TERMOTEHNICA CONSTRUCŢIILOR

Conf.dr.ing. Carmen Mârza

CURS 1 1. Noţiuni introductive.

Clădirea constituie mijlocul de protejare a omului împotriva acţiunii factorilor de mediu exterior şi are rolul de a asigura ocupanţilor confortul necesar desfăşurării unei multitudini de activităţi: productive, casnice, culturale, de tratament, de odihnă. Altfel spus, clădirea poate fi definită ca un sistem închis supus solicitărilor termice exterioare variabile şi care trebuie să asigure ocupanţilor un confort termic interior, caracterizat prin parametri termici constanţi.

Fiinţa umană are capacitate de adaptare la condiţii de mediu relativ bună. Dar pentru a-şi desfăşura activitatea pe termen lung cu eficienţă maximă şi pentru a nu fi afectată negativ sănătatea, atenţia şi gradul de concentrare al indivizilor, se impune crearea unui ambient care să asigure anumite condiţii de confort. Realizarea microclimei încăperilor locuite, este realizată în prezent, datorită abilităţii constructorilor şi instalatorilor care au furnizat premisele realizării acestui deziderat:

materiale performante în ceea ce priveşte transferul de căldură şi inerţia elementelor de construcţii, precum şi

instalaţii maleabile care să modereze impactul climei externe, de altfel foarte variabilă, asupra mediului de habitat.

CURS 1

Microclimatul interior este deci, rezultatul interdependenţei dintre construcţie şi instalaţia de încălzire/ventilare. Astfel, principalii factori care influenţează parametrii de microclimat sunt determinaţi de:

A. Construcţie, prin:

A1.Elemente arhitecturale:

• distribuţia şi funcţionalitatea volumelor;

• regim de înălţime;

• suprafaţa şi poziţia spaţiilor vitrate;

• orientarea faţă de punctele cardinale şi direcţia vânturilor;

• aşezarea faţă de alte construcţii şi elemente de relief;

A2.Elemente constructive:

• natura şi caracteristicile termotehnice ale materialelor de construcţie;

• tipul şi gradul de izolare termică realizat de anvelopa clădirii;

• tipul, materialul şi permeabilitatea la aer a elementelor de tâmplărie.

CURS 1

B. Instalaţii de încălzire, prin:

• sistemul de încălzire ales (convectiv sau prin radiaţie )

• caracteristicile funcţionale şi performanţele instalaţiei;

• regimul de funcţionare (continuu, discontinuu) şi gradul de automatizare;

• eficienţa sistemului de încălzire privind raportul confort termic – consum energetic.

C. Instalaţii de ventilare/climatizare, prin:

• posibilităţile proprii ale clădirii, determinate de modul în care aceasta este concepută din punct de vedere constructiv şi amplasată faţă de punctele cardinale şi coordonatele geografice (pentru a contracara efectele radiaţiei solare, respectiv a fenomenului de însorire);

• soluţia aleasă pentru asigurarea debitului de aer proaspăt impus de normele privitoare la calitatea aerului ( ventilare naturală sau forţată, respectiv climatizare);

• regimul de funcţionare, gradul de automatizare şi consumul energetic.

CURS 1

În urma unor calcule tehnico-economice rezultă un optim pentru cheltuielile de investiţii, peste care orice investiţie în termoizolarea elementelor de construcţii nu mai aduce îmbunătăţiri considerabile. De la această limită, pentru realizarea parametrilor de confort se intervine cu instalaţii de încălzire (în perioadele reci), respectiv cu instalaţii de ventilare/climatizare (în sezonul cald). În acest sens, specialiştii în domeniul construcţiilor (arhitecţi, constructori, instalatori) trebuie să aibă cunoştinţe legate de noul concept privind energetica clădirilor. Funcţie de tipul de activitate, se va urmări menţinerea în interiorul clădirilor, respectiv îmbunătăţirea condiţiilor de confort în paralel cu gestionarea eficientă şi sigură a consumurilor de energie.

Acest curs isi propune să analizeze modul în care construcţia influenţează microclimatul. Astfel, se urmăreşte realizarea unui grad de izolare termică a anvelopei cladirii, respectiv a elementelor de construcţie exterioare şi a unui grad de etanşeizare a elementelor de construcţii mobile (ferestre, uşi) corespunzătoare, care să îndeplinească cerinţele impuse de normele în vigoare şi de Legea 10/1995 “ Legea calităţii în construcţii”.

