Proiectarea exigentei de performanta privind asigurarea durabilitatii prin limitarea condensului structural

Proiectarea exigentei de performanta privind asigurarea durabilitatii prin limitarea condensului structural

Prezenta apei din condens in structura elementelor anvelopei cladirilor afecteaza durabilitatea acestora prin:

micsorarea rezistentelor mecanice;

cresterea conductivitatii termice;

risc de corodare a armaturilor;

risc de putrezire a materialelor de natura organica;

risc de dezagregare prin fenomenul de inghet-dezghet.

Criteriile de performanta care definesc aceasta exigenta de performanta sunt:

evitarea acumularii progresive a apei din condensul structural de la un an la altul calculat pentru parametrii climatici medii de calcul;

limitarea cantitatii de apa din condensul structural m_w acumulata in perioada rece a anului, la o valoare mai mica sau cel mult egala cu cea care se poate elimina prin uscare m_v, in perioada calda a anului;

limitarea gradului de umezire efectiva a materialelor din zona de condensare pana la valoarea admisibila W_ad.

Marimile m_w, m_v, W_ef si W_ad se vor explica in cele ce urmeaza.

Mecanismul de producere a condensului structural si modelul matematic de calcul

Diferenta de temperatura intre interiorul si exteriorul cladirilor conduce la o inegalitate permanenta intre presiunile partiale ale vaporilor de apa din cele doua medii separate de un element de anvelopa. Ca urmare, exista o tendinta cvasipermanenta de migrare a vaporilor de apa din zona mai calda, cu concentratie mai mare de vapori de apa, spre zona mai rece, cu concentratie mai mica de vapori de apa.

In mod real, elementele anvelopei cladirilor au o alcatuire respiranta, ale caror pori permit difuzia unei cantitati de vapori de apa.

In perioada rece a anului, vaporii de apa care difuzeaza spre exteriorul elementelor anvelopei intalnesc zone cu temperaturi mai scazute, in care concentratia de vapori din porii materialelor poate atinge valoarea de saturatie si se depune sub forma de roua.

In perioada calda a anului se petrece uscarea elementelor anvelopei, vaporii de apa difuzand din interiorul acestora spre cele doua medii (interior si exterior) datorita capacitatii aerului cald de a retine mai multa umiditate sub forma de vapori.

Fenomenul fizic este discontinuu si se petrece numai in anumite conditii de temperatura si umiditate a aerului si a materialelor care alcatuiesc elementele anvelopei.

Modelarea matematica a fenomenului difuziei vaporilor de apa prin elementele de anvelopa este mai dificila decat modelarea matematica a fenomenelor de transfer de caldura.

Dificultatile sunt cauzate de faptul ca materialele de constructie sunt in general higroscopice, adica absorb si fixeaza o anumita umiditate din mediile adiacente, in functie de porozitate si de starea de temperatura a carei variabilitate in timp modifica substantial umiditatea mediilor adiacente.

Ca urmare, modelul matematic operational de investigare are la baza regimul simplificat stationar si este aplicabil domeniilor de tip placa plana monostrat sau stratificata.

In stadiul actual in Normativul C107/6-2002 sunt acceptate pentru calculul la difuzia vaporilor de apa urmatoarele prevederi si ipotezele simplificatoare:

calculul se efectueaza pentru elementele de constructie exterioare si pentru cele interioare care separa spatii inchise cu temperaturi care difera intre ele cu mai mult de 5 sC si/sau cu diferente de umiditati relative mai mari de 15%;

transferul termic si difuzia vaporilor are loc in regim stationar si este unidirectional;

toate caracteristicile termofizice ale materialelor sunt independente de temperatura si umiditate;

circulatia aerului prin sau in interiorul elementelor de constructie nu este luata in considerare;

straturile de aer din alcatuirea elementelor de anvelopa au rezistenta la permeabilitate la vapori neglijabila (zero).

Determinarea riscului de condensare a vaporilor de apa necesita cunoasterea curbei de presiune de saturatie p_sk si a curbei presiunilor reale p_k in structura elementelor de anvelopa.

