Climatizarea cladirilor

Climatizarea (conditionarea) cladirilor urmareste mentinerea calitatii aerului (temperatura, umiditate, continut de praf, substante chimice, mirosuri etc.) in anumite limite bine determinate indiferent de variatia factorilor meteorologici si a degajarilor interioare de caldura, umiditate, substante chimice etc.

O instalatie de climatizare permite tratarea aerului din cladire prin supunerea la procese multiple, nu neaparat simultane, de incalzire, racire, umidificare, uscare, filtrare si inlocuire partiala sau totala a acestuia. În functionarea unei astfel de instalatii apar doua regimuri caracteristice, si anume:

functionarea in regim de iarna. În acest regim, instalatia de conditionare asigura incalzirea, umidificarea sau uscarea (dupa caz), filtrarea si/sau inlocuirea partiala sau totala a aerului din incintele climatizate. Modul de dimensionare si de functionare in acest regim este identic cu al instalatiilor de ventilare prezentat in cap. 4. De fapt, instalatiile de ventilare constituie un caz particular al instalatiilor de climatizare;

Obs. Exista incinte ventilate la care bilantul termic pe timpul iernii este pozitiv (caldura provenita din degajarile interioare de caldura in incinta depaseste valoarea pierderilor de caldura ale incintei respective in mediul ambiant). În aceasta situatie, nu se pune problema unui consum de caldura pentru ventilare. Pentru aceste instalatii se determina doar un debit de aer necesar evacuarii caldurii in exces. Acest debit se determina cu relatii similare rel. 4.4., in care in locul cantitatatii de substanta M_d de un anumit tip se introduce valoarea caldurii in exces q_e ce trebuie evacuata, iar in locul concentratiilor, entalpiile h_ia ale aerului evacuat (la temperatura maxim admisibila in incinta) si h_ai (la temperatura aerului proaspat din exterior).

functionarea in regim de vara. În acest regim, instalatia de conditionare asigura racirea, umidificarea sau uscarea (dupa caz), filtrarea si/sau inlocuirea partiala sau totala a aerului din incintele climatizate. Modul de dimensionare si de functionare in acest regim va fi prezentat in continuare in cadrul acestui capitol.

O instalatie care permite tratarea partiala a aerului (supunerea acestuia la max. "n-1" procese de tratare din cele "n" procese enumerate anterior) poarta numele de instalatie de climatizare partiala a aerului. De exemplu, instalatiile de ventilare sunt instalatii de climatizare partiala. În vocabularul curent (al nespecialistilor) instalatia de climatizare partiala care asigura racirea aerului pe timpul verii (eventual completata cu o umidificare sau o uscare a acestuia) este denumita pe scurt instalatie de climatizare.

Bilantul termic pe timpul verii al unei incinte climatizate.

Cantitatea de caldura care trebuie extrasa dintr-o incinta in vederea mentinerii in acesta a unei temperature interioare mai reduse decat cea exterioara, este data de relatia:

unde q_PE , q_FE sunt fluxurile termice patrunse in incapere prin elementele de constructie exterioare cu inertie termica (opace), respective fara inertie termica (de regula transparente); q_int - fluxul termic patruns in incinta prin elementelede de constructie interioare (de la incaperile invecinate neclimatizate) ; iar q_d - fluxul termic datorat degajarilor interioare de caldura.

Fluxurile termice patrunse in incapere prin elementele de constructie exterioare, indiferent daca sunt sau nu opace, se datoreaza atat unei temperaturi exterioare mai ridicate decat cea din interiorul incintei, cat si radiatiei solare.

Datorita absorbtiei radiatiei solare, temperatura elementelor de constructie la suprafata exterioara va fi mai ridicata decat temperatura aerului exterior si, ca urmare, elementul de constructie va schimba caldura prin convectie cu aerul exterior (vezi fig. 5.1.)

Fig.5.1. Fluxurile termice la suprafata exterioara a unui elemente de constructie opac (a), respectiv transparent (b) : q_R -radiatia solara incidenta ;q_Rrfl - radiatia solara reflectata ; q_Rrfr - radiatia solara refractata (transmisa prin transparenta in incinta) ;

q_cv - flux termic schimbat de element prin convectie cu aerul exterior ; q_PE , q_FEc - flux termic transmis prin conductie prin elementul de constructie.

