Notiuni generale legate de umiditate si difuzia vaprilor de apa

Notiuni generale legate de umiditate si difuzia vaprilor de apa

1. Umiditatea materialelor

Umiditatea unui material este compusa din apa legata higroscopic si din apa libera.

- apa higroscopica este cea retinuta direct din faza gazoasa (din aer), prin absortie pana la realizarea umiditatii de echilibru;

- apa libera, este cea retinuta mecanic, fara adeziune, prin contactul direct al materialelor cu faza lichida (infiltratii de apa, apa din procesele functionale).

Umiditatea materialelor se poate exprima sub urmatoarele forme

- Prin raportare la masa, umiditatea relativa se exprima cu relatia :

, (10.1)

in care :

- masa materialului in stare umeda, in grame;

- masa materialului in stare uscata, in grame

- Prin raportare la volum , umiditatea relativa se exprima cu relatia :

in care:

- volumul de apa din material, in m³;

- volumul materialului, in m³

2. Umiditatea aerului

Aerul contine intotdeauna o anumita cantitate de umiditate sub forma de vapori, care determina gradul sau de umiditate.

Aceasta se poate exprima in mai multe moduri

a. Umiditatea absoluta a aerului, la o temperatura data, in g / m³ - care se exprima prin raportul : [g / m³ ] (10.3)

in care

- masa vaporilor de apa, in grame

V - volumul aerului, in m³

De fapt umiditatea absoluta reprezinta cantitatea de vapori de apa care se gaseste intr-un m³ de aer la o temperatura data.

b.Umiditatea absoluta de saturatie : exprimata in g / m³, reprezinta cantitatea maxima de vapori de apa pe care o poate retine un m³ de aer la o temperatura data.

Deci [g / m³ ]     (10.4)

Valorile umiditatii absolute de saturatie cresc odata cu temparatura aerului.

c. Umiditatea relativa a aerului [ (%)], la o temperatura data se exprima in procente si indica gradul de incarcare a aerului cu vapori de apa in raport cu situatia limita (de saturatie).

Se calculeaza cu relatia : . 100 [ % ] (10.5) Pentru aerul interior umiditatea relativa se noteaza cu [ % ], iar pentru cel exterior [ % ].

3. Presiunea vaporilor de apa din aer

Presiunea aerului, la o temperatura data se compune din presiunea aerului uscat si presiunea vaporilor de apa continuta in aer.

Pentru definirea presiunii vaporilor de apa din aer se utilizeaza notiunea de:

a. Presiune partiala ( P ), masurata in pascali (Pa) este presiunea pe care ar avea-o vaporii de apa continuti intr-un metru cub de aer, la o temperatura data, care corespunde unei umiditati absolute si are urmatoarea expresie :

[ Pa ] in care T este temperatura aerului. (10.6)

b. Presiunea de saturatie a vaporilor de apa ) si se masoara in Pa.

Este presiunea pe care ar avea-o vaporii de apa continuti intr-un metru cub de aer care si-a atins concentratia de saturatie. La fel ca umiditatea de saturatie, presiunea de saturatie depinde de temperatura volumului de aer.

Presiunea de saturatie a vaporilor de apa () corespunde unei umiditati absolute de saturatie si are urmatoarea expresie:

[ Pa ] (10.7)

Valorile presiunilor de saturatie , sunt date in Normativ C 107/ 6 - 2002 , la valori de temperature date (Tabelul B.1).

Stiind : . 100 , dar stim ca

Atunci vom avea :

Deci daca se cunosc umiditatea relativa [ % ] si temperatura aerului T, in functie de care se extrage din tabele din Normativul C 107 /6 - 2002, presiunea de saturatie , se poate calcula presiunea partiala reala a vaporilor de apa astfel :

[ Pa ] (10.8) [ Pa ] (10.9)

- presiunea partiala a vaporilor de apa din aerul exterior, respectiv din aerul interior

- umiditatea relativa a aerului exterior, respectiv a aerului interior

- presiunea de saturatie a vaporilor de apa din aerul exterior, respectiv din aerul interior

4. Difuzia vaporilor de apa prin elementele de constructie - Rezistenta la permeabilitate la vapori

Difuzia vaporilor de apa prin elementele de constructie este generata de gradientul de presiune existent intre fetele acestora .

Gradientul de presiune a vaporilor de apa este generat de continutul diferit de vapori din aerul atmosferic, care cu cat este mai cald cu atat poate retine o cantitate mai mare de apa sub forma de vapori.

Fluxul de vapori urmeaza intotdeauna fluxul termic.

