CisC: Efectul inertiei termice a elementelor de inchidere asupra comportarii in exploatare a cladirilor

Prin definitie, orice cladire reprezinta o constructie care inchide, mai mult sau mai putin etans, un volum de aer ce trebuie mentinut in anumiti parametri (dupa caz, temperatura, umiditate, viteza curent aer, presiune aer interior etc.). Pentru mentinerea parametrilor aerului interior in domeniul de valori corespunzator functiunii cladirii sau partii de cladire, este necesar ca elementele de inchidere ale cladirii/partii de cladire sa prezinte anumite performante.

Datorita exigentelor din ce in ce mai crescute ale utilizatorilor cladirilor, s-a restrans foarte mult utilizarea elementelor de inchidere monostrat (de ex. pereti din beton armat sau din zidarie), care nu pot asigura, la grosimi rezonabile, nivelurile de performanta minime normate. Din aceasta cauza, in alcatuirea elementului de inchidere trebuie sa fie prevazut un strat termoizolant care sa asigure elementului performanta minima ceruta.

In functie de masa si de pozitia straturilor din alcatuirea elementului de inchidere, elementul poate sa fie cu inertie termica ridicata sau cu inertie termica redusa.

Inertia termica a elementelor de inchidere are un rol determinant in optimizarea consumului energetic in exploatare, daca este corelata cu durata de ocupare a cladirii si cu regimul de functionare (intermitent sau permanent) al instalatiei de incalzire.

Inertia termica

Inertia termica a unui element de constructie reprezinta capacitatea acestuia de a acumula o anumita cantitate de caldura din mediul cu care vine in contact.

In mod esential, inertia termica a unui element de inchidere depinde de coeficientul de asimilare termica a materialului din care este executat stratul din imediata vecinatate a mediului (interior si exterior).

Coeficientul de asimilare termica a unui material depinde de densitatea lui, de conductivitatea termica si de capacitatea calorica masica la presiune constanta. Astfel, rezulta ca inertie termica ridicata au materialele cu densitate mare si conducti­vitate termica redusa, deci cu masa mare (dupa cum se cunoaste, in termeni generali, inertia reprezinta o masura a masei unui element). Astfel, produsele cu inertie termica mare pot acumula mai multa caldura decat materialele cu densitate mica si conductivitate termica redusa, care au si o inertie termica redusa.

Ca exemplificare, materialele ce au un coeficient de asimilare termica ridicat sunt cele care la atingere cu mana creeaza senzatia de rece, ca efect al acumularii caldurii prin „extragerea“ acesteia din mana mai calda cu care au venit in contact (de ex. atingerea unui profil de tamplarie din aluminiu). Din contra, atunci cand se atinge un material cu densitate mica si cu conductivitate termica redusa (cazul produselor termoizo­lante – ex. polistiren) nu se resimte senzatia de rece.

Alcatuirea elementelor de inchidere din punct de vedere al inertiei termice

a) Elemente de inchidere cu inertie termica ridicata

Elementele de inchidere cu inertie termica ridicata sunt elementele de inchidere care, in general, au urmatoarea alcatuire, de la interior spre exterior:

• strat interior – element masiv (zidarie sau beton armat);
• strat termoizolant;
• strat de protectie a termoizolatiei.

Aceste tipuri de elemente de inchidere s-au utilizat, pe scara larga, in perioada anilor 1950 – 1990, in special la cladirile de locuit executate in baza proiectelor tipizate.

Dupa cum se observa, stratul masiv (cu masa mare si conductivitate termica ridicata) este amplasat la fata interioara iar stratul termoizolant, cu coeficient de asimilare termica redus, este amplasat spre mediul exterior.

Aceasta alcatuire de element de inchidere are avantajul ca stratul interior masiv permite acumularea de caldura prin suprafata interioara pe timp de iarna. Pe timp de vara, amplasarea stratului termoizolant (cu masivitate redusa si implicit inertie termica redusa) spre mediul exterior are avantajul unei acumulari termice reduse si implicit a amortizarii fluxului termic transmis din exterior spre interior.