În cazul elementului de constructie opac, bilantul termic in regim stationar la suprafata exterioara a acestuia va fi :

(5.2.)

in care notatiile folosite sunt cele definite prin fig. 5.2.

Fluxul termic datorat radiatiei solare absorbite de suprafata exterioara a elementului de constructie se poate exprima prin relatia:

(5.3.)

unde A este coeficientul de absorbtie a radiatiei solare de catre suprafata exterioara a elementului de constructie (depinde de natura si de calitatea materialului din care este realizata suprafata) ; I - intensitatea totala a radiatiei solare (radiatie directa si difuza) ; iar S - suprafata exterioara a elementului de constructie.

Fluxul termic transmis prin convectie de suprafata exterioara a elementului de constructie aerului exterior este :

(5.4.)

in care a_e este coeficientul de transfer de caldura prin convectie de la suprafata exterioara a elementului de constructie la aerul exterior ; S - suprafata exterioara a elementului de constructie ; iar t_pe , t_e - temperatura elementului de constructie la suprafata exterioara, respectiv temperatura aerului exterior.

Înlocuind relatiile 5.3. si 5.4. in relatia 5.2. si separand termenul q_PE rezulta :

(5.5.)

Tinand cont de transferul global de caldura prin elementul de constructie respectiv (convectie exterioara, conductie si convectie interioara), se poate scrie relatia :

(5.6.)

unde R este rezistenta termica totala la transferul de caldura prin elementul de constructie opac considerat, iar t_i - temperatura aerului din interiorul incintei.

Fluxul termic printr-un element de constructie opac supus radiatiei solare este acelasi cu fluxul termic prin elementul de constructie respectiv in absenta radiatiei solare daca temperatuta aerului exterior ar avea valoarea :

(5.7.)

Temperatura t_s definita prin relatia anterioara poarta numele de temperatura exterioara echivalenta sau de temperatura a aerului insorit Termenul reprezinta cresterea valorii temperaturii exterioare care echivaleaza efectul radiatiei solare asupra elementului de constructie.

În cazul elementului de constructie transparent, bilantul termic in regim stationar la suprafata exterioara a acestuia va fi :

(5.8.)

in care notatiile folosite sunt cele definite prin fig. 5.2.

Fluxul termic datorat radiatiei solare absorbite de suprafata exterioara a elementului de constructie se poate exprima prin relatia:

(5.9.)

unde notatiile folosite sunt similare cu cele definita la relatia 5.3.

Procedand similar ca in cazul elementelor de constructie opace, se ajunge la relatia

, (5.10.)

cu observatia ca marimile R, A si a_e care intervin au valori caracteristice acestui tip de element (diferite de cele ale elementului de constructie opac).

Fluxul termic printr-un element de constructie transparent prin radiatia solara refractata (transmisa in interior prin transparenta elementului) poate fi scrisa sub forma :

(5.11.)

in care c este un coeficient subunitar care exprima gradul de retinere a radiatiei solare in incinta (depinde de tipul elementului de constructie transparent, de calitatea sticlei din care este realizat, de existenta unor dispozitive de ecranare etc.) ; I_D - intensitatea radiatiei solare directe ; I_d - intensitatea radiatiei solare difuze ; S - suprafata totala a elementului de constructie transparent ; iar S_i - suprafata elementului de constructie transparent supusa radiatiei solare totale (reprezinta o parte din suprafata totala S_i £ S).

Fluxul termic total printr-un element de constructie transparent este :

(12)

Ca si in cazul elementelor de constructie opace, pentru elementele de constructie transparente se poate defini o temperatura exterioara echivalenta (temperatura a aerului insorit) printr-o relatie similara rel. 7. Valoarea acestei temperaturi exterioare echivalente va fi mai redusa decat cea corespunzatoare elementelor de constructie opace pentru aceleasi conditii de clima (aceeasi temperatura exterioara si aceeasi intensitate a radiatiei solare totale), lucru explicat prin valori ale coeficientului de absorbtie A mult mai mici in cazul elementelor de constructie transparente decat in cazul celor opace.

În cursul unei zile, atat temperatura exterioara t_e, cat si radiatia solara totala I sunt variabile, ca urmare ipoteza regimului stationar nu este practic indeplinita.

