TRANSFERUL DE CǍLDURǍ IN CONSTRUCTII

TRANSFERUL DE CǍLDURǍ IN CONSTRUCTII

Functie de categoria de confort la care se refera, fizica constructiilor se imparte in:

- higrotermica;

- acustica;

- ventilare naturala;

- iluminat

Higrotermica este partea din fizica constructiilor care studiaza procesele de transfer de masa si caldura din constructii, respectiv transmisia vaporilor de apa (higro) si a caldurii (termo) prin elementele de constructie de inchidere sau de separatie intre medii cu caracteristici diferite, precum si efectele pe care le au asupra conditiilor de microclimat interior, a conditiilor de igiena si confort, a durabilitatii si a caracteristicilor fizice ale elementelor de constructie

Factorii principali care determina conditiile de confort din incaperi sunt:

- temperatura aerului,

- temperatura suprafetelor elementelor limitatoare,

- umiditatea aerului,

- viteza de miscare a aerului.

Componenta de baza a confortului general o constituie confortul termic. Confortul termic trebuie sa asigure mentinerea unei temperaturi constante a corpului omenesc, pe baza echilibrului dintre productia de caldura a organismului si degajarile fata de mediul inconjurator, care se realizeaza fizic prin convectie, radiatie si conductie, iar fiziologic prin transpiratie si respiratie.

Factorul hotarator pentru senzatia de confort il constituie temperatura aerului. Datorita diferentelor dintre senzatiile oamenilor (functie de varsta, sex, obisnuinta etc), temperatura de confort rezulta variabila; totusi, daca ceilalti parametri prezinta valori corespunzatoare, pot fi admise urmatoarele temperaturi de confort:

18 °C pentru munca usoara,

-1920 °C pentru munca statica;

-10 °C pentru munca fizica grea.

Temperatura medie a suprafetelor elementelor care intra in schimb de caldura prin radiatie cu ocupantii incaperilor trebuie corelata ca temperatura aerului interior: cresterea temperaturii medii a suprafetelor limitatoare trebuie sa fie insotita de scaderea temperaturii aerului interior si invers, intrucat organismul, uman sesizeaza influenta combinata a celor doua temperaturi.

Notiuni in termotehnica constructiilor

1.Temperatura - un parametru scalar de stare care caracterizeaza gradul de incalzire al corpurilor.

2.Camp termic reprezinta totalitatea valorilor temperaturilor ce caracterizeaza un anumit spatiu la un moment dat.

3. Suprafata izoterma este locul geometric al tuturor punctelor cu aceeasi temperatura dintr-un camp termic.

4. Linia izoterma este locul geometric al punctelor de egala temperatura dintr-un plan.

5. Gradient de temperatura este limita raportului intre diferenta de temperatura ΔT si distanta Δx dintre doua puncte,  cand Δx →0. Gradientul termic are sensul contrar sensului de propagare a caldurii;

grad T = lim ΔT/ Δx

6. Cantitatea de caldura (Q) reprezinta o cantitate de energie si se masoara in joule (J) in SI, sau in unitati traditionale specifice calorii (cal) sau kilocalorii (kcal).

7. Fluxul termic sau debitul de caldura (Q) este cantitatea de caldura care strabate o suprafata in unitatea de timp:

Q = dQ/dt

8. Densitatea fluxului termic sau debitul specific de caldura (q) reprezinta numeric cantitatea de caldura care strabate unitatea de suprafata in unitatea de timp, iar fizic este un vector dirijat dupa normala la izoterma.

Trasmisia caldurii in constructii

Formele fundamentale de transmisie a caldurii (conductia, convectia, radiatia) se regasesc si in constructii cu unele particularitati:

- materialele au o structura capilar-poroasa astfel ca exceptand pe cele compacte, (metale, sticla), transmisia interna are un caracter complex;

- formele geometrice ale elementelor de protectie sunt variate si neomogene fiind alcatuite din mai multe materiale;

- la contactul aer-elemente de constructie exista concomitent transfer prin conductie, convectie si radiatie;

- aerul si umiditatea influenteaza mult transferul de caldura in constructii;

- domeniul de variatie a temperaturilor este restrans.

