ACADEMIA DE POLIȚIE Alexandru Ioan Cuza [308664]
ACADEMIA DE POLIȚIE “Alexandru Ioan Cuza”
FACULTATEA DE POMPIERI
ASIGURAREA CONFORTULUI TERMIC ÎNTR-O [anonimizat]. univ. dr. ing.
Corina BĂLAN
Absolvent: [anonimizat]
2017
DECLARAȚIE
Prin prezenta declar că Lucrarea de diplomă cu titlul “Asigurarea confortului termic într-o cabană din lemn” este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate. [anonimizat], [anonimizat], cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului:
[anonimizat], sunt scrise între ghilimele și dețin referința precisă a sursei;
reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori deține referința precisă;
rezumarea ideilor altor autori deține referința precisă la textul original.
București, 23.06.2017
Autor: Bogdan Daniel PUICAR
_________________________
Cuprins
CUPRINS 3
CONTENTS 6
LISTA FIGURILOR DIN LUCRARE 9
LISTA TABELELOR DIN LUCRARE 11
GLOSAR DE TERMENI 14
REZUMAT 15
ABSTRACT 15
INTRODUCERE 16
CAPITOLUL I. GENERALITĂȚI DESPRE CONFORT 17
I.1. Principalii factori ai confortului termic 17
I.1.1. Temperatura aerului interior (ti) 19
I.1.2. Temperatura medie de radiație (θmr) 20
I.1.3. Umiditatea aerului interior (ϕi) 21
I.1.4. Viteza aerului (vi) 23
I.1.5. Felul activității și îmbrăcămintea 23
I.2. Evaluarea gradului de confort higrotermic 25
I.2.1. Metodologie de evaluare a gradului de confort termic 25
I.2.2. Evaluarea temperaturii aerului 25
I.2.3. Evaluarea temperaturii medii de radiație 28
I.2.4. Evaluarea umidității aerului 29
I.2.5. Evaluarea vitezei aerului 31
I.2.6. Desfășurarea acțiunilor de evaluare a gradului de confort higrotermic 33
CAPITOLUL II. CALCULUL NECESARULUI DE CĂLDURĂ 35
II.1. Generalități 35
II.2. Fluxul termic cedat prin transmisie 35
II.3. Adaosuri la fluxul termic cedat prin transmisie 36
II.4. Necesarul de căldură pentru încălzirea aerului infiltrat prin rosturile elementelor mobile 38
II.5. Corpuri de încălzire 50
II.5.1. Clasificarea și amplasarea corpurilor de încălzire 50
II.5.2. Alegerea corpurilor de încălzire 53
II.5.3. Dimensionarea corpurilor de încălzire 54
CAPITOLUL III. DIMENSIONAREA ȘI ECHILIBRAREA REȚELEI DE ALIMENTARE CU AGENT TERMIC 56
III.1. Dimensionarea conductelor instalației 56
III.2. Calculul de echilibrare hidraulică 57
CAPITOLUL IV.UTILIZAREA ȘI PROTECȚIA LA FOC A ELEMENTELOR STRUCTURALE DIN LEMN 71
IV.1. Clasificarea construcțiilor din lemn 71
IV.2. Clasificarea materialului lemnos utilizat în construcții 72
IV.3. Avantajele lemnului utilizat în construcții 75
IV.3.1. Proprietățile termice ale lemnului favorabile construcțiilor 75
IV.3.2. Comportarea din punct de vedere al rezistenței la foc relativ bună 76
IV.4. Dezavantajele construcțiilor din lemn 76
IV.5. Caracteristicile lemnului 77
IV.5.1. Caracteristicile fizice ale lemnului 77
IV.5.2. Caracteristicile termice ale lemnului 78
IV.5.3. Caracteristicile mecanice ale lemnului 78
IV.5.4. Arderea și carbonizarea lemnului 79
IV. 6. Metode de protecție la foc a elementelor structurale din lemn 81
IV.6.1. Protecția pasivă împotriva incendiilor 81
IV.6.2. Ignifugarea lemnului 81
IV.6.3. Clasificarea substanțelor ignifuge și modul lor de acțiune 82
IV.6.4. Condițiile tehnice ce trebuie îndeplinite de către substanțele ignifuge 83
IV.7. Substanțele utilizate pentru ignifugare 83
IV.7.1. Compușii acidului boric 83
IV.7.2. Sărurile acidului fosforic 83
IV.7.3. Sărurile acidului clorhidric 84
IV.7.4. Sărurile acidului sulfuric 85
IV.7.5. Sărurile acidului carbonic 85
IV.7.6. Sărurile acizilor siliciului 85
IV.7.7. Alte substanțe ignifuge 86
IV.8. Prepararea și aplicarea substanțelor ignifuge 86
IV.8.1. Produse care formează acoperiri ignifuge și termoizolatoare 86
IV.8.2. Vopsele speciale ignifuge 87
IV.8.3. Soluții ignifuge pentru ignifugarea în profunzime a lemnului 88
IV.8.4. Soluții internaționale pentru protecția împotriva incendiilor 89
IV.8.5. Procedee de ignifugare 90
CONCLUZII 91
BIBLIOGRAFIE 92
ANEXE 94
tABEL OF Contents
TABLE OF CONTENTS 3
TABLE OF CONTENTS 6
LIST OF FIGURES 9
LIST OF TABLES 11
GLOSARY 14
SUMMARY 15
ABSTRACT 15
INTRODUCTION 16
CHAPTER I. GENERALITIES ABOUT COMFORT 17
I.1. The main factors of thermal comfort 17
I.1.1. Indoor air temperature (ti) 19
I.1.2. Average radiation temperature (θmr) 20
I.1.3. Humidity of indoor air (ϕi) 21
I.1.4. Air speed (vi) 23
I.1.5. Type of activity and clothing 23
I.2. Assessing the degree of hygrothermal comfort 25
I.2.1. Methodology for assessing thermal comfort 25
I.2.2. Air temperature assessment 25
I.2.3. Average radiation temperature assessment 28
I.2.4. Air humidity assessment 29
I.2.5. Air velocity assessment 31
I.2.6. The actions needed to assess the degree of hygrothermal comfort 33
CHAPTER II. CALCULATION OF HEAT NEED 35
II.1. Generalities 35
II.2. Thermal flow transmitted through transmission 35
II.3. Additions to the heat flow transmitted by transmission 36
II.4. The need for heat to infiltrate air through the joints of moving parts 38
II.5. Radiators 50
II.5.1. Classification and location of radiators 50
II.5.2. Choosing radiators 53
II.5.3. Dimensioning of the radiators 54
CHAPTER III. DIMENSION AND BALANCING OF THERMAL AGGREGATE SUPPLY NETWORK 56
III.1. Sizing piping of the installation 56
III.2. Hydraulic Balancing Calculation 57
CHAPTER IV. USE AND FIRE PROTECTION OF WOOD STRUCTURAL ELEMENTS 71
IV.1. Classification of wooden constructions 71
IV.2. Classification of timber used in construction 72
IV.3. Advantages of wood used in construction 75
IV.3.1. Thermal properties of wood favoring construction 75
IV.3.2. Behavior in terms of relatively good fire resistance 76
IV.4. Disadvantages of wooden constructions 76
IV.5. Characteristics of wood 77
IV.5.1. The physical characteristics of the wood 77
IV.5.2. Thermal characteristics of wood 78
IV.5.3. Mechanical characteristics of wood 78
IV.5.4. Wood burning and carbonization 79
IV. 6. Methods of fire protection of wooden structural elements 81
IV.6.1. Passive protection against fire 81
IV.6.2. Fireproofing wood 81
IV.6.3. Classification of flame retardants and their mode of action 82
IV.6.4. Technical conditions to be met by flame retardants 83
IV.7. Substances used for fire retardation 83
IV.7.1. Boric acid compounds 83
IV.7.2. Phosphoric acid salts 83
IV.7.3. Hydrochloric acid salts 84
IV.7.4. Sulfuric acid salts 85
IV.7.5. Carbonic acid salts 85
IV.7.6. Salts of silicon acids 85
IV.7.7. Other flame retardants 86
IV.8. Preparation and application of flame retardants 86
IV.8.1. Products forming flame retardant and thermal insulating coatings 86
IV.8.2. Special fire-resistant paints 87
IV.8.3. Flame retardant solutions for wood fireproofing 88
IV.8.4. International solutions for fire protection 89
IV.8.5. Flame retardant processes 90
CONCLUSIONS 91
BIBLIOGRAPHY 92
ATTACHEMENTS 94
Lista figurilor din lucrare
Figura I.1. Parametrii care determină senzația de confort 17
Figura I.2. Realizarea confortului termic în funcție de temperatura interioară, temperatura exterioară și temperatura peretelui 19
Figura I.3. Diagrama de confort în funcție de temperatura aerului interior,de temperatura medie de radiație și de temperatura resimțită 20
Figura I.4. Diagrama de confort umiditate absolută – temperatura aerului interior 22
Figura I.5. Diagrama de confort umiditate relativă – temperatura aerului interior 22
Figura I.6. Diagrama de confort funcție de temperatură și viteza aerului 23
Figura I.7. Temperatura optimă resimțită în corelație cu rezistența termică a îmbrăcămintei, cu intensitatea muncii și cu energia metabolică 24
Figura I.8. Anemometru 31
Figura II.1: Valorile adaosului pentru compensarea efectului suprafețelor reci 38
Figura II.2: Circulația aerului într-o încăpere în funcție de amplasarea radiatoarelor 51
Figura II.3: Montarea radiatoarelor 52
Figura II.4. Radiator bimetal C500 54
Figura III.1. Pierderile de sarcină în robinetul cu dublă reglare în funcție de debit și de treapta de reglare T 58
Fig.IV.1. Scânduri 74
Fig.IV.2. Dulapi 74
Fig.IV.3. Grinzi 74
Fig.IV.4. Construcție din lemn sub formă de cupolă 75
Fig.IV.5. Secțiune prin lemn carbonizat 76
Fig.IV.6. Probă de lemn (ardere mocnită) 80
Fig.IV.7. Probă de lemn (ardere rapidă) 80
Fig.IV.8. Peretele uscat 89
Fig.IV.9. Vată minerală izolantă între grinzi 89
Fig.IV.10. Izolație cu fibră ceramică 89
Fig.IV.11. Scânduri uscate la cuptor 90
Lista tabelelor din lucrare
Tabelul II.1: Valorile adaosului de orientare Ao 37
Tabelul II.2: Valorile coeficientului de infiltrație i 40
Tabel II.3: Calculul necesarului de căldură pentru Living, Hol, Casa scării P01 și antreu P02 41
Tabel II.4: Calculul necesarului de căldură pentru bucătărie P03, încăpere spălat vase P04, grup sanitar P05 și vestiar P06 42
Tabel II.5: Calculul necesarului de căldură pentru dormitor EC01 și baie EC02 43
Tabel II.6: Calculul necesarului de căldură pentru dormitor EC03 și baie EC04 44
Tabel II.7: Calculul necesarului de căldură pentru baie EC05 și dormitor EC06 45
Tabel II.8: Calculul necesarului de căldură pentru baie EC07 și dormitor EC08 46
Tabel II.9: Calculul necesarului de căldură pentru dormitor M01 și baie M02 47
Tabel II.10: Calculul necesarului de căldură pentru sala de lectură M03, baie M04 și birou M05 48
Tabel II.11: Calculul necesarului de căldură pentru baie M06 și dormitor M07 49
Tabel II.12: Date tehnice ale radiatoarelor de tip bimetal model C500 53
Tabelul II.13: Dimensionarea radiatoarelor la parter în funcție de încăpere 54
Tabelul II.14: Dimensionarea radiatoarelr la etaj în funcție de încăpere 55
Tabelul II.15: Dimensionarea radiatoarelor la mansardă în funcție de încăpere 55
Tabel III.1: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T1 59
Tabel III.2: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T1 59
Tabel III.3: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T1 59
Tabel III.4: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T1 60
Tabel III.5: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T1 60
Tabel III.6: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T2 60
Tabel III.7: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T2 61
Tabel III.8: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T2 61
Tabel III.9: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T2 61
Tabel III.10: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T2 62
Tabel III.11: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T3 + Rezistență fixă 100 62
Tabel III.12: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T3 62
Tabel III.13: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T3 63
Tabel III.14: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T3 63
Tabel III.15: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T3 64
Tabel III.16: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T4 64
Tabel III.17: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T4 64
Tabel III.18: Dimensionarea tronsoanului secundar coloanei T4 65
Tabel III.19: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsonul secundar coloanei T4 65
Tabel III.20: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T4 65
Tabel III.21: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T5 65
Tabel III.22: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T5 66
Tabel III.23: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T5 66
Tabel III.24: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T5 66
Tabel III.25: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T5 67
Tabel III.26: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T6 + 500 67
Tabel III.27: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T6 67
Tabel III.28: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T6 68
Tabel III.29: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T6 68
Tabel III.30: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T6 68
Tabel III.31: Dimensionarea tronsoanelor pentru traseul principal – coloana 6 (subsol) 69
Tabel III.32: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru traseul principal – coloana 6 (subsol) 69
Tabel III.33: Dimensionarea tronsoanelor pentru traseele secundare din subsol 70
Tabel III.34: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru traseele secundare din subsol 70
Tabel III.35: Echilibrarea racordurilor subsol 70
Glosar de termeni
carbonizarea lemnului – procedeu de descompunere termică a lemnului în bocșe, retorte sau cuptoare în vederea obținerii cărbunelui de lemn, a acidului piroglinos, etc.;
confort termic – stare de echilibru termic normal al corpului omenesc, ținând seama de metabolismul acestuia și de schimbul de căldură cu mediul exterior;
dimensionare – operație prin care se stabilesc, pe bază de calcul, dimensiunile, unei piese, ale unui element de construcții sau instalații, în funcție de solicitările la care acestea sunt supuse în funcționare.
ignifugare – procesul de tratare a unui material combustibil cu ignifuganți numiți antipirene, în scopul modificării capacității de aprindere, a arderii independente și a propagării flăcării ce măresc rezistența la foc a acestora;
instalație – ansamblul de conducte, aparate, agregate, piese de legătură ale acestora, care asigură realizarea condițiilor de confort;
necesar de căldură – flux termic determinat printr-un bilanț termic; valoare necesară pentru dimensionarea corpurilor de încălzire.
protecția pasivă antiincendiu – ansamblu de măsuri ce se pot lua cu scopul de a preveni/limita sau stopa răspândirea unui foc;
radiator – corp de încălzire static care cedează căldură în principal prin convecție;
Rezumat
În prezentul proiect tehnic s-a dimensionat instalația de încălzire cu agent termic apă caldă pentru o cabană din lemn cu regim de înălțime P+E+M, prevăzut cu acoperiș tip șarpantă în două ape și subsol.
Cabana este amplasată în municipiul Sighetu Marmației, județul Maramureș, se află în zona climatică III cu o temperatură convențională de calcul a aerului exterior de -18⁰C și zona eoliană IV, cu o vitezp convențională de calcul a vântului de v = 4,0 m/s.
Amplasarea instalațiilor și echipamentelor interioare de încălzire a fost realizată după normativele de proiectare a instalațiilor de încălzire și de caracteristicile clădirii..
Încăperile au fost dotate cu radiatoare de tip bimetal deoarece necesită un conținut redus de agent termic, și prezintă o rezistență în timp ridicată, de până la 20 de ani.
Proiectul s-a finalizat prin prezentarea metodelor și substanțelor ignifuge folosite pentru realizarea protecției pasive la incendiu a clădirilor din lemn.
Cuvinte cheie: confort termic, instalație de încălzire, necesar de căldură, radiator, ignifugare .
Abstract
In this technical project it has been dimensioned the heating installation using hot water for a wooden chalet with ground floor, one store and an attic,disposing of a gable roof and basement.
The residential building located in Sighetu Marmației municipality, Maramureș County, is situated in the third climatic area with a winter exterior temperature of -18 degrees Celsius and in the fourth wind zone, with the wind conventional speed of 4 meters per second.
The location of the installations and heating equipment had been made according with the heating installation norms and the building’s characteristics.
The rooms were fitted with bimetallic radiators because they require a low heat content and have a high durability of up to 20 years.
The project was finalized by presenting the methods and flame retardants used for the passive fire protection of wooden buildings
Key words: thermal comfort,heating installation, heat requirement, radiator, fireproofing.
Introducere
Realizarea lucrării de diplomă cu tema ”Asigurarea confortului termic într-o cabană din lemn” mi-a oferit posibilitatea punerii în practică a cunoștințelor inginerești dobândite pe parcursul anilor de studiu în domeniul instalațiilor de încălzire
Necesitatea omului de confort termic a apărut din cele mai vechi timpuri. Cea mai simplă metodă de încălzire utilizată a fost focul liber de lemne care transmitea mediului ambiant căldura prin radiație și prin gazele de ardere ce se amestecau cu aerul din încăpere. Prin intermediul tehnicii, ingeniozitatea și iscusința minții umane a reușit mereu să dezvolte noi metode de a-și satisface nevoia de căldură.
Prezenta lucrare a fost realizată conform Îndrumătorului de Proiectare trecând prin toate etapele necesare elaborării unui proiect calitativ și corect. S-a realizat echiparea completă cu instalații termice a unei cabane din lemn.
Lucrarea de diplomă este structurată pe 4 capitole astfel:
Primul capitol prezintă aspectele generale ale confortului termic, principalii factori ce caracterizează confortul termic și metodele de evaluare ale acestuia.
Al doilea capitol prezintă calculul necesarului de căldură în funcție de particularitățile zonei și de destinația fiecărei încăperi precum și alegerea, dimensionarea, amplasarea și montarea radiatoarelor.
În capitolul al treilea s-a realizat dimensionarea și echilibrarea rețelei de alimentare cu agent termic.
Ultimul capitol prezintă construcțiile și elementele de construcție din lemn, avantajele și dezavantajele acestora, precum și caracteristicile materialului lemnos utilizat în construcție. Pentru a îmbina ingineria cu securitatea la incendiu, s-au expus principalele metode și substanțe de ignifugare a elementelor structurale din lemn.
Capitolul I. Generalități despre confort
I.1. Principalii factori ai confortului termic
Prin confort, în general, se înțelege starea care rezultă în cazul unei relații armonioase dintre om și mediul înconjurător natural sau artificial, instituită fără eforturi deosebite de adaptare din partea organismului uman, respectiv fără o stare de oboseală jenantă.
Pentru un spațiu închis, confortul reprezintă totalitatea condițiilor care determină o ambianță în care omul se simte bine. O încăpere poate fi considerată confortabilă numai dacă parametrii care caracterizează factorii microclimatului interior prezintă valori optime, iar din punct de vedere subiectiv, dacă efectul lor global asigură senzația de bunăstare fizică totală a ocupanților.
Noțiunea de confort tehnic cuprinde toți parametrii realizați și controlați cu instalații, care influențează direct dispoziția omului și acționează asupra simțurilor acestuia, cum ar fi: confortul termic, acustic, olfactiv și vizual. Perceperea și aprecierea elementelor de bază ale confortului de către om sunt influențate atât de unii factori psihologici cât și de evoluția și echilibrul psihologic al omului. Reacțiunea psihicului omului depinde și de factori independenți cum ar fi: vârsta, sexul etc., care influențează și aprecierea nivelului de confort tehnic. Astfel poate apărea senzația de plăcut ca optimul rezultant al parametrilor de confort tehnic și psihologic
Figura I.1. Parametrii care determină senzația de confort
Confortul reprezintă senzația subiectivă ce apare în corpul uman pe baza acțiunii complexe a unor parametrii fizici și psihici, după cum s-a arătat și în figura I.1.
Confortul subiectiv al persoanelor dintr-un spațiu închis depinde de foarte mulți factori, care pot fi grupați astfel:
temperatură;
umiditatea și circulația aerului;
miros și respirație;
pipăit și atingere;
factori acustici;
văz și efecte ale culorilor;
vibrații și mișcări ale clădirii;
factori speciali (aporturi solare, ionizație);
pericole neprevăzute;
factori economici.
Componenta principală a confortului general o constituie confortul termic, definit ca fiind acea stare în care mecanismul de termoreglare al organismului uman este supus doar unor solicitări reduse, la care poate face față fără eforturi deosebite, obositoare, de adaptare.
Starea de confort termic are capacitatea de a asigura menținerea unei temperaturi constante a corpului, pe baza echilibrului dintre producția de căldură a organismului și degajările spre mediul înconjurător, care au loc atât fizic, prin conducție, convecție și radiație, cât și fiziologic, prin procesele de respirație și transpirație.
S-a constatat o corelație între confortul termic și parametrii microclimatului, care pot fi:
a) Parametrii fizici:
– temperatura aerului interior;
– temperatura medie de radiație a suprafețelor delimitatoare;
– umiditatea relativă a aerului interior, respectiv presiunea parțială a vaporilor de apă în aer;
– viteza aerului interior;
b) Parametrii legați de capacitatea de acomodare a corpului uman în vederea menținerii echilibrului termic:
– producția de căldură a corpului uman, căldura cedată, termoreglarea;
– rezistența termică a îmbrăcămintei și influența acesteia asupra evaporării.
Echilibrului termic este influențat la rândul său de doi factori de bază și anume căldura produsă de corp, care depinde în primul rând de activitățile depuse, de vârstă, sex etc. și căldura cedată de corp, care depinde de îmbrăcăminte.
I.1.1. Temperatura aerului interior (ti)
Factorul hotărâtor pentru senzația de confort termic îl constituie temperatura aerului. Datorită unor diferențe dintre senzațiile oamenilor, temperatura de confort este variabilă. De obicei, noțiunea de confort termic este asociată cu temperatura interioară a încăperii în care se găsesc oamenii. De fapt, senzația de confort termic trebuie înțeleasă ca un echilibru termic al corpului uman sub influența factorilor de natură fizică ai mediului înconjurător.
Condiția ca în încăperi să se realizeze un confort termic corespunzător este ca, la o anumită temperatură a aerului interior ti să se realizeze o temperatură medie optimă a suprafețelor delimitatoare pentru realizarea unui schimb normal de căldură prin radiație între corpul uman și mediul ambiant. Criteriul de confort termic în clădiri poate fi ilustrat printr-o relație grafică (figura I.2) între temperatura aerului din încăpere, temperatura aerului exterior și temperatura peretelui, rezultând că valoarea medie a temperaturii aerului interior poate fi cuprinsă între 17 și 24°C pentru realizarea unui confort termic corespunzător în încăperi, conform reglementărilor în vigoare din România.
Figura I.2. Realizarea confortului termic în funcție de temperatura interioară, temperatura exterioară și temperatura peretelui
I.1.2 Temperatura medie de radiație (θmr)
Din punct de vedere matematic, temperatura medie de radiație reprezintă, o medie ponderată a produselor suprafețelor specifice și temperaturile specifice ale acestora, fiind de fapt, o rezultantă a efectului de radiație asupra unui corp aflat în interiorul încăperii, a suprafețelor calde (corpuri de încălzire) și suprafețelor reci:
[⁰C] (I.1)
Figura I.3. Diagrama de confort în funcție de temperatura aerului interior,de temperatura medie de radiație și de temperatura resimțită
Din figura I.3 rezultă că temperatura ti poate fi aleasă între 19 și 23°C, în condițiile în care temperatura θmr are valori echivalente cuprinse între 16 și 25°C, cu respectarea corelației dată de zona hașurată și anume: la creșterea lui ti trebuie să scadă θmr și invers. Temperatura de confort, care mai este denumită și temperatura resimțită, poate fi considerată ca medie aritmetică între temperatura aerului interior și temperatura medie de radiație a suprafețelor delimitatoare ale încăperii (relația I.2).
(I.2)
De asemenea, în diagrama din figura I.3 sunt trasate și dreptele de variație a coeficienților globali de transfer termic, ki, ai elementelor exterioare de construcție, ce asigură temperaturile interioare necesare. Din analiza lor rezultă faptul că în țara noastră, până în anul 1997, gradul de izolare termică al pereților exteriori se situa în afara zonei de confort (Ki=1,4 [W/(m2 ⋅K)]).
I.1.3 Umiditatea aerului interior (ϕi)
Umiditatea aerului influențează în mică măsură condițiile de confort dacă temperatura aerului se situează în limite normale. Efectul umidității relative prea mari devine însă supărător în cazul unor temperaturi ridicate, când evaporarea transpirației de pe piele este diminuată, determinând senzația neplăcută de zăpușeală.
Formele sub care acționează apa asupra clădirilor și a materialelor de construcții pot fi menționate astfel:
– apa din teren acționează prin presiune sau prin ascensiune capilară asupra anvelopei clădirilor;
– apa meteorologică, sub forma intemperiilor (ploaie, zăpadă), acționează asupra elementelor de închidere ale clădirilor (acoperiș, pereți exteriori);
– apa inițială de construcție rezultă în urma procesului de punere în operă a clădirii (turnări de beton, tencuieli umede etc.) acționează în masa elementelor de construcție;
– apa de exploatare rezultă din procesul funcțional-tehnologic care se desfășoară în clădiri (băi, bucătării, laboratoare etc.);
– apa higroscopică derivă din umiditatea aerului interior și exterior, funcție de structura fizică a materialului de construcție;
– apa de condens rezultă în urma condensării vaporilor de apă pe suprafața și în masa elementelor de construcție exterioare (pereți de închidere, terase, planșee de pod etc.);
– apa de natură biologică rezultă din procesele de respirație și de evaporare a apei de pe suprafața pielii omului.
Umiditatea aerului interior poate fi exprimată prin:
– umiditatea absolută xi, definită prin masa apei conținută într-un volum de aer, iar pentru o temperatură și o presiune dată, umiditatea absolută este limitată de o valoare maximă numită umiditate de saturație xs, a cărei valoare este influențată de valoarea temperaturii din încăpere (figura I.4).
Figura I.4. Diagrama de confort umiditate absolută – temperatura aerului interior
– umiditatea relativă a aerului interior ϕi, reprezintă raportul între umiditatea absolută și cea de saturație și are valori cuprinse între 50 și 90%, în funcție de destinația încăperilor și de modul de ventilare a acestora. Valorile optime ale umidității relative a aerului în încăperile clădirilor civile și social-culturale sunt de 55…65%, funcție de temperatura aerului interior de 20…23°C (figura I.5).
Figura I.5. Diagrama de confort umiditate relativă – temperatura aerului interior
I.1.4 Viteza aerului (vi)
Viteza de mișcare a aerului constituie un factor important care influențează confortul termic din încăperi, întrucât intervine în schimbul de căldură al corpului cu mediul înconjurător prin fenomenele de convecție și de evaporare a transpirației la suprafața pielii.
Este indicat ca viteza de mișcare a aerului din încăpere să nu fie accentuată, deoarece apare senzația de curent, dacă aerul în mișcare are o temperatură mai mică decât aerul interior și jetul este îndreptat spre părți ale corpului. În zona cuprinsă de la pardoseală până la 2 m înălțime în camerele de locuit și birouri cu o temperatură de 20…22°C, viteza de mișcare a aerului de 0,1…0,15 m/s este considerată optimă (figura I.6).
Figura I.6. Diagrama de confort funcție de temperatură și viteza aerului
Conform lui Mayer și Fanger, inconfortul curentului de aer (ICA), poate fi calculat în funcție de gradul de turbulență a aerului interior (Tu), de viteza de mișcare a aerului interior (vi) și de temperatura resimțită (tc) cu relația I.3:
(I.3)
I.1.5 Felul activității și îmbrăcămintea
Organizația Internațională pentru Standardizare a prevăzut pentru definirea confortului termic șase factori principali, adăugând la cei patru parametrii ai microclimatului interior și intensitatea muncii iM, exprimată în met (degajare de căldură a omului) și rezistența termică a îmbrăcămintei Rcl, exprimată în clo (rezistența termică a îmbrăcămintei).
Confortul termic ținând seama de felul activității și al îmbrăcămintei, poate fi apreciat și sub formă grafică (figura I.7) pentru o valoare a umidității relative a aerului în încăpere ϕi=50% și, indică astfel, temperatura optimă resimțită tc în corelație cu rezistența termică a îmbrăcămintei Rcl sau Rh, cu intensitatea muncii iM și cu energia metabolică M. Viteza aerului trebuie considerată vi=0 pentru activități cu iM≤1 met și vi=0,3 pentru iM>1.
Figura I.7. Temperatura optimă resimțită în corelație cu rezistența termică a îmbrăcămintei, cu intensitatea muncii și cu energia metabolică
Unde: 1 met = 58 W/m2 ;
1 clo = 0,155 m2K/W.
Dacă toți parametrii mediului ambiant prezintă valori corespunzătoare capacității de adaptare fără efort a organismului uman, mediul respectiv se resimte ca fiind confortabil. Dacă însă posibilitățile sistemului de termoreglare sunt depășite și nu asigură bilanțul termic al corpului, mediul respectiv se resimte ca neconfortabil, fiind necesare măsuri de protecție.
Deoarece mediul exterior nu are în permanență parametrii de climă corespunzători cerințelor de confort, pentru evitarea suprasolicitării organismului se impune:
1.realizarea corespunzătoare a clădirilor, în special a elementelor de închidere și de separare dintre spațiile cu microclimat diferit, respectiv asigurarea unui grad ridicat de termoizolare a acestora;
2.dotarea încăperilor cu instalații de climatizare eficiente, pentru compensarea pierderilor de căldură spre exterior favorizate de elementele de închidere în perioadele reci, astfel încât să se asigure un mediu interior cu parametrii în concordanță cu cerințele de confort, respectiv cu capacitatea de adaptare a omului.
