale, exprimate in %
Cu aceste conditii simplificatoare rezistenta termica va putea fi calculata cu expresia:
R0=
d. Structuri care contin straturi de aer
Se cunosc de multa vreme calitatile termoizolatoare ale straturilor de aer, iar datorita costului redus al acestor structuri, au o larga utilizare.
Proprietatile termice ale structurilor de aer au constituit obiectul multor cercetari, iar rezistenta lor termica este in multe tari normata.
Modul cum actioneaza stratul de aer ca material termoizolant este putin cunoscut, deseori aparand erori, care conduc la situatii neeconomice.
Fluxul de caldura unitar "q" care trece printr-un strat de aer se compune din fluxul convectiv "qcv", fluxul radiant "qr", transmis intre suprafetele 1 si 2care limiteaza stratul de aer de grosime "da", precum si fluxul conductiv "qcd"
q12=qcd+qcv+qr [W/m2]
4.Rezistentele termice pentru elementele neinertiale
Golurile de lumina pun probleme din punct de vedere termic, intrucat in acest caz intervin cu o pondere foarte mare, argumente de confort optic si de estetica.
Din punct de vedere termic, golurile de lumina, ferestre si luminatoare reprezinta puncte slabe in capacitatea de izolare a constructiei si din aceasta cauza, multa vreme suprafetele lor au fost reduse la minimum. Cerintele de confort optic au impus in ultimele decenii marirea sensibila a acestor goluri de lumina, care au ajuns sa inlocuiasca in mare masura partea opaca, incat s-a ajuns la motiunea de pereti exteriori vitrati.
Acest tip de perete este insa permeabil la aer si caldura, producand curenti de aer reci suparatori, protejeaza insuficient contra aporturilor de caldura vara, este o sursa importanta de pierderi de caldura, devenind o principala sursa de reducere a gradului de confort termic.
Reducerea efectelor negative a constituit o preocupare continua a tehnicienilor, astazi existand o experienta acumulata, din care rezumam:
suprafetele vitrate raman la limita confortului optic, existand astazi norme care sa asigure variante optime;
marimea rezistentelor termice s-a putut obtine prin optimizarea grosimii straturilor de aer, prevederea a doua sau chiar trei straturi transparente cu calitati termice ridicate;
marirea temperaturilor suprafetelor superficiale prin cresterea valorii coeficientului de conventie "acvi", spaland cu aer aceste suprafete uneori in interiorul suprafetelor transparente se introduce aer cald, micsorand fluxul termic transmis.
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 1458
Importanta:
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved