SARCINA TERMICA A INCAPERILOR VENTILATE SAU

CLIMATIZATE

1. Situatia de vara

Sarcina termica a incaperilor ventilate sau climatizate in situatia de vara, numita si sarcina de racire se poate calcula cu relatia:

Q_V=Q_ap+Q_des    (1)

in care: Q_ap= Q_PE + Q_FE +Q_I

Q_deg=Q_om+Q_IL+Q_ME+ .

Q_PE- aporturi prin elemente de constructie exterioare inertiale

Q_FE- aporturi prin elemente neinertiale

Q_I- aporturi de la incaperi vecine

Q_om- degajari de caldura de la oameni

Q_IL- degajari de la iluminat

Q_ME- degajari de la masini actionate electric si altele.

Alaturi de sarcina termica de vara se adauga sarcina de umiditate care impreuna devin hotaratoare in stabilirea debitului de aer pentru instalatii de climatizare si pentru o parte insemnata din instalatiile de ventilare.

In mod curent se pune problema determinarii sarcinii de racire maxime care se realizeaza in timpul programului de functionare al instalatiei. Probleme mai dificile apar in determinarea aporturilor de caldura patrunse din exterior datorita regimului nestationar de transmitere a caldurii.

A fost aratat ca luna cea mai calduroasa, deci luna de calcul pentru stabilirea sarcinii de racire este luna iulie, cu exceptia unor incaperi care nu functioneaza in acea perioada (universitati, teatre, sali de concerte) pentru care luna de calcul este luna iunie.

Avand in vedere implicatiile economice si functionale ce le comporta aceste instalatii, au fost introduse prin STAS 6648/2-82 instalatiei si importanta obiectivului de servit.

Prin grad de asigurare se intelege numarul maxim de zile (exprimat in procente) in care temperatura aerului exterior nu depaseste valoarea indicata si se adopta in functie de categoria cladirii (incaperii) ventilate sau climatizate.

Din punct de vedere al importantei instalatiilor de ventilare sau climatizare cu care sunt dotate cladirile (incaperile) se stabilesc urmatoarele categorii:

categoria I- cladiri cu incaperi climatizate sau termostate unde se produc sau se asambleaza piese sau aparate de mare precizie, cu tolerante foarte mici, executate intr-un proces tehnologic ce nu poate fi intrerupt, care poate incepe in orice luna a anului si dureaza mai multe luni (microprocesoare, sectii de metrologie, etc);

categoria II- cladiri cu incaperi climatizate sau termostate in care procesul tehnologic poate fi oprit pentru timp scurt, cladiri social-culturale, de importanta nationala;

categoria III- incaperi din cladiri social-culturale de interes local (sali de operatii, muzee, sali de teatru, hoteluri de lux) sau incaperi tehnologice cu procese tehnologice care admit tolerante de pana la 3⁰C, incaperi ventilate mecanic sau natural in care se gasesc mase mari de acumulare;

categoria IV- cladiri social-culturale de mica importanta (hotele, restaurante, cinematografe) sau incaperi tehnologice cu procese ce nu sunt influentate de diferente de temperatura de 4 . 5⁰C. Valorile procentuale ale gradului de asigurare in functie de categoria cladirii sunt:

1.1. Aporturi de caldura prin elemente inertiale

Datorita efectului de acumulare, intre fluxul termic receptat de fata exterioara a elementului de constructie sub actiunea temperaturii si a radiatiei solare, apare un fenomen de amortizare si defazare a fluxului termic, adica patrunderea fluxului termic are loc cu o intarziere de e ore si este mai mic decat cel receptat. Metodologia ce va fi prezentata este valabila in principal pentru instalatii de climatizare, pentru care se pastreaza constanta temperatura aerului interior vara, pentru celelalte cazuri facandu-se corectiile necesare.

 

Pentru o suprafata exterioara unitara a unui element de constructie inertial, fig. 1, efectul solicitarilor termice exterioare va fi realizarea unei temperaturi superficiale q_e. Solicitarile termice exterioare sunt in principal datorate temperaturii exterioare si intensitatii radiatiei solare, celelalte pot fi neglijate, adica:

Deoarece t_e si I au legi de variatii proprii :

folosind principiul suprapunerii efectelor, se obtin:

in care:

-temperatura echivalenta sau temperatura aerului insorit; (3)

-temperatura medie a aerului insorit;

partea variabila (amplitudinea) temperaturii echivalente.