Aceasta presupune:

cunoasterea parametrilor mediului interior si exterior T_i, T_e, _{i e}, p_si, p_se si calculul marimilor p_i si p_e;

cunoasterea alcatuirii constructive a elementului de anvelopa si a caracteristicilor termo-fizice ale acestuia: d_j, _{j, Dj}

cunoasterea rezistentei termice unidirectionale (in zona de camp a elementelor anvelopei) calculata cu relatia:

R = R_si + R_sk + R_se = R_si + Σ + R_se  [m²K/W] (3.103)

cunoasterea rezistentei la permeabilitate la vapori a elementului anvelopei calculata cu relatia:

R_v R_vk d_{k Dk} M [m s (3.104)

unde R_vk = d_k · μ_Dk · M                        [m/s] (3.104a)

cunoasterea starii de temperatura T_k pe fetele si in structura elementului anvelopei calculata cu relatiile:

T_si = T_i – · R_si     [sC]

T_k = T_i – · ( R_si + [sC] (3.105)

T_se = T_i – · ( R_si + )                   [sC]

cunoasterea valorilor presiunilor de saturatie p_si, p_sk, p_se in functie de temperaturile T_si, T_sk, T_se care se extrag din Anexa 1.6.

cunoasterea presiunilor de saturatie corectate p_sk calculate cu relatia:

p_sk,cor = p_sk + Δ                      [Pa] (3.106)

in care factorul de corectie Δ are valorile:

Δ = 172 Pa, pentru zona I-a climatica;

Δ = 162 Pa, pentru zona II-a climatica;

= 142 Pa, pentru zona III-a climatica;

= 132 Pa, pentru zona IV-a climatica;

cunoasterea presiunilor reale ale vaporilor de apa in structura elementului de anvelopa, calculate cu relatia:

p_k = p_i – [Pa] (3.107)

in care: p_i = si p_e = [Pa] (3.107a)

Cunoscand valorile p_sk,cor si p_k se traseaza cele doua curbe si se analizeaza pozitia lor reciproca.

Pentru o reprezentare mai usoara se procedeaza ca mai jos (fig.3.19):

se alege o scara geometrica pentru temperaturi (de exemplu 1sC = 0,5 cm);

se alege o scara geometrica pentru presiunile vaporilor de apa (de exemplu 100Pa = 1 cm);

se alege o scara geometrica pentru rezistenta la permeabilitate la vapori (de exemplu:

1 m/s = 1 cm, 10 m/s=1 cm sau 100 m/s=1cm).

Nota: Reprezentarea elementelor de anvelopa la scara rezistentelor la permeabilitate la vapori face ca variatia presiunilor p_i, p_k, p_e sa fie reprezentata de o dreapta cu panta: ·.

Pozitia reciproca a curbelor p_sk,cor si p_k poate fi urmatoarea (fig.3.19):

curba p_k < p_sk pe toata grosimea elementului de anvelopa;

curba p_k = p_sk intr-un punct de tangenta din structura elementului de anvelopa;

ESEU: Clasificarea si incadrarea produselor pentru constructii pe baza performantelor de comportare la foc ESEU: Durabilitate - clasificarea conditiilor de mediu inconjurator, expunerea la umezeala, durabilitatea zidariei

curba p_k > p_sk intr-un domeniu din structura elementului de anvelopa.

In cazul a), pentru conditiile de calcul date nu exista risc de condens;

In cazul b), pentru conditiile de calcul date exista un plan de condensare pozitionat la abscisa din punctul de tangenta al curbelor p_k = p_sk = p_sc;

In cazul c), pentru conditiile de calcul date exista o zona de condensare cu grosimea d_w care incepe in punctul de tangenta p_sc1 si se termina in punctul de tangenta p_sc2. Tangentele la curba p_sk se duc din punctele de intrare si de iesire ale dreptei p_i, p_e.

