SIMULAREA VENTILARII NATURALE IN CLADIRI PRIN MODELARE FIZICA

SIMULAREA VENTILARII NATURALE IN CLADIRI PRIN MODELARE FIZICA

1, Introducere

Ventilarea este un proces important pentru asigurarea unor conditii favorabile in cladiri, cum sunt: improspatarea aerului, mentinerea unor niveluri potrivite de temperatura si umiditate, evacuarea unor substante poluante, etc. Ventilarea poate fi naturala, mecanica sau mixta. In primul caz este generata permanent de diferente de temperatura sau intermitent de actiunea vantului, astfel ca nu implica un consum de energie, ceea ce corespunde cu una din exigentele principale ale dezvoltarii durabile.

Exista doua categorii de probleme privind ventilarea in constructii, dupa cum se

urmareste:

- satisfacerea cerintelor de igiena si confort in locuinte, birouri, sali din scoli si universitati, spitale, etc. prin ventilarea incaperilor;

- utilizarea unor elemente de constructie cu straturi de aer (fatade si acoperisuri

ventilate, ferestre cu mai multe randuri de geam, canale si cosuri de evacuare a

gazelor, etc.).

2.Ventilarea incaperilor

Timp de secole ventilarea naturala a spatiilor din cladiri a fost posibila la nivel

multumitor, fara proiecte speciale, deoarece tamplariile nu erau etanse, existau canale de fum si sobe care activau tirajul termic, iar incaperile erau mai inalte decat acum. In prezent situatia s-a schimbat, exista dotari superioare unele avand emisii nocive, se fumeaza si in mod neasteptat creste frecventa cazurilor de condens, alergii si alte maladii, toate direct legate de insuficienta ventilarii in spatiile utile. Constructorii au inteles ca lipsa ventilarii contribuie la generalizarea fenomenelor de condens, cand s-au confruntat cu aceasta situatie la cladirile din panouri mari sau cu diafragme din beton armat, la bucatarii fiind instalate masini de gatit cu gaze care la ardere produc bioxid de carbon si vapori de apa. Suprafetele interioare ale peretilor exteriori cu punti termice se acopereau cu mucegai; acest fenomen se produce si acum dupa montarea ferestrelor etanse cu geam termopan, desi puntile termice sunt corectate, cand locatarii nu tin seama ca trebuie sa asigure ventilarea incaperilor. Mai putin evidente dar tot atat de importante sunt starile de oboseala si alergiile in locuinte, scoli, birouri si alte spatii insuficient ventilate. De fapt se pune atat problema ventilarii generale a incaperilor cat si problema optimizarii distributiei ventilarii astfel incat, indiferent de pozitia persoanelor, necesarul de aer curat sa fie asigurat. Rata ventilarii, stabilita uniform pe cladire in functie de permeabilitatea anvelopei si de expunerea la vant prescrisa de normativul C-107, are in vedere calculul necesarului de caldura si nu se refera la aspectele de igiena si de confort.

O prima posibilitate, grosiera, de examinare a ventilarii unei unitati functionale a fost utilizata in /1/ cu prilejul renovarii imobilului iesean de locuinte sociale din str.Tabacului.

Intrucat viteza curentilor de aer ventilat este foarte mica, exceptand in orificiile de intrare si de evacuare a aerului, se poate admite ca aerul ar fi un fluid nevascos si incompresibil. In aceasta situatie, curgerea aerului poate fi asimilata cu cea a caldurii, adica fara vartejuri.S-a obtinut o imagine aproximativa a campului de viteze si a gradului de primenire a aerului in diverse puncte (fig.1) utila pentru proiectarea de arhitectura, dar insuficienta pentru analiza unor situatii speciale, cum sunt cazurile de ventilare intr-un spatiu de tratament medical (unde trebuie evitata infectarea pacientului sau a medicului) ori intr-o industrie de mare finete.

3. Ventilarea elementelor de constructie

Aceasta problema apare in cazul structurilor ventilate denumite "double peau" , "double skin" sau "hinterlűftete Fassade" (fig.2). Un strat de aer separa peretele de baza cu izolatia termica aferenta de stratul de protectie impotriva ploii. Initial acest strat avea numai rolul de a permite scurgerea picaturilor de apa (fig.3) insa acum poate contribui si la protectia termica vara. Structuri similare sunt la acoperisuri unde un strat de aer ventilat poate fi folosit penru evacuarea vaporilor de apa si a caldurii excesive vara /4/.

Analiza procesului de ventilare este necesara in multe probleme ingineresti speciale ca: exploatarea unui perete de tip Trombe, valorificarea unei sere adiacente la o fatada, folosirea sistemului denumit "put canadian" /3/, combaterea consecintelor igrasiei cu ajutorul unor canale in zidarie si chiar propagarea fumului in cazul unui incendiu (fig.4).

4. Modelarea fizica a ventilarii naturale

Ventilarea naturala determinata de diferente de temperatura se explica prin faptul ca aerul cald este mai usor decat cel rece. Pentru realizarea modelelor fizice trebuie considerate unul din criteriile de similitudine Grashof (Gr) si Rayleigh (Ra), avand expresiile:

unde simbolurile au semnificatiile cunoscute,

L - lungimea (m);

g - acceleratia gravitatiei (m/s²);

β- coeficientul de dilatare termica (1/K);

ν -vascozitatea cinematica (m²/s);

ΔT - diferenta de temperatura (K);

a - difuzivitatea termica (m²/s).

