Nastase Gabriel - Rezumat

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI

FACULTATEA DE INGINERIA INSTALAȚIILOR

TEZĂ DE DOCTORAT Rezumat

CONTRIBUȚII LA REDUCEREA CONSUMULUI DE ENERGIE PRIN VALORIFICAREA SUPERIOARĂ A

APORTURILOR SOLARE

Doctorand:

Ing. NĂSTASE Gabriel

Coordonator științific:

Prof. dr. ing. Robert GAVRILIUC

BUCUREȘTI 2014

Cuprins rezumat

CUPRINS 1 CAPITOLUL 1 Eficiența energetică în sectorul clădirilor de birouri și peretele Trombe 4 1.1. Introducere 4 1.2. Eficiența energetică în sectorul clădirilor de birouri 4 1.3. Peretele Trombe 5 1.4. Concluziile capitolului 6 CAPITOLUL 2 Conceptul de fațadă dublă de sticlă 7 2.1. Studii referitoare la fațade duble în general 7 2.2. Terminologia utilizată 7 2.3. Definiția fațadei duble de sticlă 8 2.4. Conceptul de fațadă dublă de sticlă 8 2.5. Controlul luminii și al aporturilor solare la fațadele duble din sticlă prin utilizarea sistemelor de umbrire 9 2.6. Clasificarea fațadelor duble din sticlă 9 2.6.1. În funcție de originea aerului din spațiul intermediar 9 2.6.2. În funcție de modul de vehiculare a aerului prin cavitatea fațadei 9 2.6.3. În funcție de compartimentarea cavității de-a lungul fațadei 10 2.7. Funcțiile fațadelor duble din sticlă 10 2.8. Exemple de fațade duble din sticlă din Europa 10 2.9. Concluziile capitolului 11 CAPITOLUL 3 Modelarea fizico-matematică a proceselor de transfer de căldură în cazul FDS 13 3.1. Fenomenele de transfer termic și de masă la fațadele duble de sticlă. Generalități 13 3.2. Elaborarea algoritmului și a programului de calcul 15

3.2.1. Anvelopa interioară. Transferul de căldură printr-un vitraj dublu. Metoda corectată, propusă de P.H. OOsthuizen și David Naylor 15

3.2.2. Anvelopa exterioară. Transferul de căldură prin cavități verticale, paralelipipedice 18 3.3. Concluziile capitolului 20

CAPITOLUL 4 Simularea transferului termic în cazul fațadelor duble din sticlă folosind un soft specializat 21 4.1. Mediul virtual de simulare 21 4.2. Simularea transferului termic în cazul fațadei duble 23 4.2.1. Sezonul rece (iarna) 23

C

- 1 -

CUPRINS

4.2.2. Sezonul cald (vara) 24 4.3. Concluziile capitolului 25 CAPITOLUL 5 Modelul experimental al fațadei duble din sticlă tip ”box” 26 5.1. Prezentarea modelului 26 5.1.1. Modelul experimental al fațadei duble de sticlă, de tip box 27 5.1.2. Configurația camerei experimentale 28 5.1.3. Necesarul de frig și de căldură pentru camera experimentală 29 5.2. Parametrii ambianței interioare pentru calcule energetice 31 5.3. Echipamente utilizate pentru măsurare și achiziție de date 31 5.3.1. Înregistratoare numerice multicanal pentru achiziția temperaturilor 31 5.3.2. Traductorii de temperatură pentru suprafața vitrată 31 5.3.3. Termohigrometre pentru cele 3 zone ale fațadei 32 5.3.4. Traductorul interior de CO2 32 5.3.5. Piranometrul pentru măsurarea intensității radiației solare 32 5.3.6. Luxmetrul pentru măsurarea intensității luminoase 32 5.3.7. Instrument multifuncțional pentru determinarea vitezelor și debitelor de aer 32 5.3.8. Instrument portabil pentru evaluarea concentrației de CO2 din aerul exterior 32 5.4. Procedee de măsurare și achiziție de date 33 5.4.1. Măsurarea temperaturilor de pe suprafețele vitrate și de pe suprafața sistemului de umbrire al fațadei 33 5.4.2. Măsurarea temperaturii și umidității aerului în exterior, în cavitate și în interior 33 5.4.3. Măsurarea nivelului de CO2 din camera experimentală și din aerul exterior 33 5.4.4. Măsurarea intensității radiației solare 33 5.4.5. Măsurarea intensității luminoase 34 5.4.6. Măsurarea vitezelor și debitelor de aer 34 5.5. Concluziile capitolului 34 CAPITOLUL 6 Rezultatele cercetărilor experimentale 35 6.1. Rezultatele cercetărilor în legătură cu transferul termic la fațadele duble de sticlă tip ”box” 36 6.1.1. Sezonul cald - vara 36 6.1.2. Sezonul de tranziție – primăvara/toamna 38 6.1.3. Sezonul rece - iarna 39 6.2. Rezultatele cercetărilor referitoare la regimul de curgere din interiorul cavității 42 6.3. Rezultatele cercetărilor referitoare la climatul interior, din camera experimentală adiacentă fațadei 42 6.3.1. Ambianța termică și umiditatea interioară 42 6.3.2. Nivelul de CO2 42 6.3.3. Debitul de ventilare 43 6.3.4. Nivelul de iluminat natural 44 6.3.5. Nivelul acustic 44 6.2. Concluziile capitolului 44

- 2 -

CUPRINS

CAPITOLUL 7 Analiza comparativă a rezultatelor și metodelor utilizate 45 7.1. Analiza comparativă a rezultatelor obținute 45 7.2. Analiza comparativă a metodelor utilizate 48 7.1. Concluziile capitolului 49 CAPITOLUL 8 Concluzii generale și contribuții personale 50 8.1. Concluzii generale 50 8.2. Contribuții personale și direcții viitoare de cercetare 53 BIBLIOGRAFIE 55

- 3 -

Capitolul

Eficiența energetică în sectorul clădirilor de birouri și peretele Trombe

Eficiența energetică trebuie să devină un mod de viață, nu un slogan reînnoit la conferințele anuale pe această temă. 1.1. Introducere

Sectorul construcțiilor are o contribuție majoră la consumul de combustibili convenționali, utilizați pentru aprovizionarea cu energie primară, realizându-se astfel o degradare semnificativă asupra mediului înconjurător, prin consumul uriaș de materiale și prin producerea de gaze cu efect de seră. Clădirile sunt responsabile pentru aproximativ 40% din consumul de energie, la nivel mondial. Pentru a salva o parte importantă a acestei energii Agenția Internațională pentru Energie recomandă măsuri pentru:

• înnoirea metodologiilor și normelor pentru clădirile noi; • încurajarea construirii caselor pasive și a clădirilor cu zero sau aproape zero consum de

energie; • încurajarea și promovarea sistemelor de construcție inovative; • politici de promovare a pachetelor eficiente energetic pentru clădirile existente; • certificarea energetică a clădirilor; • îmbunătățiri la eficiența energetică a ferestrelor.

1.2. Eficiența energetică în sectorul clădirilor de birouri Măsurile de eficiență energetică și de protejare a mediului înconjurător trebuie tratate în

mod diferit în faza de proiectare și în faza de exploatare. În selectarea celei mai potrivite acțiuni sau strategii pentru eficientizarea energetică și reducerea impactului asupra mediului, fie în proiectare, fie în faza operațională sunt utilizate metodologii diferite.

1

- 4 -

CAPITOLUL 1 - EFICIENȚA ENERGETICĂ ÎN SECTORUL CLĂDIRILOR DE BIROURI ȘI PERETELE TROMBE

De obicei, proiectantul realizează o simulare a modelului clădirii, pentru a evalua aspectele de proiectare și soluțiile, sub rezerva preferințelor subiective ale beneficiarului (costul clădirii, eficiența energetică, estetică etc.).

Realizarea unui mediu interior de înaltă calitate, la un cost acceptabil a prezentat întotdeauna o provocare pentru industria de construcții. Fiind adăugată în prezent, pe lista de cerințe, aspecte legate de dezvoltare durabilă, precum și disponibilitate de noi materiale și sisteme ce pot fi utilizate, această provocare pune tot mai mult la încercare calitățile, priceperea și îndemânarea proiectanților.

O clădire sau un spațiu dintr-o clădire cuprinde mai multe domenii termodinamice: mișcarea aerului, schimbul de radiație, debitul de umiditate, fluxul de energie electrică, distribuția luminii naturale etc., fiecare dintre acestea interacționând între ele unele cu altele în mod complex. De exemplu, simplul fapt că într-o încăpere modificăm poziția dispozitivului de umbrire al ferestrei, va produce efecte în cascadă legate de nivelul interior al iluminatului natural, al cerinței de iluminat artificial, al încălzirii și răcirii spațiului sau al consumului de energie electrică. În mod evident industria construcțiilor are câteva direcții pe care poate merge dacă se dorește includerea unei analize riguroase a ciclului de viață al unei clădiri în practica de proiectare din viitor.

Instrumente de proiectare au fost în mod tradițional realizate prin reducerea sistemului de ecuații de bază, în încercarea de a reduce sarcina de calcul și de a elimina multe date de intrare pe care trebuie să le introducă utilizatorul. În cadrul acestor instrumente de proiectare, unele porțiuni de sistem pot fi neglijate (de exemplu schimbul de energie al radiațiilor de lungime de undă lungă), valorile invariante în timp pot fi atribuite unor parametri ai sistemului (de exemplu proprietățile termice ale materialului), sau se impun condiții simple la limită (de exemplu regimul staționar). În cadrul unui program de simulare astfel de ipoteze nu se iau în calcul. În schimb, este construit un model matematic pentru a reprezenta direcția fluxurilor energetice și interacțiunile dintre ele. În acest sens simularea este o încercare de a emula realitatea.

1.3. Peretele Trombe Un perete Trombe este un perete orientat spre soare, promovat ca sistem solar pasiv,

utilizat în proiectele de clădiri cu consum redus de energie. Acest sistem a fost brevetat de către Edward Morse, în anul 1881 și promovat de inginerul francez Félix Trombe și de arhitectul Jacques Michel. Constă dintr-un perete cu masivitate mare și un strat de sticlă plasat la câțiva centimetri în fața acestuia, între acestea formându-se un spațiu de aer, care se supraîncălzește, datorita efectului de seră.

Termenul de aport solar pasiv este utilizat atunci când are loc creșterea temperaturii într-un spațiu, temperatura unui obiect sau a unei structuri, ca rezultat al radiației solare. Prin adăugarea unui perete de sticlă la o fațadă existentă, poziționată spre sud, împreună cu realizarea unor goluri de ventilare în pereți, fie doar la cel interior, fie la ambii, se realizează un sistem de încălzire cu aer cald eficient, la costuri reduse.

Radiația solară incidentă pe peretele cu masivitate termică mare este absorbită de acesta, ceea ce va conduce la încălzirea sa. Apare astfel fenomenul de conducție prin perete, pe măsură ce

- 5 -

CAPITOLUL 1 - EFICIENȚA ENERGETICĂ ÎN SECTORUL CLĂDIRILOR DE BIROURI ȘI PERETELE TROMBE

temperatura peretelui crește și, astfel, după ce ajunge la suprafața interioară a peretelui căldura va trece spre cameră prin convecție și radiație, atât timp cât temperatura peretelui depășește temperatura aerului interior. Timpul de transfer (defazajul) și creșterea de temperatură depind de tipul și grosimea materialului din care este construit peretele, la un perete de beton defazajul fiind de aproximativ 18 [min/cm].

1.4. Concluziile capitolului Următoarele generații de ferestre și tehnologii de anvelopare a clădirilor cu elemente

vitrate, cum ar fi cea prezentată în cadrul acestui studiu au potențial însemnat de reducere a consumului de energie în sectorul clădirilor de birouri precum și în sectorul clădirilor rezidențiale. Pentru a valorifica însă, la maxim acest potențial, tehnologiile de ultimă generație trebuie să fie și convenabile din punct de vedere al costurilor, pentru a fi adoptate la scară largă. Atât anvelopele opace cât și cele transparente protejează ocupanții clădirii de condițiile climatice nefavorabile, din mediul exterior. Anvelopele pot fi proiectate de la început cu sisteme care valorifică o parte din resursele disponibile în mediul exterior (lumina naturală, ventilarea naturală etc.) sau pot fi îmbunătățite ulterior în acest sens. În final, toate aceste strategii vizează reducerea consumului de energie al clădirilor aferent răcirii, încălzirii, ventilării sau iluminatului.

Arhitecții și beneficiarii sunt implicați indirect în dezvoltarea sistemelor eficiente energetic, însă pot avea un rol foarte important în adoptarea la scară largă a acestor sisteme sau tehnologii. Confortul termic, ventilarea naturală și izolarea acustică sunt elemente cheie la clădirile cu anvelopa de sticlă, care pot accelera procesul de introducere pe piața largă a sistemelor eficiente energetic. Un alt rol important în implementarea noilor tehnologii eficiente energetic îl au legile, standardele și normativele, însă din păcate, în general, durează foarte mult până se fac modificări în acest sens, chiar dacă multe dintre acestea sunt esențiale. În final, dar nu mai puțin important ca rol în introducerea la scară largă a unor sisteme și tehnologii eficiente energetic este raportul cost inițial/recuperarea investiției.

Eficiența energetică în sectorul clădirilor de birouri reprezintă cadrul larg în care se încadrează lucrarea de față, iar peretele Trombe este un model timpuriu de sistem solar pasiv, despre care se poate spune, într-un fel, că este precursorul fațadelor moderne, duble de sticlă. Diferența majoră dintre cele două sisteme este faptul că în cazul fațadelor duble de sticlă omologul peretelui cu masivitate este un vitraj modern, ce are caracteristici termotehnice bune. Acest aspect anulează consumarea unui spațiu suplimentar pentru accesul luminii naturale, cum era în cazul peretelui Trombe, ceea ce face ca fațadele duble de sticlă să poată fi utilizate ca sistem de ansamblu, atât cu rol arhitectural de fațadă, cât și cu rol de sistem solar pasiv, plus restul de avantaje pe care le aduce și care vor fi prezentate pe larg în cadrul următorului capitol.

* * *

- 6 -

Capitolul

Conceptul de fațadă dublă din sticlă

Acest capitol își propune descrierea și clasificarea fațadelor duble de sticlă utilizate la

anveloparea clădirilor de birouri. Deoarece conceptul de fațadă dublă de sticlă este unul complex, iar utilizarea și operarea unui astfel de sistem afectează parametrii interni ai clădirii (care de multe ori interacționează unii cu alții, cum ar fi ventilația naturală, consumul de energie, calitatea aerului interior, acustica, confortul vizual și termic etc.) literatura studiază subiectul din direcții diferite. A fost considerată importantă prezentarea câtorva clădiri de birouri, din Europa, la care este instalat acest sistem, pentru a observa asemănările și deosebirile dintre ele, astfel încât acestea să fie analizate din mai multe puncte de vedere, având ca țel final stabilirea configurației potrivite pentru modelul experimental ce s-a realizat în situ, la parterul Facultății de Construcții din cadrul Universității Transilvania din Brașov, pe fațada sud a clădirii.

2.1. Studii referitoare la fațade duble în general

Fațadele duble din sticlă sunt o tendință arhitecturală europeană stimulată în cea mai mare parte de:

• reducerea consumului de energie în timpul de ocupare al clădirii; • nevoia practică de a îmbunătăți calitatea mediului interior de lucru; • dorințe estetice pentru o fațadă cu cât mai multă transparență; • necesitatea de îmbunătățire a acusticii clădirilor plasate în zone zgomotoase.

2.2. Terminologia utilizată Colectarea de date ce fac referire la sistemul de fațadă dublă din sticlă a scos în evidență că

atât în literatura tipărită cât și site-uri web acest sistem de este denumit în diferite feluri. Aceste denumiri includ: fațadă dublă din sticlă; fațadă double-peau, fațadă activă (uzual când ventilarea prin cavitate are loc mecanic), fațadă pasivă (uzual când ventilarea prin cavitate are loc natural),

2

- 7 -

CAPITOLUL 2 - CONCEPTUL DE FAŢADĂ DUBLĂ DIN STICLĂ

fațadă dublă, anvelopă dublă, fațadă dinamică, fațadă ventilată, fațadă dublă din sticlă ventilată, fațadă inteligentă din sticlă, perete cortină dublu din sticlă.

2.3. Definiția fațadei duble de sticlă În această parte, se prezintă diferite definiții, cu scopul de a prezenta unii din cei mai

importanți autori de lucrări, care s-au preocupat de acest subiect și pentru a prezenta pe scurt modul în care aceștia au definit sistemul de fațadă dublă din sticlă.

2.4. Conceptul de fațadă dublă de sticlă Adoptarea soluției de închidere cu fațadă dublă de sticlă, în special a clădirilor

nerezidențiale, poate reprezenta o soluție eficientă de reducere a consumului de energie al acestor clădiri.

Fațadele duble de sticlă au fost dezvoltate ca o tehnologie alternativă pentru a îmbunătăți performanțele termice ale clădirilor cu anvelopa din sticlă.

O fațadă dublă de sticlă este o construcție tip anvelopă, ce este alcătuită din două suprafețe transparente separate de o cavitate, ce este folosită ca și canal de aer.

Componența unei fațade duble din sticlă, ventilată natural este prezentată în Figura 2.1.

Anvelopa exterioară este realizată din sticlă cu rezistență crescută (sticlă securizată), a cărei grosime poate fi 8-12mm, sau chiar și mai mare în unele cazuri. Rolul principal al acesteia este acela de a oferi întregii construcții o rezistență corespunzătoare împotriva condițiilor climatice exterioare,

contribuind în același timp și la realizarea unei bune izolații fonice a întregii fațade. Cavitatea este un spațiu intermediar de aer , a cărui lățime este de minimum 25cm, putând

să ajungă în unele cazuri la 2m, în funcție de scopul urmărit. Rolul acestuia este acela de a contribui la creșterea gradului de izolare termică a întregii fațade, oferind în același timp posibilitatea ca, în anumite condiții, în interiorul său să poată fi preîncălzit aer pentru ventilarea naturală sau mecanică a clădirii. În interiorul acesteia pot fi montate și sisteme de umbrire pentru protecție solară.

