termodinamica

Roxana GRIGORE– Energetica clădirilor

4. STRUCTURA CONSUMULUI DE CĂLDURĂ AL UNEI CLĂDIRI

4.1. Date climatice

Consumul energetic al unei clădiri depinde de factori externi şi de factori interni. Factorii externi sunt parametrii climatici caracteristici ai amplasamentului: temperatura aerului, viteza vântului, însorirea, umiditatea aerului. Proiectarea construcţiilor şi a instalaţiilor aferente se face pe baza unor valori medii statistice ale parametrilor climatici, corespunzătoare unei anumite perioade a anului (zi, lună, sezon de încălzire), valori obţinute în urma unor durate de observare de zeci de ani. Aceste valori convenţionale sunt standardizate în SR 4839 şi SR 1907-1, pentru temperatura aerului şi viteza vântului, în STAS 6648/2, pentru însorire, umiditatea şi temperatura aerului etc)(Indrumar ef cladiri)

4.1.1.Temperatura interioară (convenţională) de calcul

Este acea valoare a temperaturii interioare care conduce la realizarea confortului termic. Senzaţia de confort termic este influenţată de:

natura activităţii desfăşurate în incinta respectivă (de intensitatea activităţii depuse);

de temperatura senzorială. În cazul cel mai simplu, această temperatură este practic egală cu media aritmetică a temperaturii interioare şi temperaturii medii radiante a elementelor de construcţie.

Conform celui de al doilea aspect, realizarea unei anumite temperaturi interioare conduce la realizarea confortului termic numai dacă este corelată cu temperatura medie radiantă a elementelor de construcţie. Valoarea temperaturii medii radiante a elementelor de construcţie este dependentă de valoarea rezistenţei termice a diverselor elemente de construcţie care mărginesc incinta, respectiv de soluţia constructivă a incintei. În România, standardul SR 1907 – 2/1997 defineşte temperatura interioară (convenţională) de calcul drept acea valoare a temperaturii aerului interior care asigură confortul termic într-o incintă cu anumită destinaţie, realizată cu pereţi exteriori cu o rezistenţă termică medie (pereţi exteriori realizaţi din cărămidă arsă din argilă cu grosimea de 11/2 cărămizi).

Tabelul 4.1. Temperaturi interioare de calcul (DIN 4701)

Capitolul 4. Structura consumului de căldură al unei clădiri 75


4.1.2.Temperatura exterioară de calcul sau temperatura exterioară minimă convenţională

Este temperatura exterioară minimă la care instalaţiile de încălzire mai pot asigura condiţiile interioare de confort termic, respectiv este temperatura exterioară pentru care se proiectează (dimensionează) instalaţiile de încălzire. Definirea temperaturii exterioare convenţionale de calcul pentru perioada rece se realizează în următoarele ipoteze(conform Incalz clad ind):

1. temperatura aerului interior se menţine constantă pe toată perioada de încălzire;2. se realizează o variaţie a diferenţei de maxim oC între temperatura aerului

interior şi temperatura superficială interioară a elementelor exterioare de construcţiei pentru structuri de închidere cu inerţii termice diferite.

Ţinând cont de importanţa evitării oricărei supradimensionări a instalaţiilor de încălzire, în toate ţările există preocupări legate de stabilirea corectă a valorii temperaturii exterioare de calcul, valori standardizate. Temperaturile exterioare de calcul stabilite vor fi caracteristice pentru:

o anumită zonă climatică, prin intermediul frecvenţei statistice a celor mai scăzute valori ale temperaturii aerului exterior, întâlnite într-un anumit număr de ani (de regulă peste 30), şi a probabilităţii duratei de apariţie a temperaturilor medii zilnice cele mai coborâte;

pentru o anumită soluţie de realizare constructivă a incintei, prin intermediul efectului inerţiei termice.

Standardul românesc SR 1907 – 1/1997 indică valori ale temperaturii exterioare de calcul corespunzând la patru zone climatice şi realizării clădirilor cu pereţi exteriori construiţi din cărămidă arsă din argilă cu grosimea de 1 1/2 cărămizi. Pentru incinte având alte soluţii constructive decât soluţia tip, diferenţierea temperaturilor se face cu ajutorul a doi coeficienţi:

unul care ţine cont de efectul inerţiei termice a elementelor de construcţie exterioare – pereţi, ferestre, uşi;

altul care ţine cont de efectul inerţiei termice a elementelor de construcţie interioare care compartimentează clădirea.

România este împărţită în 4 zone climatice cărora le corespund următoarele temperaturi exterioare convenţionale de calcul (conform tabelului 4.2):

zona I: -12oC (oraşe caracteristice: Constanţa, Reşiţa, Dobeta Turnu Severin);

zona II: -15oC (oraşe caracteristice: Bucureşti, Brăila, Arad, Craiova, Piteşti, Oradea);

zona III: -18oC (oraşe caracteristice: Baia Mare, Bacău, Iaşi, Sibiu, Cluj-Napoca, Galaţi);

zona IV: -21oC (oraşe caracteristice: Predeal, Braşov, Făgăraş, Reghin, Gheorghieni, Suceava).



Pentru calculul necesarului de căldură anual al unei clădiri şi al necesarului de combustibil pentru încălzire se folosesc temperaturile exterioare medii lunare. Cu ajutorul lor se determină temperatura medie pe perioada de încălzire (Tem) şi numărul de grade-zile (N), în conformitate cu standardul SR 4839.

La dimensionarea instalaţiilor de ventilare-climatizare pentru situaţia de vară şi stabilirea sarcinii termice de răcire se foloseşte temperatura exterioară medie zilnică aferentă lunii iulie, în conformitate cu standardul STAS 6648/2. Pentru unele oraşe din ţară, valorile acestei temperaturi sunt: Bucureşti 31oC, Călăraşi 30oC, Constanţa 29oC, Sibiu 28oC, Braşov 26oC.

Tabelul 4.2. Temperaturile convenţionale Te ale aerului exterior pentru principalele localităţi din România

4.1.3. Viteza vântului

Pătrunderea aerului exterior în încăperi (aerul de infiltraţie) are loc pe de o parte datorită acţiunii vântului şi pe de altă parte diferenţei de presiuni dintre exterior şi interior ca urmare a temperaturilor diferite ale aerului încăperii şi a celui exterior În practică, se consideră numai acţiunea vântului, cel de-al doilea efect resimţindu-se în mod deosebit la deschiderea uşilor. De regulă temperaturile exterioare cele mai scăzute nu corespund cu vitezele cele mai ridicate ale vântului. Pe baze statistice, referitoare la concomitenţa vânt - temperatură, s-au adoptat valori de calcul ale vitezei vântului, care determină 4 zone eoliene pe teritoriul ţării. Încadrarea localităţilor în zonele eoliene este



indicată în standardul SR 1907-1. Zonarea climatică făcută după temperatura exterioară convenţională de calcul nu este identică cu zonarea eoliană.

Pentru nivelurile situate deasupra etajului 12 al clădirilor înalte, din cuprinsul oraşelor, vitezele convenţionale ale vântului de calcul sunt cele corespunzătoare clădirilor amplasate în afara localităţilor. Pentru clădiri amplasate la altitudini mai mari de 1100 m vitezele vântului de calcul se stabilesc pe baza datelor meteorologice.

Tabelul 4.3.

.În figura 4.1 este prezentată harta climatică a României, iar în tabelul 4.3 sunt trecute temperaturile interioare de calcul prevăzute pentru diferite destinaţii ale încăperilor.

La nivelul ţării noastre, cele mai scăzute valori ale temperaturii exterioare se înregistrează în luna ianuarie. În timpul unei zile cea mai scăzută valoare a temperaturii se înregistrează dimineaţa, înainte de a răsări soarele. Deci, calculele se vor efectua presupunând că afară este noapte. În acest caz, influenţa radiaţiei solare nu va interveni în efectuarea calculelor, deoarece soarele are o acţiune care vine în ajutorul procesului de încălzire, ca şi aportul de căldură datorat funcţionării aparatelor electrice, care vor fi considerate oprite pe timpul nopţii.

4.1.4.Însorirea

Datele climatice privind însorirea (durata de strălucire a soarelui şi intensitatea radiaţiei solare) prezintă interes atât pentru perioada caldă a anului cât şi pentru cea rece. Ele se folosesc pentru dimensionarea instalaţiilor de climatizare în sezonul cald, stabilind aporturile solare care trebuie preluate. De asemenea, datele climatice privind însorirea se folosesc pentru corectarea necesarului de căldură pentru încălzire, în măsura în care clădirea este conformată corespunzător pentru captarea energiei solare în sezonul rece.



Duratele medii de strălucire a soarelui, determinate prin prelucrarea statistică a datelor meteorologice, diferă în funcţie de localitate şi de luna anului. În tabelul următor se dau sumele medii ale duratelor de strălucire a soarelui, în ore pe lună, pentru unele localităţi din România.

Tabelul 4.4. Sume medii de strălucire a soarelui, în ore/lună Localitatea Ianuarie Mai Iulie Septembrie

Bacău 67 213 262 195

Galaţi 76 250 307 230

Constanţa 78 254 330 243

Ploieşti 82 231 281 215

Craiova 64 252 310 208

Cluj 83 219 236 201

Radiaţia solară globală [W/m2] se compune din radiaţie directă şi radiaţie difuză (datorată aerului atmosferic şi norilor). Pe cer senin radiaţia directă este maximă şi cea difuză minimă, iar pe cer înnorat, invers. Radiaţia solară globală este diferită în funcţie de ora zilei; radiaţia solară directă este diferită după orientarea suprafeţei receptoare. Valorile intensităţilor radiaţiei solare sunt date în STAS 6648/2, pe luni ale anului şi pe ore ale zilei. La calculul aporturilor solare ale unei clădiri trebuie avute în vedere particularităţi ale amplasamentului referitoare la vecinătăţi şi la efectele umbririi cauzate de vegetaţie şi alte clădiri.



Figura 4.1. Harta climatică a României



4.2. Bilanţul termic al unei încăperi încălzite

Sistemul de încălzire trebuie să creeze în încăperile clădirii o ambianţă care să corespundă condiţiilor de confort şi cerinţelor proceselor tehnologice. Această ambianţă depinde de puterea termică a sistemului din încăpere, de modul de amplasare a corpurilor de încălzire, de calităţile de protecţie termică a anvelopei, de alte surse de căldură precum şi de pierderile de căldură care apar.

Bilanţul termic al unei încăperi încălzite este dat de relaţia:

,[W] (4.1)

unde: Qt – pierderile de căldură prin transmisie prin elementele exterioare de construcţie , Qpi –pierderile de căldură corespunzătoare încălzirii aerului pătruns în încăperea respectivă prin neetanşeităţile elementelor respective şi prin ventilare naturală, la deschiderea uşilor şi a ferestrelor , Qtr – cantitatea de căldură înmagazinată în elementele de construcţie , Qi – cantitatea de căldură introdusă de instalaţia de încălzire , Qd – cantitatea de căldură introdusă de degajările interioare de căldură , Qr – cantitatea de căldură.

În clădirile civile, principala sursă de căldură este sistemul de încălzire, iar pierderile de căldură cele mai importante sunt pierderile prin anvelopa clădirii.

Pentru determinarea necesarului de căldură pentru încălzire se scrie bilanţul de căldură pe timp de iarnă, în condiţii staţionare. De regulă, termenul Qtr are valori foarte mici, putând fi neglijat. Necesarul de căldură pentru încălzire poate fi determinat cu relaţia:

(4.2)

4.3. Necesarul de căldură pentru încălzire

Determinarea necesarului de căldură pentru încălzire se face cu ajutorul unor relaţii simplificate. Calculul necesarului de căldură se realizează în următoarele ipoteze:

1. temperaturi egal distribuite (temperatura aerului şi temperatura de proiectare);2. pierderile de căldură sunt calculate pentru condiţii statice şi parametrii constanţi;3. înălţimea camerei nu va depăşi 5 m;4. încăperile sunt încălzite la temperatura necesară;5. temperatura aerului interior şi temperatura operativă sunt egale.

Calculul necesarului de căldură pleacă de la calculul pierderilor de căldură. Instalaţiile din clădiri trebuie să asigure în perioada rece a anului necesarul de căldură pentru încălzire, ventilare şi preparat apă caldă de consum.



Metoda de calcul este reglementată prin STAS 1907 potrivit căreia necesarul de căldură pentru încălzire Qi se determină cu relaţia:

[W] (4.3)

unde:- Qt - pierderile de căldură prin elementele de construcţie în W;- Qpi - necesarul de căldură pentru încălzirea aerului rece infiltrat din exterior în W;

- suma adaosurilor pentru compensarea efectului suprafeţelor reci şi pentru

orientare în %;

4.3.1.Pierderile de căldură prin transmisie

Aceste pierderi au loc atât prin elementele de construcţie în contact cu aerul pe ambele feţe Qe cât şi prin elementele de construcţie în contact cu pământul Qp .

[W] (4.4)

4.3.1.1.Pierderile de căldură prin elementele de căldură în contact cu aerul pe ambele feţe:

[W] (4.5)

în care :m - coeficient de masivitate termică al elementelor de construcţie exterioare, conform STAS 6472 ;CM - coeficient de corecţie a fluxului termic;S - suprafaţa fiecărui element de construcţie în m2 ; TC

i [oC] – temperatura interioară convenţională de calcul;Te [oC] – temperatura spaţiilor exterioare încăperii considerate;-Ro - rezistenţa termică totală la transferul de căldură a elementului de construcţie considerat în m2oC/W.

Coeficientul de masivitate m este dependent de indicele de inerţie termică D al elementului de construcţie, putându-se calcula cu relaţia:

m = 1,225 – 0,05D (4.6)

Tabelul 4.5. Valorile coeficientului de masivitate termică mD 1 1,1..2 21,..3 3,1..4 4,1..5 5,1..6 6,1..7m 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 0,9

Pentru elementele de construcţie fără inerţie termică D 1 (uşi, ferestre), coeficientul de masivitate are valoarea cea mai mare m = 1,2 iar pentru elemente de construcţie interioare (planşee, pereţi interiori), acesta capătă valoarea m = 1.



Coeficientul D se poate calcula cu relaţia:(4.7)

unde:R - rezistenţa termică a elementului de construcţie, S24

- coeficient de asimilare termică;

Suprafaţa de calcul S a elementului de construcţii se determină luând în considerare următoarele dimensiuni:

o pentru planşee şi pereţi: lungimea şi lăţimea încăperii, măsurate între axele de simetrie ale elementelor de construcţie ce o delimitează şi înălţimea nivelului măsurat între pardoselile finite; din aria astfel obţinută se scade aria golurilor suprafeţelor neinerţiale ( uşi, ferestre,etc.);

o pentru suprafeţele neinerţiale, se consideră dimensiunile golurilor de zidărie.

Temperatura aerului interior este stabilită în STAS 1907 pentru încăperile mai des întâlnite, conform tabelului 4.1. Temperatura aerului exterior convenţională de calcul pentru principalele localităţi este dată în funcţie de zona climatică pentru fiecare localitate, conform tabelului 4.2.

Dacă este necesară cunoaşterea temperaturii exacte a unei încăperi neîncălzite, această temperatură se poate calcula cu relaţia:

, [oC], (4.8)

unde Ti – temperaturile interioare convenţionale ale spaţiilor învecinate în oC, Sj – aria suprafeţelor care delimitează încăperea în m2, Rj – rezistenţele termice ale elementelor de construcţie ale încăperii în m2K/W.

Coeficientul de corecţie CM se stabileşte în funcţie de capacitatea termică specifică a elementelor de construcţie interioare. Pentru o capacitate termică specifică mai mică de 400 kg/m3, CM = 1, iar pentru capacitatea termică specifică mai mare de 400 kg/m3, CM = 0,94.

