CAPITOLUL 2 CONFORTUL TERMIC INTERIOR
Condiţiile interioare trebuie s ă corespundă tipului de activitate şi destinaţiei iale (locuinţe), cl ădiri publice construcţiei. Când vorbim de cl ădiri reziden ţ iale (scoli, spitale, hoteluri), cl ădiri industriale, etc., stabilim implicit anumi ţi parametrii pentru mediul interior. Aceşti parametrii trebuie s ă satisfacă anumite criterii în func ţie de destinaţia clădirii, astfel: a) să asigure condiţii igienico-sanitare şi confortul interior pentru locuinţe şi clădiri publice, b) să asigure condiţii de muncă corespunzătoare pentru clădiri industriale, c) să asigure condiţii de performanţe speciale în cazul camerelor albe, sălilor de operaţii, industria şi tehnologia de vârf. Confortul interior este asigurat de un complex de factori ambientali fa ţă de care oamenii au reacţii subiective: încălzirea şi r ăcirea spaţiilor, iluminat, zgomot, calitatea aerului interior, arhitectur ă şi estetică, etc. Din punct de vedere al studiului consumurilor de căldur ă ale unei clădiri ne interesează în primul rând factorii care determină şi asigur ă confortul termic interior. 2.1 Parametrii confortului termic interior
Deşi este dificil de interpretat o reacţie subiectivă, pe baza schimbului energetic între om şi mediu se poate defini confortul termic ca fiind situa ţia în care sunt îndeplinite două condiţii concomitent : 1. cantitatea de căldur ă produsă prin metabolism de corpul uman este egală cu cantitatea de căldur ă cedată mediului exterior, adică se realizează neutralitatea termică a corpului uman; 2. nici-o parte a corpului uman nu resimte o senza ţie de frig sau cald, adică nu există disconfort termic local .
Neutralitatea termic ă a corpului uman
Echilibrul termic al corpului uman cu ambianţa în care se găseşte depinde de şase factori principali, recunoscuţi astfel de normele europene şi româneşti şi anume : ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
izola ţ ia vestimentar ă , tipul activit ăţ ii, temperatura aerului interior, temperatura medie de radia ţ ie, umiditatea aerului, viteza de mi şcare a aerului interior,
♦ vestimenta ţ ia şi tipul de activitate au un rol foarte important în
aprecierea corectă a confortului termic interior.
In ceea ce priveşte îmbr ăcămintea, gradul de izolare termică se apreciază prin rezistenţa termică măsurată în m2K/W sau printr-o unitate de măsur ă numită « clo » (de la eng. clothes). 1clo = 0,155 m2K/W Câteva valori privind rezistenţa termică a vestimentaţiei sunt prezentate în tabelul 2.1. Tabelul 2.1 Rezistenţa termică a vestimentaţiei [8] 2
Imbrăcăminte
Rv [clo]
Rv[m K/W ]
nud şort îmbr ăc. lejer ă vara îmbr ăc. lejer ă de muncă îmbr ăc. interior iarna
0 0,1 0,5 0,7
0 0,015 0,08 0.11
1.0
0.155
♦ nivelul activit ăţ ii se măsoar ă în « met » (de la metabolism), adică în
cantitate de căldur ă metabolică (sensibilă şi latentă) produsă pe unitatea de suprafaţă de corp uman. 1met = 58,2 W/m2
Câteva din valorile căldurii metabolice produse în funcţie de activitate sunt precizate în tabelul următor: Tabel 2.2 Căldura metabolică şi degajarea de poluanţi în funcţie de activitate [8] Activitate
MT [met]
MT O2 [W/corp consumat[l/h] ]
CO2 expir at [l/h]
Aer inspira t [m3/h]
repaos aşezat inactiv în picioare aşezat în activ. birou în picioare, activ. lejer ă în picioare, activ. mijlocie activ. grea, industrie
0,8 1,0 1,2 1,2
80 99 120 120
14 18 25 20
12 15 25 20
0,3 0,35 0,4 0,375
1,6
158
27
25