Anvelopa interioară este o parte interioară constituită din panouri de sticlă fixe, sau ferestre cu ochiuri mobile, realizată din oțel, aluminiu, PVC sau lemn, cu două sau trei rânduri de sticlă.

Fig. 2.1. Fațadă dublă de sticlă, ventilată natural 1. anvelopa exterioară; 2. anvelopa interioară; 3. cavitatea interioară; 4. dispozitiv de umbrire;

5. deschideri pentru ventilare naturală

- 8 -


2.5. Controlul luminii și al aporturilor solare la fațadele duble de sticlă prin utilizarea sistemelor de umbrire

Un element crucial pentru a obține un consum scăzut de energie, deci o clădire eficientă

energetic, este limitarea puternică a aporturilor solare în timpul verii. Acest deziderat poate fi realizat cu ajutorul unui sistem vertical extern de umbrire solară pe fațadele sud, est și vest.

În România aportul solar în perioada de vară printr-o fereastră cu 3 rânduri de sticlă este de cca. 6,5 [MJ/ m²*zi], pe fațada sud și cca.5,5 [MJ/m²*zi] pe fațadele est și vest. Un sistem extern reglabil de umbrire poate reduce aporturile solare cu 90-95%, respectiv la mai puțin de 0,5[MJ/ m²*zi].

Din punct de vedere constructiv și al modului de montaj, elementele exterioare de protecție solară pot fi clasificate în 5 tipuri constructive și anume:

• Elemente exterioare de protecție solară cu lamele în formă de „C”; • Elemente exterioare de protecție solară cu lamele de formă ovală; • Elemente exterioare de protecție solară cu lamele din sticlă; • Elemente exterioare de protecție solară alcătuite din panouri mobile; • Elemente exterioare de protecție solară sub forma unui ecran;

Selectarea atentă a sistemului de umbrire, în cadrul proiectelor cu fațadă dublă de sticlă este necesară pentru maximizarea utilizării luminii naturale (fără însă a provoca orbirea indirectă, sau aporturi de căldură excesivă), pentru a atinge performanța funcțională necesară și pentru a satisface cerințele estetice ale clădirii.

2.6. Clasificarea fațadelor duble din sticlă

Literatura de specialitate oferă o multitudine de criterii pentru clasificarea fațadelor duble din sticlă. În cele mai multe cazuri acestea sunt clasificate în funcție de forma în care este împărțit spațiul intermediar precum și în funcție de natura circulației aerului în acest spațiu. După Dirk Saelens [11], fațadele duble de sticlă pot fi clasificate în funcție de cele mai importante principii de lucru și anume: 2.6.1. În funcție de unde pătrunde aerul în spațiul intermediar:

a) Cortină cu aer interior și cortină cu aer exterior; b) După rolul jucat de curentul de aer, evacuarea aerului viciat sau admisia de aer

proaspăt; c) După deschiderea/închiderea cavității.

2.6.2. În funcție de modul de vehiculare a aerului prin cavitatea fațadei:

Fațade ventilate mecanic: în cadrul acestor sisteme aerul este vehiculat cu ajutorul ventilatoarelor, ceea ce face ca ventilarea să poată fi bine controlată. Fațade ventilate natural: în cadrul acestor sisteme mișcarea aerului este generată de

- 9 -


diferența de temperatură, și de cea de presiune creată de vânt, ceea ce face ca debitul de aer să nu poată fi controlat suficient de exact. Fațade cu ventilare hibridă: în cadrul acestor sisteme ventilarea se face atât natural cât și mecanic. În cea mai mare parte a timpului ventilarea are loc în mod natural, iar când aceasta nu mai face față cererii, sau condițiile exterioare nu mai permit acest lucru, intră în funcțiune și sistemul mecanic de ventilare.

2.6.3. În funcție de compartimentarea cavității de-a lungul fațadei:

Fațadă tip trunchi (ax): atunci când spațiul cavității este împărțit în compartimente verticale pe întreaga înălțime a fațadei; Fațade tip coridor: atunci când spațiul cavității este împărțit în compartimente orizontale, la fiecare nivel, sau la două nivele, cu deschideri (găuri, fante, etc) între nivele pentru a facilita circulația aerului; Fațadă tip “box window”: atunci când spațiul cavității este împărțit atât pe orizontală cât și pe verticală în ferestre individuale; Fațadă continuă: atunci când spațiul cavității este continuu pe toată suprafața fațadei, fără nici o divizare intermediară, orizontală sau verticală.

2.7. Funcțiile fațadelor duble din sticlă Cele mai importante funcții ale fațadei duble de sticlă sunt: Facilitează efectuarea ventilației naturale a clădirii; Contribuie la creșterea aportului solar absorbit în perioada rece; Contribuie la creșterea ponderii luminii naturale; Contribuie la îmbunătățirea performanțelor acustice ale anvelopei;

2.8. Exemple de fațade duble de sticlă din Europa Dezvoltarea sistemelor de fațade duble de sticlă reprezintă un răspuns la furnizarea unor

pereți cortină complet vitrați precum și o modalitate eficientă de a controla căldura, frigul, lumina, aerul și zgomotul prin anvelopa clădirii, respectiv reducerea consumului de energie.

În Europa acest sistem a fost instalat pe mai multe clădiri de birouri corporative, inovatoare, ca o metodă adecvată pentru economisirea de energie și pentru a beneficia de lumina solară cât mai mult pe parcursul unei zile. Instalarea unei astfel de fațade este un proces complex și care necesită îmbinarea mai multor domenii din aria inginereasca și de aceea în funcție de scopul final al sistemului este necesară o colaborare foarte strânsă între cei implicați în realizarea proiectului, respectiv arhitect, ingineri constructori, ingineri de instalații, auditori energetici etc.

Ca bază pentru cercetările ulterioare prezentate în această lucrare s-a făcut uz de bibliografie/citări din literatura de specialitate disponibilă la noi în țară și pe internet, cum ar fi cărți, articole, teze de doctorat, lucrări de dizertație și lucrări de licență, cu scopul final de a ține cont de toate recomandările specialiștilor care s-au ocupat în de-aproape de acest sistem de

- 10 -


avangardă. În afară de literatura de specialitate au fost efectuate și vizite de documentare în câteva țări din Uniunea Europeană, cum ar fi Spania, Belgia, Olanda, Austria, Germania, Cehia, Slovacia, Ungaria, Franța precum și la noi în țară, la Iași, unde au fost realizate două modele experimentale și la București, unde a fost construită prima clădire cu fațadă dublă din sticlă din România.

2.9. Concluziile capitolului În acest capitol a fost prezintat pe larg conceptul de fațadă dublă de sticlă fiind evaluate

unele realizări din Europa, vizitate de către autor; scopul a fost acela de a colecta o serie de date de ordin constructiv/conceptual, în vederea realizării modelului experimental, ce va fi prezentat în următorul capitol. În continuarea celor arătate în acest capitol sunt prezentate sub formă sintetică cele mai importante caracteristici ale sistemului de fațade duble de sticlă vizualizate la fața locului, de către autor, în urma mai multor vizite de documentare prin Europa (Tabelul 2.1).

Tabelul 2.1. Comparație între fațadele duble de sticlă instalate pe clădirile exemplificate

Țara

Ora

șul

Nr.

crt.

Clăd

irea

În fu

ncție

de

orig

inea

deb

itulu

i de

aer

din

spaț

iul

inte

rmed

iar

În fu

ncție

de

mod

ul

de v

ehic

ular

e a

aeru

lui p

rin

cavi

tate

a fa

țade

i

În fu

ncție

de

com

part

imen

tare

a ca

vită

ții d

e-a

lung

ul

fața

dei

Span

ia

Barc

elon

a 1. Torre Agbar Circulația aerului în ambele sensuri V. Naturală Fațadă continuă

2. Interface Building

Circulația aerului în ambele sensuri V. Hibridă Fațadă continuă

Belg

ia

Brux

elle

s

3. Berlaymont Circulația aerului în ambele sensuri V. Hibridă Fațadă continuă 4. Brussimo Cortină cu aer interior V. Mecanică Fațadă continuă 5. DVV Cortină cu aer interior V. Mecanică Box window 6. Dexia Bank Cortină cu aer interior V. Hibridă Fațadă continuă

7. North Galaxy Fără circulația aerului între interior

si exterior V. Mecanică Coridor

Ola

nda

Amst

erda

m

8. ABN Amro Circulația aerului în ambele sensuri V. Mecanică Coridor

Aust

ria

Vien

a

9. IBM Viena Circulația aerului în ambele sensuri V. Hibridă Fațadă continuă 10. Raiffeisen Bank Circulația aerului în ambele sensuri V. Naturală Fațadă continuă

11. UNIQA Evacuarea aerului viciat/

Alimentarea cu aer proaspăt V. Naturală Fațadă continuă

- 11 -


Prezentarea unui număr semnificativ de clădiri existente s-a considerat foarte necesară,

pentru a scoate în evidență multitudinea de configurații geometrice care se pot adopta, diversitatea de sisteme de control a luminii și a intensității radiației solare, posibilitățile de ventilare disponibile și configurații de vitraje. Scopul acestei analize comparație a fost acela de a aduce o contribuție în cunoașterea problemelor legate de lipsa unor proceduri standardizate de calcul al performanțelor termice pentru astfel de sisteme, care în final conduc la dificultăți majore în stabilirea sarcinilor termice pentru sistemele de termo-ventilare HVAC; totodată s-a dorit o contribuție în vederea adoptării legislației și normativelor de protecție la foc (aceste tipuri de clădiri nu sunt amintite). Calculele curente pentru astfel de construcții sunt realizate pentru scenariul cel mai defavorabil, iar pentru soluții mai complexe se apelează la simulări computerizate personalizate, care sunt foarte utile, însă consumă un timp considerabil și necesită utilizarea unor computere tip stații de lucru, care sunt mai scumpe, dar mult mai performante decât un computer obișnuit, de birou.

Deși s-ar putea spune că problema complexă a performanțelor termice pentru o astfel de anvelopă, în vederea obținerii unei eficiențe energetice însemnate, este rezolvată în urma simulărilor pe computer , în realitate ea este rezolvată doar parțial: în exploatarea unei anvelope cu fațadă dublă trebuie stabilite anumite strategii de control a componentelor sistemului de fațadă dublă, pentru fiecare sezon climatic, zonă climatică, configurație aleasă.

În următorul capitol se prezintă modelarea fizico-matematică a transferului de căldură pentru cele două cazuri climatice extreme, specifice zonei Brașov, pentru anvelopa interioară de tip vitraj dublu termoizolant și apoi prin extinderea metodei, pentru fațada dublă de sticlă tip ”box”.

* * *

Ger

man

ia

Nür

nber

g 12. Nürnberg

Messe Alimentarea cu aer proaspăt V. Mecanică Fațadă continuă

13. Nürnberg

Business Tower Evacuarea aerului viciat/

Alimentarea cu aer proaspăt V. Mecanică Fațadă continuă

Rom

ania

Iași

14. C-N. Cherecheș Cortină cu aer exterior/Cortină cu

aer interior V. Mecanică Box window

15. M. Cherecheș Cortină cu aer exterior/ Cortină cu

aer interior V. Naturală Box window

Bucu

reșt

i

16. Crystal Tower Evacuarea aerului viciat/

Alimentarea cu aer proaspăt V. Hibridă Fațadă continuă

- 12 -

Capitolul

Modelarea fizico-matematică a proceselor de transfer de

căldură în cazul FDS

Proiectarea unei fațade duble de sticlă presupune analiza detaliată a multor variabile și

apoi implementarea acestora într-un model care să poată fi supus unei simulări ce poate ține cont de condițiile atmosferice pe o perioadă de un an, pentru a se putea lua decizii legate de configurația optimă a unei fațade duble de sticlă și de asemenea asupra modului de operare și a strategiilor de control pentru aceasta.

Acest capitol descrie modelarea fizico-matematică a proceselor de transfer de căldură ce apar în cazul fațadelor duble din sticlă. Această modelare va servi la stabilirea condițiilor limită în cadrul softului comercial cu care se vor realiza simulările și care vor fi prezentate în capitolul următor, cu scopul final de a valida procesele din cadrul sistemului și mai apoi la compararea acestora cu valorile obținute din măsurări.

Modelarea numerică a transferului de căldură s-a realizat pentru cele două cazuri climatice extreme, specifice zonei Brașov. Pentru sezonul cald s-a considerat o temperatură exterioară de 35 oC și pentru sezonul de iarnă s-a considerat o temperatură exterioară de -21 oC.

Rezultatele și concluziile aferente sunt prezentate la finalul capitolului. 3.1. Fenomenele de transfer de căldură și masă în cazul fațadelor duble

din sticlă. Generalități

În fațadele duble de sticlă, transferul de căldură implică mai multe fenomene, ce se petrec simultan, și care se suprapun. Un model schematic al transferului de căldură și de vehiculare a aerului printr-o fațadă dublă de sticlă este prezentat în Figura 3.1.

3

- 13 -

CAPITOLUL 3 – MODELAREA FIZICO-MATEMATICĂ A PROCESELOR DE TRANSFER DE CĂLDURĂ ÎN CAZUL FDS

Fig. 3.1. Transferul de căldură și vehicularea aerului printr-o fațadă dublă de sticlă, varianta simplă, fără dispozitive de umbrire (stânga) și varianta cu un dispozitiv de umbrire poziționat la

mijlocul cavității (dreapta).

Un argument menționat frecvent în literatura de specialitate, în favoarea sistemului de fațadă dublă de sticlă este acela că cea de-a doua anvelopă oferă o izolare termică mai bună decât în cazul fațadelor simple de sticlă, atât în sezonul cald cât și în sezonul rece. Efectul creat de cavitate sau de spațiul tampon creat între cele două anvelope de sticlă aduce reduceri considerabile ale consumului de energie pentru răcirea sau încălzirea spațiilor dintr-o clădire cu fațadă dublă de sticlă.

Dispozitive de umbrire pot fi plasate în spaţiul cavităţii, iar combinaţia acestora cu ventilarea cavităţii constituie un avantaj major al faţadelor duble. Sistemul de umbrire va absorbi radiaţiile de undă scurtă, care pătrund în cavitatea faţadei duble, iar o parte din această energie absorbită va fi evacuată de sistemul de ventilare (natural sau mecanic), toate acestea conducând la obţinerea unui climat interior mai bun.

În același timp cavitatea oferă destul spațiu pentru montarea sistemului de umbrire necesar clădirilor cu fațadă de sticlă, acest lucru fiind benefic atât pentru mărirea spațiului util interior cât și pentru sistemul de umbrire, care în această situație este plasat într-un loc protejat de intemperii. Totodată când sistemul de umbrire este plasat în cavitatea fațadei și nu mai este expus la efectele vântului, care pot fi puternice în anumite zone (cum sunt zonele de coastă de la malul mării) sau în cazul clădirilor foarte înalte atunci acesta poate fi gândit mai simplu, cu materiale mai ușoare și cu acționări electrice ce au nevoie de puteri mai mici.

- 14 -


Punctul forte al celor mai multe fațade duble este faptul că pot fi proiectate să aibă proprietăți variabile astfel încât și aporturile solare și pierderile de căldură prin fațadă să fie controlate și optimizate prin intermediul sistemelor de management al clădirilor de tip BMS (Building Management Systems).

3.2. Elaborarea algoritmului și a programului de calcul 3.2.1. Anvelopa interioară. Transferul de căldură printr-un vitraj dublu. Metoda

corectată, propusă de P.H. OOsthuizen și David Naylor [22]

Se pornește de la un vitraj dublu cu înălțimea de 2 m. Transferul de căldură se consideră pe timp de noapte, când efectul radiației solare poate fi ignorat, în regim staționar și pe o singură

direcție, iar efectul ramei se ignoră. Calculul se realizează atât pentru sezonul rece, cât și pentru sezonul cald. Foile de sticlă ale ferestrei se consideră groase de 4 mm și cu o conductivitate termică de 1,3 W/moC. Foile de sticlă sunt poziționate una față de cealaltă la un spațiu de 16 mm. Temperatura aerului în interiorul clădirii se consideră 20 oC în sezonul rece și 26oC în sezonul cald, iar temperatura aerului exterior se consideră -21 oC pentru sezonul rece și 35 oC pentru sezonul cald. Pe baza rezultatelor disponibile, coeficienții de transfer de căldură convectiv pentru interior și exterior se pot considera având valorile 7,7 şi respectiv, 25 W/m2

oC, iar emisivitatea sticlei se consideră 0,84. Se dorește să se calculeze transferul de căldură pe suprafața vitrată pentru cazul când gazul dintre cele două foi este argon și să se afișeze aceste rezultate sub formă de coeficient global de transfer de căldură, sub formă de rezistențe de transfer termic și sub formă de densități de flux termic.

Deoarece efectele radiației solare sunt ignorate și pentru că sticla este în esență opacă la

radiația infraroșie în situația considerată, cele două foi de sticlă se presupune că se vor comporta ca două corpuri gri, opace. Transferul de căldură va fi tratat prin introducerea coeficienților radiativi de transfer termic hr.

Expresia fluxului unitar global pentru cazul propus are expresia:

𝑄𝑄𝐴𝐴 =

𝑇𝑇𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑜𝑜1

ℎ𝑐𝑐𝑖𝑖 + ℎ𝑟𝑟𝑖𝑖+ 1𝑘𝑘𝑔𝑔𝑖𝑖 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑖𝑖⁄ + 1

ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐 + ℎ𝑟𝑟𝑐𝑐+ 1𝑘𝑘𝑔𝑔𝑔𝑔 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑔𝑔⁄ + 1

ℎ𝑐𝑐𝑔𝑔 + ℎ𝑟𝑟𝑔𝑔

(3.1)

Fig. 3.2. Transferul de căldură considerat și distribuția temperaturilor, sezonul rece

- 15 -


Fluxul unitar global se exprimă de obicei prin coeficientul global de transfer de căldură K:

𝑄𝑄𝐴𝐴 = 𝐾𝐾(𝑇𝑇𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑔𝑔) (3.2)

Din ultimele două ecuații se poate scrie expresia coeficientului global de transfer de căldură:

1𝐾𝐾 =

1ℎ𝑐𝑐𝑖𝑖 + ℎ𝑟𝑟𝑖𝑖

+1

𝑘𝑘𝑔𝑔𝑖𝑖 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑖𝑖⁄ +1

ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐 + ℎ𝑟𝑟𝑐𝑐+

1𝑘𝑘𝑔𝑔𝑔𝑔 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑔𝑔⁄ +

1ℎ𝑐𝑐𝑔𝑔 + ℎ𝑟𝑟𝑔𝑔

(3.3)

Fluxul unitar global de căldură poate fi exprimat și sub formă de rezistență termică a

ferestrei:

𝑄𝑄𝐴𝐴 =

(𝑇𝑇𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑔𝑔)𝑅𝑅 (3.4)

Comparând relațiile (3.66) și (3.68) rezultă R=1/U, adică:

𝑅𝑅 =1

ℎ𝑐𝑐𝑖𝑖 + ℎ𝑟𝑟𝑖𝑖+

1𝑘𝑘𝑔𝑔𝑖𝑖 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑖𝑖⁄ +

1ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐 + ℎ𝑟𝑟𝑐𝑐

+1

𝑘𝑘𝑔𝑔𝑔𝑔 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑔𝑔⁄ +1

ℎ𝑐𝑐𝑔𝑔 + ℎ𝑟𝑟𝑔𝑔 (3.5)

Rezistența termică globală se poate exprima ca sumă a rezistențelor termice parțiale:

𝑅𝑅 = 𝑅𝑅𝑖𝑖 + 𝑅𝑅𝑔𝑔𝑖𝑖 + 𝑅𝑅𝑐𝑐 + 𝑅𝑅𝑔𝑔𝑔𝑔 + 𝑅𝑅𝑔𝑔 (3.6) unde

𝑅𝑅𝑖𝑖 = 1ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐+ℎ𝑟𝑟𝑐𝑐

; 𝑅𝑅𝑔𝑔 = 1𝑘𝑘𝑔𝑔 𝛿𝛿𝑔𝑔⁄

; 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 1ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐+ℎ𝑟𝑟𝑐𝑐

; 𝑅𝑅𝑔𝑔 = 1ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐+ℎ𝑟𝑟𝑐𝑐

(3.7)

Spațiul dintre cele două foi de sticlă formează o închidere verticală înaltă. Pentru a găsi

transferul de căldură convectiv dintre cele două foi de sticlă, acesta se consideră a fi exprimat în funcție de numărul lui Rayleigh, Ra și de rata aspectului AR care sunt definite mai jos:

𝑅𝑅𝑅𝑅 =𝛽𝛽𝛽𝛽𝐿𝐿3(𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇3)

𝜐𝜐 ∙ 𝛼𝛼 (3.8)

𝐴𝐴𝑅𝑅 =𝐻𝐻𝐿𝐿 (3.9)

Criteriul Nusselt poate fi exprimat pentru situația de față cub forma [23]:

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑎𝑎 = 0,0605 𝑅𝑅𝑅𝑅1/3 (3.10)

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑐𝑐 = �1 + �0,104 ∙ 𝑅𝑅𝑅𝑅0,293

1 + (6310/𝑅𝑅𝑅𝑅)1,36�3

�1/3

(3.11)

- 16 -


𝑁𝑁𝑁𝑁𝑐𝑐 = 0,242 ∙ �𝑅𝑅𝑅𝑅𝐴𝐴𝑅𝑅�

0,273

(3.12)

Criteriul Nusselt, definitoriu pentru transferul de căldură dintre cele două foi de sticlă se consideră ca valoarea cea mai mare dintre cele trei:

𝑁𝑁𝑁𝑁 = 𝑚𝑚𝑅𝑅𝑚𝑚(𝑁𝑁𝑁𝑁𝑎𝑎 ,𝑁𝑁𝑁𝑁𝑐𝑐,𝑁𝑁𝑁𝑁𝑐𝑐) (3.13)

Cele trei expresii (3.74), (3.75) și (3.76), pentru criteriul Nusselt se aplică pentru: Nua - regimul turbulent din stratul limită. Nub - regimul de tranziție turbulent; Nuc - regimul laminar din stratul limită;

Expresiile dezvoltate de ElSerbiny și colectivul [24] pentru calculul coeficientului global de transfer de căldură K, sunt pentru centrul ferestrei, în diverse configurații ale foilor de sticlă. Înălțimea ferestrei influențează doar criteriul Nuc , ceea ce face ca relația să fie adevărată pentru anvelopele interioare din cadrul fațadelor duble de sticlă.

Valoarea coeficientului de transfer termic convectiv în spațiul dintre cele două foi de sticlă se obține apoi cu relația:

ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐 =𝑁𝑁𝑁𝑁 ∙ 𝐿𝐿𝑘𝑘𝑐𝑐

(3.14)

unde kb este conductivitatea termică a gazului dintre cele două foi de sticlă.

Conductivitatea termică kb și vâscozitatea cinematică ν din numărul lui Raylight Ra sunt evaluate la temperatura medie din spațiul dintre cele două foi, anume

𝑇𝑇𝑐𝑐𝑏𝑏 =𝑇𝑇2 + 𝑇𝑇3

2 (3.15)

Este necesară o procedură de soluționare iterativă; această procedură implică următorii

pași ce trebuie parcurși: 1. Se alocă valori pentru T1, T2, T3 și T4; 2. Utilizând aceste valori se calculează hri, hrb, hre și hcb; 3. Se calculează Q/A, U și R; 4. Utilizând aceste valori pentru Q/A se calculează T1, T2, T3 și T4 utilizând relațiile:

𝑇𝑇1 = 𝑇𝑇𝑖𝑖 −𝑄𝑄𝐴𝐴

1ℎ𝑐𝑐𝑖𝑖 + ℎ𝑟𝑟𝑖𝑖

; 𝑇𝑇2 = 𝑇𝑇1 −𝑄𝑄𝐴𝐴

1𝑘𝑘𝑔𝑔 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑖𝑖⁄ ; (3.16)

𝑇𝑇3 = 𝑇𝑇2 −𝑄𝑄𝐴𝐴

1ℎ𝑐𝑐𝑐𝑐 + ℎ𝑟𝑟𝑐𝑐

; 𝑇𝑇4 = 𝑇𝑇3 −𝑄𝑄𝐴𝐴

1𝑘𝑘𝑔𝑔 𝛿𝛿𝑔𝑔𝑔𝑔⁄ ; (3.17)

5. Utilizând aceste valori pentru temperaturi, se repetă pașii de la 1 la 3. Dacă aceste noi temperaturi sunt aceleași cu valorile alocate, procedura se poate opri. Dacă diferă, procesul se repetă, până la obținerea noilor valori pentru temperaturi.

- 17 -


3.2.2. Anvelopa exterioară. Transferul de căldură prin cavități verticale, paralelipipedice

Anvelopa exterioară este reprezentată în cazul celor mai multe fațade duble ventilate de o sticlă securizată, care poate varia în grosime între 8 și 12 mm. Rolul principal al anvelopei exterioare este acela de a conferi întregii construcții o rezistență corespunzătoare împotriva condițiilor climatice exterioare, contribuind în același timp și la realizarea unei bune izolații fonice pentru întreaga clădire. În cazul modelului experimental din cadrul acestei teze de doctorat anvelopa exterioară este alcătuită din 3 vitraje securizate cu grosimea de 10 mm, amplasate una în fața anvelopei interioare, la distanța de 1 m (Figura 3.3) și celelalte 2 pe laterale, pentru închiderea anvelopei.

Între anvelopa exterioară și cea interioară intervine cavitatea fațadei duble, care este un strat de aer intermediar, care poate avea între 25 cm și 2 m. Rolul acestui strat de aer intermediar este acela de a contribui la creșterea gradului de izolare termică a întregii fațade, oferind în același timp posibilitatea ca, în anumite condiții, în interiorul său să poată fi preîncălzit aer pentru ventilarea naturală sau mecanică a clădirii. În cazul modelului experimental din cadrul acestei teze de doctorat stratul de aer care delimitează cele două anvelope are grosimea de 1 m.

În acest scop a fost realizată o metodă de calcul a transferului termic printr-o fațadă dublă din sticlă, având anvelopa interioară realizată conform specificațiilor de la Capitolul 3.2, o cavitate de aer cu grosimea de 1 m și o anvelopă exterioară realizată din sticlă securizată de 10 mm. Caracteristicile geometrice ale celor două anvelope sunt prezentate în Tabelul 3.1

Tabelul 3.1. Dimensiunile caracteristice ale fațadei duble din sticlă – modelul experimental de la

Facultatea de Construcții din Brașov Dimensiuni caracteristice H [mm] l [mm] L [mm]

Dimensiuni anvelopa exterioară 2500 1700 1000

Dimensiuni anvelopa interioară 2000 1700 16 În cartea lui Adrian Bejan [31] – “Convection Heat Transfer. Third edition” și în cartea ”Lecții de termodinamică și transfer de căldură” – Rodica Dumitrescu și Florea Chiriac [32] - corelarea pentru convecție naturală, în regim laminar, pentru o cavitate cu o laterală rece și cealaltă caldă se poate calcula cu relația lui Berkovsky și Polevikov:

𝑁𝑁𝑁𝑁��𝐻𝐻 = 0,22 �𝑃𝑃𝑃𝑃

0,2 + 𝑃𝑃𝑃𝑃�0,28

�𝐿𝐿𝐻𝐻�

0,09

(3.18)

care este valabilă când se îndeplinesc simultan următoarele condiții:

2 <𝐻𝐻𝐿𝐿 < 10; 𝑃𝑃𝑃𝑃 < 105; 𝑅𝑅𝑅𝑅𝐻𝐻 < 1013

condiții îndeplinite de cavitate, deoarece 𝐻𝐻𝐿𝐿 = 2,5; 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 0,7; 𝑅𝑅𝑅𝑅 < 2,3 ∙ 109 (𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑁𝑁𝑠𝑠 𝑃𝑃𝑠𝑠𝑟𝑟𝑠𝑠) 𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑅𝑅𝑅𝑅 < 3,5 ∙ 108 (𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑁𝑁𝑠𝑠 𝑟𝑟𝑅𝑅𝑠𝑠𝑐𝑐)

- 18 -


Se propune în continuare extinderea metodei folosite la Capitolul 3.2 cu scopul final de a determina fluxul de căldură total, ce tranzitează orizontal tot sistemul de fațadă dublă din sticlă, format din cele trei părți componente, anvelopa exterioară, cavitatea și anvelopa interioară.

Prin extinderea metodei apar două noi temperaturi care trebuie determinate, pe fața interioară, respectiv exterioară a sticlei securizate, parte a anvelopei exterioare, notate cu T5 și T6, după cum se poate observa și în Figura 3.3, unde este prezentat modelul de transfer de căldură pentru tot sistemul de fațadă dublă din sticlă, pentru sezonul rece. Calculul se derulează tot iterativ determinându-se un coeficient convectiv și unul radiativ pentru cavitate, urmând a se obține rezistența conductivă prin sticla securizată precum și rezistența convectivă și radiativă la suprafața exterioară a sticlei securizate, care este în contact cu aerul exterior. Toate aceste date se folosesc mai apoi la determinarea rezistenței termice totale, care se presupune a fi mai mari decât cea a vitrajului termoizolant; aceasta vizează un coeficient global de transfer de căldură K redus și în final un flux termic de căldură pierdut/câștigat diminuat comparativ cu situația când avem doar anvelopa interioară formată din vitrajul dublu termoizolant.

Fig. 3.3. Transferul de căldură considerat și distribuția temperaturilor, sezonul rece

Pentru obținerea tuturor rezultatelor, valorile difuzivităților termice α pentru argon și

pentru aer trebuie să fie cunoscute, în funcție de temperatura medie a celor două suprafețe delimitatoare. Valorile utilizate pentru cazul de față au fost obținute din graficele din Figura 3.4a pentru aer, respectiv Figura 3.4b pentru argon.

Dacă se trasează linia de trend în cazul celor două grafice și se extrage ecuația caracteristică celor două curbe se obțin două ecuații de gradul 2, care pot fi utilizate pentru calcule rapide ale difuzivității termice, funcție de temperatură.

- 19 -


Aceste două ecuații sunt:

𝛼𝛼 = 2𝐸𝐸 − 06𝑡𝑡2 + 0,0013𝑡𝑡 + 0,1898; 𝑝𝑝𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑃𝑃𝑁𝑁 𝑅𝑅𝑠𝑠𝑃𝑃 (3.19)

și

𝛼𝛼 = 2𝐸𝐸 − 06𝑡𝑡2 + 0,0012𝑡𝑡 + 0,1794; 𝑝𝑝𝑠𝑠𝑠𝑠𝑡𝑡𝑃𝑃𝑁𝑁 𝑅𝑅𝑃𝑃𝛽𝛽𝑠𝑠𝑠𝑠 (3.20)

a) b)

Fig. 3.4. Difuzivitatea termică a aerului în funcție de temperatură, la presiunea de 1 atm (a) și a argonului în funcție de temperatură (b)

3.3. Concluziile capitolului

Acest sistem de fațade devine din ce în ce mai solicitat de beneficiari, fiind recomandat de arhitecți, datorită influenței pozitive considerabile asupra confortului interior, vizual dar și asupra consumului de energie pentru întreaga clădire.

În Europa acest sistem a fost instalat pe mai multe clădiri de birouri corporative, inovatoare, ca o metodă adecvată pentru economisirea de energie și pentru a beneficia de lumina solară cât mai mult pe parcursul unei zile. Instalarea unei astfel de fațade este un proces complex și care necesită îmbinarea mai multor domenii din aria inginereasca și de aceea în funcție de scopul final al sistemului este necesară o colaborare foarte strânsă între cei implicați în realizarea proiectului, respectiv arhitect, constructori, instalatori, auditori energetici etc.

Fațadele duble din sticlă sunt sisteme complexe, cu multe variații de alcătuire și de aceea este vital să se înțeleagă cât mai bine comportamentul acestui sistem în funcție de geometria aleasă și în funcție de condițiile climatice exterioare.

Chiar dacă experiența de proiectare, studiul comportării și exploatării a unui astfel de sistem de fațadă nu este încă una foarte bogată la nivel mondial și cu atât mai puțin în România există un număr semnificativ de clădiri construite cu sistem de fațadă dublă de sticlă atât în Europa și în lume, care pot fi urmărite și evaluate pe termen lung.

* * *

- 20 -

Capitolul

Simularea transferului termic în cazul FDS folosind un soft specializat

Simularea unor fenomene cu softuri comerciale specializate reprezintă metoda științifică,

modernă, de prezicere a curgerii unui fluid, a transferului de căldură și masă și a celorlalte fenomene legate de acestea prin rezolvarea numerică a ecuațiilor matematice care guvernează acele fenomene, cum ar fi legea conservării masei, legea conservării momentului sau legea conservării energiei. Metoda este foarte utilă când se realizează studii conceptuale pentru modele noi de construcții, dezvoltări detaliate ale unei anumite părți dintr-o construcție, rezolvarea problemelor care apar în timpul exploatării unei construcții sau a unui anumit sistem ce face parte din construcție etc.

Analiza prin simulare completează modelarea numerică și modelarea experimentală, reducând efortul și costurile totale pentru experiment și pentru sistemele de achiziție de date. În acest capitol se prezintă rezultatele obținute pentru transferul de căldură, pentru modelul fizico-matematic al fațadei duble din sticlă prezentat în capitolul 3. 4.1. Mediul virtual de simulare

De câțiva ani programele de simulare a consumurilor energetice, programele de analiză termică și programele de tip Computational Fluid Dynamics – Dinamica Fluidelor Computerizată (CFD) sunt intens utilizate pentru a obține informații importante despre performanța energetică a clădirilor existente, a celor noi construite și a părților din acestea care au influență directă asupra consumurilor energetice.

Programele de simulare a consumurilor energetice, cum este cazul TRNSYS sau EnergyPlus sunt instrumente puternice, care pot realiza analize energetice pentru o clădire întreagă și pentru sistemele de încălzire și HVAC aferente acesteia, pentru perioade de referință care pornesc de la o subunitate orară până la un an. Aceste programe oferă rezultate satisfăcătoare când se referă la coeficienții de convecție din cadrul unor cavități dar ele devin relativ exacte când exprimă

4

- 21 -

CAPITOLUL 4 – SIMULAREA TRANSFERULUI TERMIC ÎN CAZUL FDS FOLOSIND UN SOFT SPECIALIZAT

consumurile energetice ale întregii clădiri respectiv comportamentul termodinamic al anvelopelor clădirilor. Însă, majoritatea programelor de simulare a consumurilor energetice nu pot furniza cu precizie informații relevante când avem de-a face cu o clădire în care există o distribuție neuniformă a temperaturii, cum este cazul unor încăperi încălzite, sau răcite prin ventilare; această situație nu satisface nevoia de proiectare avansată. Totodată, cele mai multe programe de simulare a consumurilor energetice nu pot determina cu precizie suficientă fluxul de aer care intră prin ventilare naturală într-o încăpere, atâta timp cât temperatura și sarcinile de încălzire/răcire depind de fluxul de aer din acea încăpere.

Pentru a analiza doar din punct de vedere termic un anumit fenomen este necesară o analiză termică, prin care se calculează distribuția temperaturilor și mărimile termice corespunzătoare. Cantitățile termice tipice, care prezintă interes în studiul unei clădiri sau a unui sistem din cadrul unei clădiri sunt:

distribuția temperaturilor; cantitatea de căldură pierdută sau câștigată (aporturile); gradienții de temperatură:; fluxurile termice.

Printre programele care realizează analize termice și de tip CFD care s-au impus în spațiul comercial și cel academic de cercetare sunt ANSYS și Comsol Multiphysics.

În Tabelul 4.1. se prezintă comparativ funcțiile tipice pe care le poate îndeplini un program de simulare a consumurilor energetice, unul de analiză termică respectiv un program de tip CFD, în cadrul unui studiu privind performanța energetică a unei clădiri.