In cazul general, prototipul si modelul la scara redusa pot fi cu gaze diferite. Daca gazul este acelasi, de exemplu aer, conditia Gr se reduce la

(L³. ΔT)_P = (L³. ΔT)_M

sau

ΔT_M = ΔT_P . (S_L)^-1

Rezulta ca diferenta de temperatura aplicata pe model va trebui sa fie mult mai mare decat cea de pe prototip. De exemplu, daca scara lungimilor S_L = 1/10, atunci ΔT_M = 1000.ΔT_{P ,} ceea ce nu poate fi realizat in practica.

Totusi pentru problemele de ventilare, la care diferenta de temperatura este foarte mica, modelarea fizica poate fi realizata la scara S_L = 1/5. Mai mult decat atat, ceea ce

intereseaza cel mai mult este sa se afle la ce diferenta de temperatura incepe ventilarea naturala in conditiile date. Pe aceasta baza, in cadrul catedrei de Constructii civile si industriale a fost construit modelul unui acoperis ventilat, urmarind ca prin ventilare si termo-reflectare sa se imbunatateasca nivelul de confort termic in sezonul cald /4, 5/. Curgerea aerului a fost vizualizata cu fum, dar si prin termografie IR printr-un perete lateral transparent (fig. 5).

In scopuri similare, la I.N.S.A.- Reims /6/ experimentarile se efectueaza pe baza criteriului Raileygh, folosind un model cu apa si vizualizari cu particule si un fascicul laser. Astfel se beneficiaza si de faptul ca apa prezinta unele caracteristici fizice mai favorabile pentru satisfacerea criteriului Ra.

5. Concluzii

Prin metoda propusa se pot realiza modele fizice utile pentru studierea ventilarii naturale in constructii. Metoda este comparabila cu cea utilizata acum in Franta si prezinta avataje specifice. Este de dorit ca diverse probleme, cum ar fi ventilarea peretilor "double peau" sa fie studiate pe aceasta cale.

Fig. 1. Rezultatul modelarii numerice simplificate.

a. Locuina are ferestre permeabile la aer. Situatia inainte de reabilitare

b. Locuina are ferestre etanse. Situatia dupa reabilitare. Zonele intunecate sunt puternic ventilate, cele albe sunt slab ventilate.

Fig. 2. Perete cortina ventilat

Fig. 3. Zidarie cu strat de aer

Fig. 4. Put canadian

Fig. 5. Modelarea acoperisului mansardat. Vizualizare cu IR.

Rezumat

Ventilarea naturala in constructii este necesara pentru satisfacerea exigentelor esentiale de performanta referitoare la igiena, confort, securitate in exploatare si in legatura cu asigurarea unor consumuri reduse de energie si a devenit o problema de actualitate datorita utilizarii tamplariei termopan, incalzirii centrale si poluarii. Ea se impune si spre a diminua folosirea aparatelor de aer conditionat alimentate electric, astfel ca in faza de proiectare a constructiilor, este necesara o analiza prin simulare numerica sau cu modele fizice, din care sa rezulte distributia curentilor de aer. In prezent dupa verificarea unui mare numar de documentatii tehnice, ventilarea naturala este luata in considerare numai pe baza prevederilor Normativului C107, tinand seama de expunerea la vant. Chiar daca se prevad ochiuri mobile sau alte dispozitive de ventilare, totdeauna lipseste o analiza 3D a curgerii aerului prin incaperi sau prin elemente de constructii ventilate.

In lucrare se prezinta principiile modelarii fizice pe baza criteriului de similitudine Grashof, realizata in laboratorul catedrei de Constructii civile si Industriale din UT-Iasi pentru un acoperis mansardat, intr-o varianta noua, comparabila cu modelarea fizica in apa, utilizata la INSA - Rennes. Ventilarea naturala pe sub in velitoare, cumulata cu un strat subtire termoreflectant, poate imbunatati conditiile de confort pe timp de vara si se propune a fi aplicata in primul rand pe litoralul Marii Negre unde prezenta apei si umiditatea atmosferica cu efect de sera, reduc eficienta aerisirii pe timp de noapte.

Cuvinte cheie

Cladiri, ventilare naturala, modelare fizica, acoperis ventilat, criterii de similitudine, mansarde.

Bibliografie

Ungureanu C.C., Elemente privind ventilarea cladirilor reabilitate termic, Ed. Societatii Academice "Matei - Teiu Botez" Colectia Higrotermica in Constructii, 2009

Horst Arndt, Wärme - und Feuchteschutz in der Praxis: die neue Warmeschutzverordnung in Anwendung - Berlin: Verl. Fur Bauwesen, 1996, ISBN 3-345-00582-4

Roulet C.A., Qualité de l'environnement intérieur, Presse Polytechnique Romande, Laisanne, 2004,

Mocanu Ancuta, Optimizarea alcatuirii constructive a mansardelor, teza, U.T.Iasi, 2009

Schuring, Dietrich J., Scale models in engineering , Pergamon Press, New York, 1977

Sedov L. Similitude et Dimensions en Mécanique, Ed. MIR, Moscou 1977

Ospir D., Defay B., Popa C., Fohanno S., Etude d'un écoulement de convection naturelle dans un canal vertical chauffé asymétriquement, Revue Volume X,

Fohanno S., Dumez N., Ospir D., Polidori G., Popa C., Influence du rapport d'aspect sur l'écoulement de convection libre en canal plan, IX Colloque Interuniversitaire Franco -Québécois sur la Thermique des Systèmes, Lille, 2009,

Ospir D., Popa C., Chereches C. N., Fohanno S., Chereches M., Natural convection flow dynamics in a double - skin envelope, International Symposium on Convective Heat and Mass Transfer in Sustainable Energy, Tunisia, 2009