Transmisia caldurii prin conductie

Este proprie in special corpurilor solide si consta din propagarea din aproape in aproape a energiei cinetice a moleculelor care oscileaza fata de pozitia de echilibru.

In constructii, transmisia caldurii prin conductie are loc prin pereti, ferestre, pardoseli, acoperisuri etc. Cantitatea de caldura care se transmite prin conductie de la o fata cu temperatura T la cealalta fata cu temperatura T a unui element plan omogen de grosime d, avand fete paralele, cu aria A ,  se determina cu relatia lui Fournier:

Q = λ A (T - T ) t / d = λ A ΔT t / d

Constanta λ reprezinta coeficientul de conductivitate termica a materialelor si se defineste, in baza celor de mai sus, ca fiind cantitatea do caldura ce trece de la o fata la alta a unui element de constructie omogen cu grosimea de 1 m si suprafata de 1 m², timp de o ora  pentru o diferenta de tempera­tura intre fete de 1°C (sau 1K).

Conductivitatea termica

Coeficientul de conductivitate termica este o caracteristica termofizica a materialelor, avand valori cuprinse intre 0,02 (aer)364 (cupru).

Pentru materialele de constructie curente valorile coeficientului λ sunt:

beton armat: 1,622,03 W/mK;

- BCA: 0,130,41 W/mK;

zidarie de caramida plina: 0,80 W/mK;

- zidarie de caramida cu gauri: 0,460,75 W/mK;

- polistiren expandat: 0,04 W/mK.

Apa are coeficientul de conductivitate termica 0,52 W/mK de 25 de ori mai mare decat aerul, ceea ce explica conductivitatea termica sporita a materialelor umede.

Grupe aproximative:

l     bune conducatoare 10 -  300 W/m K

l     mijlocii 0,25 - 3,00 W/mK

l     izolatoare 0,04 -  0,20 W/mK

Factorii care influenteaza marimea conductivitatii termice a materialelor capilar-poroase sunt:

- densitatea materialului, deoarece partea solida are conductivitati mari (2,5   3,5) in raport cu aerul (0,026);

- structura de pori, si capilare, deoarece cavitatile mari sau cu legaturi intre ele favorizeaza convectia aerului;

- umiditatea deoarece apa are conductivitate termica superioara celei a aerului (in stare lichida 0,50 iar gheata 2,21

Densitatea fluxului termic transmis prin conductie :

q = - λ dT/dx = - λ grad T

In cazul unui element plan omogen de grosime d, alcatuit dintr-un material cu coeficientul de conductivitate termica λ, densitatea fluxului termic transmis prin conductie rezulta:

q = λ ΔT / d = ΔT/R

R = d/ λ  se defineste ca rezistenta la transmisia caldurii prin conductie, sau rezistenta la permeabilitate termica a elementului de constructie marimea inversa

λ / d fiind permeabilitatea termica a elementului.

Transmisia caldurii prin convectie

Are loc prin lichide si gaze si se datoreste transportului de caldura prin miscarea fluidului (curenti). Spre deosebire de transmisia prin conductie, la care moleculele nu se deplaseaza in sensul fluxului termic, in cazul convectiei exista o deplasare a masei de fluid.

In constructii transmisia caldurii prin convectie intervine intre suprafetele elementelor si aerul interior sau exterior.

Cantitatea de caldura primita (Q_c) sau cedata (Q`_c) prin convectie de un element de constructie se poate determina ca relatia lui Newton:

Q_{c c} A (T_i - T_si ) t

Q`_{c c} A (T_se - T_e )t in care

T_si si T_se sunt temperaturile suprafetelor interioara, respectiv exterioara ale elementului;

T_i si T_e - temperaturile aerului interior, respectiv exterior;

A - aria suprafetei;

t - timpul.