A- coeficientul de absorbtie a radiatiilor al materialului care primeste radiatie (anexa 3);

	Fig. 5.2

Ecuatia fluxului termic unitar. Pe baza figurii 2 care arata modul de propagare a oscilatiilor de temperatura pentru perete, fluxul termic unitar cauzat de diferenta medie de temperatura dintre exterior si interior si a oscilatiilor de temperatura Dt_s, care patrunde intr-o incapere cu temperatura constanta t_I este dat de relatia:

(5)

unde : f_n- este factor de amortizare al celei de a "n" armonici

e_n- defazarea celei de-a "n" armonici.

Calculele practice au aratat ca: f₁ f₂ . f_n= constant

e e e_n= constant

Facand substitutia t t e , relatia devine:

in care termenul

t' arata ca temperatura echivalenta de calcul t_s(t') trebuie considerata cu e ore anterioare, ore la care se efectueaza bilantul termic:

Pe de alta parte, privind figura, se observa ca prin perete patrunde un flux mediu zilnic determinat de diferenta t_sm-t_i si un flux superficial pe partea interioara determinat de hDt_s, adica fluxul patruns in interior:

(6)

Din echivalenta celor doua relatii rezulta:

Coeficientul

Coeficientul h si e se pot determina plecand de la o solutie particulara a ecuatiei FOURIER, a fluxului termic de forma:

b=a+ib

cu    

Pentru structurile monostrat, pentru determinarea amortizarii h si defazarii e s-au intocmit monograme, fig. 3 si 4. . Pentru structurile multistrat calculul este mai laborios, unde:

Fig. 3 Coeficientul de amortizare h 4 Defazarea e pentru pereti simpli

pentru pereti simpli (monostrat) (monostrat)

Observatii privind calculul aporturilor in cazul incaperilor ventilate dupa sistemul jos-sus .

Dupa modul cum aporturile de caldura participa la bilantul zonei de sedere rezulta ca o parte a fluxului termic patruns este evacuat odata cu aerul refulat pe jos si aspirat pe sus, deci nu mai participa efectiv la bilantul zonei de sedere-partea convectiva a fluxului termic patruns.

Pentru situatia din figura 5, numai partea radianta a fluxului termic a elementului de constructie, de deasupra zonei de sedere, si aceasta diminuata, participa la bilantul termic al zonei, adica :

(7)

in care: e_g-este coeficient de absorbtie de catre vaporii de apa si de catre

CO₂ din aer;

- factor de forma intre element si zona de lucru;

q_R- flux radiant unitar;

S'- suprafata peretilor de deasupra zonei de sedere.

Pentru calcule practice ale componentelor fluxului termic unitar q=q_C+q_R cu

q_C=a_c q_i-t_i) si q_r=a_r q_i-t_i) se pot adopta valorile a_c=3,4 W/m²K si a_r=5,75 W/m²K.

Cazuri speciale:

a) poduri neventilate

Fluxurile termice patrunse in pod, figura 6, determina o temperatura medie in pod si o variatie a acesteia Dt_p .Variatia temperaturii in pod Dt_p in jurul valorii este data de partea variabila a fluxului termic si se poate determina cu relatia :

(8)

Fig. 5.6

Variatia temperaturii in pod Dt_pm este data de partea variabila a fluxului termic si se poate determina cu relatia:

(9)

Deci fluxul termic patruns din pod in incapere :

(10)

b) poduri ventilate, fig. 7, sunt o solutie aplicata in cazul incaperilor climatizate de interes deosebit, unde se cauta diminuarea maximului din aporturi de caldura exterioare prin "spalarea", podului cu o parte din aerul evacuat din incapere.

Fig. 5.7

2. Aporturi de caldura prin elemente neinertiale

Relatia generala de calcul: ca si in cazul aporturilor prin elemente inertiale se iau in consideratie cele doua cauze principale: intensitatea radiatiei solare si diferenta de temperatura.

Fig. 5.8

Radiatia solara in prezenta unei ferestre, fig. 8, se descompune:

I=I_R+I_a+I_I

I_I=eI radiatia patrunsa in incapere

e=0,9 pentru ferestre simple

e=0,9 pentru ferestre duble

Pentru geamuri cu alte calitati e este mic.

I_R- radiatie reflectata

I_a- radiatie acumulata

In functie de pozitia ferestrei in fatada, de existenta unor obstacole, orientare, pozitia soarelui pe orizontul ceresc, fereastra poate fi partial sau total umbrita, fig. 9. .

Radiatia solara are doua componente I_D si I_d.