0,575
2,0
197
32
30
0,7
3,0
>295
35
40
>0,8
♦ De cele mai multe ori când dorim s ă caracterizăm confortul termic
interior, ne referim în primul rând la temperatur ă. Într-o încă pere, fiecare suprafaţă este caracterizată de o temperatur ă superficială proprie, iar aerul înregistrează temperaturi diferite în diverse zone ale incintei. De aceea se definesc mai multe categorii de temperaturi interioare : - temperatura aerului interior t ,i este temperatura măsurată în mijlocul încă perii cu un termometru cu bulbul protejat pentru a limita radiaţia termică a suprafeţelor înconjur ătoare. Aceasta trebuie să fie cât mai uniformă pentru ca organismul să nu fie solicitat termic diferit în zone diferite ale încă perii ;
, este o rezultantă a efectului de radiaţie asupra unui corp aflat în interiorul înc ă perii, a suprafeţelor calde Scj (corpuri de încălzire), caracterizate de temperaturi superficiale θcj şi a suprafeţelor reci Srj (pereţi, ferestre, pardoseli, tavane), având temperaturile superficiale θrj; - temperatura medie de radia ţ ie
θ mr
=
∑ S θ + ∑ S ∑ S +∑ S cj
cj
rjθ rj
cj
rj
mr
[oC]
Efectul temperaturii medii de radiaţie este resimţit de subiecţi ca o r ăcire sau încălzire a aerului interior. - temperatura operativă t c (resim ţ it ă ) sau temperatura de confort , este o rezultantă a temperaturii aerului interior şi a temperatura medie de radiaţie şi se caculează, în general ca o medie aritmetică a acestor temperaturi:
tc = 0,5(ti + θmr )
[oC]
Temperatura operativă este valoarea înregistrată de un termometru obişnuit care nu are bulbul protejat, astfel încât atunci când citim o anumit ă valoare, aceasta reprezintă de fapt efectul cumulat al temperaturii aerului şi al radiaţiei suprafeţelor înconjur ătoare asupra termometrului. Pentru a realiza un confort termic corespunzător în încă peri trebuie ca variaţia parametrilor ti şi θmr să se înscrie în zona haşurată din figura 2.1. Dacă într-o încă pere, temperatura medie de radiaţie scade, de exemplu ca efect al scăderii temperaturii exterioare, trebuie crescută temperatura aerului interior, pentru a menţine confortul termic în limite optime.
Diagrama de confort în funcţie de parametrii ti şi θmr pentru clădiri cu k>0,5W/m2K Figura 2.1.
- temperatura echivalent ă t ec, este valoarea medie între temperatura operativă şi temperatura efectivă a curenţilor de aer tef , care evaluează efectul de r ăcire prin mişcarea aerului. Temperatura echivalentă se măsoar ă cu aparate speciale. tec = 0,5(tc + tef )
[oC]
- pentru vI < 0,1m/s, temperatura echivalentă poate fi considerată egală cu temperatura operativă ; - pentru vi>0,1m/s, temperatura echivalentă descreşte cu aproximativ 0,5oC pentru fiecare creştere a vitezei cu 0,1m/s, în func ţie de îmbr ăcăminte şi activitate. ♦ umiditatea aerului interior are o influenţă redusă asupra percepţiei
confortului termic atâta timp cât temperatura aerului este în limite normale (18…26oC). Variaţiile între 30 % şi 70% ale umidităţii relative sunt practic insesizabile în mod normal. Valorile mai mici de 25% ale umidităţii provoacă senzaţia de uscăciune a mucoaselor nazale, bucale şi conjunctive. Un procent mai mare de 70% creşte riscul de condensare a vaporilor de apă pe suprafeţele reci şi dezvoltarea mucegaiului şi ciupercilor. ♦ viteza curenţilor de aer interiori se asociază cu valoarea temperaturii
