Invelisul de cladire economicos
Prof. RNDr. Jaroslav Rímal, Dr. Sc. si Dipl.-Ing. Marcus Hermes au cercetat influenta diferitelor structuri murale asupra proprietatilor termice ale invelisurilor cladirilor, cu rezultate valabile si la montarea ferestrelor.
In cadrul programului european de construire cu economie de energie se impun acele structuri de pereti care sunt continuu dezvoltate si optimizate termic.
In principiu se pot deosebi in prima instanta doua tipuri de constructie: pe de o parte cu pereti monostrat, iar pe de alta parte cu pereti multistrat.
La alegerea uneia dintre modalitatile de a construi, de multe ori joaca un rol decisiv traditiile regionale in domeniul constructiilor. Astfel, in Europa se regasesc inca destul de des structuri cu pereti monolitici. In regiunile nordice in schimb predomina structurile cu pereti multistrat: Mai multe straturi sunt mai eficiente la combaterea climei neprielnice.
In spate se ascunde logica diviziunii sarcinilor: invelisul din clincher este situat ca un strat protector impotriva intemperiilor inaintea peretelui propriu-zis - iar la sisteme de izolare termica, invelisul exterior preia sarcinile de izolare.
Tocmai cel din urma sistem este din ce in ce mai des folosit, pe langa constructiile din lemn (care, datorita propriilor legi dupa care functioneaza, nu vor fi tratate mai in detaliu in acest material). Astfel, acestea se regasesc si in cladirile vechi: prin montarea unui sistem de izolare termica, orice perete monolitic se transforma intr-unul polistrat.
Cum se prezinta insa proprietatile termice ale diferitelor feluri de pereti? Exista avantaje ale vreunui tip de constructie fata de altul? Vom prezenta diferentele dintre peretele monolitic si cel izolat pe exterior mai tarziu.
Valoarea U ca punct de pornire
Ca un numitor comun pentru semnalarea de proprietati de izolare termica, a fost creat coeficientul de transport termic, ca o valoare de baza, international valabila, definita si introdusa prin standardul EN ISO 6946 [1], fiind ancorata in legislatiile nationale.
Din principiu, valoarea U al unui perete se afla prin calcularea rezistentei R la transportul termic. Pentru aceasta se relationeaza valoarea grosimii d si cea a conductibilitatii termice λ a fiecarui strat de perete pentru a da mai apoi, cu ajutorul rezistentei la transport termic valoarea U.
Aceasta valoare U este valabila doar pentru zone de perete plane:
R = d/λ in m2K/W (1)
La mai multe straturi se calculeaza mai intai valorile R pentru fiecare strat, fiind mai apoi adaugite la o valoare totala Rges. Impreuna cu valorile de rezistenta pentru interior si exterior se calculeaza prin urmatoarea formula valoarea U:
U = 1/(Rges + 0,17) in W/(m2K) (2)
In cele ce urmeaza vom calcula aceasta valoare U pentru doi pereti exemplari.
Exemplu 1: Perete monolitic 365 milimetri, tencuit pe ambele fete (vezi Tab. 1)
Exemplu 2: Perete cu sistem de izolare termica, tencuit pe ambele fete.
Conform aceluiasi principiu se calculeaza valoarea U pentru o structura murala cu un invelis dur din beton si o izolare exterioara (sistem de izolare termica), de asemenea tencuit pe ambele fete (Tab. 2):
Temperatura de suprafata pe suprafata interioara
Cele doua exemple si valorile lor de material au fost alese in asa fel, incat chiar cu o structura diferita, peretii sa aiba acelasi coeficient de transport de energie termica U. Aceasta inseamna ca, ambele tipuri de pereti au aceeasi pierdere termica, la conditii meteo similare, de exemplu iarna.
Dat fiind ca valoarea U este o valoare pentru materiale plane, dupa cum am precizat mai inainte, enuntul cu privire la pierderea termica este valabil tot numai pentru zonele plane ale acestor elemente de constructie.
Aceeasi pierdere de energie pe suprafata inseamna si ca pe suprafetele interioare se regasesc aceleasi temperaturi de suprafata.
Pentru calculul temperaturii de suprafata se da urmatoarea ecuatie [2]:
θsi = θi - Rsi • q (3)
"θsi" (a se exprima: "theta s i") reprezinta temperatura de suprafata de interior (indexul "si" inseamna "surface interior"), "θi" reprezinta temperatura interioara a incaperii, "Rsi" reprezinta rezistenta la transport termic pe suprafata interioara iar "q" reprezinta densitatea fluxului termic.