Radiatia solara I_D actioneaza numai in anumite ore din zi in functie de orientare si numai asupra suprafetei insorite a geamului S_i. Radiatia solara difuza actioneaza pe toata durata de stralucire a soarelui si pe toata suprafata ferestrei S=B*H.

Dt= actioneaza permanent pe toata suprafata ferestrei, unde are aceeasi semnificatie si aceeasi expresie ca si in cazul elementelor inertiale, numai coeficientul de absorbtie a radiatiei solare, A, este altul, mult mai mic.

Influenta radiatiei solare mai este afectata de : calitatea geamului; tipul ferestrei; existenta unor mijloace de ecranare; raportul dintre suprafata efectiva a geamului si suprafata totala a ferestrei (ponderea cercevelelor).

Fiind un flux radiant acesta va fi preluat mai intai de elementele de delimitare interioara, mobilier, etc. si apoi cedata aerului interior prin convectie, ceea ce face sa apara o defazare e_n si o ameliorare h_n, pe partea preluata de aerul interior. Pentru acest efect, in relatia de calcul s-a introdus un coeficient de acumulare ,,m".

Relatia de calcul conform STAS 6648/1-82 este

Q_FE=Q_I+Q_T (11)

Unde: Q_I- fluxul de caldura patruns prin fereastra datorat intensitatii radiatiei solare si calculat cu relatia

Q_I=c₁c₂c₃m(S_ia₁a₂) W (12)

cu: c₁- coeficient de calitate al geamului (conform anexa 6);

c₂- coeficient de ecranare (conform anexa 6);

c₃- coeficient in functie de raportul , fig. 10;

 

m- coeficient de acumulare termica;

m=f(s_med) ; s_med= (conform anexei 4);

S_j - suprafata interioara a elementului de constructie, m²;

s_j - coeficientul de asimilare termica al elementelor de constructie, din care sunt

facute inchiderile incaperii

S_i- suprafata insorita a ferestrei: S_i=(H-h_u)(B-b_u);

b_u-latimea benzii umbrite: bu=c'₁s'₁; c'₁=f(g); h_u-inaltimea benzii umbrite: hu=c'₂s₂-h_l; c'₂=f(i); g- azimut solar; i-unghi de inaltime solara (coeficientii c'₁ si c'₂ conform anexa 5);

Q_T=Sk(-t_i) (W);

S=BxH suprafata totala a ferestrei (m²);

k= coeficient global de transfer de caldura (W/m²*K);

=t_e+, temperatura aerului insorit la suprafata ferestrei;

t_i- temperatura aerului interior, ⁰C.

Semnificatia fizica a coeficientului "m"

In general relatia fluxului termic patruns prin fereastra

Q_i=cSI (13)

c-coeficient de calitate;

S-suprafata ferestrei ;

Fiind flux radiant este preluat de elemente de delimitare ale incaperii, mobilier, asupra carora va produce un efect de supraincalzire

(14)

avand o componenta constanta

(15)

si una variabila

(16)

Datorita efectului de acumulare al peretilor (mobilier) ca element inertial, in cedarea de caldura catre aerul interior va apare o amortizare si o defazare a fluxului termic variabil, adica

(17)

deci diferenta de temperatura care determina schimbul de caldura dintre elementele interioare si aerul interior, va fi :

Fig. 5.11

adica: (18)

deci relatia fluxului termic are aceeasi structura, dar defazata si amortizata, ca si cum ar fi produs de o intensitate redusa a radiatiei solare. Din figura 11, se observa decalajul si diferente (amortizarea) dintre Q_M si Q_R. Suprafetele 1 si 2 sunt egale.

Pentru calcule ingineresti:

Masuri de reducere a aporturilor de caldura

Aporturile din exterior datorate temperaturii si radiatiei solare pot avea o pondere importanta asupra sarcinii de racire. Se poate actiona prin :

reducerea gradului de vitrare la strictul necesar din punct de vedere igienic, daca nu se poate se vor folosi elemente cu capacitate de acumulare mari;

orientarea catre N, NV, NE sau axa longitudinala E-V;

prevederea unor ecrane in dreptul ferestrelor (jaluzele);

prevederea unor elemente de constructie pentru umbrirea ferestrei;

folosirea unor geamuri reflectorizante sau absorbante;

aceasta pentru ferestre.

Pentru reducerea aporturilor de caldura prin elemente inertiale se poate opta pentru:

folosirea unor materiale cu rezistenta termica buna deci pentru obtinerea unui k mic;

structura de inchidere sa realizeze o amortizare si o defazare astfel incat fluxul maxim sa ajunga in incapere spre orele din noapte (atunci t_e este mai mica);

folosirea finisajelor de culoare deschisa in vederea reflectarii radiatiei solare (deci un coeficient de absorbtie A mic);

folosirea axei longitudinale a constructiei dupa directia E-V.