Elementele de inchidere cu inertie termica ridicata se recomanda sa fie utilizate la cladirile cu ocupare permanenta (cladiri de locuinte, camine, spitale etc.), care necesita incalzire in regim permanent.

Dezavantajul elementelor de inchi­dere cu inertie termica ridicata este dat de durata de timp relativ mare dintre momentul pornirii instalatiei de incalzire si momentul in care temperatura aerului interior atinge valoa­rea dorita, intrucat, mai intai, caldura este acumulata de stratul masiv. Avantajul consta in faptul ca elementele de inchidere cu inertie termica ridicata pot asigura un anumit grad de confort termic, pe durate limitate de nefunctionare a instalatiei de incalzire (mai ales in cazul incalzirii cu sobe sau atunci cand instalatia de incalzire a fost oprita voluntar sau accidental), caldura acumulata de stratul interior masiv fiind cedata aerului interior. In acest caz, elementul de inchidere cu inertie termica functioneaza ca un volant termic.

 b) Elemente de inchidere cu inertie termica redusa

Elementele de inchidere cu inertie termica redusa au, in general, urmatoarea alcatuire, de la interior spre exterior:

• strat interior din materiale usoa­re – de regula strat termoizolant;
• strat cu masivitate ridicata (de rezistenta);
• eventual strat termoizolant exterior;
• strat de protectie a termoizolatiei.

Aceasta alcatuire de elemente de inchidere are avantajul ca stratul interior, practic fara inertie termica, nu permite acumularea de caldura prin suprafata interioara, astfel incat, pe timp de iarna, durata de timp dintre momentul pornirii instalatiei de incalzire si momentul in care temperatura aerului interior atinge valoa­rea dorita este relativ mic, intrucat caldura nu este acumulata prin suprafata stratului interior. Din aceasta cauza, elementele de inchi­dere cu inertie termica mica se recomanda sa fie utilizate la cladirile cu ocupare discontinua (birouri sau spatii de productie cu activitate intr-un singur schimb de lucru, case de vacanta sau alte tipuri de cladiri incalzite temporar), la care pe anumite perioade din decursul unei zile sau saptamani, temperatura interioara poate fi redusa pana la limita inferioara care sa ofere protectie cladirii si instalatiilor (de regula de minimum +5°C).

Un alt dezavantaj al elementelor de inchidere cu inertie termica redusa consta in faptul ca disconfortul termic se simte practic imediat dupa momentul intreruperii func­tionarii instalatiei de incalzire.

Si pe timp de vara amplasarea stratului termoizolant spre interior are dezavantajul unei acumulari mai mari de caldura, intrucat stratul masiv (cu coeficient ridicat de asimilare termica) este amplasat spre mediul exterior (mai cald), in cazul in care nu este prevazut un strat termoizolant si pe fata exterioara a acestuia.

Trebuie precizat ca amplasarea unui strat termoizolant pe ambele fete ale elementului de inchidere (interior si exterior), desi prezinta un avantaj din punct de vedere al economiei de energie si confortului termic interior, prezinta mari dezavantaje cu privire la urmarirea comportarii in exploatare prin inspectie vizuala, mai ales in cazurile cladirilor la care elementele de inchidere au si rol structural.

Recomandari de alegere a alcatuirilor elementelor de inchidere, in functie de durata de ocupare Si regimul de functionare al instalatiei de incalzire

Trebuie precizat ca, in prezent, se manifesta o tendinta de a se utiliza alcatuiri de elemente de inchidere cu inertie termica redusa (cu izolatia termica aplicata la interior sau elemente de inchidere usoare, cu alcatuire tristrat). Astfel, in ultimele doua decenii, pe piata produselor de constructii din Romania au fost introduse multe tipuri de panouri usoare de pereti si acoperis, care prezinta valori ridicate ale rezistentei termice – depasind chiar valoarea de 5 W/(m2K), dar care au inertie termica foarte scazuta.

In tarile de origine, acest tip de elemente de inchidere se utilizeaza in special la cladiri de productie sau servicii, care au un grad de ocupare de circa 40 de ore pe saptamana, caz in care instalatia de incalzire lucreaza in regim intermitent.

