Simularea ventilarii naturale in cladiri prin modelare fizica

Ventilarea naturala in constructii este necesara pentru satisfacerea exigentelor esentiale de performanta, ea devenind o problema de actualitate mai ales datorita utilizarii tamplariilor cu geam termopan. Ventilatia naturala se impune in vederea diminuarii folosirii aparatelor de aer conditionat.

In faza de proiectare a constructiilor, este necesara o analiza prin simulare numerica sau cu modele fizice, din care sa rezulte distributia curentilor de aer. In prezent, chiar daca se prevad ochiuri mobile sau alte dispozitive de ventilare, lipseste intotdeauna o analiza 3D a curgerii aerului prin incaperi sau prin elementele de constructie ventilate.

In studiul de fata, se prezinta principiile modelarii fizice pe baza criteriului de similitudine Grashof, pentru un acoperis mansardat, intr-o varianta noua, comparabila cu modelarea fizica in apa, utilizata la I.N.S.A. – Reims.

Ventilarea naturala pe sub invelitoare, la acoperisuri mansardate, cumulata si cu un strat subtire termoreflectant poate imbunatati conditiile de confort pe timp de vara.

Ventilarea este un proces important pentru asigurarea unor conditii favorabile in cladiri, cum sunt: improspatarea aerului, mentinerea unor niveluri potrivite de temperatura si umiditate, evacuarea unor substante poluante etc. Ea poate fi naturala, mecanica sau mixta. In primul caz, este generata permanent de diferente de temperatura sau intermitent si de actiunea vantului, astfel ca nu implica un consum de energie, ceea ce corespunde cu una din exigentele principale ale dezvoltarii durabile.

Exista doua categorii de pro­bleme privind ventilarea in constructii, dupa scopul urmarit:

• satisfacerea cerintelor de igiena si confort prin ventilarea incaperilor in locuinte, birouri, sali de clasa din scoli si universitati, spitale etc.

• utilizarea unor elemente de constructie cu straturi de aer (fatade si acoperisuri ventilate, ferestre cu mai multe randuri de geam, canale si cosuri de evacuare a gazelor etc.).

Ventilarea incaperilor

Timp de secole, ventilarea naturala a spatiilor din cladiri a fost posibila la nivel multumitor, fara proiecte speciale, deoarece tamplariile nu erau etanse, existau canale de fum si sobe care activau tirajul termic. In prezent situatia s-a schimbat, exista dotari superioare, unele avand emisii nocive, se fumeaza si, in mod evident, creste frecventa cazurilor de condens, alergii si alte maladii, toate direct legate de insuficienta ventilarii in spatiile utile.

Constructorii au inteles ca lipsa ventilarii contribuie la generalizarea fenomenelor de condens atunci cand s-au confruntat cu aceasta situatie la cladirile din panouri mari sau cu diafragme din beton armat, la bucatarii unde sunt instalate masini de gatit cu gaze, care la ardere produc bioxid de carbon si vapori de apa. Suprafetele interioare ale peretilor exteriori, cu punti termice, se acopereau cu mucegai. Acest fenomen se produce si acum dupa montarea ferestrelor etanse cu geam termopan cand locatarii nu tin seama ca trebuie sa asigure ventilarea permanenta a incaperilor, desi puntile termice sunt corectate. Mai putin evidente, dar tot atat de importante, sunt starile de oboseala si alergiile in locuinte, scoli, birouri si alte spatii insuficient ventilate. De fapt, se pune atat problema ventilarii generale a incaperilor cat si proble­ma optimizarii distributiei ventilarii, astfel incat, indiferent de pozitia persoanelor, necesarul de aer curat sa fie asigurat. Rata ventilarii, stabilita uniform pe cladire, in functie de permeabilitatea anvelopei si de expu­nerea la vant prescrisa de normativul C-107, are in vedere calculul necesarului de caldura si nu se refera, in mod special, la aspectele de igiena si de confort.

O prima posibilitate, grosiera, de examinare a ventilarii unei unitati functionale, bazata pe simularea campului termic a fost utilizata in /1/ cu prilejul renovarii imobilului iesean de locuinte sociale din str. Tabacului.

Intrucat viteza curentilor de aer ventilat este foarte mica, exceptand orificiile de intrare si de evacuare a aerului, se poate admite ca aerul ar fi un fluid nevascos si incompresibil.

In aceasta situatie, curgerea aerului poate fi asimilata cu cea a caldurii, adica fara vartejuri. S-a obtinut o imagine aproximativa a campului de viteze si a gradului de primenire a aerului, in diverse puncte (fig. 1), utila pentru proiec­tarea de arhitectura, dar insuficienta pentru analiza unor situatii speciale, cum sunt cazurile de ventilare intr-un spatiu de tratament medical (unde trebuie evitata infectarea pacientului sau a medicului) ori intr-o industrie de mare finete.

Ventilarea elementelor de constructie

Aceasta situatie apare in cazul structurilor ventilate denumite „double peau“, „double skin“ sau „hinterlüftete Fassade“ (fig. 2).

