Proprietatile termofizice ale produselor de constructie in contextul viitorului eficientei energetice a cladirilor (III)

(continuare din numarul 213, mai 2024)

Rezistenta termica a elementelor de anvelopa si determinarea conductivitatii termice ca proprietate de material

Rezistenta termica (R [m²K/W]), masoara capacitatea unui material de a se opune transferului de caldura. Cu cat valoarea R este mai mare, cu atat materialul ofera o izolare mai buna. Aceasta valoare este esentiala pentru eficienta elementelor de izolare, oferind un punct de referinta pentru compararea performantei de izolare intre diferite elemente de anvelopa. Trebuie retinut faptul ca rezistenta termica a unui produs este determinata de grosimea produsului si conductivitatea termica a acestuia. Realizarea elementelor de constructie implica insa construirea unor geometrii variate si a alternantei dintre materiale de constructie cu diferite proprietati termofizice, ceea ce conduce la aparitia zonelor in care liniile izoterme din structura nu mai sunt paralele cu suprafetele exterioare ale elementelor. Aceste zone se numesc punti termice si sunt caracterizate in general de un flux termic intensificat. In calculele realizate pentru determinarea eficientei termice a cladirii, sunt evaluate puntile termice si impactul acestora este reflectat prin modificarea valorii R, fiind utilizata rezistenta termica corectata notata cu R’.

Utilizarea produselor cu valori R’ ridicate pentru pereti, acoperisuri si pardoseli poate reduce semnificativ pierderile de caldura (in clima rece) sau castigul de caldura (in clima calda) prin anvelopa cladirii, ducand la o scadere a necesarului de energie pentru incalzire si racire. In practica, acest deziderat poate fi realizat prin utilizarea unor elemente de constructie cu un strat termoizolator de grosime mai mare, care conduce la dezavantajul unui spatiu util mai redus, sau prin investitia in cercetare pentru dezvoltarea unor tehnologii avansate, care sa reduca impactul puntilor termice, sau in dezvoltarea unor materiale mai performante, a caror conductivitate termica este mai mica (Ciobanu, 2013).

Conductivitatea termica, reprezentata prin valoarea λ (W/mK), descrie capacitatea fluxului termic de a traversa un material. Materialele cu o conductivitate termica scazuta sunt izolatoare mai eficiente, deoarece reduc transferul de caldura. Aceasta proprietate este importanta in alegerea materialelor de constructie pentru anvelopa cladirii. Materiale precum polistirenul expandat (EPS), vata minerala si spuma poliuretanica sunt preferate in industria constructiilor datorita conductivitatii lor termice scazute, care le face optiuni excelente pentru izolatie. Conductivitatea termica variaza in functie de densitatea materialului, umiditatea relativa, temperatura medie si alti factori, iar standardele relevante prevad conditii specifice pentru determinarea valorii conductivitatii termice.

Determinarea conductivitatii termice a materialelor de constructie este importanta din mai multe motive:

• Le permite arhitectilor si inginerilor sa faca alegeri informate la selectarea materialelor utilizate, determinand prin calcul eficienta energetica a cladirii inca din faza de proiectare a acesteia;
• Asigura conformitatea cu reglementarile nationale, care impun cerinte specifice privind performanta energetica a cladirilor noi si renovate, specificand valori minime ale rezistentei termice corectate R’ pentru elementele de constructie;
• Conduce la economii semnificative de energie pe parcursul vietii unei cladiri, reducand costurile operationale si sprijinind utilizarea durabila a cladirii;
• Izolarea eficienta imbunatateste confortul si sanatatea mediului interior;
• Contribuie direct la reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera prin diminuarea necesitatii de incalzire si racire mecanica, reprezentand un pas important catre constructii mai durabile.

Pentru a aborda provocarile de cercetare in domeniul materialelor termoizolatoare, INCD URBAN-INCERC a achizitionat, cu sprijinul Ministerului Cercetarii, Inovarii si Dezvoltarii, un echipament modern de determinare a conductivitatii termice a produselor pentru constructii, respectiv conductivimetrul cu placa calda gardata λ-Meter EP500e. Achizitia s-a facut in cadrul contractelor de cercetare PN 19.33.03.01 ‒ Cercetari pentru realizarea confortului acustic si termic in interiorul cladirilor, utilizand un instrument inovativ de alegere a structurilor optime de elemente de constructii, din materiale clasice versus moderne si PN 19.33.04.02 ‒ Solutii sustenabile pentru asigurarea sanatatii si securitatii populatiei in conceptul inovarii deschise si a prezervarii mediului inconjurator. De la punerea in functiune, echipamentul a fost utilizat in cadrul a 4 contracte de cercetare de anvergura precum si pentru numeroase solicitari din partea unor firme, fiind realizate peste 1.000 de determinari ale conductivitatii termice a produselor. Rezultatele obtinute cu acest echipament au fundamentat doua articole indexate WoS, cu factor de impact.

In prezent, echipamentul este utilizat in cadrul proiectelor de cercetare PN 23.35.02.01 ‒ Sinergii de inovare si digitalizare in conceperea de eco-materiale si produse multifunctionale pentru constructii sustenabile, cu impact asupra mediului si a economiei circulare si PN 23.35.03.01 ‒ Sistem integrat de dezvoltare si cercetare stiintifica a constructiilor si a infrastructurilor vitale la actiuni extreme de mediu, seismice si climatice si valorificarea resurselor sustenabile de materiale si energie si constituie baza materiala ce poate fi utilizata pentru atragerea unor fonduri suplimentare pentru cercetare, din programe bugetare sau solicitari comerciale.

Echipamentul de determinare a conductivitatii termice Lambda-Meßtechnik λ-Meter EP500e este un dispozitiv avansat de testare, de inalta precizie, conceput special pentru masurarea rezistentei termice si determinarii coeficientului de conductivitate termica echivalenta. Acest dispozitiv este conceput in conformitate cu mai multe standarde internationale, inclusiv ISO 8302, DIN EN 1946-2, DIN EN 12667 si ASTM C177 (DIN 52612). Echipamentul permite realizarea de incercari pe produse si materiale de constructii, printre care cele conform standardelor SR EN 12664:2002 ‒ Performanta termica a materialelor si a produselor pentru cladiri. Determinarea rezistentei termice prin metoda placii calde gardate si prin metoda cu termofluxmetru. Produse uscate si umede cu rezistenta termica medie si mica, SR EN 12667:2002 ‒ Performanta termica a materialelor si produselor de constructie. Determinarea rezistentei termice prin metoda placii calde gardate si prin metoda cu termofluxmetru. Produse cu rezistenta termica mare si medie si SR EN 12939:2002 ‒ Performanta termica a materialelor si produselor de constructie. Determinarea rezistentei termice cu ajutorul metodei placii calde gardate si a metodei termofluxmetrice. Produse groase cu rezistenta termica mare si medie. Cu ajutorul acestui echipament este determinata rezistenta termica a produselor si, in cazul in care produsele sunt omogene, poate fi specificata conductivitatea termica a acestora.

Conductivimetrul λ-Meter EP500e are un design compact, de tip desktop, impartit in trei componente principale: superioara, mijlocie si inferioara (fig. 3.1). Partea de sus contine modulele electronice, un cilindru de ridicare actionat electric pentru manevrarea componentei de mijloc, dispozitivul de masurare a grosimii esantionului si a presiunii de test, precum si toate unitatile de afisare si control. Aceasta sectiune include si o interfata pentru conexiunile Bluetooth sau RS232 pentru exportul de date si controlul dispozitivului.

Fig. 3.1: Conformare λ-Meter EP500e

Componentele conductivimetrului, zona de mijloc si cea de jos contin placile senzor care sunt construite concentric cu unitati de aluminiu optimizate, proiectate pentru a mentine un mediu de temperatura izoterm. Aceste unitati au o grosime de 40 mm si sunt echipate cu module Peltier de inalta performanta racite cu aer care pot varia temperatura intre -15°C si 65°C. Placile senzor sunt capabile sa efectueze masuratori integrale de temperatura pe intreaga suprafata a unui esantion, nu doar la nivel punctual, asigurand astfel o precizie mare de masurare chiar si pentru esantioane neomogene.

Dispozitivul trebuie conectat la un calculator care ruleaza Microsoft Windows, ca unitate de control pentru programarea parametrilor de realizare a incercarilor, preluarea rezultatelor din testele efectuate, stocarea datelor sub forma unor baze de date, exportul datelor, generarea rapoartelor de incercare, verificarea periodica a echipamentului si, daca este necesar, identificarea eventualelor probleme in utilizarea acestuia. Functionarea dispozitivului, in afara mecanismului de ridicare, se poate realiza prin intermediul unui monitor de tip touchscreen care permite introducerea unor informatii si operatii ghidate de meniul aplicatiei.

Mecanismul de ridicare, componenta esentiala pentru ridicarea si coborarea placii superioare, este controlat prin doua butoane situate pe placa frontala. Acest mecanism are doua niveluri de viteza si trece automat in modul de viteza redusa imediat inainte de a contacta esantionul, asigurand precizia si evitand astfel eventualele deteriorari. Echipamentul λ-Meter EP500e ofera flexibilitate, putand realiza serii de pana la 3 masuratori la diferite temperaturi arbitrare, intr-un interval de 10°C pana la 40°C. Diferenta de temperatura a placilor senzor poate fi selectata in intervalul de 5K pana la 15K, fiind astfel posibila reglarea sa in functie de cerintele de material sau proprietatile specifice ale produsului. Echipamentul poate masura rezistenta termica de la 0,025 la 5 m²K/W si conductivitatea termica de la 0,003 la 2 W/(m·K). Este recomandata testarea esantioanelor din materiale termoizolatoare cu dimensiunea de 500 x 500 mm² cu o grosime cuprinsa intre 5 si 200 mm. In cazul produselor cu o conductivitate termica medie sau mare, dimensiunea esantioanelor va fi 150 x 150 mm², iar in zona gardata a echipamentului se vor amplasa inele special concepute, din material termoizolator flexibil (fig. 3.5). Aceasta tehnica este folosita si in cazul testelor efectuate pentru a determina rezistenta termica a esantioanelor pentru care nu a fost posibila extragerea unor epruvete prismatice cu fete plan-paralele cu dimensiunea de 500 x 500 mm², de exemplu, pentru miezul de poliuretan extras din panourile sandwich, sau in cazul testelor solicitate pentru realizarea expertizelor judiciare, in care se prefera prelevarea din teren a unor esantioane cu dimensiuni reduse. Dispozitivul promite o precizie foarte buna a masurarii, eroarea fiind mai putin de 1,0% (in majoritatea cazurilor sub 0,7%) si o deviatie de reproductibilitate mai mica de 0,5% (in majoritatea cazurilor sub 0,2%) [Lambda-Meßtechnik, 2012].

Fig. 3.2: Distributia campului de temperaturi in timpul testului cu λ-Meter EP500e [Sursa: Lambda-Meßtechnik, 2012]

Fig. 3.3: Anularea fluxului termic transversal prin dispunerea unor inele concentrice termostatate la temperaturi diferite [Sursa: Lambda-Meßtechnik, 2012]

Pentru a se asigura ca fluxul termic generat se transfera integral prin esantionul supus testarii, echipamentul λ-Meter EP500e include deasupra placii gardate superioare o placa termostatata la aceeasi temperatura cu cea a placii care realizeaza determinarea rezistentei termice, pentru a se crea intre acestea conditiile unei suprafete adiabatice. Pentru redundanta, este inclusa si o placa de flux termic, foarte sensibila, pentru a detecta posibilul transfer al caldurii intre placa de incalzire si acest incalzitor de contrapondere. O serie de inele concentrice de incalzire si racire, monitorizate cu ajutorul unor senzori de temperatura, contribuie la obtinerea unei izolari termice a zonei de masurare, anuland transferul de caldura prin fetele laterale ale esantionului, care sunt expuse atmosferei din laborator (fig. 3.2, fig. 3.3).

Aceste caracteristici avansate, impreuna cu implementarea robusta a constructiei, redundanta senzorilor implementati care fac posibila verificarea echipamentului de la distanta si cerintele minime de calibrare, implicite unui echipament cu placa calda gardata, fac din dispozitivul de testare a conductivitatii termice λ-Meter EP500e un instrument excelent pentru masuratori precise ale conductivitatii termice in intervalul 10 – 40°C. Mai mult, incinta deschisa permite masurarea diferitor produse pentru constructie, desi se poate observa din figurile 3.4 si 3.5 ca cerintele standardelor de produs sunt distincte in privinta modului de pregatire al esantionului testat.

Fig. 3.4: Determinarea conductivitatii termice a produselor termoizolante pentru cladiri conform SR EN 15101-1+A1:2019 ‒ Produse termoizolante pentru cladiri. Produse formate in situ pe baza de celuloza in vrac pentru umplere, injectate in rama conform specificatiilor Anexei H a SR EN 15101-1+A1:2019

Fig. 3.5: Determinarea conductivitatii termice a unei mostre de poliuretan extrasa din miezul unui panou sandwich. Se observa amplasarea unui inel de protectie, din termoizolatie flexibila, in zona gardata a placii.

In concluzie, tendinta catre cerinte mai stricte de rezistenta termica (Chereches, 2021) si rezilienta la alte riscuri asociate exploatarii (Bode, 2023; Simion, 2019; Thieblesson, 2024) pentru elementele de constructie reflecta o abordare motivata de dorinta de a creste eficienta energetica, durabilitatea, economiile financiare si confortul ocupantilor. Pe masura ce ne straduim sa reducem consumul de energie si impactul schimbarilor climatice, aceste standarde imbunatatite sunt deosebit de importante in modelarea viitorului constructiilor si designului cladirilor. Tinand cont de ultimele modificari ale Directivei EPBD [Kurnitski & Zirngibl, 2022; COM/2021/802/EC], putem spune ca, in cazul mentinerii conditiilor actuale de stabilitate economica si politica, ambitia normelor Europene in urmatoarele decenii va fi cea preconizata de unele tari nordice, si anume ca productia de energie din surse regenerabile sa compenseze emisiile de gaze cu efect de sera pe toata durata de existenta a cladirii [Zero Emission Buildings, 2024], inclusiv cele asociate cu produsele de constructie, etapa construirii, energia operationala si cea necesara etapelor de demolare si reciclare.

BIBLIOGRAFIE

[1] European Commission. (n.d.). EU emissions trading system (EU ETS). Disponibil online: https://climate.ec.europa.eu/eu-action/eu-emissions-trading-system-eu-ets/what-eu-ets_en (accesat pe 11.03.2024);

[2] European Green Deal. Disponibil online: https://www.consilium.europa.eu/en/policies/green-deal/ (accesat pe 01.03.2024);

[3] Infographic: Fit for 55. Disponibil online: https://www.consilium.europa.eu/en/infographics/fit-for-55-making-buildings-in-the-eu-greener/ (accesat pe 02.03.2024);

[4] Bode F., Simion A., Anghel A., Sandu M., Banyai D. (2023). Enhancing Fire Safety; Real–Scale Experimental Analysis of External Thermal Insulation Composite System Façades’ Behavior in Fire, Fire 2023, 6(12), 451. https://doi.org/10.3390/fire6120451;

[5] Ciobanu, A. A., & Puscasu, I. (2013). Towards low energy building using vacuum insulation panels. Advantages and disadvantages. Constructii, 14(2), 56;

[6] Chereches, M. L., Chereches, N. C., Ciobanu, A. A., Hudisteanu, S. V., Turcanu, E. F., Bradu, A., & Popovici, C. G. (2021). Experimental Study on Airflow and Temperature Predicting in a Double Skin Façade in Hot and Cold Seasons in Romania. Applied Sciences, 11(24), 12139;

[7] Kurnitski, J., & Zirngibl, J. (2022). Technical comments on the zero-emission building definition in EPBD recast proposal. REHVA Journal. Disponibil online: https://www.rehva.eu/rehva-journal/chapter/technical-comments-on-the-zero-emission-building-definition-in-epbd-recast-proposal (accesat pe 11.03.2024);

[8] Lambda-Meßtechnik (2012). Instruction Manual –Thermal Conductivity Test Tool λ-Meter EP500e;

[9] Petcu, C., & Vasile, V. (2022). Traditional building materials for sustainable thermal insulating of building elements. Romanian Journal of Materials/Revista Romana de Materiale, 52(1);

[10] Petcu, C., Hegyi, A., Stoian, V., Dragomir, C. S., Ciobanu, A. A., Lazarescu, A. V., & Florean, C. (2023). Research on Thermal Insulation Performance and Impact on Indoor Air Quality of Cellulose-Based Thermal Insulation Materials. Materials, 16(15), 5458;

[11] Reducing carbon emissions: EU targets and policies, 2023. Disponibil online: https://www.europarl.europa.eu/topics/en/article/20180305STO99003/reducing-carbon-emissions-eu-targets-and-policies (accesat pe 01.03.2024);

[12] Simion, A., Dobre, D., Dragomir, C. S., & Anghel, I. (2019, September). Fire Performance of the Thermo Insulant Facade Systems of the Buildings. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 603, No. 2, p. 022021). IOP Publishing;

[13] Thieblesson, L. M., Calota, R., Saca, N., Simion, A., Nastase, I., & Girip, A. (2024). Reaction to fire, thermal, and mechanical properties of materials based on recycled paper granules bound with starch and clay mortar. Heliyon;

[14] ZEB Centre. (2024). ZEB definitions. Disponibil online: https://www.zeb.no/index.php/en/about-zeb/zeb-definitions (accesat pe 13.03.2024);

[15] [COM/2021/802/EC]. Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on the Energy Performance of Buildings (recast). Disponibil online: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=COM%3A2021%3A802%3AFIN&qid=1639582331528 (accesat pe 11.03.2024);

[16] COM(2020) 662 final. A Renovation Wave for Europe ‒ greening our buildings, creating jobs, improving lives. Disponibil online: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1603122220757&uri=CELEX:52020DC0662 (accesat pe 01.03.2024);

[17] COM(2024) 63 final. Europe’s 2040 climate target and path to climate neutrality by 2050 building a sustainable, just and prosperous society. Disponibil online: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=COM:2024:63:FIN (accesat pe 03.03.2024).

Autor:

dr. ing. Cristian PETCU – CS II, INCD URBAN-INCERC, Sucursala INCERC Bucuresti

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 214 – iunie 2024, pag. 62-65