Temperatura exterioara t_e oscileaza in cursul zilei in jurul unei valori medii (vezi subcap. 3.4., fig. 3.7.), cu o amplitudine , putandu-se scrie relatia :

(13.)

in care s-a notat cu valoarea maxima in cursul zilei a temperaturii exterioare.

Deasemenea si radiatia solara totala variaza in cursul zilei intre valoarea 0 si o valoare maxima I^max, definindu-se si o valoare medie I^md.

Considerand variatiile zilnice ale temperaturii exterioare si ale radiatiei solare perfect simultane in timp, si avand in vedere relatia de definitie a temperaturii exterioare echivalente t_s (temperaturii aerului insorit), se poate determina o amplitudine a variatiei zilnice a acestei temperature:

(14)

În calculele practice, trebuie avut in vedere faptul ca maximele temperaturii exterioare t_e nu sunt simultane cu maximele intensitatii I a radiatiei solare totale, si ca urmare amplitudinea reala a temperaturii exterioare echivalente va avea alte valori decat cele determinate cu relatia 14. (valori mai mici). De nesimultaneitatea valorilor maxime ale temperaturii exterioare t_e si intensitatii I a radiatiei solare totale se poate tine cont in doua moduri:

prin folosirea relatiei 14. corectate cu un coeficient de nesimultaneitate (£

(15)

in care este valoarea maxima a radiatiei solare totale, independenta de orientarea elementului de constructie (data de normative). Valoarea coeficientului de corectie este data de literatura e specialitate si este functie de orientarea elementului de constructie fata de punctele cardinale.

pe baza cunoasterii variatiei zilnice a temperaturii exterioare t_e si a radiatiei solare totale I (valori date de standarde), procedandu-se asfel :

pentru fiecare ora "i" din zi, pe baza relatiei cunoscand valorile momentane t_e,i si I_i, se determina valoarea temperaturii exterioare echivalente respective :

(16.)

din sirul valorilor (i=1.24), se determina valoarea maxima :

, i=1.24 (17.)

pentru valorile si I^md (valori date deasemenea de standarde), cu relatia se determina valoarea temperaturii exterioare echivalente medii zilnice

amplitudinea variatiei temperaturii exterioare echivalente va fi :

(18)

Obs.: standardele indica valori ale radiatiei solare diferentiate dupa orientarea elementului de constructie fata de punctele cardinale, ca urmare si amplitudinile temperaturii exterioare echivalente calculate cu rel. 18. vor tine cont de orientarea elementului de constructie.

În regimul nestationar, datorat modificarii temperaturii exterioare echivalente, fluxul termic maxim prin elementele de constructie opace, cu masivitate termica, va fi :

(19.)

unde, in afara notatiilor definite anterior, s-a mai notat cu h coeficientul de amortizare a fluxului termic patruns in incinta (, n fiind definit in cadrul subcap. 3.4. prin rel. 3.13.), iar cu a_i coeficientul de transfer de caldura prin convectie la interiorul elementelor de constructie.

În cazul elementelor de constructie transparente, fara inertie termica, in regim nestationar, fluxul termic maxim se determina printr-o relatie similara relatiei

(20)

in care, in afara notatiilor definite anterior, m reprezinta coeficientul de acumulare a fluxului termic radiant in elementele de delimitare interioara a incintei.

Parametrii nominali de calcul a instalatiilor de climatizare functionand vara.

Conform celor prezentate in paragraful anterior, indiferent de tipul elementului de constructie opace sau transparente folosite la realizarea unei incinte, aporturile de caldura din exterior in aceasta depind de:

temperatura interioara t_i;

parametrii climatici exteriori: temperatura exterioara momentana t_e, respectiv medie zilnica , amplitudine a oscilatiei zilnice a temperaturii exterioare si intensitatea radiatiei solare directe I_D si difuze I_d.

Temperatura interioara t_i Spre deosebire de cazul incalzirii, unde pentru temperatura interioara t_i exista o norma (SR 1907/2) prin care se stabilea o valoare normata, in cazul climatizarii nu exita o norma specifica (nu exista standard care sa recomande o anumita valoare). Literatura de specialitate recomanda pentru temperatura interioara t_i de dimensionare a instalatiilor de climatizare valoarea:

(21)

unde reprezinta temperatura maxima zilnica a aerului exterior in luna considerata caracteristica pentru dimensionarea instalatiei de climatizare (conform SR 6648/2, in marea majoritate a cazurilor, luna iulie).