Tabelul 4.1. Comparație a funcțiilor tipice ale programelor de simulare a consumurilor

energetice, ale programelor de analiză termică și ale programelor de tip CFD, pentru performanța energetică a clădirilor

Funcțiile studiului

Tipul de software cu care se face analiza Simularea

consumurilor energetice

Programe de analiză termică în regim

staționar/tranzitoriu CFD

Radiația solară DA DA DA Consumul energetic DA NU NU Comportamentul termic în spațiu închis DA DA DA Capacitatea sistemului HVAC DA NU NU Confortul termic (temperatura aerului, viteza aerului, umiditatea relativă etc.)

NU NU DA

Calitatea aerului interior (concentrația contaminanților)

NU NU DA

Distribuția aerului NU NU DA

În această lucrare pentru simularea transferului termic din cadrul fațadei duble de sticlă se va realiza o analiză termică în regim staționar, pentru diverse cazuri în care se poate regăsi

- 22 -


sistemul, iar pentru a evalua influența sistemului asupra confortului termic din camera experimentală și pentru a evidenția câmpurile de viteză și distribuția aerului în cadrul sistemului se vor realiza simulări de tip CFD. Ambele tipuri de simulări vor fi realizate folosind softul comercial ANSYS.

ANSYS oferă o suită software completă, care acoperă întreaga gamă de fenomene fizice, oferind acces la simularea fenomenelor din multe domenii ale ingineriei, acolo unde procesele de proiectare o necesită.

4.2. Simularea transferului termic în cazul fațadei duble

La fel ca în cazul modelului fizico-matematic din capitolul anterior, pornind de la anvelopa interioară se mai adaugă un strat de sticlă cu grosimea de 10 mm la distanța de 1 m de aceasta și astfel se face extinderea modelului de la anvelopa interioară la fațada dublă de sticlă. 4.2.1. Sezonul rece (iarna)

În Figura 4.1 se prezintă câmpul de temperaturi obținut prin rezolvarea sistemului, pentru simularea transferului de căldură în cazul fațadei duble, în sezonul rece .

Fig. 4.1. Câmpul de temperaturi obținut în cazul fațadei duble, în sezonul rece Fluxul termic maxim, care poate străbate sistemul în condițiile date are valoarea de 80,14

W/m2K și este prezentat în Figura 4.2. După cum se poate observa în figură direcția fluxului termic în sezonul cald este dinspre exterior spre interior, de la TI (temperatura interioară) către TE (temperatura exterioară).

- 23 -


Fig. 4.2. Fluxul termic maxim în cazul fațadei duble, în sezonul rece 4.2.2. Sezonul cald (vara)

În Figura 4.3 se prezintă câmpul de temperaturi obținut prin rezolvarea sistemului, pentru simularea transferului de căldură în cazul fațadei duble, în sezonul cald .

Fig. 4.3. Câmpul de temperaturi obținut în cazul fațadei duble, în sezonul cald Fluxul termic maxim, care poate străbate sistemul în condițiile date are valoarea de 23,30 W/m2K și este prezentat în Figura 4.16. După cum se poate observa în figură direcția fluxului termic în sezonul cald este dinspre exterior spre interior, de la TE (temperatura exterioară) către TI (temperatura interioară).

- 24 -


Fig. 4.4. Fluxul termic maxim în cazul fațadei duble, în sezonul cald


Modelarea și simularea sunt proceduri avansate de proiectare și oferă posibilitatea inginerilor să înțeleagă, să proiecteze și să evalueze un sistem în curs de dezvoltare. Uzual se apelează la simulări pe computer doar în stadiile incipiente de proiectare ale unui sistem, însă în ultima perioadă, odată cu noile tehnologii software și hardware se poate extinde simularea și la etapele ulterioare, de exploatare, optimizare etc.

Posibilitatea de a transpune în mediul virtual o parte dintr-un sistem sau un întreg sistem din lumea reală face din această tehnică de simulare un instrument puternic pentru oamenii de știință și ingineri. Această tehnică se numește simulare în timp real, în sensul că poate rula cu aceeași viteză ca și procesul din viața reală.

În ultimul deceniu simulările fenomenelor fizice pe computer au început să fie utilizate și la noi în țară, în cercetarea științifică și în spațiul comercial, pentru analiza și proiectarea sistemelor din domeniile ingineriei.

În acest capitol sunt prezentate rezultatele obținute în urma efectuării analizelor de transfer termic în regim staționar, folosind softul comercial ANSYS, pornind de la simularea anvelopei interioare și extinzând apoi modelul la fațada dublă de sticlă.

Capitolul următor prezintă modelul experimental, realizat la parterul Facultății de Construcții, din Brașov, pe un gol de fereastră de pe latura sud a clădirii, precum și camera experimentală adiacentă fațadei duble de sticlă, cu echipamentele și procedurile de achiziție a datelor.

* * *

- 25 -

Capitolul

Modelul experimental al fațadei duble de sticlă tip „box”

Multitudinea de clădiri de birouri cu fațadă dublă din sticlă construite în Europa reprezintă

un bun exemplu în ceea ce privește utilizarea la maxim a resurselor naturale gratuite, a energiilor regenerabile și a materialelor și sistemelor performante, chiar dacă experiența de proiectare, comportare și exploatare a unui astfel de sistem de fațadă nu este una foarte bogată la nivel mondial și cu atât mai puțin în România.

Acest capitol descrie modelul experimental realizat în situ, la parterul Facultății de Construcții din cadrul Universității Transilvania din Brașov, pe fațada sud a clădirii. Acest model va servi ca bază pentru toate măsurătorile ce vor fi realizate, cu scopul final de a modela și apoi valida procesele din cadrul sistemului, pentru ca în final să se determine impactul unei astfel de fațade pe o clădire plasată în Brașov, România.

Modelul experimental constă dintr-o fațadă dublă de sticlă tip “box”, cu cortină de aer interior controlată manual, circulație forțată a aerului în cavitate pe timpul verii și sistem de umbrire tip jaluzele venețiene plasat în interiorul cavității, pe zona mediană.

5.1. Prezentarea modelului

Principalul avantaj și ceea ce diferențiază modelul ce urmează a fi prezentat de alte modele prezente în literatura de specialitate îl reprezintă faptul că fațada este instalată pe o clădire reală, existentă, iar măsurătorile pot fi efectuate în condiții meteorologice reale, factorii climatici cheie neputând fi controlați sau pot fi controlați într-o mică măsură.

Modelul experimental ce urmează a fi prezentat în detaliu a fost construit la parterul Facultății de Construcții din Brașov, pe fațada sud a clădirii. Înainte de construcția modelului experimental pentru fațada dubla de sticlă, zona în care s-a realizat camera experimentală constituia

5

- 26 -

CAPITOLUL 5 – MODELUL EXPERIMENTAL AL FAȚADEI DUBLE DE STICLĂ TIP „BOX”

un capăt al holului de la parter, iar în golul unde este amplasată acum anvelopa interioară a fațadei duble din sticlă se afla un vitraj termoizolant, cu tâmplărie din PVC.

În acest capitol sunt descrise în mod special următoarele elemente: • Modelul experimental al fațadei duble de sticlă, de tip box; • Configurația camerei experimentale; • Echipamentele de măsurare și achiziție de date; • Procedee și metode de măsurare și achiziție de date;

5.1.1. Modelul experimental al fațadei duble din sticlă, de tip box

Modelul experimental realizat conform Figurii 5.2 este alcătuit dintr-o anvelopă exterioară ce constă într-o sticlă securizată la exterior, plasată la distanța de 1 m de un vitraj dublu termoizolant încastrat în golul de fereastra existent, la interior, ce constituie anvelopa interioară a fațadei duble

de sticlă. Între cele două vitraje se realizează astfel, o cavitate de aer prin care aerul exterior va circula prin convecție liberă pe timp de iarnă și prin convecție forțată pe timp de vară. Desigur, pe timp de vară ventilarea cavității se poate realiza și hibrid, pentru anumite ore din zi, când temperatura aerului exterior permite, circulația aerului poate fi prin convecție liberă, iar când temperatura aerului exterior crește și temperatura din cavitate nu mai este convenabilă, ventilarea cavității se poate face mecanic.

După cum se poate observa și în Figura 5.1 anvelopa exterioară a fațadei duble din sticlă, formată din vitrajul frontal și cele două vitraje laterale, este constituită dintr-un vitraj securizat de 10 mm, montat într-o tâmplărie de aluminiu.

Toate cele 3 vitraje securizate sunt încadrate într-o construcție metalică, realizată din profile de țeavă rectangulară 60x60 mm, care dispune de o platformă de lucru, scară de acces și balustrade. Închiderea de la partea superioară

a construcției metalice a fost realizată cu panou termoizolant 40 mm, cu miez din spumă poliuretanică injectat între cele două plăci de metalice, iar la partea inferioară construcția metalică a fost prevăzută cu o platformă perforată 2x28 orificii, având 12x50 mm, cu rol de grile de ventilare. Orificiile au fost prevăzute 2x14 bucăți în fața sistemului de umbrire din cavitate și 2x14 bucăți în spatele sistemului de umbrire din cavitate. Grila de ventilare din planul superior comunică în plan inferior cu o platformă prevăzută în zona mediană cu două racorduri Ø150 pentru cele două tubulaturi din PVC.

Fig. 5.1. Vedere exterioară a modelului experimental

- 27 -


În timpul verii, datorită efectului de seră care se formează în interiorul cavității, aerul se supraîncălzește și este necesară evacuarea acestuia, fapt pentru care a fost prevăzut un sistem de ventilare mecanică a cavității. Sistemul de ventilare mecanică a cavității este alcătuit dintr-un ansamblu de conducte circulare, din material plastic PVC, DN 150, un ventilator de tubulatură VENTS TT150, DN 150 și trei clapete de reglaj debit prevăzute cu actuatoare acționate electric, tip BELIMO LM230A-F, ce pot funcționa în regim de pornit-oprit sau în 3 puncte prestabilite. Ventilatorul are rolul de a introduce aer exterior pentru a evacua din cavitate aerul supraîncălzit, iar clapetele de reglaj au fost prevăzute pentru echilibrarea aeraulică a sistemului și pentru separarea celor două circuite de introducere, în fața și în spatele sistemului de umbrire.

Debitul de aer vehiculat de ventilatorul de tubulatură în cavitatea fațadei duble poate avea valoarea minimă 467 m3/h și valoarea maximă 552 m3/h [35].

Pentru controlul luminii naturale și al radiațiilor solare ce pătrund în camera experimentală și îmbunătățirea condițiilor de lucru pentru ocupanți a fost instalat în interiorul cavității, în zona mediană, un sistem de jaluzele orizontale, cu lamele din benzi profilate ce au lateralele în formă de sul, fabricate din aliaje speciale de aluminiu emailat, de 80 mm lățime, rezistente la radiațiile UV și la intemperii. Sistemul este operat electric prin intermediul unui motor 220/240 V, 50 Hz, montat la partea superioară a jaluzelelor. Sistemul de jaluzele este complet retractabil permițând astfel un maxim de lumină naturală, în condiții de lumină scăzută și acces ușor pentru curățarea vitrajelor din interiorul fațadei.

Sistemele de umbrire din interiorul fațadelor duble au însă principalul rol de a reduce costurile de investiție pentru instalațiile de climatizare și costurile asociate cu funcționarea acestora, ceea ce face ca o reducere cu un anumit procent, din necesarul anual de energie pentru răcire/condiționarea clădiri să se transforme în final în economii financiare.

5.1.2. Configurația camerei experimentale

În spatele fațadei duble de sticlă a fost realizată camera experimentală, prin închiderea cu tâmplărie din aluminiu a holului existent, de la parterul Facultății de Construcții din Brașov. Dimensiunile globale are fațadei duble de sticlă de tip box și ale camerei experimentale sunt indicate în Figura 5.2, prezentată mai jos.

Fig. 5.2. Dimensiunile globale și configurația camerei experimentale

- 28 -


În Figura 5.3 sunt prezentate elementele constructive și detalii referitoare la aparatele de măsurare din camera experimentală.

Fig. 5.3. Vederi interioare ale camerei experimentale

5.1.3. Necesarul de frig și de căldură pentru camera experimentală

Pentru clădirile de birouri din România și nu numai, utilizarea unei anvelope de tip fațadă dublă de sticlă, corelată cu utilizarea unei strategii de ventilare naturală poate duce la reduceri semnificative a necesarului, de frig, precum și a celui de căldură. Pentru camera experimentală adiacentă modelului experimental de fațadă dublă din sticlă de tip box necesarul de frig, pentru sezonul rece a fost calculat conform standardelor în vigoare la noi în țară și este prezentat sub formă grafică în Figurile 5.4 si 5.5. Pentru a putea pune în evidență ulterior contribuția sistemului de fațadă dublă din sticlă tip box ambele necesare, atât necesarul de frig cât și cel de cald au fost determinate considerând anvelopa alcătuită dintr-un vitraj dublu de tip termoizolant.

Fig. 5.4. Sarcina termică orară de răcire pentru camera

experimentală, adiacentă modelului de fațadă dublă din sticlă tip box, calculată cu STAS

6648/1-82 [37]

- 29 -


În Figura 5.4 se poate observa că cele mai mari contribuții la necesarul de răcire al camerei experimentale sunt cele de la fereastra cu orientarea sud și cele provenind de la degajarea de căldură de la oameni. De asemenea, după cum se poate observa tot în graficul din Figura 5.4, maximul sarcinii termice de răcire apare la ora 1:00 PM și are valoarea 738 W. Sarcina termică cu valoarea maximă este prezentată în continuare, în graficul din Figura 5.5, pentru a evidenția contribuțiile componentelor care realizează acest necesar de frig.

Fig. 5.5. Sarcina termică de răcire, cu valoare maximă pentru camera

experimentală, pentru ziua de 23 iulie, ora 1:00 PM, calculată cu STAS 6648/1-

82 [37]

Necesarul de căldură este prezentat în continuare sub formă grafică în Figura 5.6, unde se pot vedea și contribuțiile celor două componente amintite anterior, la valoarea totală a necesarului.

Fig. 5.6. Necesarul de căldură al camerei experimentale, pentru

sezonul rece, conform SR 1907-1/97

În această situație de observat este faptul că ponderea cea mai mare în cazul necesarului de căldură pentru camera experimentală este dată de pierderea de căldură prin transmisie, care este cu aproximativ 25% mai mare decât cea pentru încălzirea aerului infiltrat. În concluzie, în cazul necesarului de căldură, dacă diferența de temperatură dintre interior și exterior se reduce atunci și necesarul de căldură scade, condiție care, se realizează prin utilizarea sistemului de fațadă dublă din sticlă, datorită faptului că în sezonul rece aerul din cavitatea sistemului se încălzește mai mult decât temperatura exterioară datorită efectului de seră creat de suprafețele vitrate. De precizat este însă și faptul că în cazul fațadei duble de sticlă și componenta provenită din aerul infiltrat se va reduce datorită faptului că și aici există o diferență de temperatură între interior și exterior, care va fi înlocuită cu diferența de temperatură dintre interior și aerul din cavitate, care înlocuiește temperatura exterioară.

- 30 -


5.2. Parametrii ambianței interioare pentru calcule energetice

În vederea atingerii nivelului optim de confort în spațiul de birouri, care are instalat un sistem de fațadă dublă din sticlă trebuie îndepliniți parametrii ambianței interioare care contribuie la realizarea stării de confort. Pentru că prin lucrarea de față se dorește scoaterea în evidență a reducerilor consumurilor de energie, pentru clădiri cu destinația de birou, prin valorificarea aporturilor solare, se impune stabilirea parametrilor ambianței interioare pentru calcule energetice. Acești parametri sunt de fapt criterii de proiectare pentru dimensionarea clădirilor și instalațiilor de încălzire, climatizare și ventilare mecanică/naturală și sunt specificați în standardul românesc, conceput după norma europeană SR EN 15251:2007, intitulat ”Parametrii ambianței interioare pentru proiectare și evaluare a performanței energetice a clădirilor, care se referă la calitatea aerului interior, confort termic, iluminat și acustică” [39]. Pentru a trasa concluziile se propune un tabel centralizator (Tabelul 5.1) care cuprinde toate criteriile referitoare la parametrii climatici interiori pentru clădirile cu destinația birou, de tip individual sau deschis, cum este cazul camerei experimentale.

Tabelul 5.1. Centralizarea parametrilor climatici interiori, pentru calcule energetice

Criteriile mediului interior Categoria acestei clădiri Criterii de proiectare

Condiții termice iarna II 20 – 24 oC

Condiții termic vara II 23 – 26 oC

Indicator de calitate a aerului, CO2

II 500 ppm peste aerul din exterior

Debit de ventilare II 0,7 l/s m2

Iluminat Em > 500 lx

Mediul acustic Zgomot interior < 35 db(A)

5.3. Echipamente utilizate pentru măsurare și achiziție de date 5.3.1. Înregistratoare numerice multicanal pentru achiziția temperaturilor

Pentru efectuarea măsurătorilor modelul experimental a fost împărțit în trei zone principale: exteriorul fațadei, cavitatea fațadei și interiorul camerei experimentale, adiacent fațadei. Aceste trei zone au fost echipate cu traductori și aparate de măsură și achiziție de date pentru măsurarea parametrilor mediului.

5.3.2. Traductorii de temperatură pentru suprafețele vitrate

Traductorii de temperatură sunt termocuple de tip K, având secțiunea 2x0,32, izolație teflon-teflon, joncțiune de izolare neizolată și o lungime de 3 m pentru fiecare traducto.

- 31 -


5.3.3. Termohigrometre pentru cele 3 zone ale fațadei

Pentru măsurarea temperaturilor și umidităților relative ale aerului din cele 3 zone principale ale modelului experimental (exterior, cavitate, interior), au fost utilizate 3 termohigrometre digitale, identice tip PCE-HT110. 5.3.4. Traductorul interior de CO2

Cum sistemul de fațadă dublă este unul dedicat clădirilor de birouri și cum oamenii petrec din ce în ce mai mult timp la birou, sau generic în spații închise apare necesitatea controlului calității aerului interior din aceste spații, punându-se problema respectării unor concentrații admise. Pentru realizarea unui climat interior nepoluat, în camera experimentală a fost instalat un traductor de CO2, WÖHLER CDL 210, care dispune și de sondă de temperatură și de umiditate relativă pentru aerul interior.