_c si α`_c sunt coeficientii de schimb termic (transfer termic) prin convectie la primire, respectiv la cedarea caldurii;

Coeficientul de convectie reprezinta cantitatea de caldura primita sau cedata timp de o ora de catre o suprafata de 1 m a unui element de constructie, cand diferenta de temperatura intre fluid si suprafata elementului este de 1°C. Unitatile de masura ale coeficientilor de convectie termica sunt: W/m K in SI si Kcal/m h °C.

Valorile coeficientilor de convectie depind de natura fluidului, de natura si aspectul suprafetelor, de viteza de miscare a fluidului. Orientativ, valorile lui αc sunt: 310 pentru aer stationar; 530 pentru aer in miscare libera (convectie naturala).

Transmisia caldurii prin radiatie

Are loc sub forma de unde electromagnetice cu lungimi de unda de 0,4400 (unde calorice), intre corpuri cu temperaturi diferita aflate in prezenta. In constructii radiatia termica intervine intre corpurile de incalzire si elementele din incaperi, intre corpul ome­nesc si obiectele mai reci inconjuratoare, intre suprafetele elementelor de constructie si aerul exterior sau interior etc.

Cantitatea de caldura transmisa prin radiatie de la un corp ca temperatara T la un corp ca temperatura T avand o suprafata comuna A, se determina, ca relatia Stephan - Boltzmann:

Q_T = c A [( T - (T

T si T sunt temperaturile absolute ale celor doua corpuri

c coeficientul de radiatie in W/m K reprezentand cantitatea de caldura radiata de 1 m de corp in vid, timp de o ora, pentru o temperatura de 100 °C.

Materialele de constructie prezinta un coeficient de radiatie de 4,9 W/m K

Transmisia caldurii la suprafata elementelor de constructie

Suprafetele elementelor de constructie limitatoare primesc sau cedeaza caldura prin convectie si prin radiatie

In calculul termic al constructiilor ambele fenomene se iau in considerare global, prin intermediul unor coeficienti de transfer termic la suprafata interioara, respectiv exterioara a elementelor de constructie (α_i , α_e

Caldura primita sau cedata de suprafata elementelor este suma cantitatilor de caldura primite, respectiv cedate prin convectie si radiatie, coeficientii de transfer termic la suprafata (de schimb superficial) :

- la primire: α_{i c r}

- la cedare: α`_{i c r}

Valorile uzuale ale acestor coeficienti pentru calculul termic al constructiilor sunt: α_{i e} = 23 (iarna); α_e = 12 (vara).

Inversul acestor coeficienti reprezinta rezistentele la primirea, respectiv la cedarea caldurii de catre suprafetele elementeIor de constructie:

R_{i i} ; R_{e e}

Transmisia generala a caldurii in constructii in regim termic stationar

Transmisia termica unidirectionla

Transmisia caldurii prin elementele de inchidere are loc de la aerul interior spre exterior in perioada rece si invers in perioadele cu temperaturi ridicate ale aerului exterior. In cazul elementelor plane, cu fete paralele cu straturi omogene, fluxul termic este normal pe suprafata, iar transmisia caldurii poate fi considerata unidirectionala.

Coeficientul total de transfer termic (de transmisie termica):

k = 1/R₀

reprezentand cantitatea de caldura, ce trece in regim termic stationar printr-o suprafata de 1 m² al unui element, timp de 1 ora pentru o diferenta dintre temperaturile celor doua medii de 1°C (sau 1 K).

Transmisia termica plana si spatiala. Punti termice

In cazul colturilor dintre elementele de inchidere, a imbinarilor sau a elementelor cu neomogenitati, caldura se propaga dupa doua sau trei directii, campul termic fiind plan sau spatial. Transmisia plana sau spatiala favorizeaza intensificarea pierderilor de caldura, necesitand masuri de corectare locala.