Metoda de determinare a zonei de condensare pe baza tangentelor, propusa de Glaser, reda mai corect fenomenul difuziei, deoarece din punct de vedere fizic presiunea p_k nu poate depasi presiunea de saturatie p_sk. In momentul in care presiunea reala p_k = p_sk incepe fenomenul de condensare si o parte din vapori se depun sub forma de picaturi in porii materialului din zona respectiva.

Fluxul de vapori care se depune in structura elementului anvelopei este dat de relatia:

in cazul b):

Φ_v,b = - [kg/m²s] (3.108)

in care si sunt rezistentele la permeabilitate la vapori ale zonei pana la planul de condensare si respectiv dupa planul de condensare.

in cazul c):

Φ_v,c = - [kg/m²s] (3.108a)

in care si sunt rezistentele la permeabilitate la vapori de la fata interioara la zona de condensare si respectiv de la sfarsitul zonei de condensare la fata exterioara.

Verificarea condensului structural conform Normativului C107/6-2002

Fig.3.19 Analiza riscului de condens structural

Normativul C107/6-2002 prevede doua verificari ale elementelor de anvelopa, si anume:

verificarea riscului de acumulare progresiva a umiditatii din condens;

verificarea gradului de umezire din condens in perioada rece a anului si a gradului de uscare in perioada calda a anului.

Verificarea riscului de acumulare progresiva a umiditatii din condens de la un an la altul

Criteriul de performanta in acest scop se exprima prin conditia:

p_k < p_sk,cor [Pa] (3.109)

Calculul in aceasta etapa se efectueaza pentru valorile normate de confort ale parametrilor interiori T_i, _i si pentru valori medii ale parametrilor mediului exterior T_em, _em

Valorile T_i si _i se extrag din Normativul C107/3-97 in functie de destinatia cladirii.

Valorile T_em, adica temperatura medie anuala sunt date in Normativul C107/6-2002 pe zone climatice:

zona I-a,    +10,5 sC

zona II-a,   +9,5 sC

zona III-a,  +7,5 sC

zona IV-a,  +6,5 sC

Valoarea φ_em, adica umiditatea relativa medie anuala este aceeasi pe tot teritoriul tarii si este egala cu 80%.

Pentru un element de anvelopa cu alcatuirea omogena se procedeaza ca mai jos:

se calculeaza rezistenta termica cu relatia 3.10;

se calculeaza valorile temperaturii T_k pe fata calda a fiecarui strat cu relatia:

T_k = T_i – · ( R_si + )                   [sC] (3.110)

se extrag din Anexa 1.6 presiunile de saturatie p_sk;

se corecteaza presiunile p_sk cu relatia 3.105;

se calculeaza rezistentele la permeabilitate la vapori p_i, p_k, p_e cu relatia 3.106 si 3.106a;

se aleg scarile geometrice pentru temperatura, presiune si rezistenta la permeabilitate la vapori;

se reprezinta elementul de anvelopa la scara rezistentelor la permeabilitate la vapori;

se traseaza curbele T_k, p_sk,cor si p_k.

Conditia de neacumulare progresiva a umiditatii din condens de la un an la altul este ca presiunile reale p_k sa fie mai mici decat p_sk,cor in orice plan din structura elementului de anvelopa (fig.3.19a).

Daca elementul de anvelopa nu satisface aceasta conditie, alcatuirea acestuia trebuie imbunatatita.

Solutii recomandate pentru imbunatatire sunt:

majorarea rezistentei termice a elementului de anvelopa, care va conduce la valori mai ridicate de temperatura T_k si de presiune p_sk,cor;

asezarea straturilor componente ale elementului de anvelopa intr-o ordine optima din punct de vedere al difuziei vaporilor de apa, adica R_v1 > R_v2 > R_v3 . ;

prevederea de bariere de vapori din pelicule sau straturi foarte putin permeabile la vapori care sa impiedice difuzia unei cantitati mari de vapori prin elementul anvelopei;

ventilarea naturala dirijata a incaperilor.