Cu un coeficient U in valoare de 0,30 W/(m2K) pentru fiecare perete exterior, reiese - la o temperatura exterioara θe ("e" inseamna "exterior") in valoare de θe = -5 grade C si o temperatura de interior θi de θe = +20 grade C - o temperatura de suprafata θsi (pe suprafata interioara a peretilor) de θsi = +19,0 C. Astfel, pentru Rsi se ia in calcul o valoare de 0,13 m2K/W si se calculeaza valoarea q conform ecuatiei
q = U • ( θi - θe) (4).
Temperatura de suprafata calculata astfel va fi egala pentru ambele fete interioare ale diferitelor structuri murale.
Aici se poate vedea cat de eficienta este izolarea termica a celor doua tipuri de pereti cu un U = 0,30 W/(m2K): temperatura de suprafata pe interior este de doar 1 grad Kelvin sub temperatura aerului (imaginile 1+2), la conditiile cadru prezentate.
Temperatura de suprafata in colturi
In afara de suprafetele de perete, si colturile joaca un rol important in constructii. Prin modificarea geometrica se creeaza o punte termica geometrica [3], care are ca efect nu doar cresterea pierderilor termice locale in zone exterioare coltului, si si o diferentiere mare intre valorile termice ale colturilor in raport cu zonele plane ale peretilor.
Previziunile termice se fac, dupa cum este cunoscut, printr-un calcul bidimensional pe baza metodei elementelor finite. Baza corespunzatoare se poate gasi in baza europeana EN ISO 10211 [4]. Colturile celor doua tipuri de pereti ne arata deci urmatoarele rezultate in ceea ce priveste fluxurile termice (imaginile 3+4):
Fluxurile termice evidentiaza calea energiei termice din interior spre exterior. In special pierderile ridicate de energie termica devin vizibile prin culoarea rosie a liniilor inguste.
Coeficientul liniar de pierdere de energie prin puntile termice
Pentru evaluarea pierderilor de energie termica, conform [4] se foloseste valoarea cunoscuta ψ (a se pronunta: "psi"). Aceasta valoare reiese din diferenta valorii de conductie termica L2D din calculul pentru puntea termica si din produsul din valoarea U si a lungimii l a elementului de constructie "nealterat", in cazul de fata fiind vorba de structura plana a fiecarui tip de perete. Prin urmare, formula este:
ψ = L2D - U • l (5)
L2D este aici rezultatul diviziunii dintre densitatea fluxului termic si diferenta dintre temperatura aerului de interior si cel de exterior. Rezultatul este surprinzator doar la prima vedere: in ciuda aceleiasi valori U in suprafata, cele doua tipuri de pereti se deosebesc in efectul lor de punte termica. Peretele monolitic are o pierdere termica cu aproape 42% mai mica in zona exterioara, ceea ce la prima vedere pare mult, dar ceea ce se relativizeaza la o privire mai atenta daca se compara cu consumul energetic cumulat pe un an.
Conform unei ecuatii simple se pot estima pierderile termice Q pentru un an dupa cum urmeaza [5]:
Q = 8,4 • ψ • l (6) unitate: litru motorina.
Daca luam spre exemplu o cladire cu o inaltime de 6 metri si patru colturi exterioare, avem o lungime a puntii termice a colturilor exterioare de 24 de metri, care in decurs de un an, cu un perete monolitic, va consuma circa 14 litri de motorina, iar cu un perete bistrat mai bine de 24 de litri. Diferenta de 10 litri de motorina pe an nu ar fi un argument forte pentru a alege vreun tip de constructie.
Profile termice diferite in ciuda unei valori U identice
Urmatoarea analiza cu conditii cadru adaptate corespunzator, conform EN ISO 10211 [4] cu privire la rezistenta la transport termic pe interior (Rsi = 0,25 m2K/W) si evolutia temperaturilor in fiecare colt, ne rezerva o mica surpriza:
In ciuda acelorasi valori U ale constructiilor, si prin aceasta avand aceleasi temperaturi de suprafata, temperaturile din colturi sunt diferite. Coltul cu cea mai mare pierdere termica este si coltul cu cele mai inalte temperaturi. Temperatura de colt a peretelui exemplar bistrat este cu 17,0 grade C (fizic) mai mare decat temperatura de colt a peretelui monolitic cu 15,9 grade C.
Aici putem vedea diferenta stratului subtire "rosu" in peretele monolitic, care scade cu fiecare milimetru cu care inainteaza mai adanc in perete, iar in zona coltului nu mai ramane decat o "zona calda" foarte subtire, spre perete cu un sistem de izolare termica (WDVS) a carui invelis intern, dupa cum am mai spus, prezinta o zona calda lata care cuprinde aproape cu toata latimea coltul. Imaginile termice (imaginile 5 si 6) au caracter de "afis" si arata foarte clar acest fapt. (imaginile 5+6).
(Continuare in numarul urmator)