Zonele din elementele de constructie care datorita alcatuirii geometrice si structurii neomogene permit intensificarea transmisiei caldurii se numesc punti termice.

Transmisia caldurii in regim nestationar

Datorita variabilitatii in timp a valorilor reale ale temperaturii aerului, regimul termic este practic variabil. In regimul termic nestationar fluxul de caldura este de asemenea variabil pe grosimea elementelor, fiind functie de capacitatea de acumulare si cedare a caldurii de catre elementele de constructie.

Coeficientul de asimilare termica (s) este o caracteristica termofizica a materialelor, indicand capacitatea acestora de a absorbi caldura si se calculeaza pentru perioada T = 24 h cu relatia:

S = 0,59 (W/m K)

Indicele inertiei termice (D) reflecta capacitatea de acumulare sau de cedare a caldurii de catre elemente si se determina cu relatia:

D = ∑ R_k s_k = ∑ d_k s_k λ_k

Pe baza indicelui inertiei termice se defineste masivitatea termica a elementelor de constructie, caracterizata prin coeficientul de masivitate termica:

m = 1,225 - 0,05  D

functie de care elementele se considera de masivitate termica mica (m<1,1); mijlocie  (m= 1,01,1) si mare (m >1).

Amortizarea oscilatiilor de temperatura

Datorita proprietatii de asimilare termica a materialelor si elementelor, oscilatiile de temperatura de pe una din fetele unui element separator se manifesta pe cealalta fata cu amplitudini mai reduse, fiind deci amortizate.

Amortizarea oscilatiilor termice reprezinta capacitatea elementului de constructie de a reduce amplitudinea oscilatiilor de temperatura la trecerea caldurii prin element. In constructii se considera oscilatia termica sinusoidala, ca amplitudinile A_T,se la exterior, respectiv A_T,si la interior.

Pentru caracterizarea capacitatii de amortizare a elementelor se foloseste indicele de amortizare termica (ν), definit prin relatia:

ν = A_T,se / A_T,si

si a carui valoare efectiva corespunzatoare unui element se stabileste prin calcul, functie de coeficientul de asimilare termica a materialelor (s_k) si a straturilor componente (S_k), precum si a indicelui total de inertie termica (D), sau se determina pe cale experimentala.

Defazajul oscilatiilor termice

In regimul termic variabil, datorita inertiei termice a elementelor, oscilatiile de temperatura ce se manifesta asupra unei fete se resimt pe cealalta fata cu intarziere (si amortizate).

Intervalul de timp din momentul unei actiuni termice pe una din fetele elementului pana la resimtirea pe suprafata cealalta reprezinta defazajul oscilatiilor termice (η).

Defazajul termic este important in legatura cu confortul pe timp de vara, cand se cere ca efectul incalzirii elementelor exterioare datorita temperaturii ridicate a aerului si insoririi sa se faca simtit la interior cu o intarziere corespunzatoare, pentru a interveni favorabil in perioada din zi cand aerul este in curs de racire.

Pentru a se asigura aceasta cerinta este necesar ca elementele exterioare de constructie sa asigure un defazaj efectiv:

η_ef ≥ η_nec = 814 ore

Calculul termic al elementelor de constructie

Elementele exterioare de inchidere ale cladirilor (pereti, acoperisuri) trebuie astfel realizate incat sa nu permita pierderi de caldura mai mari decat cele admisibile, stabilite din considerente de confort, igiena, durabilitate sau pe criterii economice.

Rezistenta globala la transmisia caldurii a elementului (R₀) trebuie sa fie cel putin egala cu valoarea normata, minima necesara (R_0,nec):

R₀ ≥ R_0,nec

Calculul termic al elementelor de constructie consta, in principiu, din:

a - verificarea gradului de izolare termica, cand alcatuirea elementului este stabilita, pe baza relatiei:

R ≥ R_0,nec

b - dimensionarea grosimii minime a elementului sau a stratului de termoizolatie, de asemenea pe baza conditiei,R ≥ R_0,nec considerata la limita.