4.3.1.2. Pierderile de căldură în contact cu solul se determină cu relaţia:

, [W] (4.9)

unde: Sp – suprafaţa cumulată a pardoselii şi a pereţilor aflaţi sub nivelul solului, care se

determină cu relaţia:

, [m2] (4.10)



în care: Spd – suprafaţa pardoselii în m2, h – cota pardoselii sub nivelul solului în m, p – lungimea conturului pereţilor în contact cu solul în m. Sc - aria unei benzi cu lăţimea de 1 m situată de-a lungul conturului exterior al

suprafeţei Sp în m2; Scj – aria unei benzi cu lăţimea de 1 m situată de-a lungul conturului care corespunde

spaţiului învecinat care are temperatura Ti în m2; Rp – rezistenţa termică cumulată a pardoselii şi a stratului de sol cuprins între

pardoseală şi pânza de apă freatică. Rp se determină cu relaţia:

, [m2K/W] (4.11)

în care δj – grosimea straturilor luate în considerare în m, λj – conductivitatea termică a materialului din care este alcătuit stratul luat în considerare în W/mK; Rbc - rezistenţa termică a benzii de contur la trecerea căldurii prin pardoseală şi sol

către aerul exterior, a cărei valoare este dată în tabelul 4.6; Tf – temperatura solului (apei freatice), considerate + 10oC pentru toate zonele

climatice ale ţării; Tej – temperatura interioară convenţională de calcul pentru încăperile alăturate în oC; ms – coeficientul de masivitate termică al solului, care se determină din graficul din

figura 4.2, în funcţie de adâncimea pânzei de apă freatică H şi adâncimea h de îngropare a pardoselii h;

Figura 4.2. Variaţia coeficientului de masivitate termică ms

ns - coeficientul de corecţie care ţine seama de conductivitatea termică a solului şi cota pardoselii h sub nivelul terenului, care se determină din graficul din figura 4.3.

Figura 4.3. Variaţia coeficientului de corecţie ns



Tabelul 4.6. Rezistenţa termică a benzii de contur la trecerea căldurii prin pardoseală şi sol către aerul exterior Rbc în m2K/W

4.3.2.Adaosurile la pierderile de căldură

La pierderile de căldură prin transmisie, calculate pentru fiecare încăpere în parte, se adaugă adaosuri procentuale pentru orientare A şi compensarea efectului suprafeţelor reci Ac. Aceste adaosuri modifică cantitatea de căldură transmisă, având drept scop realizarea aceloraşi condiţii în încăperi indiferent de orientarea lor şi gradul de izolare termică.

Adaosul pentru orientare

Acest adaos se aplică în scopul diferenţierii pierderilor de căldură ale încăperilor diferit expuse radiaţiei solare, o singură dată pentru peretele cu orientarea cea mai defavorabilă şi este dat în tabelul 4.7:



Tabel 4.6. Adaos pentru orientareOrientarea N NE E SE S SV V NVA [%] +5 +5 0 -5 -5 -5 0 +5

Adaosul pentru compensarea efectelor suprafeţelor reci

Acest adaos se aplică pentru îmbunătăţirea confortului termic în încăperile construcţiilor civile, în scopul corectării bilanţului termic al corpului omenesc în încăperile în care elementele de construcţie cu rezistenţă la transfer termic redusă, favorizează intensificarea cedării de căldură a corpului prin radiaţie. Valorile acestui adaos se aleg din nomograma din figura 4.4 în funcţie de rezistenţa totală medie a încăperii.

[ m2oC/W] (4.12)

unde :- St - suprafaţa totală a încăperii (pereţi interiori, exteriori, planşeu, pardoseală)- Te - temperatura exterioară convenţională de calcul;- Qt - pierderile de căldură prin transmisie ale încăperii;

Figura 4.4. Adaosul pentru compensarea efectelor suprafeţelor reci

Excepţii:Adaosul de compensare nu se acordă următoarelor încăperi :



-în care oamenii poartă îmbrăcăminte de stradă;-încăperilor încălzite prin radiaţie;-încăperilor în care oamenii desfăşoară o muncă medie sau grea;- depozitelor, casei scării, etc.

Adaosul de compensare se poate calcula cu relaţia:

(4.13)

4.3.3. Necesarul de căldură pentru încălzirea aerului rece pătruns în încăpere

Debitul de căldură Qpi necesar pentru încălzirea aerului exterior pătruns în încăpere rezultă din însumarea necesarului de căldură pentru încălzirea aerului înfiltrat prin neetanşeităţile ferestrelor şi uşilor Qf şi debitul de căldură Qu necesar încălzirii aerului pătruns prin deschiderea uşilor.