I.2 Evaluarea gradului de confort higrotermic
Evaluarea gradului de confort higrotermic din unitățile funcționale ale clădirilor se face în scopul verificării modului în care sunt îndeplinite criteriile de performanță referitoare la igiena higrotermică a mediului interior.
Evaluarea gradului de confort termic se face pentru stabilirea soluțiilor corespunzătoare de reabilitare termică a clădirilor, precum și pentru concepția și proiectarea clădirilor noi. Evaluarea se poate face de instituții, laboratoare autorizate care au personal de specialitate și care dețin aparatură de măsurare necesară.
I.2.1 Metodologie de evaluare a gradului de confort termic
Evaluarea gradului de confort presupune determinarea parametrilor (temperatura aerului interior, umiditatea relativă a aerului, viteza de mișcare a aerului), compararea valorilor determinate cu nivelurile de performanță estimate ca satisfăcătoare pentru asigurarea condițiilor de confort și stabilirea eventualelor zone ce pot conduce la un disconfort local.
Determinarea parametrilor de confort se poate face prin calcul. Amplasarea senzorilor de măsurare a unei ambianțe se face în centrul încăperii la diverse înălțimi.
I.2.2 Evaluarea temperaturii aerului
Pentru determinarea practică a temperaturii trebuie aleasă o scară de temperatură, cele mai uzuale fiind:
– scara Celsius: t [0C]
– scara Kelvin: T [K]
– scara Réaumur: t [0R]
– scara Farenheit: t [0F].
Pentru măsurarea temperaturii se utilizează un corp termometric ale cărui proprietăți fizice variază cu temperatura. Indicarea temperaturii se obține prin stabilirea echilibrului termodinamic între corpul al cărui temperatură se dorește a fi stabilită și corpul termometric, stare în care, transferul de căldură dintre acestea se anulează.
Metodele și aparatele folosite pentru măsurarea temperaturii se clasifică in funcție de proprietatea fizică a corpului termometric utilizată în acest scop. în general, aparatele care servesc pentru măsurarea temperaturilor sub 660oC se numesc termometre, iar peste 660oC se numesc pirometre.
În funcție de proprietățile fizice ale corpurilor care ne ajută să măsurăm temperatura, putem face o clasificare a lor astfel:
1.termometre bazate pe dilatarea corpurilor;
2.termometre cu rezistență electrică;
3.termometre de maxim și minim;
Termometrele bazate pe dilatarea corpurilor pot fi la rândul lor:
– termometre cu dilatare de lichid
– termometre cu dilatare de solid
– termometre cu dilatare de gaze
Tipul cel mai comun de termometru cu dilatare de lichid constă într-un rezervor cu lichid și un tub gradat. Lichidul (de obicei, mercur sau alcool) se extinde pe măsură ce temperatura crește și urcă în interiorul tubului.
Schimbarea de temperatură provoacă o modificare a proprietăților fizice ale unei substanțe, iar mărimea schimbării este o indicație a cât de mult s-a modificat temperatura. Acesta este principiul care stă la baza termometrului.
Din punct de vedere constructiv, termometrele de sticlă cu lichid se împart în:
termometre cu capilar masiv;
termometre tubulare cu scară internă;
termometre cu capilar montate pe plăci cu scară gradată.
Termometrul cu mercur este unul dintre cele mai utilizate termometre pentru măsurarea temperaturii. Mercurul este folosit la termometre datorită proprietăților sale deosebite. Poate mãsura o gamã largã de temperaturi, de la –40 la 356˚C, si pânã la 570˚C sub presiune, în stare lichidã. Se dilatã regulat, proportional cu schimbãrile temperaturii absolute. Gradațiile de pe tubul de sticlă permit citirea temperaturii, proporțională cu lungimea coloanei de mercur in interiorul tubului, lungime ce variază cu temperatura. Pentru a crește sensibilitatea, de obicei, la capătul termometrului se află un rezervor ce conține majoritatea mercurului; dilatarea sau contractarea acestui volum de mercur este amplificată in porțiunea mult mai subțire a tubului. Spațiul neocupat de mercur poate fi umplut cu azot sau poate fi vid.
Un tip special de termometru cu mercur, denumit termometru maximal, prezintă o constricție a tubului capilar deasupra rezervorului. Odată cu creșterea temperaturii, mercurul este împins prin această constricție de către forța de expansiune. Când temperatura scade, coloana de mercur se întrerupe în zona construcției, nemaiputându-se retrage în rezervor.
Observatorul poate citi astfel temperatura maximă atinsă într-o anumită perioadă de timp. Pentru a aduce termometrul în starea inițială, acesta trebuie scuturat. Acesta este similar din punct de vedere constructiv cu termometrul medical.
Mercurul se solidifică (îngheață) la -38,89°C, deci poate fi folosit la temperaturi de la –37˚C la 356˚C, si pânã la 570˚C sub presiune. Mercurul spre deosebire de apă, nu își mărește volumul la solidificare, deci nu va sparge tubul de sticlă, ceea ce va face greu de determinat momentul solidificării. Dacă termometrul conține azot, gazul poate să curgă în josul coloanei și să fie capturat în interiorul acestuia la creșterea temperaturii. Pentru a evita aceste inconveniente este necesar ca toate termometrele cu mercur să fie ținute în interior când temperatura scade sub -37˚C. În zonele care se așteaptă ca temperatura maximă să nu depășească -37˚C se poate utiliza un termometru conținând un aliaj mercur-thaliu, deoarece acesta are punctul de solidificare la -61˚C.
Un alt tip de termometru este cel cu dilatare de substanțe solide. Principiul lor de funcționare se bazează pe legea dilatării liniare:
[m] (I.4)
unde:
l1, l2 – lungimea materialului la temperatura t1, t2 [m]
α1,2 – coeficientul mediu de dilatare liniară. [1/⁰C]
Ca exemplu de aparat: termometrul metalic, utilizează o lamă bimetalică formată din două lame având aceeași formă geometrică, solidare între ele și confecționate din două metale diferite și care se dilată diferit la încălzire. Acesta produce curbarea lamei în funcție de temperatura la care se află dispozitivul, tradusă in mișcarea unui ac indicator în fața unei scale gradate.
Termometrele cu dilatare de gaze se bazează pe sistemul de măsurare constituit dintr-un senzor termometric de tip bulb, un capilar de transmitere și un element elastic de tip tub Bourdon. În acest sistem se introduce sub presiune gaz inert sau lichide cu presiune de vapori controlată. Presiunea din sistem creste sau se micșorează funcție de variația de temperatura a mediului controlat. Variația de presiune măsurată este indicată pe un cadran gradat in unități de măsurare a temperaturii. Termometrele cu dilatare de gaze permit măsurarea temperaturii cuprinse între –40°C și + 200°C.
Termometrul cu gaz este mai sensibil, datorită coeficientului mare de dilatare al gazelor. Măsoară variațiile temperaturii prin înregistrarea schimbărilor corespunzătoare de presiune. Totuși, acest tip de termometru tinde să fie mare si greoi, necesitând cantități mari din lichidul a cărui temperatură trebuie măsurată.
Termometrele cu rezistență electrică permit determinarea temperaturii pe baza măsurării valorii unei rezistențe electrice, care are o variație cunoscută în funcție de temperatură.
Ca exemplu avem termometrul cu rezistență metalică. Cu ajutorul lui temperatura se poate determina măsurând modificarea rezistenței electrice a firului metalic.
Aparatele permit transmiterea la distanță a valorii mărimii măsurate; la locul de măsură se montează rezistența, iar în camera de comandă se montează aparatul electric ce are scara gradată în grade celsius.
Termometrele de maxim și minim înregistreazã cele mai ridicate, respectiv cele mai scãzute temperaturi. Sunt adesea combinate într-un singur termometru de maxim si minim.
Termometrul de maxim a fost inventat în anul 1974 de către Daniel Rutherford și constă într-un tub cu mercur în interiorul căruia se află o mică bucată de oțel, așezată deasupra nivelului de lichid. Pe măsură ce acesta se dilată, odată cu creșterea temperaturii, împinge bucata de oțel. La contractare aceasta rămâne pe loc, marcând astfel cea mai înaltă temperatură atinsă de la fixarea termometrului. Instrumentul poate fi resetat cu ajutorul unui magnet.
Termometru de minim conține alcool, în loc de mercur, în interior găsindu-se o mică bucată de sticlă cu capătul cel mai îndepărtat atingând suprafața lichidului. Pe măsură ce alcoolul se contractă sticla este condusă de acesta. La dilatare ea își păstrează poziția, capătul ei indicând cea mai scăzută temperatură atinsă.
La măsurarea temperaturii aerului senzorii trebuie să fie protejați împotriva influenței radiației termice provenite din vecinătăți (de exemplu: pereți calzi sau reci). Tipurile de protecție utilizate curent sunt:
acoperirea senzorului cu o vopsea reflectantă;
lustruirea senzorilor, în cazul celor metalici;
interpunerea unor ecrane reflectante între pereți și senzorul de temperatură.
I.2.3 Evaluarea temperaturii medii de radiație
Temperatura medie de radiație se determină pe baza măsurării temperaturii aerului și a temperaturii globului negru.
Termometrul cu glob negru este constituit dintr-o sferă neagră în centrul căreia este plasat un captator de temperatură (termometru cu mercur, termocuplu, termorezistență).
Diametrul sferei poate fi teoretic oarecare, dar se recomandă utilizarea unui diametru de 15 cm, pentru această valoare relațiile de calcul ale temperaturii medii de radiație fiind bine definite.
Se menționează că influența temperaturii și vitezei aerului asupra preciziei măsurării este cu atât mai mare, cu cât diametrul sferei este mai mic.
Sfera trebuie să fie confecționată dintr-un material foarte bun conducător de căldură și suprafața sa trebuie să fie înnegrită, fie prin metode electrolitice, fie prin vopsire cu o vopsea neagră mată, astfel încât să fie capabilă să absoarbă radiația termică provenită de la elementele delimitatoare ale încăperii.
Temperatura medie de radiație se poate calcula pornind de la bilanțul de schimb termic între globul negru și ambianță. În cazul în care în încăpere, radiația termică este neomogenă,determinarea temperaturii medii de radiație se face prin măsurarea temperaturii cu trei globtermometre plasate la diferite înălțimi. Corespunzător acestor temperaturi se determină trei temperaturi medii de radiație.
La măsurarea temperaturii cu globmetrul trebuie să se aibă în vedere următoarele:
timpul de răspuns al unui globmetru este de 20-30 minute, în funcție de caracteristicile fizice ale sferei și ale ambianței termice;
pentru înregistrarea echilibrului termic trebuie să se facă citiri succesive;
datorită inerției termice mari globmetrul nu poate fi utilizat pentru determinarea temperaturii de radiație în ambianțe termice care variază rapid.
I.2.4 Evaluarea umidității aerului
Umiditatea aerului este caracterizată de următorii parametri măsurabili:
umiditatea absolută a aerului;
umiditatea relativă a aerului.
Umiditatea absolută a aerului reprezintă cantitatea reală de vapori de apă conținuți în aer.
Pentru caracterizarea umidității absolute a aerului se folosesc în mod curent două mărimi:
raportul de umiditate pentru un eșantion de aer umed dat, reprezintă raportul dintre masa vaporilor de apă din eșantion și masa aerului uscat din același eșantion.
presiunea parțială a vaporilor de apă din aerul umed reprezintă presiunea exercitată de vaporii de apă, dacă ei ar ocupa singuri volumul pe care îl ocupă aerul umed, la aceeași temperatură.
Pentru măsurarea umidității absolute a aerului dintr-o incintă se pot utiliza două tipuri de aparate:
psihrometrul;
higrometrul cu clorură de litiu.
Psihrometrele sunt constituite din două termometre introduse în teci metalice și un dispozitiv care asigură ventilarea acestora cu o viteză minimă a aerului. Primul termometru indică temperatura uscată a aerului. Al doilea termometru are rezervorul înconjurat pe o lungime de circa 2 cm cu un manșon de bumbac, introdus în apă distilată. Apa urcă prin capilaritate la termometru și se evaporă, cu atât mai repede cu cât aerul este mai uscat. Acest termometru indică temperatura umedă (psihrometrică). Domeniile de măsurare ale termometrelor trebuie să fie cuprinse între 10 și 30 oC.
Ventilatorul reduce timpul de măsurare prin uscarea forțată pe care o asigură și trebuie să aibă o viteză de ventilare de ordinul a 4-5m/s.
Valorile mărimilor absolute a umidității absolute a aerului se stabilesc pornind de la valorile măsurate ale temperaturii uscate și ale temperaturii umede, utilizând diagrama psihrometrică.
Diagrama lui Mollier sau așa-numita diagrama psihrometrică permite punerea în evidență a temperaturii la care apare condensul vaporilor de apă pentru diferite valori ale umidității și temperaturii aerului atmosferic.
În diagramă, pe abscisă se reprezintă cantitatea de apă, exprimată in grame, conținută de un kilogram de aer uscat, iar pe ordonată – diferitele valori ale temperaturii aerului.
În interiorul diagramei se află curbele de umiditate relativă egală. Curba umidității relative de 100% este curba de saturație. Pentru condiții date ale aerului (temperatură și umiditate relativă) se poate determina grafic temperatura la care apare condensul.
Higrometrele cu clorură de litiu sunt instrumente care indică în mod direct presiunea parțială a vaporilor de apă.
Ele constau dintr-un termometru cu rezistență introdus într-un tub de sticlă subțire și acoperit cu o țesătură de vată de sticlă impregnată cu o soluție de clorură de litiu.
Doi electrozi sunt dispuși unul lângă altul în elice pe învelișul din țesătură. Ansamblul este protejat de o teacă de protecție perforată. Electrozii sunt legați la o sursă de alimentare de joasă tensiune. Curentul rezultat provoacă încălzirea clorurii de litiu și evaporarea apei conținute. După ce apa s-a evaporat clorura cristalizează. Conductibilitatea electrică și deci intensitatea curentului se reduc iar temperatura scade. Atunci soluția de clorură de litiu poate absorbi vaporii de apă din aer, rezultând creșterea conductibilității sale electrice.
Valoarea curentului electric crește, provocând din nou evaporarea apei. Se stabilește rapid un echilibru între conținutul de vapori de apă din aer și puterea de încălzire sau temperatura senzorului.
Această temperatură de echilibru, care se măsoară cu un termometru depinde numai de presiunea vaporilor de apă din aer, deci de umiditatea absolută. Citirea indicațiilor se face numai după trecerea timpului de răspuns, care este de ordinul a 6 minute.