aerului pentru a defini condiţiile de confort termic interior. Dac ă vitezele sunt < 0,15m/s, acestea nu influenţează senzaţia de confort termic. Valorile parametrilor microclimatului interior, recomandate pentru a asigura confortul termic în condiţiile unei activităţi uşoare, sunt diferite iarna faţă de vara, datorită particularităţilor de termoreglare sezonier ă ale organismului uman (tabel 2.2). Tabel 2.2 Condiţii generale ale confortului termic[8]
Sezon iarna vara
tc [oC] 22± 2 24,5 ± 1,5
v [m/s] < 0,15 < 0,25
ϕ [%] 30 ÷ 70 30 ÷ 70
Corpul uman este caracterizat de un mecanism specific, numit metabolism, care reprezintă o sursă continuă de energie, în cea mai mare parte sub formă de căldur ă. Pentru a menţine echilibrul termic al corpului uman, trebuie ca aceast ă componentă metabolică QM, să fie evacuată spre exterior. Mecanismele de transfer sunt sub formă de căldur ă sensibilă, conducţie, convecţie şi radiaţie şi prin căldur ă latentă Ql, adică transpiraţie, respiraţie, perspiraţie: Qev = Qcd + Qcv + Qr + Ql
[W]
În general, cedarea de căldur ă prin conducţie este redusă în raport cu celelalte forme de transfer de căldur ă astfel încât ecuaţia poate fi scrisă simplificat, astfel: Qev = (αcv + αr )SM(tM – ti) + Ql [W] unde, αcv, αr – sunt coeficienţi de transfer de căldur ă prin convecţie şi radiaţie la suprafaţa corpului, SM – suprafaţa corpului, tM – temperatura corpului, ti – temperatura aerului interior. Neutralitatea termică se realizează atunci când întreaga cantitate de căldur ă produsă de corpul uman este evacuată, astfel încât persoana nu resimte senzaţia de prea cald sau prea frig, ecua ţia de confort termic fiind exprimată simplu:
QM = Qev
[W]
Capacitatea de absorbţie a căldurii metabolice de aerul ambiant, depinde de ă, umiditate, viteza parametrii microclimatului interior (temperatur curenţilor de aer).
In figura 2.3 este reprezentată grafic relaţia dintre tipul de activitate, umiditatea interioar ă şi valorile necesare ale temperaturii aerului interior, pentru a îndeplini condiţiile confortului termic. Figura 2.4 prezintă foarte concis valoarea necesar ă a temperaturii operative în situa ţia prestării anumitor activităţi purtând un anumit tip de îmbr ăcăminte.
Figura 2.3 Temperatura interioar ă in funcţie de umiditate şi activitate
Figura 2.4 Temperatura operativ ă [8]
Disconfortul termic local
In afara parametrilor microclimatului interior care trebuie să îndeplinească anumite condiţii generale pentru a se asigura neutralitatea termic ă, în interiorul încă perilor acţionează factori localizaţi, cu care organismul nu poate realiza o stare de echilibru şi care provoacă senzaţia de disconfort termic local. Aceşti factori sunt: - asimetria radiaţiei termice - gradientul vertical de temperatura - temperatura solului - curenţii de aer. a) asimetria radia ţ iei termice Asimetria termică se exprimă prin diferenţa temperaturilor de radiaţie a doua direcţii diferite asupra unei suprafeţe plane situate la 0,6m de sol. În interiorul încă perilor, asimetria radiaţiei termice apare datorită prezenţei unor suprafeţe reci şi calde cu temperaturi foarte diferite care au ca rezultat