3. Aporturile de caldura de la incaperile vecine

In cazul incaperilor slab insorite aporturile de la acestea, vecine incaperii climatizate, Q_iv se determina, in regim stationar cu relatia :

(19)

unde se alege in functie de orientarea peretelui interior.

Pentru incaperi vecine cu vitraj mare temperatura lor interioara are variatii importante, asemanatoare cu cale exterioare, dar defazate si amortizate. Fluxul termic se poate determina cu:

(20)

unde : t_iM- temperatura medie a incaperii vecine

(21)

Q_v si t_im rezulta pe baza de bilant termic (vezi caz pod neventilat)

4. Degajari de caldura de la surse interioare

Sursele interioare potentiale de degajari de caldura sunt : oamenii, iluminatul, masini actionate electric, suprafete calde, materiale care se racesc, etc.

Degajari de caldura de la oameni

Fig. 5.12

Degajarea de caldura de la oameni este dependenta de mai multi factori din care cei mai importanti se refera la felul activitatii care evidentiaza efortul depus si temperatura aerului interior.

Q_OM=Nq_OM (W)

unde: N-numar de ocupanti;

q_OM- degajare specifica de caldura a unei persoane in functie de starea de efort si temperatura aerului interior. Este data in tabele sau nomograme ca in figura 12.

Din nomograme se poate citi:

q_t- caldura totala degajata;

q_l- caldura latenta;

q_p=q_t-q_l -caldura perceptibila;

q- cantitate de umiditate degajata.

In cazul ventilarii in sistem jos-sus cedarea de caldura prin anumite parti ale corpului, prin modul de producere sau propagare nu influenteaza bilantul zonei de sedere )zona de lucru). La deplasarea uniforma a aerului de jos in sus caldura latenta q_l degajata la temperatura medie a corpului, prezinta o forta ascensionala care face sa paraseasca zona de lucru. De asemenea partea convectiva a cedarii de caldura a omului nu afecteaza zona de sedere. Degajarile de caldura prin talpa picioarelor este transmisa prin conductie pardoselii care are o temperatura mai scazuta.

Fig. 5.13

Pentru pozitia sezand, fig.13, se poate aprecia ca treizeci la suta din caldura perceptibila degajata de restul corpului este preluata de scaun astfel ca, tinand seama de cele aratate, in acest caz sarcina termica degajata de oameni este :

(22)

in care :

q_conv- degajare de caldura prin convectie pentru intreg corpul

q_rad- degajare de caldura prin radiatie pentru intreg corpul

q_cap- degajare de caldura prin convectie si radiatie a capului

q_pd- cedare de caldura prin talpi prin pardoseala

q_m- cedare de caldura prin convectie si radiatie a mainilor si antebratului.

Toate marimile respective se pot calcula cu relatiile indicate la confortul termic cu precizarea ca t_c- temperatura corpului omului se va aprecia ca o temperatura medie pentru diferite parti ale corpului pentru care, inclusiv suprafata acestora, sunt stabilite date medii statistice de catre W. Frank sau mai recente de catre P. O. Fanger.

4.2. Degajari de caldura de la iluminatul electric

Fluxul de caldura degajat de la sursele de iluminat electric se determina cu relatia:

Q=N_ilB (W) (23)

in care: -N_il este puterea instalata a surselor de iluminat in W;

-B este coeficient care tine seama de partea de energie electrica transformata in caldura.

In cazul iluminatului incandescent repartitia caldurii este 72% caldura radianta si 28% caldura convectiva si conductiva (inclusiv lumina) si pentru iluminatul fluorescent 26,5% este caldura radianta si 73,5% caldura convectiva si conductiva. Aceste date sunt necesare in cazul sistemului de ventilare jos - sus.

Desi este destul de insemnat cantitativ, fluxul termic provenit de la iluminatul electric nu se introduce intotdeauna sau cu intreaga valoare in bilantul termic. Un caz tipic este acela al incaperilor vitrate cand sarcina termica este impusa de radiatia solara si care evident la acea ora iluminatul electric nu este necesar.

4.3 Degajari de caldura de la masini actionate electric

Q_ME=Y Y Y Y N_ME    (24)

In care: N_ME este puterea instalata a masinilor;

Y -coeficient de corectie in functie de raportul;

Y -coeficient de corectie in functie de raportul ;

Y -coeficient de simultaneitate;

Y -coeficient de corectie in functie de modul de preluare a caldurii de catre aer.