Un strat de aer separa peretele de baza cu izolatia termica aferenta de stratul de protectie impotriva ploii. Initial, acest strat avea numai rolul de a permite scurgerea picaturilor de apa (fig. 3), insa acum poate contribui si la protectie termica vara. Structuri similare sunt la acoperisuri unde un strat de aer ventilat poate fi folosit pentru evacuarea vaporilor de apa si a caldurii excesive vara /4/.

Analiza procesului de ventilare este necesara in multe probleme ingineresti speciale ca: exploatarea unui perete de tip Trombe, valorificarea unei sere adiacente la o fatada, folosirea sistemului denumit „put canadian“ /3/, fereastra finlandeza, combaterea consecintelor igrasiei cu ajutorul unor canale in zidarie si chiar propagarea fumului in cazul unui incendiu (fig. 4).

Modelarea fizica a ventilarii naturale

Ventilarea naturala determinata de diferente de temperatura se explica prin faptul ca aerul cald este mai usor decat cel rece, iar pentru realizarea modelelor fizice trebuie considerate unul din criteriile de similitudine Grashof (Gr) si Rayleigh (Ra), avand expresiile:

unde simbolurile au semnificatiile cunoscute:

L – lungimea (m);

g – acceleratia gravitatiei (m/s2);

b – coeficientul de dilatare termica (1/K);

n – vascozitatea cinematica (m2/s);

DT – diferenta de temperatura (K);

a – difuzivitatea termica (m2/s).

In cazul general, prototipul si modelul la scara redusa pot contine gaze diferite. Daca gazul este acelasi, de exemplu aerul, conditia Gr se reduce la:

(L3·DT)_P = (L3·DT)_M

sau

DT_M = DT_P·(S_L)-1

Rezulta ca diferenta de tempe­ratura aplicata pe model va trebui sa fie mult mai mare decat cea de pe prototip. De exemplu, daca scara lungimilor S_L = 1/10, atunci DT_M = 1000·DT_P, ceea ce nu se poate rea­liza in practica. Totusi pentru cazu­rile de ventilare, la care diferenta de temperatura este foarte mica, modelarea fizica poate fi realizata la scara S_L = 1/5.

Mai mult decat atat, ceea ce intereseaza in mod special este sa se afle la ce diferenta de tempe­ratura incepe ventilarea naturala in conditiile date. Pe aceasta baza, in cadrul catedrei de Construc­tii civile si industriale a fost construit modelul unui acoperis ventilat, urmarind ca prin ventilare si termo-reflectare sa se imbunatateasca nivelul de confort termic in sezonul cald /4, 5/. Curge­rea aerului a fost vizualizata cu fum, dar si prin termografie IR, printr-un perete lateral transparent (fig. 5).

In scopuri similare, la I.N.S.A.- Reims /6/ experimentarile se efec­tueaza pe baza criteriului Raileygh, folosind un model cu apa si vizua­lizari cu particule si un fascicul laser. In acest mod se beneficiaza si de faptul ca apa prezinta unele caracte­ristici fizi­ce mai favorabile pentru satisfacerea criteriului Ra.

Bibliografie

1. UNGUREANU, C. C. – Elemente privind ventilarea cladirilor reabilitate termic, Editura Societatii Academice „Matei – Teiu Botez“ Colectia Higrotermica in Constructii, 2009.

2. HORST, Arndt – Wärme und Feuchteschutz in der Praxis: die neue Warmeschutzverordnung in Anwendung, Berlin: Verlag Fur Bauwesen, ISBN 3-345-00582-4.

3. ROULET C. A. – Qualité de l’environnement intérieur, Presse Polytechnique Romande, Lausanne, 2004, 1996.

4. MOCANU, Ancuta – Optimiza­rea alcatuirii constructive a mansar­delor, teza, U.T. Iasi, 2010.

5. SCHURING, Dietrich, J. – Scale models in engineering, Pergamon Press, New York, 1977.

6. SEDOV, L. – Similitude et Dimensions en Mécanique, Ed. MIR, Moscou 1977.

7. OSPIR, D., DEFAY, B., POPA, C., FOHANNO, S. – Etude d’un écoulement de convection naturelle dans un canal vertical chauffé asymétriquement, Revue Volume X.

8. FOHANNO, S., DUMEZ, N., OSPIR, D., POLIDORI, G., POPA, C. – Influence du rapport d’aspect sur l’écoulement de convection libre en canal plan, IX Colloque Interuniversitaire Franco – Québécois sur la Ther­mique des Systèmes, Lille, 2009.

9. OSPIR, D., POPA, C., CHERE­CHES, C. N., FOHANNO, S., CHE­RECHES, M. – Natural convection flow dynamics in a double – skin envelope, International Symposium on Convective Heat and Mass Transfer in Sustainable Energy, Tunisia, 2009.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 59 – mai 2010, pag. 94

Autor:
Adrian Radu,
Maricica Vasilache,
Dan Ospir,
Ancuta Mocanu,
Costel Avram – Universitatea Tehnica „Gh. Asachi“, Iasi