5.3.5. Piranometrul pentru măsurarea intensității radiației solare

Pentru măsurarea intensității radiației solare globale s-a utilizat un piranometru portabil, robust și simplu de operat, VOLTCRAFT PL-110SM. Aparatul oferă posibilitatea măsurării valorilor instantanee pentru radiația totală, afișează și poate înregistra valoarea minimă sau maximă a radiației solare. De asemenea aparatul poate reține valoarea actuală măsurată. Valorile măsurate pot fi afișate în două unități de măsură, W/m2, respectiv BTU/(ft2h). 5.3.6. Luxmetru pentru măsurarea intensității luminoase

Pentru măsurarea intensității luminoase în interiorul camerei experimentale, adiacentă fațadei duble din sticlă tip ”box” a fost utilizat un luxmetru portabil tip PCE-174 cu datalogger și software pentru înregistrarea valorilor măsurate. 5.3.7. Instrument multifuncțional pentru măsurarea vitezelor și debitelor de aer

Pentru determinarea vitezelor și a debitelor de aer vehiculate prin cavitatea fațadei duble și prin ventilatoarele de fereastră THM90, instalate pe anvelopa interioară a modelului experimental a fost utilizat un instrument multifuncțional KIMO VT 300.

5.3.8. Instrument portabil pentru evaluarea concentrației de CO2 din aerul exterior

Pentru evaluarea concentrației de CO2 din aerul exterior adiacent modelului experimental al fațadei duble, a fost utilizat instrumentul portabil de măsurare Testo 480, echipat cu sondă IAQ1 și termo-anemometru cu fir cald. Testo 480, este un instrument de măsurare, de înaltă performanță tehnologică pentru măsurarea parametrilor climatici relevanți, atunci când se dorește măsurarea/monitorizarea/ajustarea sistemelor de ventilație și de aer condiționat în clădirile de birouri, rezidențiale și în clădirile industriale. Instrumentul de măsură a sistemelor HVAC este echipat cu sonde digitale inteligente cu memorie integrată

1 IAQ=Indoor Air Quality (Calitatea Aerului Interior) - 32 -


5.4. Procedee de măsurare și achiziție de date 5.4.1. Măsurarea temperaturilor de pe suprafețele vitrate și de pe suprafața

sistemului de umbrire al fațadei

Pentru măsurarea temperaturilor pe suprafețele vitrate traductorii au fost amplasați astfel încât să acopere zonele de interes relevante pentru studiul transferului termic în cadrul sistemului.

Amplasarea traductorilor de temperatură s-a realizat urmărind o matrice de 3 rânduri cu 3 coloane, respectiv 2 coloane pentru anvelopa interioară fațadei duble.

Toți traductorii de temperatură amplasați pe suprafețele vitrate și pe suprafața sistemului de umbrire sunt conectați la cele două înregistratoare multicanal ISU-MMC-24C, care au fost programate să preia măsurători la fiecare 300 s.

Toate măsurătorile de temperatură a fost realizate în regim continuu, prin monitorizări diurne și nocturne.

5.4.2. Măsurarea temperaturilor și umidităților aerului în exterior, in cavitate și în

interior

Aceste măsurători au fost efectuate folosind cele 3 termohigrometre portabile PCE-HT110, cu datalogger, prin amplasarea acestora în cele 3 zone principale, la exteriorul fațadei, în interiorul cavității fațadei și în interiorul camerei experimentale. Aparatele au fost programate să preia măsurători la intervale de 300 s, iar măsurătorile au fost realizate în regim continuu, prin monitorizări diurne și nocturne. 5.4.3. Măsurarea nivelului de CO2 din camera experimentală și din aerul exterior

Pentru măsurarea nivelului de CO2 din camera experimentală a fost utilizat aparatul WÖHLER CDL 210, cu datalogger, prin amplasarea acestuia pe biroul din camera experimentală, la înălțimea de 1,3 m, astfel încât acesta să fie în imediata apropiere a zonei de lucru. Aparatul a fost programat să preia măsurători la intervale de 300 s, iar măsurătorile au fost realizate în regim continuu, prin monitorizări directe.

Pentru măsurarea nivelului de CO2 din aerul exterior, de lângă modelul experimental a fost utilizat aparatul portabil Testo 480, la care a fost conectată sonda IAQ. Aparatul a fost programat să preia măsurători la intervale de 300 s, iar măsurătorile au fost realizate periodic, prin monitorizări directe. 5.4.4. Măsurarea intensității radiației solare

Intensitatea radiației solare globală a fost măsurată într-un singur punct, și anume în interiorul cavității, în spatele sticlei securizate. Măsurătorile s-au efectuat prin citiri directe, datorită faptului că aparatul portabil utilizat nu permite achiziția și stocarea datelor măsurate. Măsurătorile au fost făcute orar, în câteva zile considerate relevante, iar pentru celelalte zile în care nu au fost efectuate măsurători directe s-a utilizat literatura de specialitate, mai precis ”Volumul III - Anul climatic tip pentru municipiul Braşov. Date climatice orare” disponibile ca anexă la Metodologia de calcul al performanței energetice a clădirilor din 26.06.2013.

- 33 -


5.4.5. Măsurarea intensității luminoase

Măsurarea intensității luminoase s-a efectuat pe masa de lucru a biroului situat în camera experimentală, la înălțimea de aproximativ 80 cm. 5.4.6. Măsurarea vitezelor și debitelor de aer

Aceste măsurători s-au realizat în condiții de ventilare naturală și în condiții de ventilare forțată, în diverse puncte relevante pentru studiul de față.

Datorită faptului că nu s-au putut realiza măsurători pe termen lung și concomitent în toate punctele de interes, relevante pentru acest studiu au fost efectuate cu aparatele disponibile măsurători locale pentru perioade de timp mai scurte. Primele măsurători de viteză din cadrul sistemului au fost realizate în tubulatura de ventilare forțată, în axul acesteia, perpendicular pe direcția de curgere a debitului de aer (vezi Figura 5.31), după ventilator. Măsurătorile au fost efectuate din minut în minut, timp de o oră, în condiții de ventilare naturală și ventilare mecanică.

Toate aceste măsurători au fost realizate utilizând sonda de tip termo-anemometru cu fir cald și aparatul de măsură KIMO VT 300. Următorul set de măsurători de viteză a fost efectuat pe fiecare orificiu de introduce din cadrul grilei din interiorul cavității fațadei.

Ultimul set de măsurători de viteză a fost realizat în interiorul cavității sistemului de fațadă, în toate cele trei planuri orizontale, pe direcția fluxului termic, pe cele trei linii de amplasare a traductorilor de temperatură, în condiții de ventilare forțată.


În acest capitol a fost prezentat modelul experimental al fațadei duble de sticlă, tip ”box”, realizat la parterul Facultății de Construcții din Brașov, cu toate părțile și sistemele componente, camera experimentală adiacentă fațadei duble de sticlă, sistemele de și instrumentele de măsură și achiziție de date, precum și procedeele utilizate la efectuarea măsurărilor. Scopul principal al modelului experimental a fost acela de a oferi posibilitatea de studia comportamentul termic al unei fațade duble de sticlă tip ”box” în regim dinamic , în condiții climatice reale, pentru ca mai apoi datele obținute din măsurători să fie utilizate la compararea cu valori obținute cu un model analitic și cu un model informatic. Pe lângă acest scop principal, un altul secundar a fost acela de a măsura și de a colecta date referitoare la parametrii climatici din interiorul camerei experimentale, cum ar fi: temperatura aerului interior, umiditatea relativa a aerului interior, nivelul de CO2, nivelul de iluminat, viteza aerului etc. În următorul capitol sunt prezentate în detaliu valorile măsurărilor obținute în cadrul modelului experimental atât în ce privește comportamentul termic al fațadei duble de sticlă cât și în ce privește evoluția parametrilor de confort interior, din camera experimentală, adiacentă fațadei duble.

* * *

Fotograf: Năstase C. Fotograf: Năstase G.

- 34 -

- 35 -

Capitolul

Rezultatele cercetărilor experimentale

Transferul de căldură și performanța energetică a fațadelor duble din sticlă sunt influențate

de câmpurile de viteză și temperatură din interiorul cavității, deci de coeficienții de transfer de căldură prin convecție, care pot varia în funcție de strategia de ventilare aleasă pentru cavitate (naturală, mecanică sau hibridă) și în funcție de prezența sau nu a radiației solare. Cercetarea experimentală de față își propune investigarea detaliată a acestora, pe modelul existent al fațadei duble din sticlă, de tip box, prezentat în capitolul anterior; au fost concepute mai multe strategii de testare, care să acopere diferite situații din exploatarea unui astfel de sistem.

Când se vorbește despre transferul de căldură în cadrul unui fațade duble din sticlă temperaturile care interesează în mod deosebit sunt cele de pe suprafețele sistemului, temperatura volumului de aer din cavitate și temperatura aerului exterior, care în final definesc temperatura aerului din camera experimentală, respectiv din spațiul unde se dorește un anumit nivel de confort termic. Desigur toți acești parametri sunt influențați de intensitatea radiației solare, de prezența sau absența și poziția sistemului de umbrire în cadrul sistemului și de modelul de curgere al aerului prin cavitatea fațadei. În cadrul acestei lucrări măsurătorile nocturne servesc drept situație de referință pentru calculul indicatorilor de performanță termică a sistemului de fațadă dublă de sticlă, rezistență termică, coeficient global de transfer de căldură și flux termic transmis, pentru a respecta metodologia de calcul standard, care nu ia in calcul intensitatea radiației solare. Măsurările diurne arată, ținând cont de indicatorii de performanță termică, influența și rolul intensității radiației solare în cadrul sistemului în reducerea consumului de energie pentru spațiul adiacent sistemului, respectiv în camera experimentală.

Acest capitol este divizat în două părți: prima prezintă rezultatele cercetărilor în legătură cu transferul termic realizate pe modelul experimental prezentat în capitolul anterior, și care vizează comportamentul dinamic al unei fațade duble tip ”box” în condiții climatice reale și cea de-a doua

6

CAPITOLUL 6 – REZULTATE CERCETĂRILOR EXPERIMENTALE

- 36 -

parte, în care se prezintă câteva rezultate relevante referitoare la climatul interior din camera experimentală, adiacentă fațadei.

6.1. Rezultatele cercetărilor în legătură cu transferul termic la fațadele

duble de sticlă tip ”box”

În acest studiu au fost considerate trei situații importante, două pentru anotimpurile cu valori extreme ale temperaturilor aerului exterior, sezonul cald - vara și sezonul rece – iarna și o a treia situație pentru perioadele de tranziție, care corespunde anotimpurilor primăvară/toamnă, când temperatura aerului exterior este între cele două extreme. Din punct de vedere al ventilării cavității, fațada dublă s-a considerat pentru situația de vară cu ventilare hibridă în prezența radiației solare, deci pe timp de zi și cu ventilare naturală în lipsa radiației solare, deci pe timp de noapte. Pentru situația de iarnă și perioadele de tranziție, când dorim să pierdem cât mai puțină căldură din interior și să beneficiem cât mai mult de radiația solară fațada s-a considerat complet închisă și s-a luat în considerare modul de ventilare naturală atât în prezența cât și în lipsa radiației solare. Ventilarea hibridă a cavității pe timp de vară în prezența radiației solare înseamnă ventilare naturală completată cu ventilare mecanică periodic, pentru evacuarea aerului supraîncălzit din cavitate, acumulat prin efectul de seră creat de suprafețele vitrate ale fațadei. Cele trei cazuri sunt sintetizate mai jos, în Tabelul 6.1.

Pentru toate aceste cazuri propuse, sistemul de umbrire din interiorul cavității, de tip jaluzele venețiene s-a considerat în poziția deschis, unghiul făcut de lamele cu planul orizontal fiind de 0o. Influența unghiului făcut de lamelele sistemului de umbrire cu planul orizontal, în cazul situațiilor cu radiație solară este prezentată separat, după evaluarea cazurilor principale.

Tabelul 6.1. Cazurile propuse pentru evaluarea experimentală a sistemului de fațadă dublă din sticlă

SEZONUL CALD

VARA SEZON DE TRANZIȚIE

PRIMĂVARA/TOAMNA SEZONUL RECE

IARNA FĂRĂ

RADIAȚIE SOLARĂ

CU RADIAȚIE SOLARĂ

FĂRĂ RADIAȚIE SOLARĂ


FĂRĂ RADIAȚIE SOLARĂ


VENTILARE NATURALĂ

VENTILARE HIBRIDĂ

VENTILARE NATURALĂ

VENTILARE NATURALĂ

VENTILARE NATURALĂ

VENTILARE NATURALĂ

6.1.1. Sezonul cald - vară

Deși măsurătorile experimentale din cadrul modelului au fost efectuate la fiecare trei minute s-a considerat util din punct de vedere practic doar prezentarea valorilor orare, pentru parametrii de interes. Cum pentru ambele sezoane criteriul de selecție al zilelor relevante pentru prezentarea rezultatelor experimentale a fost valoarea maximă a temperaturii exterioare, pentru situația de vară a fost selectată ziua de 29 iulie 2013, când temperatura exterioară a fost 34,7 oC, iar intensitatea radiației solare globală a avut valoarea maximă de 467,3 W/m2.


- 37 -

În Figura 6.1, în partea stângă se prezintă evoluția orară a intensității radiației solare pe cele două componente, directă și difuză, împreună cu intensitatea globală a radiației solare iar în partea dreaptă este reprezentată intensitatea globală a radiației solare corelată grafic cu temperatura exterioară.

Fig. 6.1. Valorile orare ale intensității radiației solare directă, difuză și globală pentru ziua 29 iulie

2013, zi senină și valorile orare ale temperaturii exterioare a aerului, corelate cu intensitatea radiației solare globală pentru ziua 29 iulie 2013, zi senină

În graficele prezentate mai sus se pot observa variațiile orare ale parametrilor exteriori care

intră în calculul transferului termic și care au rol important în stabilirea performanțelor energetice ale unui sistem de fațadă dublă din sticlă tip box. Se poate observa că deși valoarea maximă a intensității radiației solare se înregistrează la ora 13:00 valoarea maximă a temperaturii exterioare este înregistrată la ora 16:00, acest lucru explicându-se prin faptul că efectul de temperatură se produce ca urmare a acumulării de căldură din radiația solară, iar acumularea de căldură este progresivă. Practic radiația solară, în lungime de undă mică (<0,2 μm), care nu produce efecte termice, incidentă pe suprafața Pământului, este absorbită de corpurile de pe Pământ, care radiază la rândul lor cu lungime de undă lungă (≈30 μm), care are efecte termice, în acest fel producându-se încălzirea aerului. Se produce astfel un defazaj între cele două mărimi, care în situația celei mai călduroase zile din anul precedent a fost de 3 ore.

Fig. 6.2. Variația orară a temperaturii exterioare în data de 29 iulie 2013 și corelare între variația orară a temperaturii exterioare și variația orară a temperaturii interioare, din camera adiacentă

modelului experimental, în data de 29 iulie 2013

29 iulie 2013


- 38 -

Dacă analizăm graficele din Figura 6.2 putem spune că minimul temperaturii exterioare pentru ziua selectată s-a înregistrat la ora 6:00, având valoarea de 16,67 oC și maximul s-a înregistrat la ora 16:00, după cum s-a menționat și mai sus. Însă, este foarte interesant faptul că deși această temperatură exterioară variază destul de mult, diferența de temperatură între valoarea maximă și valoarea minimă fiind de 18,07oC în interiorul camerei experimentale variația temperaturii este foarte mică, ecartul de temperatură între valoarea maximă și valoarea minimă fiind de doar 1,4oC. Se mai poate observa, de asemenea și că valoarea maximă a temperaturii interioare s-a înregistrat la ora 17:00, adică defazat cu o oră față de momentul când s-a înregistrat maximul pentru temperatura exterioară.

În cadrul acestui studiu gradienții de temperatură cu direcție verticală nu sunt atât de relevanți deoarece sistemul de fațadă dublă din sticlă tip ”box”, în discuție nu poate avea înălțimea cu mult mai mare decât lățimea; el prezintă, însă un interes deosebit pentru studiul fațadelor duble din sticlă de tip ”coridor”, ”trunchi” sau de tip ”cortină”.

Cavitatea formează un spațiu de acumulare a căldurii între exterior și interior. Cum temperatura din acest spațiu influențează sarcinile de răcire/încălzire din camera experimentală, adiacentă sistemului de fațadă dublă tip ”box”, se impune urmărirea și interpretarea variațiilor de temperatură în funcție de condițiile climatice exterioare, pentru fiecare din cele 3 situații propuse. Tot în situația de vară, pentru a scoate în evidență și mai bine comportamentul dinamic al sistemului de fațadă dublă de sticlă s-au adoptat 4 strategii de testare. Aceste strategii de testare implică măsurători pentru perioade care încep de la câteva zile, până la două săptămâni. Cazurile studiate sunt centralizate în Tabelul 6.2, prezentat în continuare, unde sunt trecute și diferitele condiții de funcționare pentru fiecare perioadă în parte.

Tabelul 6.2. Centralizator strategii de testare, în sezonul cald

Strategia 1 2 3 4 Perioada 21 iulie - 2 august 6 – 13 august 19 – 26 august 26 – 29 august Clapete reglare debit

toate închise toate deschise toate deschise toate deschise

Ventilatorul oprit oprit oprit pornit Poziția lamelelor sistemului de umbrire

6.1.2. Sezonul de tranziție – primăvara/toamna

Pentru că finalizarea modelului experimental și procurarea tuturor sistemelor de achiziție de date s-a făcut până la jumătatea lunii iulie 2013 măsurările din cadrul acestei lucrări au început pe data de 21 iulie 2013 și în consecință perioada de tranziție, pentru care există măsurători la momentul redactării acestui studiu este cea de toamnă (anul 2013). Cel mai simplu mod prin care se poate evidenția comportamentul dinamic al fațadei duble de sticlă tip box în perioada de tranziție este tot prin observarea celor două trenduri de temperatură,


- 39 -

temperatura aerului exterior (TE), respectiv variația temperaturii aerului din interiorul cavității, în cazul de față în fața sistemului de umbrire (CFSU). 6.1.3. Sezonul rece - iarna

Pentru situația de iarnă a fost selectată ziua de 31 ianuarie 2014, când temperatura exterioară a fost -8,6 oC, iar intensitatea radiației solare globală a avut valoarea maximă de 131,8 W/m2.

