NECESARUL DE CĂLDURĂ PENTRU CLĂDIRI

4.1. Conditii conventionale de calcul

4.1.1.. Temperatura exterioara de calcul

Pentru stabilirea temperaturii exterioare de calcul exista în lume mai multe metode: metode bazate pe formule empirice, metode bazate pe înregistrari statistice, metode bazate pe media duratelor anuale ale temperaturilor scazute etc.

În tara noastra a fost utilizata o metoda bazata de calcule termotehnice privind amortizarea oscilatiilor de temperatura în elementele de constructie (metoda mai este utilizata în fosta URSS, Polonia, Austria, Suedia). Metoda de calcul a temperaturilor exterioare poate fi rezumata a 626g65g stfel:

a) Se cunosc temperaturile momentane, masurate, pentru o perioada de 20.....25 ani. Dintre aceste valori sunt alese cele care corespund perioadei friguroase.

b) Prin prelucrarea datelor meteorologice se stabileste o iarna conventionala care are ca baza temperaturile exterioare medii ale zilei si orei de calcul.

exemplu:

Anul Ora				tmed

Aceste valori medii se obtin pentru fiecare localitate din tara care are masuratori facute prin Institutele meteorologice

Dintre aceste valori sunt selectionate temperaturile medii cu valori cuprinse între + 10⁰C si cele mai scazute valori ce apar.

c) Cunoscând temperaturile medii ale perioadei considerate (20....25 ani) si duratele de aparitie ale acestora se stabileste iarna conventionala de calcul. Din grafic rezulta ca temperatura de - 18⁰C apare în iarna conventionala 1 zi.

0 1 2 4 zile

t_m

m <1 - inertie mare

m = 1 - caramida STAS

m >1 inertie mica

d) Prin calcule termotehnice si experiente de laborator, pentru elemente de constructie standard (caramida de 1 1/2) si pentru temperaturi interioare standard se stabilesc duratele de timp necesare fiecarei temperaturi medii pentru a crea pe fata interioara a elementului de constructie variatii de temperatura mai mari sau mai mici decât 0,3⁰C.

Pentru aceasta verificare se începe cu temperatura cea mai scazuta care are o durata sa zicem de 0,5 zile/iarna conventionala si careia

îi sunt necesare 2 zile pentru a crea pe fata interioara a peretelui temperaturi mai scazute cu 0,3⁰C fata de cea corespunzatoare q_i

Deoarece timpul necesar este mai mare decât frecventa (durata) de aparitie a acestei temperaturi în iarna conventionala de calcul, aceasta temperatura este eliminata din competitie. Procedând în mod asemanator se constata ca temperatura de - 18⁰C are o durata de aparitie în cadrul iernii conventionale egala cu timpul necesar pentru a crea pe peretele interior oscilatii de - 0,3⁰C. Deci aceasta temperatura poate fi considerata ca temperatura de calcul. Gruparea localitatilor cu temperaturi exterioare - 18⁰C si durate egale cu prima conduc la zona a II a de temperatura. În mod analog s-au stabilit ca temperaturi exterioare de calcul temperaturile (- 12⁰C), (- 15⁰C) si

(-21⁰C).

Dar pentru închiderea încaperilor sunt utilizate structuri diferite de cea etalon care are un D 5. Structurile care au un indice de inertie termica mai mic decât cel standard vor permite ca pe fata interioara a peretelui sa apara oscilatii de temperatura într-un timp mai scurt decât cel în care apare temperatura exterioara de calcul. Pentru a corecta acest neajuns este necesar sa se introduca un plus de caldura care sa asigure stabilitatea temperaturii pe fata interioara. Acest coeficient poarta denumirea de coeficient de masivitate si se noteaza cu "m". Acesta se stabileste functie de indicele de inertie termica.

Din tabel rezulta ca pentru pereti masivi se reduce necesarul de caldura , deoarece coeficientul de asimilare termica este subunitar.

De remarcat ca ferestrele si usile sunt considerate ca având D = 1 [m(q_i q_e q_i q_ec

m = (q_i q_ec q_i q_e q_ec q_{i conf} m = 1

4.1.2. Temperatura interioara de calcul

Pe baza consideratiilor de confort termic sunt stabilite temperaturi interioare de calcul pentru majoritatea încaperilor. În unele cazuri acestea pot fi determinate de considerente de ordin tehnologic. În cazul încaperilor neîncalzite temperaturile interioare se pot stabili pe baza ecuatiilor de bilant termic.

Q_aporturi = Q_pierderi = 0

Pentru unele aplicatii poate fi aplicata si metoda standardizata potrivit careia t_i = f (Rm).

4.1.3. Viteza vântului de calcul

Pe baza unor ample studii efectuate de INCERC, s-a stabilit o metoda de determinare a vitezei de calcul a vântului, care tine seama de corelatia statistica existenta între intensitatile vânturilor si temperaturile scazute.

Prin studiul amintit s-au evidentiat toate aparitiile vânturilor puternice concomitente cu temperaturile exterioare scazute, împreuna cu duratele de manifestare ale acestora, pe o perioada de 20 ani (pentru 32 localitati).

Totodata, pentru fiecare localitate în parte au fost stabilite si directiile de actiune ale acestor vânturi.

Pentru a se putea alege viteza de calcul, a fost necesar ca toate starile climatice vânt - temperatura sa fie comparate cu o stare climatica de referinta. În acest scop s-au luat în consideratie numai acele vânturi care, la temperatura la care apar, dau un necesar de caldura mai mare decât necesarul de caldura, pentru încalzire corespunzator temperaturii exterioare de calcul (fara vânt) si care au o durata de cel putin 960 ore (40 zile) în 20 ani.

Starea climatica de referinta s-a determinat transformând toate concordantele vânt - temperatura reale, în concordante echivalente, corespunzatoare temperaturii exterioare de calcul. Aceasta înseamna ca pentru o anumita situatie reala care apare la o temperatura exterioara t_ej cu o viteza a vântului v_j si care duce la un necesar de caldura Q_j, s-a determinat o viteza fictiva echivalenta a vântului "v₀" care la temperatura exterioara de calcul "t_e" ar da acelasi necesar de caldura.

Eliminându-se situatiile de durata mai mica de 960 ore în 20 ani, au rezultat 4 zone climatice.

Q_j = Q_Tj + Q_Fj = Q_T + Q_F =

Situatie Situatie

reala (v_i) fictiva (v_o)

= SS_k + (Li)v_g^4/3 Dt = SS_k + (Li)v₀^4/3 Dt; 1/SLi

SS_k/SLi + v_j^4/3Dt_j = SS_k/SLi + v₀^4/3Dt

Definim: SS_k/SLi = e    (coeficient eolian)

(e + v_j^4/3)(t_i - t_ej) = (e + v₀^4/3)(t_i - t_e)

v₀ = (e + v_j^4/3) + (t_i - t_ej)/(t_i - t_e) - e

e = 20......40

v₀ = (30 + v_j^4/3) + (t_i - t_ej)/(t_i - t_e) - 30

4.2. Cladiri cu înaltime medie

4.2.1. Cazul cladirilor cu inertie termica moderata

Pentru toate categoriile de cladiri a caror anvelope se înscriu în prevederile Normativului C107, se aplica metodologia indicata în STAS 1907/98. Potrivit acestui act normativ, necesarul de energie termica, calculat în regim stationar, se stabileste cu relatia:

în care:

Q_T - flux termic cedat prin transmisie, corespunzator diferentei de temperatura între interiorul si exteriorul elementului de constructie ce delimiteaza încaperea, calculat cu relatia:

în care marimile au semnificatia urmatoare:

C_M - coeficient de corectie dependent de masa specifica a constructiei r_EI = 0,9 Mc/Sc

r_EI < 400 kg/m² - C_M = 1

r_EI >400 kg/m² - C_M = 0,94

m - coeficient de masivitate al elementelor de constructie exterioare, ce poate fi determinat cu relatia aproximativa:

m = 1,225 - 0,05 D; cu indicele de inertie termica D_j = , care este unitar în cazul particular al zidariei de caramida plina cu d 37,5 cm (D = 4,5) si al elementelor interioare indiferent de valoarea indicelui de inertie al acestora. Pentru elemente neinertiale valoarea acestuia este m = 1,2.