Umiditatea relativă a aerului reprezintă raportul dintre presiunea parțială a vaporilor de apă din aerul umed și presiunea de saturație a vaporilor de apă , la aceeași temperatură și presiune totală.
Umiditatea relativă se poate determina utilizând diagrama psihrometrică, pe baza temperaturii uscate și umede determinate cu psihrometrul.
I.2.5 Evaluarea vitezei aerului
Viteza aerului este o mărime definită prin modulul, direcția și sensul său. În cazul ambianțelor termice, mărimea care trebuie avută în vedere este viteza efectivă a aerului, adică modulul vitezei aerului (intensitatea medie a vitezei).
Pentru măsurarea vitezei aerului unei ambianțe se utilizează anemometrul cu aer cald. Acesta poate fi de tipul catatermometrul (aparat puțin direcțional) sau anemometrul cu fir cald (aparat direcțional).
Anemometrul cu aer cald (figura I.8) se bazează pe măsurarea transferului de căldură între un solid cald și mediul ambiant. Etalonarea prealabilă a aparatului permite convertirea transferului de căldură în viteză a aerului.
Figura I.8 Anemometru
Anemometrul este constituit dintr-un element încălzit electric (sferă caldă sau fir cald) la o temperatură superioară temperaturii aerului. Elementul cald pierde căldură în mediu prin convecție. Echilibrul termic se exprimă prin relația:
[W] (I.5)
unde:
P-puterea de încălzire primită de element;
– coeficient de transfer termic prin convecție între element și aer, variabil funcție de viteza aerului;
– temperatura elementului cald;
– temperatura aerului.
Cunoscând valorile temperaturii sferei și puterea de încălzire primită de element, se determină coeficientul de transfer termic și prin intermediul acestuia viteza aerului.
Anemometrele cu element cald sunt prevăzute cu doi senzori de temperatură, unul pentru măsurarea temperaturii elementului cald și celălalt pentru măsurarea temperaturii aerului. Ele pot fi de două feluri:
anemometre cu putere de încălzire sau intensitate de încălzire constante, la care măsurarea temperaturii elementului cald permite determinarea vitezei aerului;
anemometre cu temperatura elementului cald constantă, la care măsurarea puterii furnizate elementului pentru menținerea acestei temperaturi permite determinarea vitezei aerului.
La măsurarea vitezei aerului trebuie avute în vedere următoarele:
sensibilitatea aparatului pe direcția de curgere;
sensibilitatea aparatului la variațiile vitezei aerului;
posibilitatea de a obține o viteză medie pe o anumită perioadă de integrare.
Pentru măsurarea vitezei aerului în ambianțe termice moderate sunt recomandate următoarele caracteristici ale aparatelor de măsurat:
domeniul de măsurare 0.5-1m/s;
exactitate ;
timp de răspuns maxim 1s.
I.2.6 Desfășurarea acțiunilor de evaluare a gradului de confort higrotermic
Evaluarea gradului de confort higrotermic în unitățile funcționale ale clădirilor existente presupune următoarele etape:
investigarea preliminară;
evaluarea performanțelor;
raportul de evaluare.
A. Investigarea preliminară cuprinde:
analiza documentației tehnice care a stat la baza executării clădirii (în care este amplasata unitatea funcțională analizată) cu privire la:
tipul clădirii și sistemul constructiv;
perioadele de realizare a clădirii;
norme de proiectare termotehnică în vigoare la data proiectării / execuției (dacă este posibil ).
amplasarea unității funcționale în cadrul partiului;
nivelul la care este amplasată unitatea funcțională;
parametrii higrotermici considerați;
regimul higrotermic al încăperilor adiacente unității funcționale analizate;
nivelul de izolare termică a elementelor delimitatoare ale unității funcționale.
efectuarea unui sondaj de opinie privind senzația de confort / disconfort resimțită de utilizatori;
identificarea eventualelor surse de disconfort local;
identificarea eventualelor degradări vizibile ale elementelor ce delimitează unitatea funcțională analizată, care pot influența confortul higrotermic.
B. Evaluarea performanțelor are ca scop stabilirea valorilor parametrilor de confort higrotermic și compararea lor cu nivelurile de performanță admisibile.
Metodologia de evaluare presupune următoarele etape:
stabilirea parametrilor ce trebuie analizați;
stabilirea aparaturii ce trebuie utilizată la determinarea prin măsurări a parametrilor higrotermici ai mediului interior;
stabilirea tehnicii de determinare a parametrilor ce definesc confortul higrotermic (prin măsurări „în situ”, prin calcule);
stabilirea poziției (pe orizontală și pe verticală) punctelor în care trebuie să se efectueze măsurările, în funcție de scopul urmărit ;
efectuarea măsurărilor;
prelucrarea datelor experimentale;
determinarea prin calcul a parametrilor care nu au putut fi măsurați (de ex. temperatura medie de radiație);
evaluarea prin calcul a parametrilor de confort;
analiza comparativă între rezultatele obținute și niveluri de performanță normate;
C. Raportul de evaluare va cuprinde cel puțin:
obiectul și motivul evaluării ;
descrierea unității funcționale care face obiectul evaluării;
condițiile în care s-au efectuat măsurările/calculele;
rezultatele experimentale obținute;
concluzii rezultate din analiza comparativă dintre rezultatele obținute și valorile normate pentru parametrii de confort higrotermic;
recomandările privind măsurile ce trebuie adoptate pentru îmbunătățirea gradului de confort.
CAPITOLUL II. calculul NECESARULUI DE CĂLDURĂ
II.1. Generalități
Calculul necesarului de căldură pentru încălzirea unei încăperi prezintă o importanță deosebită, deoarece acesta constituie baza de dimensionare a întregii instalații de încălzire. Astfel, corpurile sau aparatele de încălzire trebuie să cedeze încăperilor un flux termic în permanență egal cu fluxul cedat prin elementele delimitatoare ale acestora către exterior sau încăperile vecine, în condițiile în care temperatura interioară prestabilită trebuie să nu înregistreze variații sensibile.
Metoda de calcul a necesarului de căldură pentru încălzire este reglementată prin STAS 1907/1 și se aplică tuturor tipurilor de clădiri civile și industriale.
Necesarul de căldură pentru încălzire Q al unei încăperi se calculează cu relația:
[W] (II.1)
În care:
– QT – este fluxul termic cedat prin transmisie, considerat în regim staționar, corespunzător diferenței de temperatură între interiorul și exteriorul elementelor de construcții care delimitează încăperea; [W]
– Qi – sarcina termică pentru încălzirea aerului rece pătruns în interior de la temperatura exterioară la temperatura interioră;[W]
– ∑A – suma adaosurilor care afectează fluxul termic cedat prin transmisie. [%]
II.2. Fluxul termic cedat prin transmisie
Pentru un element de construcție oarecare, fluxul termic cedat prin transmisie, QT, are următoarea expresie:
[W] (II.2)
în care:
CM – coeficient de corecție a necesarului de căldură, în funcție de masa specifică a elementelor de construcție interioare;
m – coeficient de masivitate termică a elementelor de construcție exterioare. Acesta este influențat de indicele de inerție termică D al elementului de construcție, și se calculează cu relația:
m = 1,225 – 0,05D [-] (II.3)
Elementele de construcție fără inerție termică, cu D ≤ 1 (uși, ferestre), au coeficientul de masivitate termică cu valoarea cea mai mare m≈1,2, iar elementele de construcție interioare (planșee, pereți interiori), coeficientul de masivitate are valoarea m=1.
Indicele de inerție termică se poate calcula cu relația:
D= (II.4)
în care:
S24 – coeficientul de asimilare termică a materialului pe o perioadă de 24 de ore, în W/m2∙K;
Rj – rezistența la permeabilitate a unui strat omogen, în m2∙K/W;
S – suprafața specifică fiecărui element de construcție, în m2;
ti – temperatura interioară, stabilită în funcție de destinația încăperii conform STAS 1907/2, în °C;
te – temperatura exterioară de calcul, stabilită conform zonei climatice, în °C;
R0'– rezistența termică specifică corectată a elementului de construcție considerat, calculată în m2∙K/W;
Qs – fluxul termic de căldură cedat prin sol; se consideră QS= 0 W, deoarece nu există încăperi încălzite la subsolul clădirii.
II.3. Adaosuri la fluxul termic cedat prin transmisie
Necesarul de căldură al unei încăperi poate fi influențat de anumiți factori perturbatori, care nu au putut fi incluși în ecuația fluxului termic pierdut prin transmisie. Este vorba de radiația solară care are o influență inegală asupra încăperilor, în funcție de poziția lor față de punctele cardinale, precum și de existența unor fluxuri termice radiante între om și elementele delimitatoare reci ale încăperii.
Toate aceste influențe se regăsesc în adaosurile procentuale ce se aplică pierderii de căldură prin transmisie:
(II.5)
unde: Ao – adaosul pentru orientare;
Ac – adaosul pentru compensarea efectului suprafețelor reci.
Adaosul pentru orientare, Ao, corectează fluxul termic pierdut de încăpere prin transmisie, ținând seama de orientarea pereților exteriori ai încăperii; pentru fiecare orientare se consideră o valoare procentuală, corelată cu influența radiației solare asupra elementelor de construcție exterioare, având valorile din tabelul II.1.
Tabelul II.1: Valorile adaosului de orientare Ao
Pentru încăperi cu mai mulți pereți exteriori, adaosul pentru orientare se stabilește corespunzător peretelui cu orientarea cea mai defavorabilă.
Adaosul pentru compensarea efectului suprafețelor reci, Ac, ține cont de influența suprafețelor delimitatoare în contact cu exteriorul și se obține grafic, în funcție de rezistența termică medie a încăperilor, Rm, care afectează numai fluxul termic al elementelor de construcție pentru încăperile a căror rezistență termică medie îndeplinește condiția: Rm≤ 10m2K/W. Rezistența Rm se calculează cu relația:
[m2K/W] (II.6)
unde:
CM – Coeficient de corecție a necesarului de căldură, în funcție de masa specifică a construcției;
ST – Suprafața totală a încăperii, în m2;
QT – fluxul termic cedat prin transmisie, în W;
ti – temperatura interioară, stabilită în funcție de destinația încăperii conform STAS 1907/2, în °C;
te – temperatura exterioară de calcul, stabilită conform zonei climatice, în °C.
Adaosul pentru compensarea efectului suprafețelor reci nu se adoptă pentru următoarele tipuri de încăperi:
încăperi în care oamenii poartă îmbrăcăminte de stradă;
încăperi încălzite prin radiație;
încăperi unde oamenii desfășoară muncă medie sau grea.
Valorile adaosului Ac, se citesc din graficul de mai jos (figura II.1), după ce s-a calculat rezistența termică medie Rm
Figura II.1: Valorile adaosului pentru compensarea efectului suprafețelor reci
II.4. Necesarul de căldură pentru încălzirea aerului infiltrat prin rosturile elementelor mobile
Sarcina temică pentru încălzirea aerului infiltrat prin neetanșeitățile ușilor și ferestrelor și a aerului pătruns la deschiderea acestora, Qi, se determină ca valoarea maximă între sarcinile termice Qi1 și Qi2.
[W] (II.7)
în care:
Qi1 – sarcina termică pentru încălzirea de la temperatura exterioară convențională de calcul la temperatura interioră convențională de calcul, a aerului infiltrat prin neetanșeitățile ușilor și ferestrelor și a aerului pătruns la deschiderea acestora, determinată ținând seamă de numărul de schimburi de aer necesare în încăpere din condiții fiziologice;
[W] (II.8)
în care:
na0 – numărul de schimburi de aer necesare în încăpere din condiții de confort
fiziologic.
Pentru na0 se recomandă următoarele valori:
na0=0,22∙10-3 s-1 sau na0=0,792 m3∙h-1/m3 – pentru încăperi de locuit;
na0=0,28∙10-3 s-1 sau na0=1,19 m3∙h-1/m3 – pentru băi;
na0=0,33∙10-3 s-1 sau na0=1,0 m3∙h-1/m3 – pentru bucătării;
V – volumul încăperii, în m3;
ρ – densitatea aerului la temperatura de 20°C, ρaer=1,23 kg/m3;
cp – căldura specifică la presiune constantă a aerului, în J/kg K; cp=1000 J/kg K;
QU – sarcina termică pentru încălzirea aerului pătruns la deschiderea ușilor
exterioare (se aplică numai în cazul încăperilor cu deschideri frecvente ale ușilor, de
exemplu magazine, holuri de cinema etc.);
În urma simplificărilor și a înlocuirii coeficienților ρ, cp, CM, QU, rezultă:
[W] (II.9)
Qi2- sarcina termică necesară pentru încălzirea de la temperatura exterioară convențională de calcul la temperatura interioară convențională de calcul, a aerului infiltrat prin neetanșeitățile ușilor și ferestrelor, precum și cel pătruns la deschiderea acestora, ținând seamă de viteza convențională a vântului;
[W] (II.10)
Unde:
E – factor de corecție de înălțime, ține seama de numărul de niveluri ale clădirii; pentru clădiri civile cu mai puțin de 12 niveluri, E=1;
L – lungimea rosturilor ușilor și ferestrelor de pe fațade; în cazul rosturilor formate din două elemente mobile, acestea se iau în calcul o singură dată;
Pentru stabilirea valorii lui L avem mai multe cazuri privind amplasarea elementelor mobile. Atunci când elementele mobile se află pe același perete exterior, lungimea rosturilor este egală cu lungimea tuturor rosturilor elementelor mobile de pe acel perete. Dacă aceste elemente se află pe doi pereți alăturați ai încăperii, atunci lungimea rosturilor este egală cu suma lor.
Dacă ușile și ferestrele se află pe trei pereți exteriori atunci se ia în calcul maximul dintre suma lungimilor a două rosturi aflate pe pereți alăturați, iar dacă acestea se află pe doi pereți opuși lungimea este egală cu maximul dintre suma lungimilor rosturilor de pe un perete.
Rostul format de două elemente mobile se ia în calcul doar o dată; în cazul ușilor și ferestrelor duble, rostul se măsoară pentru un singur rând.
i – coeficient de infiltrație al aerului prin rosturi; depinde de materialele din care sunt executate ușile și ferestrele; Se/Si (suprafața elementelor mobile exterioare/suprafața elementelor mobile interioare) și gradul de impermeabilitate al clădirii;
Tabelul II.2: Valorile coeficientului de infiltrație i
v – viteza convențională a aerului, conform zonei eoliene;
Viteza vântului se alege în funcție de zona eoliană, precum și de locul amplasării clădirii (în localitate sau în afara acesteia).
În tabelele următoare s-a efectuat calculul necesarului de căldură pentru fiecare încăpere a cabanei.