De asemenea, trebuie precizat ca anvelopele executate din elemente de inchidere cu rezistente termice ridicate dar cu inertie termica redusa prezinta, de multe ori, performante energetice superioare elementelor traditionale, cu inertie termica ridicata si izolatie termica aplicata la exterior. Totusi, la conceperea alcatuirilor elementelor de inchidere, componente ale anvelopei cladirilor incalzite, trebuie luate in considerare aspectele cu privire la gradul de ocupare a cladirii si la regimul de functionare al instalatiei de incalzire.

Pentru cladirile ocupate in regim permanent se recomanda utilizarea elementelor de inchidere cu inertie termica mare, indiferent de regimul de functionare a instalatiei de incalzire (permanent sau intermitent). Acest lucru presupune amplasarea stratului masiv (de rezistenta) catre fata interioara, respectiv amplasarea stratului termoizolant catre fata exterioara a elementului. Trebuie precizat ca, in Romania, la cladirile de locuit existente, acest tip de alcatuire a elementelor de inchidere s-a utilizat in mod predominant.

Pentru cladirile cu un grad de ocupare de pana la 60 ore pe saptamana se recomanda alcatuiri de elemente de inchidere cu inertie termica mica. Utilizarea elementelor de inchidere cu inertie termica mica, la cladirile cu ocupare discontinua, conduce la economii de energie prin posibilitatea reglarii instalatiei de incalzire in functie de timpul de ocupare iar durata de timp intre momentul in care temperatura aerului interior creste de la valoarea de garda la cea de regim este relativ mica datorita neacumularii caldurii de catre stratul interior.

Trebuie precizat ca, in cazul regimului de incalzire intermitent, trebuie avut grija sa se asigure temperatura minima de garda specificata, pentru a nu pune in pericol elementele de instalatii si celelalte echipamente ale cladirii.

Din punct de vedere al comportarii in exploatare trebuie urmarite, in mod special, cladirile usoare, fundate la adancimi mici (asa cum prevede standardul european armonizat SR EN ISO 13793:2002, care permite reducerea adancimii de fundare si implicit, prevenirea umflarii din cauza inghetului, daca se realizeaza o izolatie termica perimetrala), caz in care oprirea instalatiei de incalzire poate conduce la tasari si chiar la degradarea elementelor structurale.

Concluzii

Din cele prezentate se pot formula urmatoarele concluzii:

1. Nu in toate cazurile solutia traditionala de element de inchidere cu inertie termica ridicata, respectiv cu stratul masiv (de rezistenta) amplasat spre interiorul elementului de inchidere si stratul termoizolant amplasat spre exterior este rationala din punct de vedere al performantei termoenergetice si confortului termic interior.
2. La cladirile cu ocupare permanenta sau cvasipermanenta trebuie utilizate elemente de inchidere cu inertie termica ridicata, indiferent de regimul de functionare al instalatiei de incalzire (permanent sau intermitent).
3. La cladirile cu grad de ocupare de pana la circa 60 de ore pe saptamana se recomanda folosirea elementelor de inchidere cu inertie termica redusa, la care stratul termoizolant sa fie amplasat spre fata interioara a elementului si reglarea instalatiei de incalzire in functie de durata de ocupare.
4. Nu se recomanda izolatii pe ambele fete ale aceluiasi element de inchidere (interioara si exterioara) deoarece nu se poate urmari comportarea in exploatare prin inspectie vizuala (in special la elementele de inchidere care au si rol structural).
5. In cazul regimului de incalzire intermitent trebuie acordata o atentie deosebita asigurarii temperaturii minime a aerului interior, in conformitate cu cerintele specificate pentru elementele de instalatii, echipamen­tele inglobate si chiar a elementelor de constructie (cazul fundatiilor cladirilor usoare fundate la adancimi mai mici decat adancimea de inghet).

(Din Buletinele CisC, nr. 4/5 – 2015) 

Autor:
ing. cercetator stiintific I, Adrian Tabrea – Centrul de Cercetare CERTINCON Bucuresti, membru CNCisC (Comisia Nationala Comportarea In Situ a Constructiilor), membru AROTEMA (Asociatia Romana pentru Tehnologii, Echipamente, Management si Agrement Tehnic in Constructii)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 126 – iunie 2016, pag. 30