În Figura 6.3 se prezintă, pentru ziua de 31 ianuarie 2014 evoluția orară a intensității radiației solare pe cele două componente, directă și difuză în corelare cu intensitatea radiației solare globale.

Fig. 6.3. Valorile orare ale intensității radiației solare directă, difuză și globală pentru ziua

31 ianuarie, zi noroasă și valorile orare ale temperaturii exterioare a aerului, corelate cu intensitatea radiației solare globală pentru ziua de 31 ianuarie 2014, zi noroasă

După cum se poate observa și din graficul prezentat mai sus în cea mai friguroasă zi din acest

sezon rece radiația solară directă a fost egală cu ca difuză, ceea ce altfel spus ziua de 31 ianuarie 2014 a fost o zi noroasă. Valoarea maximă a radiației globale a fost înregistrată la ora 1:00 PM și de asemenea se mai poate observa că intervalul de măsurare a intensității radiației solare a fost de 11 ore, cu începere de la ora 8:00 AM și cu finalizare la ora 6:00 PM, spre deosebire de situația de vară, când intervalul a fost de 16 ore, cu începere de la ora 5:00 AM și cu finalizare la ora 9:00 PM.

Fig. 6.4. Variația orară a temperaturii exterioare în data de 31 ianuarie 2014 și variația orară a temperaturii exterioare TE în corelație cu variația orară a temperaturii interioare TI, din camera

adiacentă modelului experimental, în data de 31 ianuarie 2014

31 ianuarie 2014


- 40 -

În situația de iarnă se poate observa că temperatura interioară din camera experimentală, adiacentă sistemului de fațadă dublă a fost influențată semnificativ de prezența radiației solare, chiar în lipsa radiației directe, fiind ușor vizibil faptul că cele două curbe evoluează similar. Dacă în lipsa radiației solare directe temperatura interioară din camera experimentală adiacentă sistemului de fațadă dublă din sticlă a avut o valoare relativ constantă, în jurul valorii de 15oC, se observă că imediat ce intervine radiația solară, fie ea și numai sub formă difuză, temperatura interioară ajunge imediat la temperatura de confort pentru sezonul rece. Această situație nu este specifică doar pentru ziua în care s-a înregistrat cea mai joasă temperatură exterioară, ci după cum se poate vedea din graficele din Figura 6.4, acest lucru este un fenomen firesc pentru sistemul de fațadă dublă tip box, efect cât se poate de benefic.

Fig. 6.4. Corelare între variația orară a temperaturii exterioare și variația orară a temperaturii interioare, din camera adiacentă modelului experimental, în zilele de 29 și 30 ianuarie 2014

Este însă foarte interesant de remarcat cât de mult avantajează în condiții de iarnă instalarea

unui sistem de fațadă dublă de sticlă tip box: pentru întreg sezonul rece, nu doar pentru o zi semnificativă; în acest sens se prezintă în continuare un grafic de variație a temperaturii aerului exterior (TE) cu temperatura aerului interior (TI), din camera experimentală adiacentă. Valorile prezentate în Figura 6.5 au fost măsurate în perioada 21 decembrie 2013 – 20 martie 2014.

Fig. 6.5. Corelare între variația temperaturii exterioare TE și variația temperaturii interioare TI, din camera adiacentă modelului experimental, pentru tot sezonul rece


- 41 -

Se vede imediat că temperatura interioară medie este aproximativ 20 oC, (mai exact 20,85 oC). Temperaturile măsurate care depășesc valoarea de confort (20oC) reprezintă 69,2% din totalul valorilor măsurate. Trebuie menționat că temperatura medie exterioară pentru perioada la care se face referire a fost aproximativ 4oC, ceea ce înseamnă că a fost un sezon rece destul de ”călduros”. Unde se înregistrează cea mai ridicată temperatură în cadrul sistemului în sezonul rece? Pentru a răspunde la această întrebare se prezintă în continuare (Figura 6.6) un grafic în care sunt reprezentate 3 curbe care ilustrează evoluția temperaturilor aerului din cavitate și anume: în fața sistemului de umbrire (CFSU), pe lamelele sistemului de umbrire (SUMM) respectiv în spatele sistemului de umbrire (CSSU), pentru perioada de timp 21 decembrie 2013 – 20 martie 2014.

Fig. 6.6. Variația temperaturii aerului în fața sistemului de umbrire (CFSU), pe lamelele sistemului

de umbrire (SUMM) și în spatele sistemului de umbrire (CSSU) pentru întreg sezonul rece Cum era de așteptat chiar și în sezonul rece, când radiația solară are valori mult mai mici decât în sezonul cald, se poate observa cum cea mai mare temperatură se înregistrează tot pe lamelele sistemului de umbrire de tip venețian, amplasat în zona mediană cavității.

Analizând graficele din Figura 6.20 se poate spune că în cadrul unui sistem de fațadă dublă din sticlă, cu sistem de umbrire cu lamele, de tip venețian, temperaturile cele mai înalte se înregistrează pe lamelele sistemului de umbrire, amplasate în cavitatea interioară fațadei, între cele două anvelope interioară și exterioară. Ecartul de temperatură între aerul interior (TI) și suprafața interioară a anvelopei interioare (T1) variază între 5 și 7 oC, ecartul de temperatură dintre suprafața interioară a anvelopei interioare (T1) și suprafața exterioară a anvelopei interioare (T4) variază între 15 și 18 oC, ecartul de temperatură între suprafața exterioară a anvelopei interioare (T4) și suprafața interioară a sticlei securizate (T5) variază între 1 și 6oC.


- 42 -

6.2. Rezultatele cercetărilor referitoare la regimul de curgere din interiorul cavității

În situația ventilării naturale, variațiile de viteză în interiorul tubulaturii sunt mai mari, decât variațiile în cazul ventilării forțate, datorită variației vitezei vântului. Dacă ar fi să facem o valoare medie în cazul ventilării naturale, aceasta ar fi 1,75 m/s, iar valoarea minimă înregistrată a fost 0,11 iar valoarea maximă înregistrată a fost 3,36 m/s. Dacă dorim o valoare medie a vitezei, în cazul în care ventilatorul este pornit aceasta ar fi 4,39, iar viteza variază între minimul 4,1 m/s și maximul 4,69 m/s.

Analizând toate aceste măsurători se poate ușor deduce, fără calcule că regimul de curgere este turbulent în toate părțile sistemului atunci când ventilarea cavității se face mecanic.

6.3. Rezultatele cercetărilor referitoare la climatul interior, din camera experimentală, adiacentă fațadei

6.3.1. Ambianța termică și umiditatea interioară

Realizarea și menținerea unei ambianțe termice plăcute pentru ocupanții unei clădiri este o cerință obligatorie, care trebuie avută în vedere încă din faza de proiectare a acesteia. 6.3.2. Nivelul de CO2

Aceste măsurători au fost efectuate folosind aparatul WÖHLER CDL 210, cu datalogger, prin amplasarea acestuia pe biroul din camera experimentală, la înălțimea de 1,3 m, astfel încât acesta să fie în imediata apropiere a zonei de lucru. Aparatul a fost programat să preia măsurători la intervale de 300 s, iar măsurătorile au fost realizate în regim continuu, prin monitorizări directe. Pentru a pune în evidență modul în care este influențat nivelul de CO2 de către prezența ocupanților, nivelul de CO2 au fost realizate trei scenarii diferite, în camera experimentală, adiacentă fațadei duble:

1) 1 persoană – cortina de aer interior închisă - fără ventilare; 2) 1 persoană – cortina de aer interior deschisă – ventilare naturală în cavitatea fațadei; 3) 1 persoană - cortina de aer interior deschisă – ventilare mecanică în cavitatea fațadei.

Măsurătorile au fost efectuate pe o perioadă de peste 2 ore pentru fiecare din scenarii și

rezultatele obținute sunt prezentate în graficul din Figura 6.7. Înainte de a comenta rezultatele obținute trebuie făcută mențiunea că aparatul de măsură

a concentrației de CO2 din camera experimentală are presetate 3 nivele de calitate:

1. NIVELUL BUN – valori ale concentrație mai mici de 700 ppm; 2. NIVELUL NORMAL – valori ale concentrației în intervalul 701 – 1000 ppm; 3. NIVELUL SLAB – valori ale concentrației peste 1000 ppm;


- 43 -

După cum se poate observa în cazul primului scenariu, având cortina de aer închisă bioxidul de carbon generat de prezența persoanei în interiorul camere experimentale se acumulează și după aproximativ 20 de minute se depășește pragul de nivel BUN și se trece în zona de NORMAL, iar după încă o jumătate de oră de stat în incintă nivelul de CO2 depășește nivelul NORMAL și se trece în zona de SLAB.

Fig. 6.7. Nivelul de CO2 în aerul din camera experimentală adiacentă fațadei duble, cu 1 persoană în interior și 3 scenarii de ventilare a cavității

În al doilea scenariu, se deschid clapetele de reglaj debit de pe sistemul de ventilare

mecanică a cavității și aerul este lăsat să circule liber, datorită diferențelor de temperatura și presiune dintre interior și exterior. Se observă în primul rând că bioxidul de carbon încă are tendința de a se acumula, însă creșterea concentrației este mult mai lentă decât în primul caz, pragul de nivel NORMAL atingându-se abia după 34 de minute și până la finalizarea măsurătorilor nu se atinge nivelul SLAB.

În al treilea caz, cu clapetele de reglaj debit de pe sistemul de ventilare mecanică deschise este activat și ventilatorul, pentru a circula forțat aerul în cavitatea fațadei. În acest caz creșterea concentrației de CO2 este și mai lentă și pe toată perioada măsurărilor nu s-a depășit nivelul de concentrație BUN. Mai mult decât atât se observă că după aproximativ o jumătate de oră nivelul de CO2 se stabilizează în preajma valorii de 560 ppm. 6.3.3. Debitul de ventilare

Clădirile cu sisteme de ventilare naturală trebuie proiectate funcție de regiune, de locația specifică, de date statistice ale radiației solare și ale vântului pe zile și pe ani pentru a maximiza confortul ocupanților și a minimiza costul cu energia.

Deoarece clădirile cu sisteme de ventilare naturală trebuie să răspundă condițiilor de locație și microclimat, nu există un set de criterii specifice aplicabile pentru fiecare clădire ventilată natural.

Alegerea strategiei de ventilare naturală este dependentă de factorii climatici, de tipul de clădire și de climatul dorit în interior.


- 44 -

6.3.4. Nivelul de iluminat natural

Deși în graficul din Figura 6.8 se prezintă doar nouă ore dintr-o singură zi este evident că într-o zi relativ însorită, cum a fost cea de 1 aprilie 2014 sistemul de fațadă dublă de sticlă asigură nivelul minim de iluminare, ba chiar mai mult într-o zi însorită valoarea intensității luminoase este și de două ori mai mare decât valoarea necesară din condiții de confort.

Fig. 6.8. Măsurarea intensitate luminoasă în camera experimentală, la înălțimea 0,785 m, în data de 1 aprilie 2014

6.3.5. Nivelul acustic

În cadrul acestui studiu nivelul acustic nu a fost măsurat, dar ar fi interesat de văzut pe viitor dacă o investiție într-o a doua fațadă de sticlă, pentru o clădire existentă sau nouă merită făcută, doar luând în calcul reducerea nivelului de zgomot. 6.4. Concluziile capitolului

Cercetarea are ca obiectiv principal evidențierea comportamentului dinamic al unei fațade duble de sticlă, evaluarea performanțelor energetice în legătură transferul termic și evaluarea condițiilor de confort interior pentru spațiile de birouri din cadrul unei clădiri care dispune de un astfel de sistem de fațadă.

La sfârșitul acestui capitol se prezintă un sumar al rezultatelor obținute prin efectuarea măsurătorilor din cadrul acestui studiu, împărțit pe cele două componente, transferul termic în cazul fațadelor duble de sticlă și confortul interior în spațiul adiacent sistemului de FDS.

În capitolul următor va fi prezentată analiza comparativă a celor trei metode utilizate în cadrul acestui studiu: prin experimente, prin modelare fizico-matematică și prin simulare pe computer.

* * *

Capitolul

Analiză comparativă a rezultatelor și metodelor utilizate

În această teză a fost analizat procesul de transfer de căldură în cazul unei fațade duble de

sticlă tip ”box” prin trei metode: experimental, prin măsurători efectuate în condiții climatice reale, pe un model

construit la Facultatea de Construcții din Brașov; fizico-matematic, prin extinderea unei metode de calcul corectate, de la calculul

fațadelor cu vitraj dublu termoizolant; prin simulări computerizate, în regim staționar, utilizând un soft comercial.

Fiecare din cele trei metode utilizate prezintă avantaje și dezavantaje, care pe scurt la metoda experimentală înseamnă obținerea de informații prețioase, dar prin costuri ridicate, la metoda fizico-matematică înseamnă rezultate teoretice, care trebuie verificate mereu cu o altă metodă și de asemenea înseamnă consultarea unei bibliografii considerabile, iar în cazul simulărilor computerizate înseamnă o conectare a principiilor teoretice cu rezultate practice, obținute prin utilizarea în cele mai multe cazuri a unei stații de lucru performante corelată cu utilizarea unui software puternic, care în final înseamnă o investiție inițială serioasă.

În cadrul acestui capitol se urmărește analiza comparativă a rezultatelor și metodelor utilizate pentru îndeplinirea scopului propus. 7.1. Analiza comparativă a rezultatelor obținute

În Capitolul 5 din teză sunt centralizate sub formă tabelară, în Tabelul 5.4 valorile obținute din modelarea fizico-matematică a transferului de căldură în cazul anvelopei interioare (vitraj dublu termoizolant 4-16-4 cu argon între foile de sticlă) și în cazul fațadei duble de sticlă, pentru cele două sezoane cu valori extreme în cazul temperaturilor exterioare, sezonul cald (vara), respectiv sezonul rece (iarna). Pentru că metoda fizico-matematică pentru fațada dublă din cadrul acestui studiu este o extensie a unei metode de calcul a indicatorilor de transfer termic în regim

7

- 45 -

CAPITOLUL 7 – ANALIZĂ COMPARATIVĂ A REZULTATELOR ȘI METODELOR UTILIZATE

staționar pentru anvelope de tipul vitraj termoizolant cu două foi s-a considerat necesară compararea rezultatelor obținute cu modelul fizico-matematic și cele obținute prin simularea cu un soft specializat (Capitolul 6).

Rezultatele comparative pentru toate cele trei metodele și pentru ambele situații, sezonul cald și sezonul rece sunt prezentate în Tabelul 7.1. respectiv Tabelul 7.2.

Tabelul 7.1. Rezultate comparative pentru temperaturile de pe suprafețele vitrajelor, în cazul

fațadei duble, în sezonul cald, din cadrul celor trei metode studiate Metoda experimentală

Temperaturi TI T1 T2 T3 T4 T5 T6 TE Valori [oC] 25,64 25,43 - - 20,88 17,73 - 16,67

Metoda fizico-matematică

Temperaturi TI T1 T2 T3 T4 T5 T6 TE Valori [oC] 25,64 24,24 24,19 20,70 20,64 17,41 17,27 16,67

Simularea computerizată

Temperaturi TI T1 T2 T3 T4 T5 T6 TE Valori [oC] 25,64 24,09 24,02 20,08 20,07 16,89 16,85 16,67

Pentru că anvelopa interioară, vitrajul dublu termoizolant este un sistem compact în cadrul

studiului experimental nu au putut fi măsurate cele două temperaturi de pe suprafețele interioare ale vitrajelor, T2, respectiv T3. De asemenea, în cadrul modelului experimental nu a fost măsurată nici temperatura T6, de pe fața exterioară a sticlei securizate, deoarece acest lucru implica achiziția unor traductori de temperatură cu lungime mai mare decât cei standard, de 3 m utilizați la măsurarea temperaturilor de pe toate celelalte suprafețe.

Tabelul 7.2. Rezultate comparative pentru temperaturile de pe suprafețele vitrajelor, în cazul

fațadei duble, în sezonul rece, din cadrul celor trei metode studiate Metoda experimentală

Temperaturi TI T1 T2 T3 T4 T5 T6 TE Valori [oC] 14,49 13,25 - - 0,32 -6,87 - -8,57

Metoda fizico-matematică

Temperaturi TI T1 T2 T3 T4 T5 T6 TE Valori [oC] 14,49 10,98 10,84 1,72 1,58 -6,75 -7,07 -8,57

Simularea computerizată

Temperaturi TI T1 T2 T3 T4 T5 T6 TE Valori [oC] 14,49 11,15 11,02 2,19 2,17 -7,98 -8,09 -8,57

În cadrul acestui studiu au fost analizate două situații comparative: anvelopa cu vitraj dublu

termoizolant și fațada dublă de sticlă. În Tabelul 7.3 sunt centralizate datele comparative pentru cele două situații considerate, ele fiind sintetizate în funcție de temperaturile medii lunare pentru Brașov (media anilor 2005-2007, de la stația meteo Ghimbav): rezistențele termice R, coeficienții globali de transfer de căldură K, densitățile de flux termic Q/A și fluxurile termice aferente. Suprafața vitrată A, pentru care se determină fluxul termic în ambele cazuri are valoarea de 3,4 m2.