Tabel II.3: Calculul necesarului de căldură pentru Living, Hol, Casa scării P01 și antreu P02
Tabel II.4: Calculul necesarului de căldură pentru bucătărie P03, încăpere spălat vase P04, grup sanitar P05 și vestiar P06
Tabel II.5: Calculul necesarului de căldură pentru dormitor EC01 și baie EC02
Tabel II.6: Calculul necesarului de căldură pentru dormitor EC03 și baie EC04
Tabel II.7: Calculul necesarului de căldură pentru baie EC05 și dormitor EC06
Tabel II.8: Calculul necesarului de căldură pentru baie EC07 și dormitor EC08
Tabel II.9: Calculul necesarului de căldură pentru dormitor M01 și baie M02
Tabel II.10: Calculul necesarului de căldură pentru sala de lectură M03, baie M04 și birou M05
Tabel II.11: Calculul necesarului de căldură pentru baie M06 și dormitor M07
II.5 Corpuri de încălzire
Corpurile de încălzire sunt schimbătoare de căldură alimentate cu agent termic apă sau abur, care emit căldură prin radiație și convecție și servesc la încălzirea încăperilor.
Aerul care vine în contact cu un corp de încălzire se încălzește prin convecție liberă (în cazul corpurilor statice) activându-se astfel circulația lui în încăpere. La rândul său, aerul cedează căldura suprafețelor mai reci. Totodată, corpurile de încălzire (cu excepția convectoarelor) cedează căldură și prin radiația suprafețelor înconjurătoare.
Dacă corpul sau suprafața de încălzire cedează prin radiație mai mult de jumătate din totalul căldurii, atunci se numește corp radiant sau suprafață radiantă și face parte dintr-un sistem de încălzire radiant.
Un sistem de încălzire care nu folosește aparate cu elemente în mișcare se mai numește și încălzire cu corpuri statice. Există și corpuri de încălzire dinamice, la care circulația aerului este activată prin mijloace mecanice, cum ar fi: aerotermele, ventilo-convectoarele, bateriile de încălzire din agregatele de ventilare etc.
Corpurile de încălzire trebuie să cedeze în încăperea în care sunt montate căldura necesară pentru compensarea pierderilor de căldură și asigurarea temperaturii optime de confort. După materialul din care sunt confecționate, corpurile de încălzire statice pot fi din: fonta, aluminiu, oțel, cupru etc.
II.5.1 Clasificarea și amplasarea corpurilor de încălzire
Din punct de vedere constructiv, corpurile de încălzire pot fi: din elemente, din panouri de tablă, simple sau multiple, cu sau fără aripioare, din țevi netede sau din țevi și tabla.
Corpurile de încălzire trebuie să satisfacă anumite cerințe:
rezistență la presiunea agentului termic;
rezistență la acțiuni mecanice;
rezistență la variația temperaturii agentului termic;
rezistență la acțiunea corozivă a agentului termic sau a mediului;
rezistență la variația temperaturii agentului termic;
posibilități de curățare ușoară; în medii încărcate cu praf, pulberi etc, se evită utilizarea corpurilor cu aripioare.
Pentru obținerea unei eficiente sporite, amplasarea radiatoarelor se face de preferință aparent pe pereții exterior, sub ferestre. Din figura II.2 se observă că această amplasare împiedică formarea de curenți de aer rece în zona pardoselii și compensează efectul de radiație rece al ferestrei.
Figura II.2: Circulația aerului într-o încăpere în funcție de amplasarea radiatoarelor
a — radiator montat sub fereastră exterioară; b — radiator montat pe perete interior
În încăperile cu mai multe ferestre, se montează câte un radiator la fiecare fereastră, lungimea radiatorului fiind proporțională cu lungimea ferestrei.
În camerele cu uși de balcon, dacă fereastră și ușa balconului nu sunt alăturate, se recomandă amplasarea și a unui radiator lângă sau în spatele ușii balconului.
La amplasarea corpurilor de încălzire se va evita stânjenirea amplasării mobilierului, a utilajelor, circulația persoanelor și accesul Ia hidranții de incendiu.
În casa scării, corpurile de încălzire se amplasează de regulă la parter. Dacă necesarul de căldură nu poate fi asigurat de acestea, se vor prevedea corpuri de încălzire și la nivelurile imediat superioare.
La stabilirea locului de montare a unui radiator se urmărește că:
– să poată fi ușor de curățat;
– aerul să circule nestingherit în jurul lui;
– cedarea de căldură prin radiație să nu fie stânjenită.
Corpurile de încălzire se montează paralel cu pereții respectând următoarele distanțe minime:
– 5 cm față de perete pentru temperaturi ale agentului termic de până la 95⁰C;
– 10 cm față de perete pentru temperaturi ale agentului termic peste 95⁰C;
– 12 cm față de pardoseală. În cazuri excepționale se admite reducerea acestei distanțe până la 1 m dacă temperatura agentului termic este peste 95⁰C și până la 8cm dacă temperatura agentului termic este până la 95⁰C.
La alegerea tipului de radiator se recomandă:
radiatoare cu elemente având coloane puține; dacă din calcul rezultă un corp prea lung care nu încape în nișa sau depășește lățimea ferestrei se alege un tip cu mai multe coloane;
înălțimea elementului se alege funcție de parapetul ferestrei astfel încât să rămână un spațiu liber de 10 cm sub glaf și 12 cm sub corpul de încălzire, conform figurii II.3;
radiatoarele montate pe pereți fără fereastră vor fi cât mai înalte pentru a ocupa cât mai puțin spațiu.
Figura II.3: Montarea radiatoarelor
A — radiator montat la fața peretelui; b — radiator montat în nișă.
Se va evita montarea corpurilor în nișe cu mască, care este permisă numai în următoarele situații:
– când agentul termic are parametrii ridicați și există pericolul de arsură prin atingerea directă;
– în încăperi destinate copiilor preșcolari (creșe și grădinițe);
– în încăperi cu cerințe estetice deosebite.
Radiatoarele se fixează de perete prin console speciale, care le asigură contra răsturnării. Consolele se pot încastra numai în pereți de zidărie de minimum 12,5 cm grosime sau de beton de 10 cm grosime, adâncimea minimă de încastrare a consolelor fiind de circa 10cm.
Când consolele nu pot fi încastrate în pereți, radiatoarele se pot așeza pe picioare încastrate în pardoseală.
II.5.2 Alegerea corpurilor de încălzire
Alegerea unui corp de încălzire se face ținând cont pe de o parte de gustul și preferințele beneficiarului, iar pe de altă parte de: parametrii maximi de temperatură și presiune ai agentului termic la care rezistă corpul ales; mărimea spațiilor de montare existente în încăpere și posibilitatea acestuia de a satisface eventualele condiții speciale impuse de specificul încăperii sau de activitatea care se desfășoară în ea; de asemenea se ține seama de avantajele și dezavantajele fiecărei categorii de corpuri de încălzire.
Pentru asigurarea confortului termic necesar s-au ales radiatoare tip bimetal. Radiatoarele cu secțiuni bimetalice combină avantajele celor două metale, oțel și aluminiu. Miezul din oțel întărește construcția, astfel radiatorul bimetalic este rezistent la presiune înaltă. Învelișul exterior din aluminiu are conductivitate termică ridicată, care ridică transferul de căldură și reduce inerția. Radiatoare bimetalice sunt fabricate prin metoda de turnare sub presiune. Elementul este turnat direct într-un singur bloc sub presiune, aluminul fiind turnat peste țeava din oțel, elementul neprezentând nici un punct de sudură sau lipire. Aluminiul nu se reacționează cu agentul termic, astfel radiatorul poate fi utilizat în sisteme cu orice agent termic.
Avantajele principale ale radiatoarelor bimetalice sunt:
– transfer termic ridicat,
– presiune de lucru mare,
– rezistență la compoziția chimică a agentului termic,
– conținut redus de apă (la jumătate față de radiatoarele din aluminiu),
– rezistent în timp, garanție de până la 20 de ani.
În cazul locuințelor, la amplasarea corpurilor de încălzire se urmărește în special destinația încăperii în care e montat. În consecință am ales pentru baia EC04 tipul DELLA 700×400 mm, iar pentru celelalte încăperi modelul bimetal C500/110/2 cu următoarele caracteristici:
Tabel II.12: Date tehnice ale radiatoarelor de tip bimetal model C500
Figura II.4 Radiator bimetal C500
II.5.3 Dimensionarea corpurilor de încălzire
Calculul de dimensionare se face în conformitate cu prevederile generale din STAS 1797/1 corelate cu prevederile particulare ale: normelor de fabricație, instrucțiunile de utilizare, prospectelor și agrementelor corpurilor de încălzire.
Mărimea și numărul corpurilor de încălzire montate într-o încăpere se determină prin calcul astfel încât puterea termică qn a acestora să fie egală cu necesarul de căldură Q al încăperii, conform STAS 1907-1.
În următoarele tabele se prezintă tipul și puterea dată de radiatoare pentru fiecare încăpere.
Tabelul II.13. Dimensionarea radiatoarelor la parter în funcție de încăpere
Tabelul II.14. Dimensionarea radiatoarelr la etaj în funcție de încăpere
Tabelul II.15 Dimensionarea radiatoarelor la mansardă în funcție de încăpere
Un aspect mai dificil de realizat a fost dimensionarea radiatoarelor pentru P01 living, hol și casa scării, deoarece aceasta din urmă unește holurile de pe toate nivelurile, iar o parte din căldura degajată de radiatoarele de la parter se pierde la nivelul etajului și al mansardei.
Astfel din cele 8 radiatoare a câte 8 elemenți fiecare rezultate din calcul am repartizat 6 radiatoare a câte 9 elemenți fiecare la parter, un radiator cu 4 elemenți în holul de la etaj și un radiator cu 6 elemenți în holul de la mansardă. Astfel s-a realizat acoperirea necesarului de căldură pentru living, hol și casa scării.
CAPITOLUL III. DIMENSIONAREA ȘI ECHILIBRAREA REȚELEI DE ALIMENTARE CU AGENT TERMIC
III.1. Dimensionarea conductelor instalației
La calculul hidraulic al conductelor este necesar să se țină seamă atât de presiunea dată de pompe cât și de presiunea termică, ultima exercitându-se activ pe coloane, fiind cu atât mai mare cu cât acestea se extind pe verticală.
De aici necesitatea de separare a calculului de dimensionare a rețelei de conducte pentru coloane și rețeaua de distribuție.
Etapele de calcul sunt următoarele:
Se stabilește presiunea disponibilă la baza coloanei:
[Pa] (III.1)
în care:
[Pa] (III.2)
HTM – presiunea termică medie, calculată pentru înălțimea maximă a coloanei de alimentare cu agent termic;
Se calculează pierderea de sarcină liniară unitară medie maximă și minimă:
[Pa/m] (III.3)
în care:
[Pa] (III.4)
[Pa] (III.5)
Se identifică consumatorul cel mai dezavantajat.
Se dimensionează conductele circuitului consumatorului cel mai dezavantajat, obținându-se diametrele și pierderile de sarcină totale pe toate tronsoanele și se verifică condiția de echilibru hidraulic:
(III.6)
Încadrarea pierderilor de sarcină între cele două presiuni disponibile maxime și minime este necesară pentru a asigura o cât mai bună stabilitate hidraulică a circuitului.
Dimensionarea racordurilor la coloană, a consumatorilor de putere termică Qx stabilind succesiv:
presiunea disponibilă în planul de racord:
[Pa] (III.7)
presiunea termică medie calculată pentru o înălțime între două corpuri de încălzire:
[Pa] (III.8)
pierderea de sarcină medie unitară:
[Pa/m] (III.9)
determinarea diametrelor și a pierderilor de sarcină locală la conductele de racord;
se verifică condiția de echilibru hidraulic în nodurile de racord:
(III.10)
III.2. Calculul de echilibrare hidraulică
Avantajele echilibrării hidraulice:
– Realizarea confortului termic pentru toate apartamentele din imobil;
– Eliminarea zgomotelor din instalație;
– Prelungirea perioadei de viață a instalației;
– Reducerea pierderilor de căldură;
– Asigurarea debitului corespunzător pentru toți consumatorii;
– Asigurarea controlului adecvat al temperaturii și o valoare scăzuta pe retur;
– Economisirea energiei termice;
– Reducerea costurilor;
– Eliminarea dezechilibrării prin modificarea instalației;
-.Controlul consumului de căldură fără a influența negativ funcționarea instalației de încălzire în ansamblu.
În cazul unor diferențe mari, se introduce o rezistență suplimentară ZRF prin reglarea fixă a robinetului corpului de încălzire, în care treapta de reglare TRF=f(GX,ZRF) se obține din grafic:
[Pa] (III.11)
[l/h] (III.12)
unde:
Qinst – necesarul de căldură, în [W];
Cp – căldura specifică a apei, în [kJ/kg·K];
– temperatură agentului termic la ducere, în [°C];
– temperatură agentului termic la întoarcere, în [°C];
ρm – densitatea medie a agentului termic, în [kg/m3].
Conductele folosite pentru dimensionarea instalației sunt din oțel.
Alegerea treptei de reglare se face în funcție de valoare rezistenței suplimentare.
Echilibrarea se face în fiecare racord în funcție de debitul de apă, G în l/h și pierderea desarcină necesară în racord, în mbar, conform diagramei din figura III.1.
Figura III.1. Pierderile de sarcină în robinetul cu dublă reglare în funcție de debit și de treapta de reglare T
Dimensionarea și echilibrarea pentru coloane sun prezentate în tabelele următoare:
Tabel III.1 Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T1
Tabel III.2: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T1
Tabel III.3: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T1
Tabel III.4: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T1
Tabel III.5: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T1
Tabel III.6: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T2
Tabel III.7: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T2
Tabel III.8: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T2
Tabel III.9: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T2
Tabel III.10: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T2
Tabel III.11: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T3 + Rezistență fixă 100
Tabel III.12: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T3
Tabel III.13: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T3
Tabel III.14: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T3
Tabel III.15: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T3
Tabel III.16: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T4
Tabel III.17: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T4
Tabel III.18: Dimensionarea tronsoanului secundar coloanei T4
Tabel III.19: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsonul secundar coloanei T4
Tabel III.20: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T4
Tabel III.21: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T5
Tabel III.22: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T5
Tabel III.23: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T5
Tabel III.24: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T5
Tabel III.25: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T5
Tabel III.26: Dimensionarea tronsoanelor principale coloanei T6 +500
Tabel III.27: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanele principale coloanei T6
Tabel III.28: Dimensionarea tronsoanelor secundare coloanei T6
Tabel III.29: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru tronsoanelor secundare coloanei T6
Tabel III.30: Echilibrarea racordurilor pentru coloana T6
Tabel III.31: Dimensionarea tronsoanelor pentru traseul principal – coloana 6 (subsol)
Tabel III.32: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru traseul principal – coloana 6 (subsol)
Tabel III.33: Dimensionarea tronsoanelor pentru traseele secundare din subsol
Tabel III.34: Valoarea coeficienților de rezistență locală (ξ) pentru traseele secundare din subsol
Tabel III.35: Echilibrarea racordurilor subsol
CAPITOLUL IV.UTILIZAREA ȘI PROTECȚIA LA FOC A ELEMENTELOR STRUCTURALE DIN LEMN
IV.1. Clasificarea construcțiilor din lemn
Elementele și construcțiile de lemn se calculează în domeniul elastic al comportării materialului. Există posibilitatea folosirii și a altor procedee de calcul în domeniul elastic, cu condiția ca siguranța construcției să fie asigurată.