S - suprafata de calcul a elementului de constructie prin care se considera transferul termic. Pentru elementele neinertiale, aceasta este reprezentata de suprafata golurilor, iar pentru pereti înaltimea se considera între suprafetele finite ale pardoselilor.

t_i, t_e - temperaturile interioare si exterioare de calcul.

R_opt rezistenta termica optimizata a elementului de constructie.

Q_S - flux termic cedat prin pardoseli asezate direct pe sol, care pentru constructii cu forme regulate se calculeaza cu relatia:

  W

în care marimile au semnificatia urmatoare:

- - aria cumulata a pardoselii si peretilor aflati sub cota terenului;

- S_bc - suprafata benzii de contur de latime unitara corespunzatoare perimetrului peretilor exteriori;

- - suprafata benzii de contur de latime unitara corespunzatoare perimetrului peretilor interiori;

- t_i, t_e - temperaturile de calcul interioare si exterioare;

- - temperatura interioara de calcul a încaperilor vecine;

- t_s - temperatura în sol sau a apei freatice, stabilita functie de zona de temperatura;

- n_s - coeficient de corectie al conductivitatii solului;

- R_pd - rezistenta termica a pardoselii, pentru care 1/a_e

- R_bc - rezistenta termica a benzii de contur, care se stabileste functie de adâncimea apei freatice si adâncimea de îngropare a pardoselii;

A_o - adaos de orientare, care introduce efectul radiatiei solare asupra cladirii. Valorile acestuia se stabilesc pentru cazul cel mai dezavantajat de orientare al încaperii de calcul.

A_c - adaos pentru compensarea efectului suprafetelor reci, care se stabileste functie de rezistenta termica medie a elementelor delimitatoare, calculata cu relatia:

m²K/W

în care S_T - se va calcula ca suprafata totala a camerei de calcul iar S Q_T - reprezinta suma fluxurilor termice transferate prin elementele exterioare si interioare.

Q_i - sarcina termica pentru încalzirea aerului infiltrat prin rosturile elementelor mobile si la deschiderea frecventa a acestora, care se determina ca valoare maxima obtinuta din expresiile:

             W conditie de ventilare

W conditie de infiltrare normala

conditia de ventilare naturala sau mecanica impune asigurarea unui nivel de ventilare, evaluat prin numarul de schimburi orare (n_ao), care este normat functie de destinatia camerei.

conditia de infiltrare normala, ia în considerare infiltratiile datorate presiunii vântului, presiunii termice si a presiunii datorate ventilarii naturale. Factorul , introduce tocmai efectul combinat al celor trei potentiale ce pot determina infiltratiile de aer. Pentru componenta care se refera la deschideri frecvente (Q_u), în cazuri normale nu se ia în considerare, efectul acestor infiltratii fiind contracarat prin masuri constructive sau instalatii speciale.

4.2.2.Spatii simplu vitrate

Cazul serelor simplu vitrate, beneficiaza de relatii experimentale de forma:

Q = 0,44 S + (0,41 + 1,25 k_conv) S_F (t_i-t_e) W

în care:

S -suprafata terenului pe care este amplasata sera;

S_F - suprafata geamurilor;

t_i, t_e - temperaturile conventionale de calcul, interioare si exterioare;

k_conv - coeficient total de transfer termic prin convectie, prin suprafata vitrata stabilit dupa cum urmeaza:

k_conv = k_eT p n (k_eT)^n-1 W/m^{2 0}C

cu precizarile:

;

a, i - reprezinta coeficientii superficiali de transfer si respectiv entalpia aerului;

n - coeficient de neetanseitate.

4.2.3. Pierderi de caldura pentru încaperi partial îngropate

A. Metoda Kissin

Q_pd = k₁(S₁ + 4n) + k₂S₂ + k₃S₃ + k₄S₄ (t_i-t_e)

n - numarul colturilor de suprafata 4 m²

Desi temperatura pamântului la oarecare adâncime este uniforma si foarte putin influentata de conditiile climatice, pierderile de caldura prin pardoseala din apropierea zidurilor sunt mai mari decât pierderile prin restul pardoselii.