- 46 -


Fig.7.1. Comparație între fluxul termic printr-un vitraj dublu termoizolant și prin sistemul de fațadă dublă din sticlă, pentru o perioadă de un an, raportat la temperatura medie lunară din localitatea

Brașov

Tabelul 7.3. Centralizarea valorilor obținute

Luna Tml

VITRAJ DUBLU TERMOIZOLANT 4-16-6 (Argon 100%) FAȚADĂ DUBLĂ DE STICLĂ

R U Q/A Q R U Q/A Q

[oC] [m2K/W] [W/m2K] [W/m2] [W] [m2K/W] [W/m2K] [W/m2] [W]

Ianuarie -2,6 0,334 2,998 67,74 230 0,521 1,917 43,33 147 Februarie -2,7 0,334 2,997 68,04 231 0,521 1,917 43,52 148 Martie 2,5 0,332 3,013 52,73 179 0,521 1,919 33,59 114 Aprilie 8,8 0,330 3,034 33,97 115 0,521 1,916 21,47 73 Mai 14,6 0,328 3,046 16,45 56 0,526 1,900 10,26 35 Iunie 17,1 0,329 3,042 8,82 30 0,532 1,879 5,45 19 Iulie 19,4 0,332 3,011 1,81 6 0,548 1,822 1,09 4 August 18,2 0,329 3,036 6,01 20 0,537 1,861 3,35 11 Septembrie 13,4 0,328 3,045 20,09 68 0,524 1,905 12,58 43 Octombrie 8,3 0,330 3,032 35,47 121 0,521 1,917 22,43 76 Noiembrie 2,0 0,332 3,012 54,21 184 0,521 1,919 34,54 117 Decembrie -2,1 0,333 2,999 66,28 225 0,521 1,917 42,38 144 Medii anuale 8,08 0,331 3,022 35,97 122 0,526 1,899 22,83 78

Analizând rezultatele se observă cum valoarea rezistențelor termice în cazul fațadei duble

din sticlă au crescut față de rezistențele termice ale vitrajului dublu termoizolant cu aproximativ 37% și odată cu acestea scad și pierderile de căldură prin sistemul de fațadă, lucru care este evidențiat și în graficul din Figura 7.1, prezentat mai jos, pentru fiecare lună a anului.

Tot din graficul din Figura 7.1 se mai poate deduce faptul că în afară de cele 3 luni de vară iunie, iulie și august pentru zona climatică Brașov sistemul de fațadă dublă din sticlă are un efect

050

100150200250Ianuarie

Februarie

Martie

Aprilie

Mai

IunieIulie

August

Septembrie

Octombrie

Noiembrie

Decembrie

Geam dublu termoizolant 24 mm Fațada dubla din sticlă

- 47 -


bun, reducând pierderile de căldură, prin comparație cu un vitraj dublu termoizolant ca urmare a creșterii rezistențelor termice.

Dacă se introduc rezultatele obținute pentru fațada dublă în calculele pentru necesarul de căldură, respectiv necesarul de frig aferent camerei experimentale fațadei duble de sticlă și se compară cu situația inițială, în care se considera doar anvelopa interioară alcătuită dintr-un vitraj dublu termoizolant se constată că se obțin reduceri semnificative, ale celor două sarcini. Aceste reduceri se traduc mai departe prin dimensiuni mai mici pentru echipamentele instalațiilor HVAC și prin reduceri ale consumului de energie pe toată perioada anului. Se prezintă în continuarea sub formă de grafice reducerile aduse celor două sarcini, în cazul utilizării rezultatelor obținute pentru sistemul de fațadă dublă de sticlă.

Fig. 7.2. Repartiția procentuală a aporturilor, degajărilor în cazul necesarului de frig (stânga), respectiv a pierderilor de căldură în cazul necesarului de căldură (dreapta) în cazul utilizării fațadei

duble de sticlă ca anvelopă a camerei experimentale Dacă în cazul când s-a considerat doar anvelopa interioară ca fațadă la camera experimentală, aporturile prin elementele fără inerție termică erau în procente 56%, în cazul fațadei duble de sticlă aceste aporturi pe timp de vară scad până la 51%, sau dacă ne raportăm la valori, acestea scad de la 410 W la 338 W. Reducerea acestor aporturi în procente este de 18% și această reducere conduce la o scădere a necesarului total de frig cu 10%, de la valoarea inițială de 738 W, la valoarea de 666 W, în cazul fațadei duble de sticlă. În cazul necesarului de căldură reducerea semnificativă apare în cazul pierderilor de căldură prin transmisie, unde acestea scad de la 57% la 41%, sau valoric, de la 257 W la 134 W, în timp ce necesarul de căldură pentru încălzirea aerului infiltrat scade de la valoarea de 191 W, la valoarea de 190 W, deci nesemnificativ. Aceste reduceri conduc la o valoarea a necesarului global de căldură pentru camera experimentală redus cu aproximativ 28%, de la valoarea inițială de 448 W la valoarea de 324 W, în cazul fațadei duble de sticlă.

7.2. Analiza comparativă a metodelor utilizate

În cadrul acestui studiu au fost utilizate toate cele trei modalități de abordare, sau strategii de modelare, fiecare cu avantajele și dezavantajele ei. Toate cele trei metode au capacitatea de a furniza estimări rezonabil de precise pentru sisteme complexe, într-un timp destul de scurt. Se

- 48 -


prezintă în continuare, în Tabelul 7.4 unele diferențe dintre cele trei strategii de modelare utilizate în cadrul acestei teze, ca urmare a experienței dobândite de autor în urma utilizării acestora.

Tabelul 7.4. Analiza comparativă a celor trei strategii de modelare utilizate

Elementul de comparație Strategii de modelare

Analitic Simulare Experiment Efortul de construire a modelului Modest Arbitrar Mare Complexitatea modelului Nelimitată Nelimitată Limitată Costuri de investiție Mici Mari Mari Flexibilitate Mare Mare Limitată Timp de documentare Foarte mare Scurt Mare Date necesare Multe Puține Puține Timp de rulare/achiziție date Scurt Mare Mare Cunoștințe CAD Nu Da Nu Cunoștințe de programare Arbitrar Da Nu Experiență în interpretarea rezultatelor Mică Mare Foarte mare Detalii ale rezultatelor Multe Foarte multe Multe


După cum se poate observa din analiza prezentată în prima parte a acestui capitol a celor trei metode utilizate, diferențele între valori sunt destul de mici, în cele mai multe cazuri sub 1 oC.

Cel mai mare avantaj pe care îl oferă un model analitic este acela că necesită puține date de intrare pentru obținerea unor rezultate într-un timp scurt, dar pe de altă parte modelele analitice sunt destul de limitate în complexitate.

Cel mai mare avantaj cu care vine simularea pe computer este tocmai abilitatea de a modela sisteme complexe, cu un grad de detaliere mare, ceea ce acoperă golul modelului analitic și conduce la obținerea unor rezultate mai apropiate de cele reale.

Modelul experimental este ideal pentru efectuarea unui studiu, însă necesită costuri mari de investiție, se consumă un timp mare pentru construirea modelului, pentru achiziția de date și flexibilitatea este limitată atunci când se pune problema unei optimizări a sistemului.

O concluzie interesantă în cazul ambelor situații studiate, de vară respectiv de iarnă este aceea că se valorifică aporturile solare la maxim, prin utilizarea sticlei (care este un material fără inerție termică) ca anvelopă la clădire și în același timp se reduc sarcinile termice și implicit consumurile de energie. Aceste rezultate conduc la atingerea scopului acestui studiu.

* * *

- 49 -

Capitolul

Concluzii generale și contribuții personale

În contextul reducerii consumurilor energetice și al creșterii numărului de clădiri cu fațadă

de sticlă se impune o atenție deosebită studiului sistemelor de fațadă dublă de sticlă, pentru clădirile de birouri și nu numai. Cunoașterea comportamentului dinamic și stabilirea unor criterii de proiectare normate, pentru țara noastră și nu numai este un element cheie, care poate plasa sistemul de fațadă dublă de sticlă în rândul clădirilor cu fațadă de sticlă, eficiente energetic.

Fațadele duble de sticlă sunt promovate de arhitecți și beneficiari mai mult din punct de vedere al arhitecturii deosebite, însă este o adevărată provocare pentru inginerii de instalații, care trebuie să prezinte beneficiile sistemului din punct de vedere al ambianței termice, în funcție de diverse condiții climatice exterioare, din punct de vedere al iluminatului natural, din punct de vedere al necesarului de frig, respectiv de căldură, din punct de vedere al ventilării, al controlului degajărilor de CO2, al posibilității apariției condensului, din punct de vedere al reducerii nivelului de zgomot, din punct de vedere al riscului la incendiu și al evacuării gazelor fierbinți și al fumului în caz de incendiu etc. În această situație inginerii au la dispoziție trei variante prin care pot aborda aceste probleme și anume: prin realizarea de experimente prin realizarea unui model la o scară redusă, prin simulări pe computer sau prin metode fizico-matematice. În cadrul acestei lucrări au fost analizate toate cele trei variante, menționându-se avantajele și dezavantajele fiecărei metode. În acest capitol se prezintă concluziile generale și contribuțiile personale la studiul reducerii consumurilor de energie prin implementare unei fațade duble de sticlă tip ”box”, în condițiile climatice din Brașov, România. 8.1. Concluzii generale

Energia este vitală pentru cetățenii Uniunii Europene și pentru economia acesteia [52].

Energia oferă locuri de muncă oamenilor, confort și mobilitate pentru aceștia și este necesară pentru a genera și menține un nivel de trai ridicat in spațiul industrial, comercial și social. În același timp, producția și consumul de energie din zilele noastre, bazat pe resurse naturale

8

- 50 -

CAPITOLUL 8 – CONCLUZII GENERALE ȘI CONTRIUBȚII PERSONALE

neregenerabile, contribuie considerabil la modificarea climei pe Terra prin efectul de încălzire globală, prin creșterea concentrației de CO2 din atmosferă, prin poluarea aerului etc., și este prin urmare o povară majoră asupra mediului și sănătății umane.

Dezvoltarea de noi tehnologii joacă un rol major în răspunsul la problemele de energie. În acest scop, resursele trebuie să fie folosite cu înțelepciune, în timp ce noi modalități de generare a energiei sunt în curs de dezvoltate. Se urmărește reducerea consumului de energie precum și integrarea energiilor regenerabile sub diverse forme atât în proiectele actuale cât și în cele viitoare, precum și în clădirile existente, respectiv în construcțiile noi. De aceea tehnologiile noi sunt integrate în forme noi de arhitectură, într-o gândire unitară, pentru a obține clădiri eficiente energetic și pentru a face față provocărilor viitorului.

Anvelopa clădirii joacă un rol foarte important în atingerea obiectivelor critice de confort termic interior și a eficienței energetice. Datorită progreselor tehnologice utilizarea de anvelope complet vitrate a devenit o opțiune atractivă pentru anumite construcții. Proiectarea fațadelor de sticlă poate oferi vederi în aer liber, reduceri ale nivelului de zgomot, lumina naturală abundentă, precum și potențial de ventilație naturală. Cu toate acestea, utilizarea sticlei la anveloparea unei construcții nu este foarte răspândită la noi în țară pentru că sarcina de încălzire crește datorită pierderilor de căldură în timpul sezonului rece iar sarcina de răcire crește datorită aporturilor solare suplimentare în timpul sezonului cald. Totodată, plasarea unor clădiri cu fațadă de sticlă în zone urbane aglomerate presupune expunerea la un nivel de zgomot destul de ridicat și scade posibilitatea efectuării unei ventilări naturale prin deschiderea ferestrelor. Dezvoltarea sistemelor de fațade duble de sticlă reprezintă unul dintre cele mai promițătoare răspunsuri la aceste probleme, însă există o lipsă de date sistematice și cuantificate privind performanța energetică a clădirilor cu fațade duble de sticlă din România.

Pentru a obține reduceri ale consumului de energie în clădirile cu fațadă dublă de sticlă, aplicarea de instrumente și metode adecvate sunt necesare pentru a obține soluții de proiectare de succes. Cercetările anterioare referitoare la transferul de căldură în cazul fațadelor duble de sticlă au oferit o evaluare relativ amplă a modelelor de transfer termic. Cu toate acestea, dezvoltarea unor instrumente de proiectare simple pentru inginerii de instalații, inginerii constructori și arhitecți este absolut necesară.

În acest context, problematica abordată prin tema acestei teze de doctorat este de mare actualitate. În cadrul lucrării se tratează transferul de căldură la fațadele duble de sticlă, tip ”box”, din perspectiva realizării unei metode practice de stabilire a criteriilor de performanță energetică în regim staționar, rezistența termică, coeficientul global de transfer de căldură, fluxul termic unitar și temperaturile pe suprafețele vitrate ale sistemului. Modelarea numerică prezentată în cadrul acestui studiu este raportată la modul de ventilare naturală a cavității fațadei. Ventilarea mecanică a fost utilizată pe parcursul măsurătorilor, în cadrul unor scenarii de operare, pentru evacuarea forțată a aerului supraîncălzit din cavitate.

Pentru realizarea acestui studiu a fost executat un model experimental de fațadă dublă tip ”box”, la parterul Facultății de Construcții din Brașov, pe latura de sud a clădirii. Fațada dublă a fost prevăzută cu cortină de aer interior, controlată manual, ventilare hibridă a aerului în cavitate pe timpul verii și sistem de umbrire tip jaluzele venețiene plasat în interiorul cavității, pe zona mediană. Acest model a fost echipat cu traductori pentru diverși parametri de interes și sistemul a fost monitorizat pe o perioadă de aproximativ un an, atât în sezonul rece, cât și în cel cald.

- 51 -


Măsurarea continuă a parametrilor relevanți în transferul termic la fațadele duble de sticlă și a nivelului de calitate a aerului interior și confort în camera experimentală permite alegerea exactă a modelului analitic, respectiv stabilirea exactă a condițiilor la limită pentru modelul informatic conducând la posibilitatea stabilirii exacte a climatului interior obținut prin construirea unei astfel de fațade la o clădire de birouri. Pe lângă stabilirea performanțelor termice ale unei astfel de fațade climatul interior este un indicator al nivelului de performanță și sănătate a ocupanților, fapt pentru care măsurarea parametrilor climatici interiori camerei experimentale s-a considerat de asemenea importantă. Ca o concluzie generală a acestui studiu se prezintă în continuare, în Tabelul 8.1 avantajele și dezavantajele extrase de autor în urma experienței dobândite în urma studiului sistemului de fațadă de sticlă studiat.

Tabelul 8.1. Avantajele și dezavantajele unei fațade duble de sticlă

AVANTAJE DEZAVANTAJE Izolare acustică Reduce suprafața utilă

Izolare termică iarna/vara Poate apare fenomenul de supraîncălzire Răcire de noapte Mărește greutatea structurii de rezistență

Ventilare naturală Costuri de investiție mai mari Transparență/aspect estetic modern Costuri de operare

Iluminat natural Costuri de întreținere Protecția sistemelor de umbrire exterioare Debit de ventilare mărit pe timp de vară

Reducerea încărcărilor pentru sistemele exterioare de umbrire Zgomote transmise prin cavitatea fațadei

Securitate sporită Lipsa BMS în cazul unor clădiri existente

Confort termic Lipsa unor metodologii de calcul

standardizate pentru transferul de căldură Se poate aplica și clădirilor vechi sau celor

care necesită renovare/conservare Prea puțin integrat sistemul în normative Cavitatea poate fi utilizată ca ieșire de

urgență în caz de incendiu Dificultăți în stabilirea necesarului de

frig/căldură Costuri de construcție mai mici decât în

cazul altor clădiri “inteligente” Economii de energie supraestimate Se reduce presiunea atmosferică datorată

vântului Necesită simulări computerizare

personalizate Economii de energie

Analiza rezultatelor teoretice și experimentale a condus la o serie de concluzii și observații particulare, care vor fi prezentate în continuare:

rezistenta termica R pentru fațada dubla de sticlă tip ”box” este cu 37% mai mare decât în cazul unei ferestre sau anvelope cu vitraj dublu termoizolant;

ceea ce înseamnă că prin adoptarea unei fațade duble de sticlă, care să respecte configurația geometrică prezentată în cadrul acestui studiu se reduce fluxul termic

- 52 -


unitar cu până la 37%, prin comparație cu un vitraj dublu termoizolat (anvelopă standard în cazul fațadelor simple de sticlă);

fațada dubla de sticlă tip ”box” are un efect bun pentru clădirea, contribuind la reducerea pierderilor de căldură în sezonul rece cu maxim 30% și în sezonul cald cu până la 10%;

metoda iterativă folosită pentru a găsi rezistența termică R, coeficientul global de transfer de căldură K și temperaturile de pe toate suprafețele din sticlă este suficient de precisă pentru a găsi informații importante despre sistem, în funcție de configurație geometrică și datele climatice specifice;

temperaturile din interiorul camerei experimentale variază de la sezon la sezon, dar în fiecare sezon pe parcursul unei zile variațiile sunt minime;

cele mai ridicate temperaturi sunt în cavitatea fațadei, pe dispozitivul de umbrire, și ele pot depăși nivelul de 60oC, în timp ce aerul din cavitate are valori mai mici cu 5-7oC;

sistemul de umbrire are rolul de a controla nivelul de iluminat natural și mai puțin rol de reducere a temperaturii aerului din interiorul camerei;

pentru condițiile climatice din România sistemul de fațadă dublă de sticlă trebuie obligatoriu prevăzut cu posibilitatea de a închide complet cavitatea, pentru a valorifica la maxim aporturile solare în sezonul rece;

în sezonul de tranziție măsurătorile au scos în evidență posibilitatea efectuării unei cortine de aer interior, cu aerul supraîncălzit, din cavitate în intervalul orar 11 AM – 6 PM; acest lucru permite atât introducerea unui aer încălzit în spațiul interior cât și asigurarea unei ventilări naturale corespunzătoare.