Construcțiile și elementele de construcție din lemn se clasifică astfel:
a) după durată:
– permanente (durata>4 ani);
– provizorii (durata< 4 ani);
– auxiliare.
b) după condițiile de exploatare:
– adăpostite (ferite de intemperii);
– neadăpostite;
– în apă (permanent sau timp îndelungat);
– supuse alternativ în mediu umed și uscat.
c) după destinație:
– construcții civile, industriale și agricole;
– lucrări de artă (poduri, ziduri de sprijin etc.);
– construcții hidrotehnice;
– speciale (silozuri, buncăre, turnuri de răcire etc.).
d) după sistemul constructiv:
– grinzi;
– cadre;
– arce;
– bolți;
– cupole.
e) după modul de execuție:
– în fabrică sau atelier specializat;
– pe șantier.
IV.2. Clasificarea materialului lemnos utilizat în construcții
Speciile lemnoase folosite la elementele de rezistență ale construcțiilor de lemn sunt cele prevăzute în STAS 857-83 “Piese și elemente din lemn pentru construcții”. Pentru elementele folosite constructiv ce nu necesită calcule de rezistență, se pot utiliza și alte specii lemnoase, cu condiția ca acestea să nu afecteze comportarea elementelor de rezistență a clădirii.
Clasificarea materialului lemnos:
a) După modul de debitare (tivită sau netivită):
– margine;
– scândură brută;
– margine tivită.
b) După umiditate:
– verde >30%;
– zvântată 24-30%;
– semiuscată 18-24%;
– uscată <18%.
c) După sortimente:
– scânduri;
– dulapi;
– șipci;
– rigle;
– grinzi;
Materialul lemnos pe sortimente, utilizat pentru elementele de rezistență ale construcțiilor de lemn se regăsesc ca:
Lemnul brut folosit în construcții sub formă de:
prăjini;
lemn rotund de rășinoase și foioase pentru construcții;
lemn brut rotund de mină;
stâlpi de fag pentru lini aeriene;
stâlpi de lemn pentru lini aeriene;
lemn rotund pentru piloni.
Lemnul ecarisat folosit sub formă de:
scânduri și dulapi;
șipci și rigle;
grinzi cu două, cu trei și cu patru fețe plane și paralele între ele.
Pentru realizarea unor elemente de construcții mai puțin solicitate se pot folosi noile materiale precum și înlocuitori ai lemnului, rezultați din valorificarea superioară a lemnului astfel:
panel;
plăci din așchii de lemn PAL;
plăci celulare de lemn;
plăci din fibre de lemn PFL;
placaje.
Pentru realizarea îmbinărilor se folosesc:
șuruburi pentru lemn;
piulițe;
șaibe.
Pentru confecționarea unor elemente de construcție (grinzi din scânduri bătute în cuie, arce cu inimă plină), cât și asamblarea formelor realizate din elemente subțiri, se vor folosi cuie din sârmă de oțel.
În funcție de modul de păstrare al structurii lemnului produsele se împart în două categorii:
produse care păstrează structura lemnului;
produse care nu păstrează structura lemnului.
Produsele care păstrează structura lemnului sunt produsele brute, produse din lemn ecarisat (grinzi, dulapi, scânduri, șipci și rigle), produse semifinite (lemn încleiat, panouri) și finite.
Produsele care nu păstrează structura lemnului au apărut datorită satisfacerii necesității de gabarite mari pentru executarea anumitor construcții ca de exemplu panourile din lemn reconstruit sau panourile din lemn compozit. Aceste panouri raportate la lemnul masiv prezintă o serie de avantaje:
varietate mare a dimensiunilor;
anizotropie redusă;
stabilitatea dimensiunilor în plan.
Panourile pe bază de material lemnos au un domeniu larg de aplicabilitate în mai multe industrii, dar peste 50% se folosesc ca elemente de construcție pentru acoperișuri, șarpante, cofraje, scări, uși etc.
Produsele brute din lemn se obțin din trunchiuri curățate și decojite după care sunt folosite direct la eșafodaje, piloți, schele, stâlpi pentru linii aeriene, lemn de mină, elemente de rezistență pentru diferite construcții (grinzi, popi etc.)
Produsele din lemn ecarisat se obțin prin debitarea lemnului pe direcție longitudinală.
Scândurile sunt produse cu o formă dreptunghiulară, cu fețele plane si paralele, cu lățimea minimă de 80 mm iar grosimea lor variază în funcție de tipul lemnului: la rășinoase grosimea este de maximum 24 mm, iar la foioase de 40 mm.(figura I.3)
Dulapii au aceeași formă ca și scândurile cu modificări ale dimensiunilor și anume 28-75 mm la rășinoase și 50-90 mm la foioase iar grosimea este cuprinsă intre 100 mm și o valoare mai mare decât dublul grosimii lor.(figura I.4)
Grinzile sunt produse cu secțiune pătrată sau dreptunghiulară având două, trei,sau patru fețe plane și dimensiunea laturii de minim 100 mm la rășinoase și minim 120 mm la foioase. (figura I.5)
Fig.IV.1 Scânduri Fig.IV.2 Dulapi Fig.IV.3 Grinzi
Dintre aceste produse, o importanță deosebită în structura de rezistență a unei construcții din material lemnos este reprezentată de grinzi.
Pentru realizarea unei construcții se mai pot folosi și alte materiale precum cele compozite dar acestea nu pot constitui elemente portante. Din acest domeniu fac parte furnirul, lemnul încleiat, placajele, lemnul stratificat sau lamelat, panelul.
IV.3. Avantajele lemnului utilizat în construcții
Lemnul prezintă o densitate mai mică decât celelalte materiale de construcție precum oțel, zidărie, beton armat etc. și se poate constata că lemnul este de 3,5 pană la 16 ori mai ușor.
Raportul rezistență – densitate este comparabil cu valoarea pentru lemn si oțel atât la întindere cât și la compresiune.
Un alt avantaj al construcțiilor din lemn este comportarea favorabilă la acțiunile seismice datorită greutății reduse a lemnului. Aceste construcții pot fi amplasate pe terenuri dificile din punct de vedere al fundării și necesită un consum mai mic de materiale necesare fundației.
Lemnul poate fi adus cu ușurință la orice formă și model datorită rezistenței mici la prelucrare atât pe șantier cât și în fabrică, și oferă posibilitatea realizării construcțiilor în orice anotimp. Viteza de execuție a construcției este relativ mare și nu necesită timp de așteptare după realizarea acesteia, putând astfel fi folosită imediat după finalizarea lucrărilor.
Lemnul poate fi modelat după o gamă largă de forme și dimensiuni, spre deosebire de alte materiale de construcție precum betonul armat, zidăria, oțelul etc. Există construcții cu forme sub arce sau cupole cu deschideri ce pot depăși 100 de metri. (Figura IV.1)
Fig.IV.4 Construcție din lemn sub formă de cupolă
IV.3.1 Proprietățile termice ale lemnului favorabile construcțiilor
Coeficientul de dilatare termică „λ” al lemnului este redus comparativ cu cel al oțelului, betonului și cărămidei, fapt ce-l face un material foarte bun pentru izolarea termică. Materialul lemnos se opune trecerii unui flux de căldură cu o rezistență de 300 – 400 de ori mai mare decât la trecerea prin oțel și de 7-10 ori mai mare decât la trecerea prin beton.
Coeficientul de dilatare termică în lungul fibrelor „α” este redus ceea ce face să nu fie nevoie de rosturi de dilatare termică pentru construcțiile din lemn. De exemplu, coeficientul de dilatare termică „α” al betonului și al oțelului este de 2-3 ori mai mare decât coeficientul de dilatare termică al lemnului de rășinoase.
IV.3.2 Comportarea din punct de vedere al rezistenței la foc relativ bună
Deși lemnul este un material combustibil, elementele masive se comportă bine la foc din punct de vedere al degradării structurale a acestora deoarece se consumă lent cu o viteză de 0,5- 0,7 mm/min. Într-un interval de timp de 15 minute se consumă doar un centimetru din secțiunea transversală, timp necesar incendiului să dezvolte temperaturi de până la 700-800 ̊ C. Cu toate acestea, rezistența și rigiditatea în interiorul secțiunii carbonizate rămân neschimbate. (Figura IV.2)
Fig.IV.5 Secțiune prin lemn carbonizat
IV.4 Dezavantajele construcțiilor din lemn
Caracteristicile mecanice și fizice variază pe diferite direcții față de direcția fibrelor.
Rezistențele sunt diferite în lungul și în secțiunea trunchiului unui lemn datorită neomogenității structurii acestuia, variația fiind cuprinsă între 10 si 40 %.
Umiditatea are o influență negativă asupra caracteristicilor fizice și mecanice pe față de direcția fibrelor. O variație a umidității de la 5 până la 15 % duce la scăderea rezistenței la compresiune, la unele specii, de aproape 2 ori. De asemenea, prezența umidității poate favoriza apariția unor specii de ciuperci ce sunt dăunătoare atât lemnului cât și sănătății ocupanților.
Pentru executarea unor elemente de construcție avem nevoie de diferite secțiuni și lungimi. De exemplu, elementele de construcție cu secțiunile ce depășesc 20 cm sau cu lungimi mari ce depășesc 5 metri duc de cele mai multe ori la costuri ridicate.
Printre cele mai importante defecte naturale ale lemnului se numără cele de formă, structură, crăpături. Alte defecte sunt cauzate de ciuperci, de insecte, de unele substanțe chimice precum și umflarea, contracția acestuia reprezintă un dezavantaj.
IV.5 Caracteristicile lemnului
IV.5.1 Caracteristicile fizice ale lemnului
Umiditatea este o caracteristică foarte importantă ce influențează toate proprietățile lemnului și produselor derivate din lemn. Umiditatea duce și la modificarea dimensiunilor elementelor.
În funcție de umiditate există trei domenii:
domeniul lemnului uscat, umiditate < 20% ;
domeniul lemnului semiuscat, umiditate < 30% sau maxim 35% pentru elementele structurale cu secțiunea transversală mai mare de 200 ;
domeniul lemnului umed .
În construcții pentru evitarea unor fenomene negative ce sunt cauzate de contracții trebuie ca lemnul și produsele din lemn folosite să fie alese cu un grad cât mai mic de umiditate.
Normele românești nu dau anumite valori pentru umiditatea produselor din lemn puse în operă la fel ca în țările europene, dar recomandă o valoare maximă de 18% și adoptarea anumitor soluții constructive care sa permită ventilarea elementelor.
Densitatea este aceeași pentru toate esențele și anume de 1,55 g/cm3, chiar dacă prin structura sa, lemnul este un material mai mult sau mai puțin poros. Caracteristicile mecanice ale lemnului sunt influențate de variația densității astfel că la rășinoase variația densității caracteristice este cuprinsă intre 400 kg/m3 și 500 kg/m3. Din acest motiv pentru elementele de rezistență nu se folosește lemn cu densitate sub 400 kg/m3.
Prin contracție și umflare înțelegem schimbarea dimensiunilor elementelor structurale din lemn sub acțiunea umidității. Din punct de vedere higroscopic pereții celulelor cuprind o anume cantitate de apă indusă de umiditatea mediul înconjurător, care la rândul ei variază cu umiditatea exterioară fapt ce provoacă contracția și umflarea lemnului.
Variațiile de contracție datorită umidității pot cauza, pe lângă variația dimensiunilor, fisurarea și crăparea lemnului, fapt ce duce la scăderea rezistenței mecanice. Aceste variații mai pot cauza dificultății pentru îmbinările elementelor din lemn unde se produc „jocuri” și implicit pierderea rezistenței întregului ansamblu.
În cazul grinzilor, deoarece crăpăturile verticale au o influență mai mică asupra capacității portante decât cele orizontale, se recomandă în cazul apariției unor contracții mari, practicarea în axa grinzii a unei crestături verticale cu adâncimi de 2-2,5 cm și lățimi de 4-5 mm.
IV.5.2 Caracteristicile termice ale lemnului
Folosirea lemnului în construcții în special pentru finisaje și izolații depinde de proprietățile termice ale acestuia. Din punct de vedere al conductibilității termice lemnul uscat,cu umiditate sub 20% poate fi considerat un bun izolator termic.
Conductibilitatea termică depinde de umiditatea și densitatea lemnului. Pentru un flux perpendicular pe fibre coeficientul de conductibilitate termică, pentru densități de 300-800 kg/m3 și umiditate ce nu depășește 40% se calculează cu relația:
[W/mK] (IV.1)
unde:
λ0 – coeficient de conductibilitate termică (W/mK) ;
ρ0 – densitatea lemnului (kg/m3) ;
ω – umiditatea (% ) ;
La fel ca și celelalte materiale și lemnul își schimbă dimensiunile proporțional cu variațiile de temperatură, bineînțeles în limite normale de temperatură. Această modificare este posibilă datorită coeficientului de dilatare termică αT și este diferită pe cele 3 direcții principale (radială,tangențială și longitudinală). Coeficientul de dilatare termică longitudinală la lemn este mult mai redus în comparație cu oțelul și betonul, ceea ce face să nu mai fie necesare rosturile de dilatare pentru construcțiile din lemn. Schimbarea de temperatură duce la schimbări de umiditate, după care apar contracții și umflări ce sunt în sens invers deformațiilor de temperatură.
IV.5.3 Caracteristicile mecanice ale lemnului
Există o serie de factori mai importanți de care depind proprietățile mecanice ale lemnului și anume: caracterul și natura solicitării, viteza de încărcare și durata de menținere a încărcării, direcția solicitării față de fibre, specia, umiditatea, structura și defectele lemnului etc.
Aceste caracteristici se determină în laborator pe epruvete la dimensiuni mici confecționate din lemn fără defecte. Toate încercările sunt determinate pentru o umiditate a lemnului de 12%.
Rezistența la compresiune paralelă cu fibrele la lemnul folosit în structuri este influențată de umiditate, prezența defectelor și de zveltețea barelor, ajungând la valori cuprinse între 20-40 N/mm2.
Rezistența la compresiune perpendiculară pe fibre este de circa 5-10 ori mai mică decât rezistența paralelă cu fibrele și are valori curente de 2-4 N/mm2.