Conform Normativ C 107/6 -2002 si STAS 6472/4-89, rezistenta la permeabilitate la vapori ( a elementelor de constructie realizate dintr-un material omogen, se determina cu relatia : [ m / s ] (10.10)

in care :

- grosimea stratului (grosimea materialului) [ m ] ;

-factorul rezistentei la permeabilitate la vapori a materialului (este adimensional), este prezentat in tabelul A.1 din ANEXA A a Normativului C107/6-2002, respectiv tabelul A.2 din ANEXA A, pentru bariere contra vaporilor (folii stratificate, pelicule);

M - coeficient de difuzie a vaporilor de apa in aer avand valoarea

de: 54 x 10 ⁸ [s ^{- 1} ];

Rezistenta la permeabilitate la vapori a stratului de aer din elementele de constructie se considera egala cu zero .

De asemenea valorile , care reprezinta rezistentele la trecerea vaporilor la suprafata si de la suprafata elementelor de constructie sunt nesemnificative fata de rezistenta prin material si de aceea se neglijeaza .

De aceea in proiectarea higrotermica se admite ca rezistenta totala la permeabilitatea vaporilor , pentru un elemente de constructie realizat dintr-un material omogen Pentru elementele de constructie cu structura stratificata se calculeaza cu relatia :

[m/s] (10.11)

in care :

- sunt rezistentele la permeabilitate la vapori ale straturilor componente ale elementului de constructie.

5. Condensul vaporilor de apa in cladiri

Condensarea vaporilor de apa reprezinta fenomenul fizic de transformare a acestora din stare gazoasa in stare lichida, condensul fiind apa lichida rezultata.

Condensul apare atunci cand umiditatea relativa devine 100 % .

Stiind ca umiditatea relativa , are urmatoarea relatie :

, inseamna ca φ = 100 % cand U_a = U_as sau P = P_s

Depunerea umiditatii sub forma de roua pe suprafata interioara a elementelor de constructie ale anvelopei ca si acumularea de apa din condens in masa acestora, determina atingerea unei stari limita temporara de exploatare normala a cladirilor.

Spre deosebire de alte stari limita temporare, exploatarea cladirii nu este practic intrerupta, dar este afectata negativ, pe termene destul de lungi.

In constructii principala sursa de vapori o reprezinta activitatile specifice din incaperi.

Acestia se elimina prin diverse cai (aerisire,ventilare, prin rosturile ferestrelor, prin elementele de constructie) astfel ca in conditii normale de exploatare, umiditatea relativa se stabileste in anumite limite. De exemplu la locuinte avem .Condensul poate sa apara la suprafata interioara sau in interiorul elementelor de inchidere, ca efecte negative asupra confortului si actiune distructiva asupra elementelor de constructie.

5.1. Condensul pe suprafata interioara a elementelor de inchidere a cladirilor

Daca temperatura de pe suprafata interioara a elementelor de inchidere a cladirii scade in asemenea masura fata de cea a aerului interior, incat coincide cu temperatura pentru care concentratia reala a vaporilor din aerul interior se transforma in concentratie de saturatie, incepe fenomenul de condens.

Temperatura respectiva se numeste temperatura de roua " . Aceasta temperatura de roua este data in Normativ C 107/3 -2005 - Anexa B, in functie de temperatura interioara si de umiditatea relativa a aerului interior

Deci pentru a nu exista condens trebuie ca temperatura minima in orice punct de pe aceasta suprafata sa fie mai mare decat temperatura de roua, respectiv :

La elementele de constructie adiacente spatiilor neincalzite in locul valorii

Ti - Te, se va introduce diferenta de temperatura: Ti - Tu

in care :

- temperatura interioara;

- temperature exterioara;

Tu - temperatura spatiilor neincalzite.

R - rezistenta termica efectiva a elementului de constructie si care din capitolele anterioare stim ca are relatia:

- rezistenta termica superficiala pe suprafata interioara a elementului de constructie.

- coeficientul de transfer superficial pe suprafata interioara a elementului.

In zona coltului, unde defectul de colt este mai mare vom avea :

(10.13)

In Normativ C 107/3-2005 se poate extrage din tabele valoarea lui .

5.2. Condensul vaporilor de apa in structura elementelor de constructie

Condensul in structura interna a elementelor de inchidere se produce atunci cand temperatura din interiorul peretelui devine egala cu cea de roua ( ) sau mai mica, respectiv daca presiunea partiala P este egala sau mai mare decat presiunea de saturatie

Mecanismul de producere a condensului structural

Diferenta de temperatura intre interiorul si exteriorul cladirilor conduce la o inegalitate permanenta intre presiunile partiale ale vaporilor de apa din cele doua medii separate de un element de anvelopa. Ca urmare, exista o tendinta cvasipermanenta de migrare a vaporilor de apa din zona mai calda, cu concentratie mai mare de vapori de apa, spre zona mai rece, cu concentratie mai mica de vapori de apa.

In mod real, elementele anvelopei cladirilor au o alcatuire respiranta, porii lor permitand difuzia unei cantitati de vapori de apa.

In perioada rece a anului, vaporii de apa care difuzeaza spre exteriorul elementelor anvelopei intalnesc zone cu temperaturi mai scazute, in care concentratia de vapori din porii materialelor atinge valoarea de saturatie si apa se depune sub forma de picaturi fine (roua).

In perioada calda a anului se petrece uscarea elementelor anvelopei, vaporii de apa difuzand de la interiorul acestora spre cele doua medii (interior si exterior) in care concentratia de vapori este mai mica, datorita capacitatii aerului cald de a retine mai multa umiditate sub forma de vapori.

Fenomenul fizic este discontinuu si se petrece numai in anumite conditii de temperatura si umiditate a aerului si a materialelor care alcatuiesc elementele anvelopei. Modelarea matematica a fenomenului difuziei vaporilor de apa prin elementele de anvelopa este mult mai dificila decat modelarea matematica a fenomenelor de transfer de caldura.

Dificultatile sunt cauzate de faptul ca materialele de constructie sunt in general higroscopice, adica absorb si fixeaza o anumita umiditate din mediile adiacente, in functie de porozitate si de starea de temperatura a carei variabilitate in timp modifica substantial umiditatea mediilor adiacente.

Ca urmare, modelul matematic operational de investigare are la baza regimul stationar si este aplicabil domeniilor de tip element plan monostrat sau stratificat.

In stadiul actual, in Normativul C107/6-2002 sunt acceptate pentru calculul la difuzia vaporilor de apa urmatoarele prevederi si ipoteze simplificatoare:

a. calculul se efectueaza pentru elementele de constructie exterioare si pentru cele interioare care separa spatii inchise cu temperaturi care difera intre ele cu mai mult de 5 sC si/sau cu diferente de umiditate relativa mai mari de 15%;

b. transferul termic are loc in regim termic stationar si este unidirectional;

c. toate caracteristicile termofizice ale materialelor sunt independente de temperatura si umiditate;

d. circulatia aerului prin sau in interiorul elementelor de constructie nu este luata in considerare;

e. straturile de aer din alcatuirea elementelor de anvelopa au rezistenta la permeabilitate la vapori neglijabila (zero).

5.2.1. Calculul difuziei de vapori de apa prin elementele de constructie

Verificarea comportarii elementelor de constructie la difuzia de vapori de apa , cuprinde urmatoarele etape:

a. verificarea neacumularii progresive de apa, de la an la an, ca urmare a condensarii vaporilor de apa in interiorul elementului de constructie

b. stabilirea temperaturii aerului exterior de la care apare condensul si determinarea localizarii zonei de condens

c. calculul cantitatilor de apa provenite din condensarea vaporilor in masa elementului de constructie, in perioada rece a anului

d. calculul cantitatilor de apa ce se evapora din masa elementului de constructie in perioada calda a anului

e. calculul cresterii umiditatii relative masice a materialului in care se produce acumularea de apa

Dintre etapele prezentate mai sus se va prezenta doar cea precizata la punctul ,, a

Verificarea neacumularii progresive de apa, de la an la an, ca urmare a condensarii vaporilor de apa in interiorul elementului de constructie.

Aceasta verificare se face pe cale grafo-analitica astfel

Stabilirea parametrilor climatului interior si exterior, functie de zona climatica unde este amplasata cladirea si de destinatie: Ti (temperatura interioara conform destinatiei cladirii), Te (temperatura exterioara conform zonei climatice in care este amplasata cladirea, φi (umiditatea relativa interioara), φe (umiditatea realtiva exterioara),Tem (temperatura exterioara medie conform zona climatica), Rsi si Rse

Se stabilesc rezistentele termice unidirectionale Rs ale tuturor straturilor componente ale elementului de constructie: Rs ; Rs ; Rs . . Rsn ; [m2K/W]

Se determina rezistenta termica unidirectionala pentru elementul de constructie R = Rsi + Rs + Rse ; [m2K/W]

Se stabileste variatia temperaturilor Tk, in interiorul elementului de constructie prin determinarea temperaturilor pe suprafata fiecarui strat K, considerandu-se temperatura exterioara egala cu temperatura exterioara medie anuala Tem; Relatia de calcul este urmatoarea

Tsi = Ti - Rsi [sC] (10.14)

Tk = Ti - ( Rsi + ) (sC) (10.15)

Tse = Ti - ( Rsi + ) (sC) (10.16)

Se determina pentru fiecare din temperaturile aferente acestor suprafete din normativ C107/6-2002, table B, presiunile de saturatie Ps; Pentru Tem, se determina Psem aferent.

Se determina rezistenta la permeabilitate la vapori Rv pentru fiecare strat in parte si pentru intreg elementul de constructie:

Rvk = dk · Dk · M (m/s)

Rvo = Rvk = ( dk · Dk ) M [m/s]

Se calculeaza valorile corectate ale presiunilor de saturatie cu urmatoarea relatie

Psk,cor = Psk + [Pa] (10.17)

in care factorul de corectie are valorile:

= 172 Pa, pentru zona I-a climatica; = 162 Pa, pentru zona II-a climatica;

= 142 Pa, pentru zona III-a climatica; = 132 Pa, pentru zona IV-a climatica;

Valoarea medie anuala a presiunii de saturatie corectata Pse cor, a vaporilor din aerul exterior, corespunzatoare temperaturii medii anuale Tem, se calculeaza cu relatia: Pse cor = Psem + [ Pa] (10.18)

in care valoarea factorului este aceeasi de mai sus.

Se calculeaza presiunile partiale ale vaporilor de apa din aerul interior si exterior cu relatiile:

Pi = [Pa] (10.19)

Pe cor = [Pa] (10.20)

Se reprezinta grafic elementul de constructie, amplasandu-se pe orizontala rezistentele la permeabilitate la vapori ale straturilor componente, iar pe verticala presiunile de vapori.

Se construieste curba de variatie a presiunilor de saturatie corectate a vaporilor de apa din interiorul elementului de constructie si din aerul exterior.

Se construieste linia presiunilor partiale P, prin unirea punctului Pi de pe suprafata interioara a elementului de constructie cu Pe (Pe cor).

Pentru o reprezentare mai usoara se procedeaza astfel:

- se alege o scara geometrica pentru temperaturi (de ex. 1sC = 0,5 cm);

- se alege o scara geometrica pentru presiunile vaporilor de apa (1Pa = 1 cm);

- se alege o scara geometrica pentru rezistenta la permeabilitate la vapori (de ex. 1 m/s = 1 cm).

Pozitia reciproca a curbelor psk,cor si pk poate fi urmatoarea :

a) curba Pk < Psk,cor , pe toata grosimea elementului de anvelopa;

In aceasta situatie nu exista risc de condens

b) curba pk = psk,cor , intr-un punct de tangenta din structura elementului de anvelopa;

In aceasta situatie exista un plan de condensare pozitionat la abscisa din punctul de tangenta al curbelor Pk = Psk,cor = Psc;

c) curba pk > psk,cor, intr-un domeniu din structura elementului de anvelopa.

In aceasta situatie pentru conditiile de calcul date exista o zona de condensare cu grosimea dw care incepe in punctul de tangenta Psc1 si se termina in punctul de tangenta Psc2. Tangentele la curba psk,cor se duc din punctele de intrare si de iesire ale dreptei pi , pe

5.3. Masuri privind micsorarea riscului de condens

Pentru micsorarea riscului de condens in structura elementelor de inchidere sunt necesare masuri constructive si de exploatare a cladirii .

Dintre masurile constructive se mentioneaza

- Realizarea rezistentei necesare la transfer termic

- La elementele de inchidere formate din mai multe straturi (elemente stratificate), straturile poroase se vor dispune spre exterior pentru a favoriza propagarea vaporilor in zonele reci si eliminarea lor in atmosfera

Prevederea de bariere contra vaporilor cu rolul de a opri partial, vaporii de apa in zonele calde ale peretelui, zone cu risc de condens scazut ; aceste bariere contra vaporilor se dispun la interior sau pe suprafata calda a termoizolatiei

- La constructii cu degajari importante de vapori de apa la interior (bazine de inot inchise, bucatarii pentru cantine, unele constructii industriale etc ), se recomanda ca elementul de inchidere sa fie prevazut cu strat de aer ventilat, care colecteaza vaporii de apa si-i elimina in atmosfera.

Pentru satisfacerea cerintelor de igiena si confort higrotermic precum si pentru conservarea performantelor elementelor de inchidere si compartimentare este necesar ca elementele de constructie sa satisfaca urmatoarele conditii tehnice si niveluri de performanta :

a. Cresterea umiditatii masice () a materialelor componente ale structurii elementelor de inchidere ca urmare a condenasarii vaporilor de apa trebuie sa satisfaca nivelul :

se calculeaza astfel

in care :

- cantitatea de vapori de apa care poate condensa in elementul de constructie, in perioada rece a anului, in kg/ m².

- densitatea aparenta a materialului care s-a umezit prin condensare, in kg/m³

-grosimea stratului de material in care se produce acumularea de apa in m . Valorile admisibile ale cresterii umiditatii relative masice in perioada de condensare , sunt date in Normativ C 107/6 - 2002 .

b. evitarea acumularii progresive de apa in interiorul elementelor de inchidere, de la un an la altul, datorita fenomenului de condens.

- cantitatea de vapori de apa care poate condensa in elementul de constructie, in perioada rece a anului, in kg/ m².

- cantitatea de apa care se poate evapora in perioada calda a anului.