Ţinând seama de acest fapt M.I. Kissin a propus sa se determine pierderile de caldura prin pardoseala introducând în calcul un coeficient de transmisie termica conventional, în functie de distanta la peretii exteriori.

Pentru pardoseli reci: ( k₁ = 0,4; k₂ = 0,2; k₃ = 0,1; k₄ = 0,06) (beton, mozaic)

Pentru pardoseli calde: (lemn, linoleum, mocheta)

Pentru ziduri exterioare partial îngropate calculul se conduce la fel. Zona 1 considerându-se ca începând de la nivelul terenului.

B. Metoda din 4701

Q_pd=mS(t_i-t_e )+

în care:

S - suprafata totala care se învecineaza cu solul (pardoseala si pereti);

t_e^' = 0 .... 5⁰C;

m = f(h, a/b ,S);

t_s = 10⁰C.

C. Metoda Nicolae Leonachescu

Q = Q_e1 + Q_e2 + Q_e5 + S Q_a

Pentru cazul curent al semispatiului j = 0 si L = 0 relatiile sunt mult mai simplificate.

D.Metoda STAS 1907

4.2.4. Pierderi de caldura ale halelor industriale

Necesarul de energie termica aferent acestor categorii de cladiri se poate evalua cu relatiile stabilite la paragraful anterior fata de care se fac urmatoarele precizari:

Rezistenta termica a elementelor inertiale se stabileste functie de structura elementelor omogene si se corecteaza pe baza de nomograme.

Rezistenta termica a elementelor neinertiale (luminatoare) sau plafoane, aceasta se corecteaza functie de factorul "r" ce depinde înaltimea halei (R_0c =R₀/r

Coeficientul "E" se stabileste în conditii particulare pe baza de recomandari.

Pentru hale industriale cu înaltimi pâna la 8 m necesarul de caldura se stabileste pe baza indicatiilor din STAS 1907 - 68, adica prin utilizarea relatiei:

Este important de semnalat câteva aspecte ale halelor industriale.

În cazul unor hale cu suprafete exterioare opuse infiltratiile de aer pot fi considerate numai pe o fatada, deoarece a doua fatada se poate considera în depresiune.

În cazul încalzirii cu aer cald, se pot elimina complet infiltratiile de aer daca încaperea se va afla în suprapresiune. Deci se va putea considera Q_i = 0.

Pentru halele cu înaltime mai mare de 8 m pierderile de caldura prin transmisie sunt afectate de modificarea coeficientului "k" sau R = 1/k.

Se stie ca a_i a_c a_r. În cazul cladirilor foarte înalte componenta "a_r" se micsoreaza foarte mult, putând fi considerata nula.

a_i = 4,05 W/m^{2 0}C - pentru hale fara

; compartimentari, având înaltimea mai mare decât

adâncimea încaperii.

a_i = 5,8 W/m^{2 0}C (5,0 kcal/m²h ⁰C) - pentru hale compartimentate sau pentru încaperi a caror înaltime este mai mica decât adâncimea lor. Important ar mai fi si eventualitatea luarii în considerare a bilantului de aer în zona de sedere în cazul încalzirii cu aer cald. Modificarile se datoreaza micsorarii lui a_r inclus în a_c

4.2.5. Cladiri cu masivitate mare

Din aceasta categorie fac parte adaposturile sau alte încaperi subterane. Datorita faptului ca aceste încaperi sunt marginite de pereti cu capacitate mare de acumulare a caldurii, pierderea de caldura prin transmisie este practic independenta de regimul de functionare.

Calculul necesarului de caldura se poate face utilizând metoda propusa de N. Leonachescu de la I.C.B.

A. Cladiri total îngropate

Q_e = Q_e1 + Q_e2 + Q_e2 + Q_e4 + Q_e5 + Q_e6

Q_a = Q_a1 + Q_a2 + Q_a2 + Q_a4 + Q_a5

; j = 1; 2; 3; 4; 5; 6.

    j = 1; 2; 3; 4; 5; 6.

în conditiile geometrice:

h > sau h >

H >

B. Constructii cu întreruperi mari în functionarea instalatiilor

(monumente istorice, biserici etc)

La aceste tipuri de încaperi intereseaza mai putin pierderea de caldura furnizat de instalatia de încalzire, care nu variaza în limite largi si în masura mult mai mare variatia temperaturii aerului interior si a elementelor delimitatoare, pentru a se putea stabili durata perioadei de reîncalzire, înainte de a putea fi folosita încaperea. Din acest motiv si pentru simplificarea calculelor se considera constant debitul de caldura furnizat de instalatia de încalzire.

Neglijând caldura necesara încalzirii aerului infiltrat se poate scrie:

Q = S K_fS_F (t_i - t_e) + S S_P a_P (t_i - t₀)

t_i = temperatura interioara ceruta iar t₀ = temperatura interioara de la care începe încalzirea.

     kcal/m²h ⁰C

z - timpul de preîncalzire

- caracteristica materialului

La constructiile cu pereti extrem de masivi caldura pe care trebuia sa o cedeze corpurile de încalzire se stabileste astfel:

4.2.6. Cladiri înalte

Specifica cladirilor înalte este aparitia unor factori perturbatori ce influenteaza necesarul de caldura al unei încaperi în functie de nivelul la care se afla încaperea respectiva.

- presiunea vântului

- presiunea termica (sau efectul de cos)

- ventilarea natural organizata sau ventilarea mecanica

Cercetarile din mai multe tari au relevat importanta cunoasterii variatiei vitezei vântului cu înaltimea, aceasta ducând la o diferentiere sensibila a necesarului de caldura de la etaj la etaj.

Efectul de cos, des întâlnit si la cladiri cu putine nivele, dar neconsiderat în calcule, produce infiltratii la nivelele inferioare si exfiltratii la nivelele superioare.

Pe de alta parte, existenta ventilarii de evacuare, contribuie sectiunea produsa la majorarea infiltratiilor de aer.

Plecând de la faptul ca în general, pentru calculul necesarului de caldura este considerata valabila o relatie de forma:

; ;

Pentru determinarea debitului de aer infiltrat se vor avea în vedere urmatoarele:

;

Prin suprapunerea efectelor se obtine o noua distributie a diferentelor de presiune (Dp_ech), functie de care, se calculeaza G^*_inf si apoi Q^*_inf.

În standardul 1907, pe baza acestor studii, apare coeficientul E care s-a obtinut prin raportarea .

4.3. Necesarul de caldura pentru alte scopuri

Stabilirea sarcinii termice pe categorii de consumatori este importanta atât pentru alegerea economica a cazanelor cât si pentru gestionarea energiei termice.

Cazul cel mai general presupune o sursa de agent termic capabila sa asigure simultan 4 categorii de consumatori:

Q_CT = Q_î + Q_acm + Q_v + Q_th ; [kW]

în care:

Q_CT - sarcina termica a cazanelor;

Q_î - sarcina termica a consumatorilor pentru încalzire de confort;

Q_acm- sarcina termica necesara prepararii apei calde menajere;

Q_v - sarcina termica a instalatiilor de ventilare si/sau climatizare;

Q_th - sarcina termica a consumatorilor tehnologici.

Necesitatea asigurarii concomitente a celor 4 categorii de consumatori, poate fi pusa în discutie functie de categoria cladirii care urmeaza a beneficia de serviciile sursei.

Tabel 4.1. Cazuri posibile de cuplaj a consumatorilor

Categoria consumatorului Clasa cladirii	S Qî	S Qacm	S Qv	S Qth
Cladiri de locuit individuale sau colective	O	O
Cladiri social culturale	O	O	O
Cladiri industriale	O	O	O

consumuri tehnologice specifice unor servicii colective (spalatorii etc)

consumuri tehnologice industriale, asigurate de regula cu abur saturat;

4.3.1. Sarcina termica pentru încalzire de confort

Necesarul de energie termica pentru aceasta categorie de consum se stabileste în conformitate cu prevederile STAS 1907/98 cu relatia generala:

Q_î = ; [kW]

Dependenta directa de oscilatiile temperaturii exterioare, face ca aceasta categorie de consum sa fie foarte variabila, pe parcursul unei zile, luni sau a perioadei de încalzire;

Pentru dimensionarea sursei de agent termic, în mod special pentru alegerea cazanelor, se va lua în consideratie curba clasata a sarcinii termice de încalzire (vezi cap. 2).

În cazul instalatiilor de încalzire mici se poate lucra cu o curba clasata a perioadei de încalzire, utilizând temperaturile medii lunare sau chiar cu sarcina termica maxima raportata la temperatura de calcul.

Fig. 3.1. Curba clasata a sarcinii termice de încalzire

Sarcina termica a cazanelor se va putea astfel stabili sa acopere întreg necesarul de energie termica putând alege un numar convenabil care însa sa asigure exploatarea la randamente maxime.

Pentru sarcini termice mici, cum este cazul cladirilor individuale, sarcina termica de calcul este cea maxima de calcul, care uneori trebuie amendata pentru conditii extreme de calcul.

4.3.2.Sarcina termica pentru ventilare si climatizare

În aceasta categorie putem include câteva categorii tipice de instalatii si anume:

- instalatii de încalzire cu aer cald,

- instalatii de ventilare de compensare a evacuarilor tehnologice,

- instalatii de climatizare,

Evaluarea necesarului de energie termica pentru primele doua cazuri, porneste de la o analiza a sarcinii termice reale, stabilita functie de evolutia proceselor în diagrama I - x.

Necesarul de energie termica serveste bateriei de încalzire a aerului cald pentru care se cunoaste expresia:

Q_BI^max= L c_p r (t_R-t_e)

Aceasta poate lucra numai în regim de aer proaspat (ER) sau în regim de recirculare (M-R

si în acest caz se poate construi o curba clasata care va avea în cadranul II, curba , cu observatia ca temperatura de întrerupere nu va fi mai mica de 20°C, pentru a putea satisface conditiile de confort la refularea aerului cald.

Pentru instalatiile de climatizare se va avea în vedere ca procesele termodinamice impun si în sezonul cald o reîncalzire.

În principiu aceasta sarcina termica se va analiza cu multa atentie daca se discuta de un cuplaj cu cea de încalzire, nu rareori proiectantul putând decide asigurarea acesteia cu surse independente.

4.3.3. Sarcina termica pentru prepararea apei calde menajere

Pentru categoria instalatiilor individuale de mica sau medie capacitate aceasta va fi asigurata optând pentru una din solutiile:

- preparare locala cu sau fara acumulare;

- preparare centralizata cu sau fara acumulare;

Sarcina termica globala poate fi determinata cu relatia:

Q_acm= G_{ac m} x c ( t_ac - t_ar ); [ W ]

în care "G" reprezinta debitul masic de apa rece ce se determina functie de consumurile specifice ale consumatorilor instalati.

În cazul prepararii locale fara acumulare, acest debit se va considera egal cu debitul specific al obiectelor cu cel mai mare consum, iar în cazul adoptarii solutiei cu acumulare vor fi utilizate notiunile din cursul de "Instalatii sanitare".

4.3.4. Sarcina termica pentru nevoi tehnologice

Aceasta se va stabili pe baza temei tehnologice, luând în considerare debitele orare si timpii de functionare cu factorii de simultaneitate.

4.3.5.Numarul anual de grade zile

O alta metoda de evaluare a consumului anual de energie termica pentru încalzire este definita prin calculul numarului anual de grade zile.

Numarul de grade- zile corespunzator unei anumite perioade de încalzire, (N), se calculeaza cu relatia:

sau

N=(ti-te) z = (t_im-t_em) z

t_i,x- temperatura interioara medie zilnica a încaperii sau a constructiei în perioada considerata, conform pct. 2.1.1 (ºC);

t_e,x- temperatura exterioara medie zilnica în perioada considerata, (ºC);

z- numarul zilelor în perioada considerata;

t_i- temperatura interioara medie a încaperii sau constructiei, în perioada considerata, (ºC);