în toate sezoanele, cald, rece și de tranziție măsurătorile indică temperaturi ale aerului interior din camera experimentală în intervalul de confort;

efectul de coș datorat convecției naturale în timpul sezonului cald, în interiorul cavității fațadei duble este o metodă utilă în eliminarea căldurii acumulate, dar mai puțin eficientă;

cea mai eficientă și rapidă modalitate de eliminare a aerului supraîncălzit, din cavitatea fațadei duble, pe timpul verii este prin ventilarea mecanică a aerului din cavitate, deci prin convecție forțată, în timp ce efectul de seră este principala cauză a supraîncălzirii aerului;

în sezonul cald diferența de temperatură între aerul exterior și aerul interior camerei experimentale, în lipsa radiației solare (pe timp de noapte) variază de la 4 până la 12 oC, ceea ce permite posibilitatea efectuării unei ventilații de noapte în intervalul orar 9PM-11AM.

8.2. Contribuții personale și direcții de cercetare viitoare Lucrarea de față abordează un subiect complex, de actualitate, interdisciplinar, ce a

presupus parcurgerea și organizarea unei vaste literaturi de specialitate. La noi în țară există o singură clădire cu fațadă dublă de sticlă, la București iar pe plan internațional fenomenele specifice transferului de căldură respectiv cele fluidodinamice sunt în curs de evoluție a cunoașterii existând mai multe construcții de acest fel, (după cum a fost evidențiat în capitolul 2 al acestei lucrări)

- 53 -


lucrarea de față reprezintă o contribuție în acest domeniu. Analizele realizate în cadrul acestui studiu pot fi considerate o bază solidă pentru studiile viitoare în domeniul transferului termic dar și fluiodinamic și al eficienței energetice a clădirilor cu fațadă dublă de sticlă.

Teza de față aduce contribuții care vizează atât proiectarea, cât și execuția și operarea unei clădiri cu fațadă dublă de sticlă, în condițiile climatice din România și oferă direcții de cercetare pentru viitor. Contribuțiile personale referitoare la aportul de cunoaștere și direcțiile de cercetare viitoare sunt prezentate în continuare:

Realizarea unei metode de calul corectată pentru transferul de căldură la vitrajele

duble termoizolante, care constituie în cele mai multe cazuri anvelopa interioară a fațadelor duble de sticlă;

Extinderea modelului de calcul corectat de la anvelopa interioară la fațada dublă de sticlă;

Participarea și implicarea în procesele de proiectare, execuție și punere în funcțiune a modelului experimental al fațadei duble de sticlă și a echipamentelor de măsură și achiziție de date aferente sistemului;

Dezvoltarea unui domeniu nou de cercetare în cadrul Departamentului de Instalații pentru Construcții prin realizarea unui model experimental de fațadă dublă de sticlă, la Facultatea de Construcții din Brașov, pe care se pot realiza în continuare cercetări și de asemenea standul poate fi utilizat în scop didactic, pentru studenții de la ciclul de Masterat;

Propunere a unor expresii de calcul pentru determinarea difuzivității termice pentru aer și argon, gazele cele mai frecvent utilizate în modelele de calcul la sistemele de fațadă dublă de sticlă (2 ecuații de gradul 2);

Se propune introducerea unui termen general de confort, care să ia în calcul ambianța termică, calitatea aerului interior raportată prin nivelul de CO2, nivelul acustic și nivelul de iluminat natural și încadrarea construcțiilor cu fațadă dublă în anumite limite prestabilite;

Se propune introducerea și utilizarea termenului FDS, ca abreviere pentru Fațadă Dublă de Sticlă;

Se propune ca direcție viitoare de cercetare analiza sistemului cu ajutorul softurilor de simulare, prin variația grosimii stratului de aer dintre cele două anvelope;

Se propune pentru viitor cercetarea în profunzime a reducerii consumurilor energetice a clădirilor cu fațadă dublă de sticlă, în condiții de post-ocupare a spațiilor de lucru;

Pentru a depăși simplul rol de sistem de izolare termică/fonică o fațadă dublă de sticlă

trebuie controlată de un sistem BMS (Building Managment System) care permite pe lângă monitorizarea parametrilor de confort și a celor energetici și un control, respectiv o eficientizare complexă.

* * *

- 54 -

Bibliografie

[1] Mat Santamouris - „Advances in Building Energy Research – volume 3”, Editura Earthscan,

UK, 2009; [2] J. A. Clarke – Energy simulation in Building Design, Second Edition, Editura Butterworth-

Heinemann, 2001; [3] SR 1907-1-1997 - Calculul Necesarului de Căldură - Prescripții de Calcul; [4] Duffie, J., A., Beckman, W.,A. - Solar Engineering Of Thermal Processes, Editura J Wiley &

Sons, NewYork, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, 1991; [5] G. N. Tiwari - Solar Energy: Fundamentals, Design, Modelling and Applications, Editura

Narosa, India, 2002 [6] P. Achard, R. Gicquel - European Passive Solar Handbook: Basic Principles and Concepts for

Passive Solar Architecture, Preliminary Edition, Commision of the European Communities, Directorate-General XII for Science, Research and Development, Solar Energy Division, 1986

[7] Nwosu P. Nwachukwu, Wilfred I. Okonkwo - Effect of an Absorptive Coating on Solar Energy Storage in a Thrombe wall system, Energy and Buildings, 2007

[8] Guohui Gan – A parametric study of Trombe walls for passive cooling of buildings , Energy and Buildings, 1998

[9] Harris Poirazis – Double Skin Façade for Office Buildings – Literature review, Department of Construction and Architecture, Division of Energy and Building, Hans Follin, LTH, Lund, Report No EBD-R--04/3, Suedia, 2004

[10] http://www.glass-design.ro/tipuri-sticla-32.html [11] Saelens D. - Energy Performance Assessment of Double Skin Facades, Ph.D. Dissertation,

Katholieke Universiteit Leuven, Belgium, 2002 [12] http://en.wikipedia.org/wiki/Berlaymont_building#cite_ref-24 [13] Daylight in Ventilated Double Skin Facades – The Berlaymont Building: a louvers facade by

Arnaud Deneyer, Xavier Loncour and Peter Wouters [14] http://samynandpartners.be/ [15] http://www.dowcorning.com/content/publishedlit/62-1447-01.pdf [16] http://clientarea.vkgroup.be/ShowNews.asp?CT=911&ID=1299 [17] http://server.filozofia.bme.hu/~kerekgyarto/Hollandia/2012/nappali/MIMOA_Guide_AMSTE

RDAM.pdf [18] http://www.buildingcommission.com.au/resources/documents/AGBM_Final_Report_-

_attachment.pdf [19] http://www.raiffeisen-klimaschutz.at [20] http://www.nuernberg-convention.de/en/ncc/

B

- 55 -

http://www.glass-design.ro/tipuri-sticla-32.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Berlaymont_building%23cite_ref-24

http://samynandpartners.be/

http://www.dowcorning.com/content/publishedlit/62-1447-01.pdf

http://clientarea.vkgroup.be/ShowNews.asp?CT=911&ID=1299

http://server.filozofia.bme.hu/%7Ekerekgyarto/Hollandia/2012/nappali/MIMOA_Guide_AMSTERDAM.pdf

http://server.filozofia.bme.hu/%7Ekerekgyarto/Hollandia/2012/nappali/MIMOA_Guide_AMSTERDAM.pdf

http://www.buildingcommission.com.au/resources/documents/AGBM_Final_Report_-_attachment.pdf

http://www.buildingcommission.com.au/resources/documents/AGBM_Final_Report_-_attachment.pdf

http://www.raiffeisen-klimaschutz.at/

http://www.nuernberg-convention.de/en/ncc/

BIBLIOGRAFIE

[21] http://www.construction21.eu/romania/data/exports/pdf/crystal-tower-business-center-breeam.pdf

[22] Myer KUTZ – “Heat Transfer Calculations”, Chapter 8 - “Heat Transfer through a Double-Glazed Window” P. H. Oosthuizen, David Naylor, McGraw-Hill, August, 2005;

[23] Wareen M.Rohsenow, James P. Hartnett, Young I Cho – ”Handbook of Heat Transfer. Third Edition”, McGraw-Hill, 1998;

[24] S. M. ElSherbiny, G. D. Raithby and K. G. T. Hollands – ”Journal of Heat Transfer 104: 96-102” – ”Heat Transfer by Natural Convection across vertical and inclined air layers”, 1982;

[25] EN 673:1997 - “Glass in building – Determination of thermal transmittance (U value) – Calculation method” – Sticla în clădiri – Determinarea transmitanței (valoarea U) – Metodă de calcul. European Committee of Standardization, 1997;

[26] http://www.yourglass.com/configurator/gb/en/toolbox/configurator/main.html [27] ISO 10077-1:2006(E) ”Thermal performance of windows, doors and shutters – Calculation of

thermal transmitance – Part 1: General” – Performanța termică a ferestrelor, ușilor și jaluzelelor – Caluculul transmitanței termice – Partea 1: Generalități. International Organization for Standardization - ISO, 2006;

[28] Florea Chiriac, Aureliu Leca, M. Pop, Adrian Badea, L. Luca, Nicolae Antonescu, D. Peretz - “Procese de transfer de căldură și de masă în instalațiile industriale”, Editura Tehnică, 1982;

[29] E. Sandu, A.M. Bianchi, C. Mihăilă, V. Caluianu, N. Antonescu – “ Termotehnică și aparate termice”, Editura Didactică și Pedagogică, 1982;

[30] Ioan Vlădea – ”Tratat de termodinamică tehnică și transmiterea căldurii”, Editura Didactică și Pedagogică, 1974;

[31] Adrian Bejan – “Convection Heat Transfer. Third edition”, Editura John Wiley & Sons, Inc., 2004;

[32] Rodica Dumitrescu și Florea Chiriac - ”Lecții de termodinamică și transfer de căldură”, Editura Conspress, București, 2010;

[33] SR EN ISO 6946:2009 – Părți și elemente de construcție. Rezistență termică și coeficient de transmisie termică. Metodă de calcul. Asociația de Standardizare din România – ASRO, 2009;

[34] SR EN ISO 12631:2013 – Performanța termică a fațadelor cortină. Calculul coeficientului de transfer termic, Asociația de Standardizare din România - ASRO, martie 2013;

[35] http://www.ventilation-system.com/item/314/TT_150/; [36] http://export.renson.be/Louvres-Nightcooling_4.html [37] STAS 6648/1-8 - Instalații de ventilare și climatizare. Calculul aporturilor de căldură din

exterior. Prescripții fundamentale; [38] SR 1907-1-1997 - Calculul Necesarului de Căldură- Prescripții de Calcul; [39] SR EN 15251:2007, intitulat ”Parametrii ambianței interioare pentru proiectare și evaluare a

performanței energetice a clădirilor, care se referă la calitatea aerului interior, confort termic, iluminat și acustică”;

[40] Normativ I5:2010 [2] – Normativ pentru proiectarea, executarea si exploatarea instalațiilor de ventilare și climatizare – Indicativ I5 – 2010;

[41] SR EN 13779:2007 [3] - - Ventilarea clădirilor cu altă destinație decât cea de locuit. Cerințe de performanță pentru instalațiile de ventilare și de condiționare a aerului din încăperi;

- 56 -

http://www.construction21.eu/romania/data/exports/pdf/crystal-tower-business-center-breeam.pdf

http://www.construction21.eu/romania/data/exports/pdf/crystal-tower-business-center-breeam.pdf

http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/searchresults.aspx?q=S.%20M.%20ElSherbiny&p=1&s=19&c=0&t=

http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/searchresults.aspx?q=G.%20D.%20Raithby&p=1&s=19&c=0&t=

http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/searchresults.aspx?q=K.%20G.%20T.%20Hollands&p=1&s=19&c=0&t=

http://www.ventilation-system.com/item/314/TT_150/

BIBLIOGRAFIE

[42] http://www.infostar-pascani.ro/download/fise/ISU-MMC-24C.pdf; [43] http://www.pce-instruments.com/english/measuring-instruments/installation-tester/air-

humidity-meter-pce-instruments-air-humidity-meter-pce-ht-110-det_60498.htm; [44] http://www.woehler.de/shop/de/wohler-cdl-210-co2-datenlogger-produkt.html; [45] http://www.germanelectronics.ro/pdf/101038-an-01-ro-Piranometru_PL110SM.pdf; [46] http://www.pce-instruments.com/english/measuring-instruments/installation-

tester/illuminometer-pce-instruments-illuminometer-pce-174-det_60939.htm; [47] http://www.kimocanada.com/Francais/pdf/Manuels-

francais/Portables%20(2002)/8_Classe%20300/NT%20VT300.pdf; [48] http://www.testo.ro/resources/media/global_media/produkte/testo_480/Brour_testo_480.

pdf; [49] http://ro.wikipedia.org/wiki/Radia%C8%9Bie_solar%C4%83; [50] http://www.vitan.ro/Ingineria_Proceselor_I/IV-Regimuri%20de%20curgere.pdf; [51] Enciclopedia Tehnică de Instalații, Manualul de instalații. Instalații de Ventilare și Climatizare.

Ediția II a. Editura ARTECNO, București, 2010; [52] http://www.energy.eu/publications/KHAJ07001ENC_002.pdf [53] Năstase G. – Transferul de căldură și masă într-o fațadă dublă de sticlă, Conferința Națională

de Instalații - Instalații pentru începutul mileniului III, Sinaia 2010; [54] Năstase G., Gavriliuc R., Șerban A., Horneț M. – Office buildings with double-skin façade in

Europe, Conferința CIBV 2012, ISSN 2285-7656, ISSN-L 2248-7648, Editura Universității Transilvania din Brașov, 2012;

[55] Năstase G., Gavriliuc R. – “Transferul de căldură printr-un geam dublu tip termopan”, Conferința Națională de Instalații - Instalații pentru începutul mileniului III, Sinaia 2012;

[56] Năstase G., Gavriliuc R., Șerban A. – ”Heat transfer through box double-skin façade”, WSEAS International Conference, ISSN: 2227-4359, ISBN: 978-960-474-352-0, Budapest, Hungary, 2013;

[57] Năstase G., Gavriliuc R., Șerban A. – ”Experimental research in heat transfer relation for a box double-skin facade”, 44th HVAC&R International Congress and Exhibition Belgrade, Sava Center, 4–6. XII 2013;

[58] Năstase G., Șerban A., – ”Box window double skin façade. Heat transfer validation through inner envelope”, Conferința CIBV 2013, ISSN 2065-2127, ISSN-L 2248-7648, Editura Universității Transilvania din Braşov, 2013;

[59] Năstase G., Gavriliuc R., Șerban A. – ”Box double-skin façade. Experimental model in Brașov, Romania”, WSEAS International Conference, ISSN: 2227-4359, ISBN: 978-1-61804-188-3, Braşov, Romania, 2013;

[60] Năstase G., Gavriliuc R., Șerban A., – ”Fațadă dublă din sticlă tip box. Rezultate experimentale pentru sezonul cald”, Energie, Eficiență, Ecologie și Educație. Conferință tehnico-științifică cu participare internațională, Chișinău, Republica Moldova, 2014;

[61] Năstase G., Gavriliuc R., Șerban A., Boian I. – ”Fluid flow and heat transfer for a box double-skin façade in Brasov, Romania”, Romanian International Conference On Energy Performance of Buildings, București, Romania, 2014;

- 57 -

http://www.kimocanada.com/Francais/pdf/Manuels-francais/Portables%20(2002)/8_Classe%20300/NT%20VT300.pdf

http://www.kimocanada.com/Francais/pdf/Manuels-francais/Portables%20(2002)/8_Classe%20300/NT%20VT300.pdf

http://www.testo.ro/resources/media/global_media/produkte/testo_480/Brour_testo_480.pdf

http://www.testo.ro/resources/media/global_media/produkte/testo_480/Brour_testo_480.pdf

http://ro.wikipedia.org/wiki/Radia%C8%9Bie_solar%C4%83

http://www.vitan.ro/Ingineria_Proceselor_I/IV-Regimuri%20de%20curgere.pdf

http://www.energy.eu/publications/KHAJ07001ENC_002.pdf

http://www.aiiro.ro/cms_admin/upload/public/INVITAAIE_PROGRAM_LA_CONFERINAA_49_DE_INSTALAAII_R_OMyENE_E-MAIL_color.2_modif.pdf

http://www.aiiro.ro/cms_admin/upload/public/INVITAAIE_PROGRAM_LA_CONFERINAA_49_DE_INSTALAAII_R_OMyENE_E-MAIL_color.2_modif.pdf

BIBLIOGRAFIE

[62] Năstase G. – ”Fațadă dublă de sticlă tip box. Rezultate experimentale - Box double-skin façade. Experimental results”. Buletinul Ştiinţific al Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti, L-ISSN: 1224-628X, București, 2014;

[63] F. Chiriac, A. Șerban, L. Drughean, A. Ilie, I. Boian, I. Doboși, R. Calotă, G. Nastase – “Low power absorption refrigeration systems, with storage, for air conditionig, driven by renewable energy sources”. ISSN: 2269-1901, COlloque FRancophone en Energie, Environnement, Economie et Thermodynamique - COFRET'14, Paris - Cnam, France, 23 - 25 avril 2014;

[64] Serban A., Chiriac F., Boian I., Nastase G. – ”Radiant and convective heating & cooling using renewable energy. testing laboratory”, The 5th “Romanian Conference on Energy Performance of Buildings” (RCEPB-V)29 – 30th of May, 2013, ISBN: 978-973-755-934-0, Editura MatrixRom, Bucharest, Romania, 2013;

[65] Năstase G. - „Transferul de căldură și masă într-o fațadă dublă de sticlă”, Conferința Națională de Instalații, Sinaia 2010; ISBN: 978-973-755-648-6, Editura MatrixRom, București;

[66] Năstase G. - „Schimbător de căldură aer-sol pentru sisteme de ventilare organizată”, Conferința Națională de Instalații - Instalații pentru Construcții și Confort Ambiental, ISSN: 1842-9491, Tipografia Universității ”Politehnica” din Timișoara, Timișoara 2009;

[67] Năstase G. - „Avantajele unui acoperiș verde”, Conferința Națională de Instalaţii, Sinaia 2009, ISBN: 978-973-755-527-4, Editura MatrixRom, București;

- 58 -

Date post:	08-Feb-2017
Category:	Documents
Upload:	trinhdiep
View:	273 times
Download:	9 times

Nastase Gabriel - Rezumat

Documents