Qpi = Qf +Qu [W] (4.14)

Debitul de căldură Qf pentru încălzirea aerului rece infiltrat prin rosturile elementelor mobile se determină cu relaţia:

,[W] (4.15)

în care:E - factor de corecţie depinde de înălţimea clădirii, tipul clădirii; pentru clădiri civile cu mai puţin de 12 niveluri E = 1, iar pentru clădiri cu mai multe niveluri valoarea lui E este dată în tabelul 4.7;

Tabelul 4.7. Valorile coeficientului de corecţie E



- lungimea rosturilor elementelor deschizibile (mobile) exterioare din faţadele

supuse vântului.Cazuri (conform figurii 4.5):

o În cazul în care elementele deschizibile se află pe acelaşi perete lungimea este

egală cu suma lungimilor rosturilor de pe acelaşi perete: .

o Dacă acestea se află pe doi pereţi alăturaţi atunci lungimea este egală cu suma

lungimilor rosturilor: .

o Dacă se află pe trei pereţi exteriori atunci se ia în calcul maximul dintre suma lungimilor a două rosturi aflate pe pereţi alăturaţi:

.

o Altfel dacă se află pe doi pereţi opuşi lungimea este egală cu maximul dintre

suma lungimilor rosturilor de pe un perete: .

Figura 4.5. Poziţia elementelor mobile în ansamblul încăperii: a - pe un perete exterior, b – pe doi pereţi exteriori alăturaţi, c – pe doi pereţi exteriori opuşi, d – pe mai mulţi

pereţi exteriori.

Rostul format de două elemente mobile se ia în calcul o singură dată, în cazul uşilor şi ferestrelor duble, rostul se măsoară pe un singur rând.

i - coeficient de infiltraţie depinzând de tipul clădirii precum şi de materialul din care sunt confecţionate uşile. Valorile coeficientului de infiltraţie sunt date în tabelul 4.8.



Tabelul 4.8. Valorile coeficientului de infiltraţie i

v - viteza vântului de calcul se alege în funcţie de zona eoliană (din tabelul 4.3).

Debitul de căldură pentru încălzirea aerului rece pătruns în încăpere se determină cu relaţia:

Qu =0,36 Su n(Ti-Te) CM,[W] (4.16)

în care: Su - suprafaţa uşii cu frecvenţa cea mai mare de deschidere,iar n - frecvenţa de deschidere a uşii – numărul deschiderilor uşilor exterioare într-o oră, care depinde de specificul clădirii.

Sarcina termică Qu se ia în considerare numai în cazul încăperilor cu uşi care se deschid frecvent (magazine, holuri la săli de spectacole, etc.) şi care nu sunt prevăzute cu sasuri sau perdele elastice.

4.3.4. Observaţii la calculul necesarului de căldură pentru clădiri industriale

Observaţia 1. Pentru hale neetajate şi incinte mari având lăţimi mai mari de 10 m şi înălţimi mai mari de 5 m, pentru calculul rezistenţelor termice Rc se utilizează relaţia:

, [m2K/W] (4.17)

unde δ – factor de corecţie care depinde de înălţimea încăperii industriale, ale cărei valori se iau din diagrama din figura 4.6:



Figura 4.6. Valorile factorului de corecţie δ

Există de asemenea diagrame pentru determinarea rezistenţei termice Rc în funcţie de Ro

pentru pereţi, ferestre şi plafoane.

Observaţia 2. CM = 1

Observaţia 3. Sarcina termică pentru încălzirea aerului infiltrat se calculează cu ajutorul factorului de corecţie E din tabelul 4.9.

Tabelul 4.9. Valorile lui E pentru clădiri industriale

Înălţimea halei [m] Factor de corecţie E5 1,0

5….12 1,12>12 1,20

Observaţia 4. Pentru halele ventilate în suprapresiune, infiltraţiile de aer rece se iau în considerare numai în cazul în care debitul de aer infiltrat de păşeşte debitul de aer introdus prin instalaţiile de ventilare.


termodinamica

Documents