percepţia senzaţiei de cald şi rece. Este cazul vitrajelor reci, a suprafeţelor verticale ale pereţilor slab izolaţi, dar şi a pardoselilor şi plafoanelor calde apar ţinând instalaţiilor de încălzire prin radiaţie şi a suprafeţelor calde ale corpurilor de încălzire. Studiile au demonstrat c ă tavanele calde generează cam acelaşi disconfort termic local ca şi pereţii reci, cel mai bine fiind tolerate sistemele de r ăcire şi încălzire care folosesc tavane reci şi pereţi calzi. Diferenţele de temperatur ă în acest caz sunt limitate în general la < 10oC, iar pentru plafoane calde radiante la < 5oC. b) gradientul vertical de temperatur ă Diferenţa de temperatur ă între cap şi picioare poate provoca subiecţilor un disconfort termic local, dacă valoarea acesteia depăşeşte anumite limite. Se consider ă că o variaţie a temperaturii aerului pe verticală de maximum 3oC pe metru, este acceptabilă pentru marea majoritate a persoanelor. c) temperatura solului Temperatura prea scăzută
sau prea ridicată a solului poate crea o senzaţie de disconfort local. În general, aceasta depinde de încălţăminte şi de finisajul pardoselii. Valorile recomandate [8] pentru temperatura solului sunt cuprinse între 19 şi 26oC, cu excepţia pardoselilor radiante calde a căror temperatur ă creşte până la 29oC (parchet, mochetă) sau 32oC pentru gresie. d) curen ţ ii de aer Senzaţia de curent se
defineşte ca fiind efectul local de r ăcire pe o anumită parte a corpului, care se produce datorită următoarelor cauze: - o viteză prea mare a aerului la o temperatur ă normală, - o viteză normală a aerului la o temperatur ă scăzută, - creşterea fluctuaţiilor (intensitatea turbulenţei) vitezei locale.
Efectul celor doi parametrii, temperatura şi viteza aerului, se regăseşte combinat în valoarea temperaturii efective a aerului. 2.2 Aprecierea confortului termic interior
Evaluarea confortului termic interior se face cu ajutorul unor indici care se exprimă fie sub forma unor temperaturi, fie în con ţinut de CO2, fie ca relaţii de calcul. Pentru ambianţe în care omul este în repaus aprecierea se poate exprima prin indicele de confort termic B(Van Zuilen) cu ajutorul unei ecuaţii având ca parametrii de calcul valorile t i, θmr , vi şi conţinutul de umiditate x.
Dacă se ţine seama de activitate şi îmbr ăcăminte, evaluarea se face prin indici diferenţiaţi pentru: a) ambianţe termic moderate [8], valabili pentru toate clădirile cu excepţia celor industriale, b) indici de stres termic în condiţii extreme, aplicabili industriilor cu temperaturi înalte. În ceea ce priveşte ambianţele moderate, acestea se caracterizează prin reacţia subiecţilor faţă de un anumit climat interior(indice PMV) şi se apreciază prin procent de persoane nemulţumite (indice PPD). Indicele PMV se exprimă în raport cu o scală termică care caracterizează microclimatul interior(tabel 2.3). Tabel 2.3 Caracteristica ambianţelor moderate [8]
Senzaţi foarte e cald notare +3
cald
călduţ
neutru
r ăcoros rece
+2
+1
0
-1
-2
foarte rece -3
Reacţia individuală depinde de tipul de activitate şi de vestimentaţie. În aceste condiţii, o ambianţă este considerată confortabilă termic dacă 90% din subiecţi o apreciază ca satisf ăcătoare (indicele PPD ≤ 10%).
Bibliografie
1. Recknagel-Sprenger “Manuel pratique du genie climatique” PYC Edition 1980 2.Manualul de Instala ţii, volum V+I, Ed. ARTECNO, Bucure şti 2002 3.SR 1907/1-97 “ Instala ţii de încălzire. Necesarul de c ăldur ă de calcul” 4.ASHRAE Fundamentals 1997 5.STAS 6648/2 “Parametrii climatici de calcul” 6.C 107/1-97 “Normativ privind calculul coeficien ţilor globali de izolare termic ă la clădiri de locuit” 7.SR 4839-97 “ Instala ţii de încălzire. Număr anual grade-zile” 8. SR ISO 7730-97 “Ambian ţe moderate. Determinarea indicilor PMV şi PPD şi specificarea condi ţiilor de confort termic”