Obs.: in cazul particular al unor incinte industriale, temperatura interioara se alege pe considerente tehnologice impuse de desfasurarea procesului de productie.

Conform standardului romanesc SR 6648/2, parametrii climatici exteriori pentru care se dimensioneaza instalatiile de climatizere sunt cei corespunzatori lunii iulie. În cazul particular al climatizarii unor incinte in care in luna iulie nu au loc activitati (scoli, universitati, teatre etc.) se pot adopta ca valori de dimensionare, valorile parametrilor climatici ai lunii iunie, sau dupa caz ai altei luni, cu conditia ca valoarea aporturilor de caldura in incinta sa aiba valoarea cea mai mare.

Temperatura exterioara medie zilnica este data de standardul respectiv in functie de localitatea in care este amplasata incinta climatizata si de gradul de asigurare dorit. Prin grad de asigurare se intelege perioada de timp, exprimata in procente, in care temperatura exterioara nu depaseste valoarea indicata. Practic, gradul de asigurare indica perioada de timp, exprimata in procente, in care instalatia de climatizare poate asigura mentinerea temperaturii interioare considerate la dimensionare. Gradul de asigurare dorit se alege in functie de importanta (tipul) incintei climatizate. Conform SR 6648/1, in Romania, incintele climatizate se pot incadra in patru categorii, si anume:

categoria I - grad de asigurare ³ 98 % - cuprinzand: cladiri in care se produc sau se ansambleaza piese sau aparate de foarte mare precizie, cu tolerante foarte mici, executate in cadrul unor procese tehnologice care nu pot fi intrerupte si care pot incepe in orice moment al anului;

categoria II - grad de asigurare ³ 95 % - cuprinzand: cladiri in care se produc sau se ansambleaza piese sau aparate de foarte mare precizie, cu tolerante foarte mici, executate in cadrul unor procese tehnologice care pot fi intrerupte; cladiri social - culturale de importanta nationala; cladiri in care desfasurarea proceselor tehnologice impune conditii stricte de temperatura si umiditate;

categoria III - grad de asigurare ³ 90 % - cuprinzand: cladiri social - culturale de importanta judeteana sau municipala (sali de operatie, de concert, de teatru, hoteluri de lux); laboratoare si cladiri in care desfasurarea proceselor tehnologice nu este influentata de diferente de temperatura de cca. 1.3 grd..;

categoria IV - grad de asigurare ³ 80 % - cuprinzand: cladiri social - culturale de mica importanta (hoteluri obisnuite, sali de cinematograf, de curs); cladiri cu durata mica de folosire in lunile iulie si august, laboratoare si cladiri in care desfasurarea proceselor tehnologice nu este influentata de diferente de temperatura de cca. 4.5 grd..

Amplitudinea oscilatiei zilnice a temperaturii exterioare este data de standardul SR 6648/2 in functie numai de localitatea in care este amplasata incinta climatizata.

Temperatura exterioara momentana t_e folosita la determinarea amplitudinii temperaturii echivalente (vezi rel. 16. ¸ 18.) se calculeazacu relatia:

(22.)

in care c este un coeficient care tine cont de abaterea temperaturii exterioare momentane fata de valoarea medie zilnica (-1 £ c £ 1). Valoarea acestui coeficient este data de SR 6648/2 in functie numai de ora din zi.

Intensitatea momentana a radiatiei solare directe I_D folosita la determinarea amplitudinii temperaturii echivalente (vezi rel. 16. ¸ 18.) se detrmina cu relatia:

(23.)

unde I_D0 este intensitatea momentana a radiatiei solare directe indicata de standardul 6648/2 in functie de orientarea suprafetei elementului de constructie si de ora din zi; a₁ - un coeficient de corectie, dat de asemenea de standard (a₁ £ 1), in functie de starea atmosferei (de locul de amplasare a incintei climatizate: localitati rurale, urbane - de diverse marimi, platforme industriale); ; a₂ - un coeficient de corectie, dat de asemenea de standard (a₂ ³ 1), in functie de altitudinea de amplasare a incintei climatizate; iar b - unghiul de incidenta a radiatiei solare cu normala pe elementul de constructie.

Intensitatea momentana a radiatiei solare difuze I_d folosita la determinarea amplitudinii temperaturii echivalente (vezi rel. 16. ¸ 18.) este data de standardul SR 6648/2 in functie de ora din zi si indiferent de orientarea suprafetei elementului de constructie.

Intensitatile medii ale radiatiei solare directe si difuze folosite la determinarea amplitudinii temperaturii echivalente (vezi rel. 16. ¸ 18.) se pot calcula cu relatiile:

(24.)

si

(2)

in care I_D0,i si I_d,i sunt intensitatile radiatiei directe, respectiv difuze, la ora "i" din cursul zilei.

Intensitatea medii a radiatiei solare totale se determina cu relatia:

(26.)

unde a₁, a₂ si b au semnificatiile definite anterior (vezi rel. 23.).

Dimensionarea instalatiilor de climatizare.

Modul concret de dimensionare al instalatiilor de climatizare este prezentat in standardul SR 6648/1. Relatiile de calcul au la baza metodologia de principiu pentru un singur element de constructie prezentata in cadrul paragrafului 1.1. (rel. 19. si 20) si sunt obtinute prin insumarea pentru toate elementele de constructie care marginesc incinta climatizata.

Datorita necesitatii luarii in consideratie a regimurilor nestationare si a influentei radiatiei solare, calculele sunt cu mult mai laborioase decat cele necesare stabilirii necesarului de caldura pentru incalzirea aceleiasi incinte, intervenind mult mai multi factori care terbuie calculati.

Din acest motiv, metodologia standardizata de determinare a aporturilor de cadura intr-o incinta climatizata se aplica in practica doar la dimensionarea instalatiilor de climatizare incadrate in categoriile I si II (vezi paragraful 1.2.). Dimensionarea instalatiilor de climatizare incadrate in categoriile III si IV se face pe baza indicilor specifici:

(27.)

in care este aportul specific de caldura din exterior rezultat din exploatare unor instalatii de climatizare similare, iar S_i - suprafata interioara a incintei climatizate (suprafata podelei). Pentru conditiile din Romania W/m².

Masuri de reducere a aporturilor de caldura in incintele climatizate.

Analizand relatiile de calcul ale aporturilor de caldura intr-o incinta, masurile de reducere ale acestor aporturi pot fi clasificate in :

masuri de reducere a aporturilor de caldura prin elementele de constructie opace (cu inertie termica). Ele constau in :

cresterea rezistentei termice "R" a elementelor de constructie. Masura este identica cu cea aplicata pentru reducerea necesarului de caldura pentru incalzire. Aspectele tehnice si economice ale acestei masuri sunt detaliate in cadrul cap. 6. ;

realizarea unor suprafete exterioare ale elementelor de constructie cu valori reduse ale coeficientului de absorbtie "A", respectiv reducerea valorii temperaturii exterioare echivalente (reducerea efectului radiatiei solare asupra elementelor de constructie opace). Acest lucru se poate obtine fie prin placarea corespunzatoare a elementelor de constructie, fie prin vopsirea lor la exterior in culori metalice sau deschise ;

masuri de reducere a aporturilor de caldura prin elementele de constructie transparente (fara inertie termica). Ele constau in :

cresterea rezistentei termice "R" a elementelor de constructie transparente ;

folosirea unor ferestre avand valori reduse ale coeficientului "c" de retinere a radiatiei solare (folosirea de ferestre duble, cu geamuri groase sau din sticla absorbanta sau reflectanta, folosirea dispozitivelor de ecranare amplasate pe cat posibil la exterior sau intre geamuri) ;

gasirea unor forme a cladirii care sa conduca la valori reduse ale suprafetelor "S_i" ale elementelor de constructie transparente supuse radiatiei solare directe ;

reducerea pe cat posibil a suprafetei totale "S" a elementelor de constructie transparente. Aceasta masura este in contradictie cu folosirea iluminarii naturale cat mai mult posibil, motiv pentru care marimea suprafatei "S" se stabileste in urma unui compromis dintre realizarea unei iluminari naturale corespunzatoare si reducerea aporturilor, respectiv a pierderior de caldura din/in exteriorul cladirii.