CURS 1

La alegerea formei clădirii este bine ca pe lângă opţiunea estetică a beneficiarului să primeze raţiunile specialiştilor ce ţin de energetica clădirilor. Câteva observaţii în acest sens, ale specialistilor de la INCERC Iaşi sunt utile. Trecerea de la cel mai economic plan pătratul (a), respectiv cubul în volum, la raporturi foarte diferite de la forme 1:2, la 1:3 şi cu forme de compensare (e) determină o creştere a pierderilor de căldură în volum cu mai puţin de 20% (vezi fig.1 si 2 alăturate).

CURS 1

Rezultă că, atât timp cât variaţia în formă este ţinută între aceste limite, nu sunt schimbări majore în ceea ce priveşte necesarul de căldură, respectiv pierderile de căldură.Variaţii de formă mai curajoase (ca de exemplu 1:10), este indicat să apară mai rar. Forme extreme ale acestor aporturi se găsesc frecvent la clădirile multietajate cu destinaţii speciale (socio-culturale, administrative) la care pierderile de căldură sunt crescute prin expunerea accentuată la vânt, pe înălţimea acestor clădiri. De asemeni, costul energetic al consumurilor în clădirile înalte este crescut prin nevoia instalaţiilor de climatizare.

CURS 1 În limite mai puţin practice, dar

foarte estetice pentru clădiri mari individuale sau social-culturale de peste 1000 m2 (deci în raport 1:10), variaţia necesarului de căldură poate fi semnificativ modificată pentru acelaşi volum de clădire, funcţie de formă. În fig. 3 este ilustrat acest fapt. Se observă că variaţiile pot fi de la –25% la +100% în raport cu soluţia de bază.

Fig. 3. Variaţia necesarului de căldură funcţie de forma clădirii pentru acelaşi volum util

CURS 1

Atât pe plan intern cât şi extern se urmăreşte o corelare între satisfacerea condiţiilor de confort termic şi nivelul cheltuielilor de investiţie şi exploatare. In special după declanşarea crizei energetice din anii ’72 s-a impus ideea analizei eficienţei energetice – atât a energiei înglobate cât şi a celei consumate în exploatare – raportată la tona de combustibil convenţional. S-a născut astfel conceptul de casă inteligentă care menţine un echilibru între exigenţele impuse de realizarea confortului termic şi un bilanţ energetic corespunzător al clădirii.

Se impune, în acest context, să amintim că reducerea drastică a raţiei de aer proaspăt de la 20-30 m3/h. persoană la 7-9 m3/h. pers., ceea ce faţă de necesarul fiziologic de 0.5-4.5 m3/h. pers. părea absolut rezonabil, a condus la apariţia unor maladii, ca de pildă “boala construcţiilor” (sick building syndrome) care a apărut de circa 30 de ani în clădirile climatizate, dar s-a extins şi la cele încălzite şi ventilate natural. Drept cauze ale acestor afecţiuni sunt indicate cantitatea redusă de aer exterior, concentraţiile crescute ale unor substanţe vătămătoare şi mirosul dezvoltat de oameni. In afara acestei maladii au apărut şi altele, cele mai frecvente find alergiile si alte afecţiuni de sorginte neuro-vegetativă.

CURS 1

Omul contemporan desfăşoară cea mai mare parte a activităţilor sale în medii artificiale, respectiv in clădiri. In consecinţă, o data cu trecerea timpului, au existat preocupări pentru satisfacerea condiţiilor de mediu ambiant în clădiri, în vederea realizării confortului cerut de ocupanţi.

Noţiunea de confort termic este o noţiune abstractă, subiectivă şi relativ greu de apreciat, care se poate defini foarte simplist prin “senzaţia de bine“. Voi prezenta câteva dintre definiţiile întâlnite în literatura tehnică de specialitate:

CURS 1

Confortul termic reprezintă acea stare psihică care exprimă satisfacţia vizavi de mediu termic înconjurător;

Confortul termic reprezintă acea senzaţie completă (fizică şi mentală) a existenţei civilizate, comode, plăcute şi igienice;

Confortul termic este realizat atunci când o persoană este mulţumită de temperatura, umiditatea şi viteza aerului din mediul inconjurător şi când nu doreşte ca aerul din încăpere să devină fie mai cald, fie mai rece, mai uscat sau mai umed;

Confortul temic este dat de totalitatea condiţiilor de mediu ce realizează stimularea simultană a diferiţilor receptori senzoriali ce îi procură omului o senzaţie subiectivă plăcută;

Confortul termic poate fi definit ca expresia armonică dintre om şi mediu înconjurător;

Confortul termic reprezintă totalitatea condiţiilor în care mecanismul de autoreglare al corpului rămâne la un nivel minim de activitate;