Produsul coeficientilor poate sa ajunga la 0,2.

2 Relatia generala a sarcinii termice de iarna

Q_i=-Q_c+Q_si (25)

unde: Q_si - degajarile de caldura de la sursele interioare, care sunt in general cele

mentionate in situatia in situatia de vara si se calculeaza cu aceleasi relatii, diferenta aparand datorita temperaturii aerului, t_i, care este diferita de cea de vara;

Q_si= Q_OM+Q_il+Q_ME+ . .+Q_cs

Degajarile de la corpurile statice, Q_cs, se pot calcula cu relatia

in care: Q_p- pierderile de caldura ale incaperii

Dt'=t_G-t_e

Dt=t_i-t_e

t_i- temperatura aerului interior;

t_e- temperatura aerului exterior;

t_G- temperatura de garda, egala cu 5 10⁰C

Instalatia de incalzire, cu corpuri statice care sa asigure aceasta temperatura de garda, se prevede in cazul incaperilor climatizate ca sa mentina o anumita temperatura, impiedicand astfel subracirea incaperii in perioada cand nu functioneaza instalatia de climatizare.

Q_c este consumul de caldura, care in general este alcatuit din pierderile de caldura ale incaperii, calculate conform STAS 1907/1-90.

Sarcina termica poate fi: de incalzire daca Q_i<0,deci Q_c>Q_si , i_ref>i_i sau de racire daca Q_i>0 cu i_ref <i_i

CAPITOLUL 6

Bilantul de umiditate

In cladirile social culturale principala sursa de umiditate o constituie ocupantii. In industrie sursele sunt variate, iar forma de degajare poate fi evaporarea, scurgerea cu evaporare fierbere sau scapari de la utilaje.

In majoritatea cazurilor fenomenele in urma carora rezulta umiditate au legi cunoscute iar pe baza acestora literatura de specialitate ofera relatii de calcul.

O problema legata de schimbul de umiditate o constituie schimbul concomitent de caldura. Trebuie stabilit daca , de exemplu, evaporarea se face pe baza caldurii continute in apa (cedare de caldura catre aer) sau pe seama caldurii primite de la aer (consum de caldura).

6.1 Degajari de umiditate de la oameni

Oamenii degaja umiditate prin procesele de respiratie transpiratie si evaporare de la suprafata pielii . Degajarea de umiditate a omului depinde de temperatura , felul activitatii, varsta, sex, etc.

G_OM=Ng_OM (kg/s) in care: (6.1)

N - numarul de persoane;

G_OM - degajare specifica de umiditate a unei persoane in functie de t_i si

felul activitatii.

6.2 Fluxul de vapori de la suprafetele libere de apa

Conform legii lui Dalton

G_v=Sc_V(p_s-p_v) (6.2)

unde : S- suprafata libera a apei;

p_s - presiune de saturatie izoterma de la suprafata apei corespunzatoare temperaturii apei (mbar);

p_v - presiunea partiala a vaporilor din aerul incaperii;

B- presiune barometrica a localitatii;

c_v- coeficient de evaporare conform figurii 6.1.

c_v=(c₁+c₂v_i)10^-3;    c_v=2(c₁+c₂v_i)10^-3

Fig. 6.1 Mod de evaluare a coeficientului de evaporare

6.3 Fluxul de vapori de apa scursa pe pardoseala

Presupunand ca apa are temperatura initiala t_a1 si finala t_a2 si un debit G_a, fig. 6.2, se scrie ecuatia de bilant:

G_ac(t_a1-t_a2)=G_v(r₀+c_vt_a1)    (6.3)

Relatia este valabila in ipoteza ca apa nu schimba caldura cu pardoseala.

(6.4)

G_a- debit de apa scurs (kg/h);

t_a1 t_a2 racirea apei de la starea 1 la starea 2;

c_a - caldura specifica a apei (kj/kg⁰C);

G_v - fluxul de vapori (kg/h);

r_o - caldura latenta de vaporizare;

c_v - caldura specifica a vaporilor.

Fig. 6.2

6.4 Fluxul de vapori de apa care stagneaza pe pardoseala

In ipoteza ca apa stagneaza suficient de mult, pana cand t_a=, ca primeste caldura perceptibila de la aer prin convectie pentru evaporare si nu exista schimb de caldura intre apa si pardoseala, fig. 6.3, :

Fig. 6.3

Daca Q₁ Q₃: