ELEMENTE DE FIZICA CONSTRUCTIILOR SI REABILITAREA HIGROTERMICA A CLADIRILOR

AUDITORI ENERGETICI pentru constructii

GRADele I si ii

elemente de fizica constructiilor si reabilitarea higrotermica a cladirilor

prelegerea a II-a

verificarea elementelor de constructii la

transferul vaporilor de apa si la condens superficial

(conform STAS 6472/4-92 si C107/6

Surse de umiditate in constructii

umiditatea aerului

Umiditatea materialelor de constructii

Caracteristici de permeabilitate la vapori

Condensul pe suprafata (fenomenul de roua)

Fenomenul de condens in structura elementelor

Surse de umiditate in constructii

Studiul umiditatii in exploatarea constructiilor prezinta o importanta deosebita in legatura cu asigurarea conditiilor de igiena si confort in incaperi, a calitatilor de rezistenta si de izolare ale materialelor, precum si a durabilitatii elementelor de constructii.

In cadrul relatiei dintre cladiri si mediul inconjurator are loc in permanenta un schimb de masa si energie, concretizat in transfer de caldura, de aer si de vapori de apa, dinspre incapere spre mediul inconjurator sau invers, functie de gradientul de potential.care determina tendinta acestui schimb.

Circulatia aerului incarcat cu vapori de apa intre cele doua medii prezinta importanta in ambele sensuri, respectiv:

w din incaperi spre exterior, prin structura elementelor, in perioadele reci, in legatura cu riscul de aparitie a fenomenului de condens si a acumularii apei,

w din interiorul elementelor spre ambele medii pe care le separa, circulatie care insoteste procesul de uscare din perioada calda.

Fenomenele fizice produse de umiditate pot fi insotite si de anumite fenomene biologice: pe suprafetele umede se dezvolta in anumite conditii bacterii, mucegai, ciuperci si insecte, care contribuie la reducerea conditiilor sanitar-igienice din incaperi si la degradarea elementelor, iar la uscare apar pete inestetice de saruri depuse pe suprafata de apa care se evapora din solutiile transportate din structura (eflorescente).

Apa, sub diferite forme (vapori, lichida sau gheata), este prezenta in constructii inca de la formarea structurii materialelor si de la executia elementelor si in continuare pe toata durata de exploatare a cladirii, influentand permanent proprietatile fizico-mecanice ale materialelor si elementelor, precum si conditiile de igiena si confort din incaperi.

Cunoasterea conditiilor de umiditate din cursul exploatarii constructiilor este necesara atat din punct de vedere termotehnic, cat si sanitar-igienic si constructiv, datorita unor efecte negative pe care prezenta apei le poate determina in aceste directii, respectiv:

w Sub influenta umiditatii are loc cresterea conductivitatii termice, a caldurii specifice si a masei specifice a materialelor si scade gradul de izolare termica a elementelor.

w Variatia umiditatii materialelor determina, de asemenea, micsorarea rezistentelor mecanice si provoaca variatii dimensionale (dilatari si contractii).

w Sub efectul ciclurilor repetate de inghet - dezghet, in zona exterioara a elementelor de inchidere umede pot sa apara degradari si deformatii, care reduc in mare masura durabilitatea constructiilor, ajungand pana la dizlocarea materialelor.

w Umiditatea ridicata a aerului interior si a elementelor de constructii creeaza conditii favorabile pentru dezvoltarea florei microbiene si instalarea unor afectiuni cronice ale organismului uman (reumatism etc.).

w Umiditatea peste anumite limite a aerului interior creaza conditii favorabile pentru dezvoltarea mucegaiului si ciupercilor, iar in urma uscarii - a eflorescentelor.

Apa existenta in constructii poate avea diverse proveniente:

w apa initiala de constructie, introdusa prin procesele de executie;

w apa din teren, care patrunde prin ascensiune capilara;

w apa meteorologica, din precipitatii (ploaie, zapada);

w apa de exploatare, rezultata din procese umede;

w apa de natura biologica, provenita de la oameni;.

w apa higroscopica, absorbita de unele materiale direct din aer;

w apa de condens, provenita din condensarea vaporilor de apa.

indiferent de provenienta, prezenta apei este insotita de cele mai multe ori de efecte negative, a caror combatere necesita masuri tehnice adecvate.

umiditatea aerului

Aerul atmosferic contine totdeauna o anumita cantitate de apa, intr-una sau mai multe faze: gazoasa (vapori), lichida (picaturi de apa) si uneori solida (gheata).

La suprafata apei aflata in stare solida sau lichida sunt expulzate incontinuu in aer molecule de apa, datorita agitatiei moleculare, luand astfel nastere un strat de vapori. Daca stratul de vapori format nu este antrenat si evacuat prin miscarea aerului, rezulta o stare de saturatie, in care faza gazoasa a apei se afla in echilibru cu faza lichida sau solida.

Ca rezultat, aerul va contine la un moment dat o anumita cantitate de vapori de apa (aer umed), care determina umiditatea sa. Umiditatea aerului se exprima in diverse moduri:

w Continutul efectiv de vapori de apa din aer la un anumit moment (masa vaporilor de apa - m_v), raportat la volumul total de aer umed (V_a) reprezinta umiditatea absoluta a aerului (U_a), exprimata in g/m³ sau Kg/m³:

(2.1)

w Continutul maxim de vapori de apa ce poate fi absorbit de aer la temperatura T (masa vaporilor de apa la saturatia aerului - m_v,max), raportat la volumul total (V) defineste umiditatea absoluta de saturatie a aerului (U_s sau U_{a, max}):

(2.2)

w Cantitatea de vapori de apa dintr-un volum de aer umed (m_v), raportata la masa aerului uscat din volumul respectiv (m_a) defineste concentratia de vapori a aerului (c, Kg vap/Kg aer uscat), iar corespunzator saturatiei rezulta concentratia de saturatie (c_s):

(2.3)

Aerul umed este un amestec de aer si vapori de apa, si - conform legii lui Dalton - presiunea sa atmosferica este data de suma presiunilor componentelor: p = p_aer + p_vap.

Corespunzator continutului de vapori de apa al aerului la o anumita temperatura T se defineste concentratia (c) si presiunea partiala a vaporilor (p_v), iar in momentul saturatiei - concentratia de saturatie (c_s) si presiunea de saturatie (p_s) ale vaporilor de apa.

Umiditatea de saturatie a aerului creste cu temperatura sa. Ca urmare, aerul cald are o capacitate de absorbtie a vaporilor de apa mai mare decat aerul rece, aspect important in legatura cu conditiile de confort, igiena si exploatare din incaperile cladirilor.

De exemplu, la temperatura T = 20 C, presiunea de saturatie a vaporilor de apa p_s = 2339 Pa, la 0 ˚C p_s = 611 Pa, iar la T = - 20 ˚C, p_s = 103 Pa (1 Pa = 1 N/m²).

w Umiditatea relativa a aerului (j) exprima cota parte a continutului real de vapori de apa din aer la temperatura T, fata de continutul maxim de vapori la acea temperatura, si se defineste prin raportul dintre presiunea partiala (p_v) si presiunea de saturatie (p_s):

(2.4)

Cunoscand umiditatea relativa a aerului (care se masoara cu ajutorul unor aparate speciale: higrometre, higrografe, psihrometre), se poate calcula presiunea partiala a vaporilor p_v, functie de presiunea de saturatie a vaporilor de apa (p_s) corespunzatoare temperaturii respective T, data in tabelele psihrometrice din literatura: p_v = (j p_s.

Umiditatea relativa a aerului variaza intre la exterior si intre % in incaperi. In calcule se considera la exterior valori medii: iarna j_e = 85%; vara j_e

Umiditatea materialelor de constructii

Materialele de constructie pot retine apa in structura lor sub urmatoarele forme:

w apa de constructie, sau legata chimic, prin reactiile de formare a structurii interne; apa legata chimic nu este afectata de procesele de umezire-uscare;

w apa de structura, sau de hidratare, retinuta in urma participarii la formarea structurii cristaline a unor materiale;

w apa higroscopica, retinuta in structura unor materiale direct din faza gazoasa (vapori), prin fenomenele de absorbtie sau adsorbtie, pe peretii porilor si ale capilarelor;

w apa libera, retinuta mecanic, datorita contactului direct al materialelor cu faza lichida (infiltratii din ploi, procese functionale), sau ca urmare a fenomenului de condens.

In cursul proceselor de umezire-uscare variaza numai apa libera si apa legata fizic (apa de structura si apa higroscopica); apa atasata prin celelalte forme nu este afectata.

Umiditatea materialelor se poate exprima in doua moduri:

w pe baza gravimetrica, prin raportarea greutatii apei continute in material (G_a) la greutatea materialului uscat (G_o):

(%) (2.5)

w pe baza volumetrica, prin raportarea volumului de apa existent in material (V_a), la volumul materialului uscat (V_o):

(%) (2.6)

Determinarea umiditatii, respectiv a continutului de apa al unui material, se poate face prin metode gravimetrice, bazate pe uscare si cantarire, prin metode electrice (pe baza variatiei unui parametru electric cu umiditatea) sau electronice, radioactive etc.

Exigentele legate de umiditatea elementelor de constructii difera in raport cu functiile elementelor si cu natura materialelor. Elementele care se afla in contact cu apa trebuie sa fie impermeabile (pardoselile si peretii din bai si bucatarii, peretii de subsol si fundatiile in teren umed etc.), iar elementele exterioare de inchidere (cu exceptia ferestrelor) la care exista riscul de aparitie a fenomenului de condens pe suprafata sau in structura trebuie tratate corespunzator (cu bariere contra vaporilor, straturi de aerare etc.).

2.4 Caracteristicile de permeabilitate la vapori a materialelor

datorita structurii interne capilaro-poroase sau fibroase, majoritatea materialelor de constructii care alcatuiesc elementele de inchidere permit trecerea vaporilor de apa sub efectul diferentei de presiune partiala, fiind prin urmare permeabile la vaporii de apa.

Permeabilitatea la vapori a materialelor se poate exprima printr-o caracteristica fizica specifica, similara coeficientului de conductivitate termica, denumita coeficient de permeabilitate la vapori, m sau factorul rezistentei la permeabilitate la vapori a materialului unui strat m_Dj (g/m∙h∙torr sau g/m∙h∙mmH₂O sau g/m∙h∙Pa).

Fizic, coeficientul de permeabilitate la vapori reprezinta cantitatea de vapori de apa (in grame) care trece printr-o proba de material cu grosimea de 1 m, timp de 1 ora, cand intre fetele opuse, normale pe directia fluxului, avand suprafetele de 1 m², exista o diferenta de presiune partiala a vaporilor de apa egala cu unitatea.

Pentru elementele plane monostrat omogene se definesc urmatoarele caracteristici: permeabilitatea la vapori de apa (P_v) si inversul acesteia, rezistenta la permeabilitate la vapori (R_v), date de rapoartele:

P_v = m/d respectiv: R_v = d/m (2.7)

iar pentru elementele alcatuite din mai multe straturi paralele, normale pe directia fluxului de vapori, aceleasi caracteristici rezulta pe baza rezistentelor straturilor:

(2.8)

Conform STAS 6472/4, rezistenta la permeabilitate la vapori de apa a unui element cu structura compusa, avand straturile perpendiculare pe directia fluxului de vapori, se calculeaza ca suma a rezistentelor straturilor, exprimate functie de grosimi (d_j), de factorul rezistentei la permeabilitate la vapori a materialului stratului considerat ( _dj) si de coeficientul de difuzie M_j prin care se tine seama de temperatura medie a stratului.

Condensarea vaporilor de apa din aer pe suprafata sau in structura constituie o sursa importanta de umezire a acestora, insotita de cele mai multe ori de fenomene negative. Ca urmare, este necesara cunoasterea riscului de producere a acestui fenomen si a efectelor sale, pentru adoptarea unor masuri eficiente de combatere sau de limitare.

Declansarea fenomenului de condens, in general, poate avea loc ca urmare a urmatoarelor situatii favorizante:

w in cazul unui volum inchis, aflat la temperatura constanta - prin aport de vapori pana la atingerea concentratiei de saturatie;

w in cazul unui volum cu continut neschimbat de vapori - prin scaderea temperaturii pana cand presiunea partiala coincide cu presiunea de saturatie;

w prin scaderea temperaturii, simultan cu un aport de vapori.

Principalele date privind producerea fenomenului de condens, precum si cu eliminarea apei rezultate se pot obtine si pe baza analitica, prin calculul la condens.

Calculul la condens are ca scop stabilirea riscului de aparitie a acestui fenomen pe suprafata sau in masa elementelor, precum si a posibilitatii de eliminare a apei formate.

2.5 Condensul pe suprafata (fenomenul de roua)

Condensarea vaporilor de apa din aerul interior pe suprafata elementelor de constructii cu rol de inchidere poate avea loc in urmatoarele conditii:

w ca urmare a cresterii concentratiei vaporilor de apa din aerul incaperilor, la temperatura interioara constanta, prin aport de vapori datorita surselor existente in interior, pana la valoarea concentratiei de saturatie (c = c_s), dupa care surplusul de vapori se depune sub forma de picaturi de apa pe suprafata unor elemente, incepand cu cele mai reci;

w prin scaderea temperaturii aerului interior, chiar in conditiile in care umiditatea absoluta (continutul de vapori) ramane constanta, pana se ajunge la valoarea pentru care presiunea partiala a vaporilor corespunde presiunii de saturatie, respectiv p_v = p_vs;

w prin scaderea temperaturii suprafetei interioare a elementelor, datorita scaderii temperaturii aerului exterior sau interior, pentru un continut constant de vapori, pana la atingerea valorii pentru care concentratia de vapori de apa din aer corespunde saturatiei.

Temperatura pentru care presiunea partiala a vaporilor de apa atinge valoarea de saturatie, reprezinta temperatura punctului de roua (θ_r).

In constructii, fenomenul de roua apare ca urmare a debitului excesiv de vapori, a incalzirii reduse in perioadele cu temperaturi scazute, sau a unor elemente cu grad de izolare termica redus, fiind localizat pe suprafetele mai reci sau in zona puntilor termice.

Conditia evitarii condensului pe suprafetele elementelor este ca temperatura (T_si) sa nu coboare pana la valoarea temperaturii punctului de roua, adica:

T_si > θ_r

Temperatura de roua (θ_r) se poate determina functie de umiditatea relativa (j) si de temperatura aerului din incaperi (T_i), din tabelele existente in prescriptiile tehnice.

Pentru evitarea declansarii fenomenului de condens pe suprafata interioara a elementelor de inchidere exterioare, se pot adopta urmatoarele masuri generale:

w cresterea temperaturii suprafetelor interioare T_si, prin sporirea capacitatii de izolare termica a elementelor de inchidere, sau prin majorarea (in limitele permise de criteriile economice) a temperaturii aerului interior, prin furnizare de energie suplimentara;

w micsorarea continutului de vapori din incaperi, prin eliminare in exterior, prin schimb de aer eficient, sau prin reducerea numarului si a debitului surselor de vapori.

Daca riscul de producere a condensului se mentine si in aceste conditii, se impun masuri constructive adecvate pentru evitarea umezirii in profunzime a elementelor.

2.6 Fenomenul de condens in structura elementelor

Datorita diferentei dintre presiunea partiala a vaporilor de apa din incaperi si din aerul exterior, in perioadele reci exista tendinta de migrare a vaporilor din aerul mai cald spre aerul rece, prin elementele de inchidere permeabile. Intensitatea migratiei a vaporilor depinde de diferenta de presiune partiala si de permeabilitatea la vapori a materialelor.

In cursul migratiei, vaporii de apa pot ajunge in zone a caror temperatura sa fie favorabila condensarii. In aceste zone surplusul de vapori se depune sub forma lichida si provoaca umezirea, avand ca efecte: scaderea calitatilor de izolare termica, degradari ca urmare a fenomenului de inghet-dezghet si pete de saruri pe fata exterioara dupa uscare.

Conditia evitarii producerii fenomenului de condens in structura elementelor de inchidere este ca in orice sectiune a acestora valoarea presiunii partiale a vaporilor de apa (p_vk) sa nu atinga valoarea presiunii de saturatie (p_sk), respectiv:   

p_vk < p_sk

Variatia presiunii partiale a vaporilor de apa in elementele de inchidere

In ipoteza regimului stationar de migratie a vaporilor, variatia presiunii partiale pe grosimea unui strat este liniara, iar in cazul unui element alcatuit din mai multe straturi de materiale diferite diagrama presiunii partiale a vaporilor este o linie franta, alcatuita din segmente liniare, cu pante functie de permeabilitatea la vapori a materialului.

Valorile presiunii de saturatie a vaporilor de apa depind numai de temperatura si sunt precizate in literatura tehnica. Diagrama de variatie a presiunii de saturatie urmareste ca alura generala diagrama temperaturii pe grosimea elementului.

Calculul la condens in structura elementelor are ca scop:

w stabilirea riscului de condensare a vaporilor de apa in element;

w localizarea zonei de condens in structura elementului;

w evaluarea cantitatii de apa formata in masa elementului in perioada rece;

w gradul de umezire a materialelor, in special a materialelor termoizolante;

w posibilitatea de eliminare a apei prin evaporare in perioada calda;

w acumularea progresiva a apei de la an la an, datorita evaporarii incomplete.

Calculul la condens se efectueaza printr-o metoda grafo-analitica, prevazuta si in STAS 6472/4 si normativul C107/6, avand la baza o serie de etape succesive:

corespunzator conditiilor conventionale de temperatura ale aerului din incaperi si din exterior se calculeaza valorile temperaturilor pe suprafetele straturilor (T_k):

in care: (2.11)

Se stabileste presiunea de saturatie a vaporilor pe suprafetele fiecarui strat, cu ajutorul tabelelor existente in norme, functie de valorile temperaturilor: p_sk = f(T_k);

Se calculeaza presiunile partiale ale vaporilor de apa (p_vk) la limita straturilor:

in care: (2.12)

Se traseaza diagramele p_vk si p_sk pe schema elementului reprezentata la scara rezistentelor la vapori, in care in loc de grosimi apar rezistentele la vapori ale straturilor. Aceasta reprezentare grafica a structurii elementului are avantajul ca diagrama presiunilor partiale ale vaporilor de apa variaza liniar, fiind deci mai usor de trasat, numai pe baza valorilor pe cele doua fete p_vi si p_ve, care se determina functie de presiunile de saturatie corespunzatoare si umiditatile relative de calcul ale aerului interior si exterior:

respectiv:

Daca cele doua diagrame de presiuni (p_vk si p_sk) au cel putin un punct comun se considera ca este posibila aparitia fenomenului de condens in structura elementului.

Variatia presiunilor vaporilor de apa intr-un element de constructii. Aparitia condensului.

5 In continuare calculul cuprinde verificarea acumularii progresive a apei din condens de la an la an in structura elementelor de constructie, printr-un calcul dupa aceleasi principii, considerandu-se insa pentru temperatura exterioara o valoare medie anuala (T_me), prevazuta in STAS 6472/4, diferita functie de zona climatica a tarii, precum si evaluarea cantitatii de apa (m_w) care condenseaza in masa elementului.

6 Efectul umezirii elementului datorita apei acumulate, se apreciaza prin compararea cresterii umiditatii masice la sfarsitul perioadei de condensare a vaporilor de apa (DW) cu valoarea maxima admisa a cresterii umiditatii relative masice (DW_adm), care este indicata in standard, fiind cuprinsa intre 1,5% si 6% pentru materialele curente:

cu semnificatiile precizate in STAS 6472/4,

in care m_w - debitul de apa acumulat se determina functie de caracteristicile elementului, de datele climatice si de microclimat, respectiv de durata N_w favorabila condensarii.

7 Un calcul similar, efectuat pentru perioada calda, considerand numarul de ore favorabile procesului de uscare N_v precizat anterior, permite determinarea debitului de apa care se evacueza din zona de condens a elementului si care prin comparatie cu debitul acumulat ofera indicii privind starea in care elementul reia procesul de umezire-uscare intr-un nou ciclu, respectiv uscat, sau cu apa remanenta, necesitand interventii adecvate.

Pentru eliminarea (sau limitarea la un nivel acceptabil) a riscului de condens in structura elementelor de constructii, si odata cu aceasta a efectelor negative pe care le provoaca, se pot adopta o serie de masuri tehnice bazate pe urmatoarele principii generale:

sporirea gradului de izolare termica a elementelor de inchidere, avand ca efect distributia mai favorabila a temperaturii in structura si implicit a presiunilor de saturatie a vaporilor de apa, astfel incat cele doua diagrame de presiuni ale vaporilor se distanteaza;

micsorarea debitului vaporilor de apa care strabat elementul de constructie, prin reducerea numarului si debitului surselor de vapori de apa din incaperi, precum si prin eliminarea unei cantitati de vapori din aerul interior printr-o ventilare eficienta;

limitarea procesului de difuzie a vaporilor de apa prin elementele de inchidere exterioare si mai ales a accesului vaporilor de apa in zonele reci, favorabile condensarii, prin prevederea de bariere de vapori plasate pe fata calda a elementului sau a izolatiei.

asigurarea eliminarii active a vaporilor de apa din structura elementelor, prin ventilare naturala, prin intermediul unor straturi de material cu porozitate mare, spatii de aer ventilat, retele de canale de aerare etc., plasate inaintea zonei de condens si puse in legatura cu exteriorul prin orificii sau dispozitive speciale.

Concretizarea acestor masuri generale prin solutii tehnice adecvate constituie, alaturi de aspectul termic, care se considera prioritar, unul din obiectivele majore ale proiectarii higrotermice a cladirilor noi, precum si ale reabilitarii termofizice a cladirilor existente, avand in vedere ca o serie intreaga de neajunsuri caracteristice constructiilor aflate in exploatare, mai ales a celor executate cu pereti exteriori din beton armat si miez termoizolant, prevazute cu acoperis-terasa compact, provin datorita fenomenului de condens, respectiv a acumularii apei in structura elementelor.

In scopul adoptarii unor masuri tehnice eficiente pentru asigurarea conditiilor optime de confort din cladirile noi, precum si de reabilitare in acelasi scop a cladirilor aflate in exploatare, trebuie avuta in vedere relatia stransa existenta intre transferul de caldura si migratia vaporilor de apa prin elementele de inchidere, cat si interdependenta dintre efectele pe care le genereaza cele doua fenomene in spatiile cladirilor si in structura elementelor de constructii de inchidere sau de separare intre spatii cu temperaturi diferite.