Starea de confort termic este realizată când temperatura pielii nu scade sub 34oC, iar temperatura nucleului central nu creşte peste 37o;

CURS 1De-a lungul timpului, s-au efectuat în diferite ţări, cercetări experimentale şi

teoretice pentru a stabili condiţiile de mediu care să asigure confortul termic. Nu s-a obţinut unanimitate în ceea ce priveşte aprecierea senzaţiei de confort, întrucât aceasta este subiectivă şi depinde de vârsta, sex, obişnuinţa etc. Deoarece aprecierea confortului printr-o formulă globală sau printr-un grafic cu caracter de generalitate, într-o formă uşor abordabilă, nu s-a obţinut până în prezent, în practică se utilizează corelaţii grafice între doi sau mai mulţi factori de confort.

Într-o prima etapă s-au făcut studii, experimente şi corelaţii între factorii de confort rezultaţi din ecuaţia de bilanţ clasică – numiţi parametri de mediu:

ti – temperatura aerului interior, mr – temperatura medie de radiaţie, vi – viteza aerului interior, - umiditatea relativă.

La aceştia s-au adăugat parametrii personali:

M – metabolismul şi Rv– rezistenţa termică a îmbrăcăminţii.

Mai apoi s-au definit anumiţi indici termici care au combinat efectele mai multor factori de confort oferind o măsura mai fidelă asupra modului în care are loc cedarea căldurii interne din organism, fără suprasolicitarea acestuia.

CURS 1

Studii realizate in ultimele decenii ale secolului XX in Danemarca de catre profesorul Fanger si mai apoi dezvoltate în S.U.A. au urmărit dezvoltarea scării temperaturii senzoriale şi a conceptului de “opţiune medie previzibilă”, respectiv “Predicted mean vote“ (PMV). PMV acordă valori numerice care reprezintă nivelul de percepţie individual al senzaţiei termice. Este indicele prin care se precizează opţiunea medie a unui grup numeros de persoane asupra senzaţiei termice în raport cu o scară cu şapte nivele si anume:

+3 foarte cald

+2 cald

+1 uşor cald

0 neutru

-1 răcoare

-2 rece

-3 frig.

CURS 1

Acest mod de abordare a fost uzual folosit de Fanger (1982) pentru a măsura reacţia grupurilor de ocupanţi expuşi la condiţii termice identice. Observând că la valori ale PMV = 0 există persoane nesatisfăcute se defineşte procentajul previzibil de insatisfacţie termică “Predicted percentage dissatisfied“, pe scurt, PPD.

Fig.4. Determinarea indicelui PPD în funcţie de PMV

CURS 1

Ca o concluzie a cercetărilor s-a desprins ideea că nu este posibil să se definească un set de condiţii care să satisfacă pe toată lumea. Astfel se acceptă pentru PMV = 0 ca 5% dintre ocupanţii testaţi sa fie nesatisfăcuţi.

În afara acestor indici, s-a mai definit indicele DR, care indică procentul de nemulţumiţi datorită curentului de aer. Nivelul normat pentru indicele datorat curenţilor de aer este DR ≤ 15 %.

La noi în ţară, până în 1993 nu a existat un standard special care să stabilească nivelul parametrilor de microclimat, normarea acestora fiind făcută neunitar şi parţial în acte normative, cum ar fi STAS 1907/2, 6472/3, NP 15/87. In 1993 a apărut standardul românesc STAS 13149 “ Ambianţe termice moderate.

CURS 1

Determinarea indicilor PMV şi PPD şi nivele de performanţă pentru ambianţă”, care cuprinde prevederile standardului internaţional ISO 7730, adaptate la condiţiile din România. Apariţia acestui standard constituie o evoluţie în modul de apreciere al mediului din punct de vedere termic, la noi în ţară. După această dată, au fost revizuite, reactualizate şi introduse o serie de standarde şi normative referitoare la confortul termic si domeniile conexe. Astfel, trebuie sa amintim normativele C 107/ 1...7 (2002 – 2005), care au ca obiectiv principal proiectarea si analiza constructiilor prin prisma performantelor termoenergetice.

Din cauza vidului legislativ care a existat în România la acest capitol, s-a impus implementarea unui program naţional de reabilitare al construcţiilor şi instalaţiilor, care să creeze condiţii de locuit şi producţie similare celor din ţările civilizate. Este de dorit ca acest program, de altfel deja demarat, să fie continuat si dublat de o serie de măsuri economice şi financiare, care să stimuleze beneficiarii şi să le ofere posibilitatea practică a îndeplinirii acestui program.