Solicitarea la compresiune transversală se întâlnește sub forma strivirii și compresiunii pe toată suprafața elementului cât și sub forma solicitării pe o parte din lățime și din lungime. În cazul elementelor structurale, la calculul de proiectare se urmărește efectul creșterii rezistenței la compresiune locală în funcție de suprafața comprimată, prin modificarea rezistențelor cu un coeficient supraunitar.
În funcție de esența lemnului, rezistența la compresiune paralelă cu fibrele are valori cuprinse între 30 și 90 N/mm2 pentru foioase, iar pentru rășinoase valorile sunt de 40-50 N/mm2.
Rezistența la întindere se determină pe direcția paralelă, perpendiculară, tangențială și radială cu fibrele. Comparativ cu rezistența la compresiune rezistența la întindere paralelă cu fibrele este superioară de 2-2,5 ori mai mare cu valori de 60-150 N/mm2 pentru rășinoase. Cu mult mai mică decât cea paralelă este rezistența la tracțiune perpendiculară pe fibre aceasta fiind 2–2,5 % din rezistența la întindere paralelă cu fibrele. Valorile rezistenței depind foarte mult de volumul de lemn solicitat.
Rezistența la încovoiere este influențată de prezența nodurilor, de umiditate, de direcția fibrelor, de raportul dintre înălțimea și lungimea grinzii precum și de forma secțiunii transversale .
La elementele structurale din lemn rezistența la încovoiere poate fi influențată de fenomenul de instabilitate laterală a grinzii care, de altfel, duce la scăderea capacității portante.
Forfecarea paralelă cu fibrele apare la elementele încovoiate în lungul axei neutre sau la diferite tipuri de îmbinări. Forfecarea perpendiculară pe fibre poate apărea pe reazăme și în zonele unde sunt aplicate forțe concentrate. În practică o importanță deosebită o reprezintă rezistența la forfecare în plan longitudinal, care apare la elementele încovoiate.
IV.5.4 Arderea și carbonizarea lemnului
Reacția care predomină la arderea lemnului este o depolimerizare, o descompunere mai accentuată ce duce la apariția a patru categorii de produse:
gaze necondensabile;
gudroane;
produși pirolignoși;
cărbune de lemn;
În cazul unei descompuneri pirolitice într-un mediu sărac în oxigen, la nivelul unei mase de celuloză se constată, la o temperatură cuprinsă între 250 și 300 șC, o creștere rapidă a temperaturii în centrul masei de celuloză, aceasta putând sa depășească cu mult temperatura exterioară.
Această reacție exotermă, în principal în cazul lemnului, prezintă o importanță deosebită în inițierea și dezvoltarea arderilor lente. Temperatura la care se inițiază acest fenomen se află în strânsă legătură cu masa și geometria cantității de celuloză.
Odată cu încălzirea lemnului la temperaturi peste 400-500 șC sau la arderea lui, între 15-25% din masă se transformă în reziduu cărbunos, majoritatea provenind din conținutul de lignină. Doar 50% din lignină se volatizează.
Materialele ignifuge utilizate pentru îmbunătățirea comportării la foc a lemnului, favorizează procesele de formare a cărbunelui. Totodată materialele ignifuge care conțin borați și fosfați modifică compoziția volatilelor în favoarea gudroanelor. Căldura de ardere a volatilelor scade, fapt ce va diminua cantitatea de căldură transferată de la flacără către suprafață.
La temperaturi cuprinse în intervalul 210-280 șC se degajează o cantitate mare de substanțe volatile, care se aprind în aer iar la temperaturi mai mari de 300 șC structura fizică a lemnului începe să se rupă rapid. În cărbune apar mici fisuri, perpendicular pe direcția fibrei care sa lărgesc gradual, dând naștere la un model fisurat de tip crocodil.
Grosimea stratului carbonizat crește o dată cu evoluția sistemului în timp, fapt ce duce la micșorarea treptată a secțiunii și în final formarea secțiunii critice ce poate duce la prăbușirea elementului de construcție sub acțiunea sarcinii.
Modelul fisurat tip crocodil, se poate interpreta ca un indiciu pentru viteza de dezvoltare a incendiului, dar numai în corelare cu alte indicii. Atunci când fisurile din lemn sunt adânci, transversale pe fibră și proeminente între ele, se poate presupune că este o expunere îndelungată la incendiul cu ardere mocnită (figura IV.3 ). Când fisurile sunt dese, superficiale, direcționate atât transversal cât și longitudinal pe fibră iar suprafețele de separație sunt mici se poate spune că este o expunere rapidă la un incendiu cu dezvoltare rapidă (figura IV.4 ).
Fig.IV.6Probă de lemn (ardere mocnită) Fig.IV.7 Probă de lemn (ardere rapidă)
IV. 6 Metode de protecție la foc a elementelor structurale din lemn
IV.6.1 Protecția pasivă împotriva incendiilor
În timp ce majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu elementele de bază ale unui sistem de stingere a incendiilor activă, protecția pasivă la foc este ceea ce împiedică un incendiu la punctul său de origine. Protecția pasivă împotriva incendiilor, în ciuda numelui, este mereu în acțiune. Componentele și sistemele sunt destinate să rețină incendiile sau să încetinească răspândirea acestora prin utilizarea unor elemente de construcție rezistente la foc, cum ar fi pardoseli sau pereți rezistenți la foc.
Clasificarea de ocupare sau de utilizare a unei clădiri joacă un rol-cheie în organizarea și prescrierea unei măsuri adecvate de protecție împotriva incendiilor. Clasificările grupurilor de ocupare sunt fundamentale în determinarea caracteristicilor necesare ale construcțiilor și siguranța ocupanților, inclusiv limitări ale geometriei construcției, mijloace de ieșire, protecția împotriva incendiilor și finisaje interioare. De exemplu, regulile pentru dimensiunile structurilor se bazează pe pericole specifice asociate cu gradul de ocupare, precum și de caracteristicile materialelor folosite.
IV.6.2 Ignifugarea lemnului
Apărarea lemnului contra acțiunii focului se realizează prin tratarea cu substanțe denumite ignifuge care au scopul de a mări rezistența materialelor lemnoase la ardere. Prin natura lor organică aceste elemente structurale fac parte din categoria substanțelor combustibile și prin ignifugare nu pierd această proprietate. Procesul de ignifugare duce la o întârziere a aprinderii, iar după aprindere, la o încetinire a procesului de ardere, prin suprimarea flăcării și, pe cât posibil, și la stingerea mai rapidă a jarului.
Efectul de întârziere a procesului de ardere este limitat și conduce în practică la prelungirea timpului necesar pentru declanșarea unui incendiu – apreciat de cca. 30-60 minute. Efectul de stingere a flăcării are mare importanță practică pentru propagarea focului.
Pentru a înțelege cât mai bine rolul substanțelor ignifuge în procesul de ardere, este necesar să se facă o examinare a fazelor arderii. În urma analizării acestor faze rezultă că în lupta contra acțiunii focului trebuie să se evite îndeplinirea simultană a celor două condiții de bază ale arderii: încălzirea la temperatură ridicată a materialelor (evitarea formării gazelor inflamabile) și contactul cu aerul, care prin prezența oxigenului întreține arderea.
Practic, evitarea condițiilor de ardere poate fi realizată prin următoarele căi:
Crearea unui strat protector care să ferească materialele inflamabile de temperaturi prea ridicate – împiedicându-se astfel descompunerea lor și formarea de gaze inflamabile.
Rarefierea gazelor inflamabile în așa fel încât să devină neinflamabile.
Împiedicarea accesului oxigenului, respectiv a aerului, în timpul arderii, prin formarea de gaze inerte.
Favorizarea formării la suprafață a unui start izolator carbonizat.
Reducerea incandescenței stratului de cărbune.
IV.6.3 Clasificarea substanțelor ignifuge și modul lor de acțiune
Substanțele ignifuge pot fi grupate, din punct de vedere al modului cum acționează, în următoarele categorii:
Substanțe solide, cu acțiune mecanică, care se aplică sub formă de amestecuri lichide, realizând după uscare un înveliș în stare solidă care nu arde și împiedica accesul oxigenului. Stratul trebuie să adere bine la suprafața materialului, să nu conducă ușor căldura și să nu crape la variații de temperatură. Din această categorie fac parte următoarele substanțe: tencuielile de ciment, var, cretă, cenușă, talc, argilă.
Substanțe solide care se topesc la căldură, în timpul focului formând un inveliș protector, în parte pătrunzând și în straturile superficiale ale materialului respectiv. Acesta exercită o protecție mecanică sub forma unui strat izolator, caracterizat printr-o aderență mai bună ca a substanțelor de la punctul de mai sus.
Substanțe care produc prin topire învelișuri spumoase, bogate în cărbune, izolând foarte bine restul lemnului de căldură – de exemplu substanțele pe bază de silicați.
Substanțele care produc în timpul arderii gaze inerte și care împiedică accesul oxigenului la suprafața materialului, îngreunând astfel arderea gazelor produse din descompunerea lemnului. Un astfel de efect este realizat, de exemplu, de amestecul pus în libertate în timpul arderii de unele săruri de amoniu.
Substanțe care produc carbonizarea la suprafața de contact. Prin descompunerea unor substanțe sub influența căldurii se pun în libertate acizi sau baze care duc la formarea unui strat de cărbune la suprafață, la temperaturi joase, acesta fiind rău conducător de căldură și micșorează deci inflamabilitatea materialelor lemnoase.
Substanțele care exercită mai multe acțiuni de protecție în același timp.
IV.6.4 Condițiile tehnice ce trebuie îndeplinite de către substanțele ignifuge
Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească substanțele ignifuge pentru a realiza o protecție cât mai bună contra acțiunii focului sunt:
să pătrundă cât mai bine în materialele care se tratează;
să se fixeze pe substrat;
să nu atace materialele supuse la ignifugare;
să nu corodeze metalele cu care ar veni în contact;
să fie ieftine și ușor de preparat din materii prime disponibile;
să nu necesite o manoperă prea complicată;
să păstreze cât mai mult timp eficacitatea de ignifugare;
să nu favorizeze atacul ciupercilor.
Prima condiție, aceea de pătrundere în masa lemnului este de mare importanță, condiționând în cele din urmă eficacitatea ignifugării.
Pentru a ajuta difuzia, se adaugă substanțe vehiculante – sulfonații diferitelor uleiuri vegetale, amoniac, sau agenți de umectare care reduc tensiunea superficială a lichidelor.
IV.7 Substanțele utilizate pentru ignifugare
IV.7.1 Compușii acidului boric
Boraxul (Na2B4O7*10H2O), acidul boric (H2BO3) și perboratul de amoniu [(NH4)2B4O7*4H2O] sunt în general foarte bune antipirene. Boraxul prin încălzire se umflă, la 350-450șC degajă vapori de apă și pierde toată apa de cristalizare, la 740șC se transformă într-un înveliș sticlos. El posedă de asemenea și proprietăți antiseptice.
Perboratul de amoniu posedă proprietăți ignifuge foarte puternice; fiind însă foarte scump și nu este utilizat în practică.
IV.7.2 Sărurile acidului fosforic
Fosfatul secundar de amoniu, [(NH4)2HPO4] și monofosfatul de amoniu [(NH4)2H2PO4] prezintă o ignifugare foarte bună datorită faptului că în timpul arderii, sărurile pun în libertate amoniac și acid fosforic care acoperă lemnul cu o peliculă de protecție. Eficacitatea deosebită a acestor săruri constă în stingerea completă a flăcării în timpul procesului de ardere. Nu sunt toxice, însă au dezavantajul că în condiții prielnice favorizează dezvoltarea ciupercilor.
Pentru a evita această acțiune, se amestecă cu substanțe fungicide: dinitrofenol, NaF, fluorosilicat de Na sau de Mg.
Fosfatul secundar de amoniu este considerat ca cea mai eficace dintre sărurile de amoniu, prezentând o eficacitate pe o durată de mai mulți ani întrucât este relativ puțin volatil.
Proprietăți ignifuge prezintă și fosfatul acid de magneziu precum (MgHPO4)și trifosfatul de potasiu (K3PO4*4H2O).
IV.7.3 Sărurile acidului clorhidric
Clorura de amoniu, (NH4Cl), este o sare cu eficacitate mare, însă relativ volatilă, iar din această cauza ignifugarea nu persistă un timp îndelungat. Chiar în apropierea focului se volatilizează înainte de descompunere.
Explicând ineficacitatea ei în cazul ignifugării de suprafață, eficacitatea sa este superioară în cazul impregnării prin metoda vacuum-presiune. Un alt dezavantaj al acestei substanțe o reprezintă acțiunea corozivă asupra metalelor.
Clorura de calciu, (CaCl2*6H2O) prezintă proprietăți ignifuge prin pierdera apei de cristalizare conținută și prin topire acoperă lemnul, precum și printr-o ușoară acțiune de carbonizare parțială. Are eficacitate în cazul impregnării prin înglobarea unei mari cantități. La suprafață nu are eficacitate.
Clorura de zinc, (ZnCl2) pe lângă proprietățile ignifuge prezintă și proprietăți fungicide. Are dezavantajul că este foarte higroscopică, corodează metalele, iar la concentrații ridicate de peste 5% influențează negativ rezistențele mecanice ale lemnului.
Clorura de aluminiu, (AlCl6*12 H2O) prezintă o eficacitate mare dacă este aplicată în cantitate suficientă. Acest produs exercită o acțiune de descompunere și de carbonizare superficială a lemnului sub influența căldurii, prin punerea în libertate a (HCl) și o micșorare a temperaturii prin degajarea vaporilor de apă.
Clorura de magneziu, (MgCl2*6H2O), prezintă o eficacitate suficientă numai în cazul în care este utilizată prin impregnare, prin vacuum și presiune nefiind indicată pentru tratamente de suprafață. La temperaturi ridicate exercită o acțiune de carbonizare asupra lemnului, mai mare decât clorura de calciu, însă nu acționează asupra stingerii flăcării. În timpul arderii se formează oxid de magneziu, cu coeficient de conductivitate termică mare, având o influență negativă asupra proprietăților ignifuge ale lemnului.
IV.7.4 Sărurile acidului sulfuric
Sulfatul de amoniu (NH4SO4) ocupă un loc primordial între sărurile acidului sulfuric având eficacitate mare în cazul în care este utilizat la impregnarea în împrofunzime a lemnului și o eficacitate relativ redusă pentru tratarea superficială.
Ca material ignifug, produsul este ieftin având eficacitatea aproape egală cu cea a fosfatului de amoniu cu care se utilizează în amestec la ignifugare în profunzime.
Sulfatul de aluminiu, [Al2(SO4)3•18H2O] are proprietăți ignifuge, cu condiția de a fi utilizat în cantități suficiente. Proprietățile ignifuge se manifestă prin eliminarea apei de cristalizare și prin carbonizarea lemnului în urma descompunerii termice cu punerea în libertate a acidului sulfuric.
IV.7.5 Sărurile acidului carbonic
Carbonații alcalini de Na sau K, sunt caracterizați prin acțiunea de carbonizare a lemnului în urma descompunerilor la temperatură mare, ridicând temperatura de aprindere și punctul de inflamabilitate al materialelor. Astfel, o soluție de 10% carbonat de sodiu sau potasiu, mărește temperatura de inflamabilitate a lemnului cu 220-225șC peste temperatura obișnuită.
Carbonatul de potasiu, (K2CO3•2H2O),este aplicat prin pensulare, în două reprize, în concentrația de 46% cu rezultate foarte bune. Produsul nu exercită o influență negativă asupra rezistenței lemnului decât într-o măsură practic foarte redusă, nu favorizează dezvoltarea ciupercilor și nu atacă fierul.
Carbonatul de sodiu, (Na2CO3•2H2O), prezintă de asemenea însușiri ignifuge, care sunt însă inferioare carbonatului de potasiu. Cel mai mare inconvenient îl constituie, faptul că formează eflorescență și poate să se desprindă de pe lemn după un anumit timp.
IV.7.6 Sărurile acizilor siliciului
Silicatul de sodiu, (Na2SiO3), și silicatul de potasiu, (K2SiO3), ocupă un loc important în grupa substanțelor ignifuge aplicate de regulă la suprafața lemnului. Se aplică prin pensulare sau șprițuire. Eficacitatea se datorează topirii acestora sub acțiunea focului și formarea unui înveliș izolator, spumos la suprafața lemnului.
Soluțiile trebuie aplicate în mai multe reprize (de concentrație crescândă) pentru a pătrunde într-o oarecare măsură în lemn, a adera cât mai bine și pentru a se forma o peliculă suficient de groasă (180 g sare la 1 m3 lemn). Aceste săruri prezintă dezavantajul că nu sunt stabile în aer întrucât sub acțiunea dioxidului de carbon se descompun.
Descompunerea începe la câteva săptămâni de la aplicare formându-se la suprafață fulgi albi care se desprind ușor. O atenuare a procesului se realizează prin aplicarea soluțiilor în trei reprize din care prima foarte diluată pentru a se favoriza difuzia în lemn și prin adăugarea de diferite ingrediente în soluții. Eficacitatea silicaților se apreciază la cca. 1 an.
Soluțiile sunt instabile în timp, de aceea se adaugă pentru stabilizare sodă causică. Silicații pot fi utilizați și în amestec cu cretă, caolin, talc sau kieselgur pentru a se mări stabilitatea în timp și aderența la lemn. După uscare stratul trebuie să aibă 1 mm grosime. Adăugându-se [Ca(OH)2] se obține un înveliș mai rezistent la spălare.
IV.7.7 Alte substanțe ignifuge
Bromura de amoniu (NH4Br), posedă însușiri fungicide ridicate și o eficacitate relativ îndelungată, dar atacă puternic metalele.
Acetatul de sodiu, exercită o acțiune ignifugă suficientă și o bună impregnare, prin imersie. Produsul nu este coroziv, însă favorizează dezvoltarea ciupercilor.
Parafina cu un conținut de 70 % clor dă bune rezultate. Se utilizează în amestec în care ea trebuie să fie în proporție de minimum 30-50%.
IV.8 Prepararea și aplicarea substanțelor ignifuge
După modul de aplicare și de acțiune materialele care se folosesc în practică pentru ignifugarea lemnului se împart în următoarele grupe:
produse care formează pelicule subțiri de materiale ignifuge și termoizolatoare;
vopsele speciale ignifuge;
soluții de săruri pentru ignifugare în profunzime a lemnului.
IV.8.1 Produse care formează acoperiri ignifuge și termoizolatoare
Din această categorie fac parte materialele care, de regulă, reacționează mecanic la procesele de ardere. Acestea se aplică sub formă de straturi subțiri de 3-5 mm.
Folosirea ca materiale ignifuge a tencuielilor termoizolatoare și a acoperirilor, de exemplu tencuială obișnuită cu var, are ca scop îngreunarea transmiterii căldurii de la sursa de foc, ceea ce face ca descompunerea termică a lemnului sub acțiunea căldurii să se producă foarte încet, posibilitatea aprinderii de la o sursă de foc fiind exclusă.
În literatura de specialitate se recomandă următoarele:
învelișuri pe bază de ciment, lapte de var cu adaos de argilă, lut, fibre organice.
tencuieli pe bază de agregate organice, care au la bază pe lângă ciment și var, făină de lemn sau turbă, pentru evitarea mucegăirii se adaugă 3-5% soluție de (FeSO4).
tencuieli pe bază de agregate anorganice, având la bază ciment sau var cu adaos de zgură de cazane.
chituri pentru umplerea crăpăturilor. Această operație precede ignifugarea. Se poate întrebuința fie în aceeași compoziție ca la acoperirea suprafețelor, fie pa bază de ipsos sau argilă cu nisip.
IV.8.2 Vopsele speciale ignifuge
Vopselele ignifuge se împart în două categorii:
vopsele și straturi ignifuge pe bază de silicați solubili;
vopsele de aplicat la suprafață fără silicați.
Proprietățile ignifuge ale vopselelor ignifuge pe bază de silicați se datorează prezenței sticlei solubile libere și introducerii de agregate stabile la acțiunea atmosferică (cretă, pământ, etc.). Agregatele transformă, într-o anumită măsură, sticla solubilă în compuși insolubili, micșorând astfel proprietățile ignifuge ale vopselelor.
Pentru a putea preveni crăparea peliculelor de vopsele pe bază de silicați, care sunt de regulă puțini elastice, la prepararea vopselei se adaugă clei animal, amidon, cauciuc, sau un exces de sticlă solubilă.
Pentru a mări rezistența la foc a acestor vopsele se adaugă azbest de calitate inferioară.
Rețete de vopsele:
Rețeta 1
silicat de sodiu 45ș Be 40%
apă 20%
pigment mineral (ocru, miniu de fier) măcinat fin 4%
dolomit, măcinat fin 3%
argilă roșie, trecută prin sită cu 900 ochiuri/cm2 4%
cretă 9%
Rețeta 2
silicat de sodiu (50ș Be) 44%
talc 30%
cretă 14%
apă 12%
În categoria vopselelor fără silicați intră vopsele, fie pe bază de substanțe cu acțiune pur mecanică, fie combinată. Se prepară pe bază de argilă, lapte de var, ipsos, și un liant (clei animal sau soluție sulfitică îngroșată).
Se utilizează următoarele rețete:
Rețeta 1 (vopsele pe bază de borat de zinc)
borat de zinc 6,70 părți
miniu de fier 3,30 părți
ulei de în fiert 10 părți
terebentină 1 parte
Rețeta 2 (vopsele pe bază de suflat și fosfat de amoniu)
sulfat și fosfat de amoniu 15%
fosfat secundar de amoniu 15%
apă 40%
soluție bisulfitică îngroșată 30%
Rețetele ignifuge pot îngloba și alte ingrediente cu acțiune mecanică (azbest praf) sau cu acțiune chimică (clorură de amoniu, clorură de zinc).
IV.8.3 Soluții ignifuge pentru ignifugarea în profunzime a lemnului
Eficacitatea acestor soluții ignifuge depinde în principal de natura sărurilor utilizate, de adâncime de difuzie și de cantitatea de sare introdusă în lemn. Rețete:
sulfat de amoniu (15%), borax (3%), fosfat de amoniu (5%), fluorură de sodiu (2%),
apă (75%).
2. Sulfat de amoniu (20%), borax (5%), apă (75%).
3. Sulfat de amoniu (20%), fosfat de sodiu (10%), fluorură de sodiu (2%),
apă (68%).
4. Sulfat de amoniu (23%), fluorură de sodiu (2%), apă (75%).
IV.8.4 Soluții internaționale pentru protecția împotriva incendiilor
Solutia 1:Peretele uscat
Peretele uscat de o jumătate de inch grosime poate fi folosit ca atașament la partea inferioară a grinzilor de la pardoseală sau montat vertical de ambele părți ale grinzilor de lemn.
Fig.IV.8 Peretele uscat
Soluția 2:ROXUL – Vata minerală izolantă
Roxul sau vata minerală izolantă poate fi instalată între grinzile de lemn pe partea de sus a flanșelor de fund și fixată prin elemente de fixare de sârmă.
Fig.IV.9 Vată minerală izolantă între grinzi
Soluția 3:FireBreak Izolație cu fibră de ceramică
Fig.IV.10 Izolație cu fibră ceramică
Soluția 4:Joanta VERSA-LAM
Instalarea joantelor VERSA-LAM se face la fel ca în cazul convenționalelor scânduri uscate la cuptor și oferă o durată de viață mai lungă.
Fig.IV.11 Scânduri uscate la cuptor
IV.8.5 Procedee de ignifugare
Pot fi împărțite în două mari categorii:
procedee de suprafață;
în profunzime.
Din punct de vedere al eficacității și al duratei în timp, cele din grupa a doua sunt de regulă superioare însă mai greu de aplicat în practică.
Tratarea la suprafață poate fi efectuată prin pensulare sau stropire, iartratarea în profunzime prin procedee mai complicate: prin imersare în băi sau prin presiune și vacuum.
Placajele și plăcile aglomerate pot fi ignifugate prin aplicarea mai multor procedee și anume:
tratamente aplicate după fabricarea lor
tratamente aplicate în timpul procesului de fabricație
tratamente aplicate anterior fabricării plăcilor, asupra materialului lemnos care intră în componența acestora.
Concluzii
Omul va avea nevoie mereu de căldură. Este una din cerințele de bază pentru supraviețuire. Evoluția și lipsa spațiului de locuit îl va împinge să își construiască locuința în medii din ce în ce mai ostile. Pentru a face față cerințelor de confort, sistemele de încălzire au evoluat odată cu omul, dezvoltându-se noi tehnologii și tehnici care asigură gradul de confort dorit.
Radiatoarele de tip bimetal, în opinia multor specialiști în domeniul instalațiilor termice, pot constitui o alegere avantajoasă, perioada de garanție acordată de producători fiind una dintre cele mai mari din această categorie de produse
Am ales radiatoare de radiatorul BIMETAL deoarece acesta reprezintă cel mai performant corp de încălzire creat până în prezent, el profitând de avantajele materialelor componente: oțelul și aluminiul, fără a prelua nici unul din defectele acestora. Radiatorul BIMETAL are cea mai mare garanție din clasa radiatoarelor, lucru ce confirmă calitatea produslui.
Pentru obținerea unor costuri reduse de exploatare, preîntâmpinarea uzurii instalației și apariția unor indicii ale unor defecțiuni în funcționare, este necesară o dimensionare corectă a instalațiilor termice, respectând reglementările tehnice în vigoare.
În partea finală a lucrării am prezentat caracteristicile lemnului ca material de construcție, proprietățile acestuia și principalele avantaje și dezavantaje ale utilizării acestuia în domeniul construcțiilor. Având în vedere că securitatea la incendiu este a doua exigență esențială privind calitatea în construcții, am prezentat principalele metode și substanțe folosite pentru ignifugarea lemnului, asigurând prin diferite metode securitatea la incendiu și o bună protecție pasivă a clădirilor din lemn.
Bibliografie
[1] Asociația Inginerilor de Instalații din România. (2010), Manualul de instalații. Instalații de încălzire, Ediția a II-a, Editura Artecno, București.
[2] Bălan Corina, Suport curs Instalații de încălzire an III.
[3].Ilina, M., Bandrabur, C., Popescu, M., Stănescu, Șt., Chiriac, A., Cocora, O. (1992), Instalații de încălzire. Îndrumător de proiectare, Editura Tehnică, București.
[4] Ioan Lucian Cîrstolovean (2012), Instalații de încălzire, Editura Universității Transilvania din Brașov, Brașov.
[5] Sorin Burchiu (2009), Curs Instalații de Încălzire, Editura Conspress, București.
[6].Vlad Iordache (2013), Instalații interioare de încălzire cu agent termic apă caldă, Editura Matrix Rom, București.
[7] I. Gavrilaș (2002), Evaluarea și reabilitarea termofizică a clădirilor, Editura Experților tehnici Iași.
[8] Ilina, M. (2010), Enciclopedia tehnică de instalații. Manualul de Instalații – Încălzire. Ediția a II -a, Asociația Inginerilor de Instalații, Editura ARTECNO, București.
[9].Ionescu G., Gligor E., Gavriș D. (2011), Suport Laborator disciplina Instalații pentru Construcții,[http://www.arhiconoradea.ro/Info%20Studenti/Note%20de%20curs/Ionescu%20Gh/5%20INSTALATII%20IN%20CONSTRUCTII%201/4%20INDRUMAR%20LABORATOR%20INSTALATII.pdf].utilizate în construcții;
[10] Sârbu, I., Kalmar, F., (2002), Optimizarea energetică a clădirilor, Editura MatrixROM, București.
[11] Stan Ivan, F.E., Mircea, I.,(2014), Eficiența energetică și economică a clădirilor, Editura Sitech, Craiova.
[12] Normativ de siguranță la foc a construcțiilor, P 118-99.
[13] Radu – Cristian Dinu, Suport de curs, Distribuția energiei termice, Universitatea din Craiova, Facultatea de inginerie electrică
[14] Ghid de evaluare a gradului de confort higrotermic din unitățile funcționale ale clădirilor existente – Indicativ GT-039-02;
[15] SR EN 1991-1-2 Calculul structurilor la acțiunea focului – Partea I
[16] ORDIN N. 24 din 03.04.1996 – Norme tehnice privind ignifugarea materialelor și produselor combustibile din lemn și textile
[17] SR 1907-1 Instalații de încălzire. Necesarul de căldură de calcul
[18] SR 1907-2 Instalații de încălzire. Necesarul de căldură de calcul. Temperaturi interioare convenționale de calcul
[19] Catalog radiatoare SIRAL (2007), pp. 4-8
[20] ***http://www.tehnicainstalatiilor.ro/articole/nr_10/nr10_art.asp?artnr=04
[21] ***https://honeywood.ro/specificatii-tehnice/
[22] ***https://ro.wikipedia.org/wiki/Protec%C8%9Bie_pasiv%C4%83_antiincendiu
[23] ***http://builddailys.com/ro/pages/1645925
[24] ***https://www.scribd.com/presentation/118250447/Curs-Nr-6-Master-Ani-Indici-Globali-de-Confort-Termic
[25] ***http://www.caselemnbarat.ro/case-din-lemn-tip-sandwich/#prettyPhoto
[26] ***http://www.academia.edu/8742980/CONSTRUC%C4%9FII_DIN_LEMN
ANEXA 1: Încadrarea localităților în zone eoliene
ANEXA 2: Zonarea climatică a României
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: ACADEMIA DE POLIȚIE Alexandru Ioan Cuza [308664] (ID: 308664)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.