Nota:

Bariera asezata la fata interioara a elementului de anvelopa trebuie corelata cu ventilarea naturala controlata a incaperilor. Altfel exista risc de crestere a continutului de vapori de apa in incaperi urmat de condens superficial.

Bariera de vapori din interiorul elementelor de anvelopa se aseaza obligatoriu pe fata calda a termoizolatiei, pentru a limita cantitatea de vapori care patrunde in stratul termoizolant, in care se realizeaza cea mai mare cadere de temperatura, cu risc evident de condensare si de umezire a materialului, care este de regula poros.

Bariera de vapori asezata la fata exterioara (finisaj sau protectie exterioara impermeabila) necesita inaintea sa strat de aer ventilat. Altfel, condensul acumulat in spatele acestor finisaje este supus la inghet-dezghet, cu risc de degradare sau exfoliere a materialului umezit.

Calculul umezirii in perioada rece si a uscarii in perioada calda a anului si a procentului de umezire a materialelor din condensul structural

Stabilirea temperaturii aerului exterior la care apare condensul in structura elementului de anvelopa

Temperatura aerului exterior la care apare condens, T_ec reprezinta temperatura T_e pentru care linia presiunilor partiale p_k devine tangenta la curba presiunilor de saturatie.

Ca urmare, pentru un element de anvelopa cu alcatuirea cunoscuta, ca la pct.2.1, la care se cunosc marimile T_i, φ_i, date de destinatia cladirii si pentru umiditatea medie a aerului exterior pe timp de iarna φ_e = 85% se calculeaza T_ec prin incercari.

Astfel, prima temperatura se ia T_e = 0 sC si se calculeaza :

temperaturile T_si, T_k, T_se;

se extrag din Anexa 1.6 presiunile p_si, p_sk si p_se care in aceasta etapa nu se mai corecteaza;

se calculeaza presiunile p_i, p_k si p_e;

se reprezinta elementul de anvelopa la scara rezistentelor la permeabilitate la vapori;

se traseaza curbele T_si, T_k, T_se si p_si, p_sk si p_se si linia p_i, p_k, p_e.

Pozitia liniei p_i, p_k, p_e fata de curba p_si, p_sk, p_se calculata la temperatura T_e = 0 sC este un indiciu pentru incercarile urmatoare. Daca p_{k <} p_sk temperatura la care incepe condensul este T_ec < 0 sC si se procedeaza la incercari cu alte temperaturi T_e.

Dupa determinarea temperaturii T_ec se axtrage din Anexa 3.16 temperatura medie pe durata de condensare T_es si durata de condensare N_w in functie de zona climatica.

Calculul cantitatii de apa provenita din condensarea vaporilor de apa in structura elementului de anvelopa in perioada rece a anului

Pentru calculul cantitatii de apa care se depune din condensarea vaporilor de apa pe perioada rece a anului se procedeaza ca mai jos:

se efectueaza calculul la condens cu parametrii mediului _i, T_i, _e si T_es stabilindu-se curba de temperatura T_si, T_k, T_se, T_es si curba presiunilor de saturatie p_si, p_sk, p_ses si linia presiunilor partiale p_i, p_k, p_es.

se reprezinta elementul de anvelopa la scara rezistentelor la permeabilitate la vapori.

se reprezinta curba presiunilor de saturatie p_si, p_sk, p_ses si linia presiunilor partiale p_i, p_k, p_es; in aceasta etapa de calcul curbele p_k si p_sk se intersecteaza.

Zona sau suprafata de condensare se determina astfel (fig.3.20):

din punctele p_i si p_es se duc tangente la curba presiunilor de saturatie p_sk; valorile presiunilor de saturatie in punctele de tangenta p_sc1 si p_sc2 definesc inceputul si sfarsitul zonei de condens (fig.3.20a);

Fig.3.20 Umezirea din condens in perioada rece a anului

daca punctele de tangenta se confunda (situatie frecventa la structuri stratificate cu straturi termoizolatoare), zona de condens se reduce la o suprafata, cu presiunea de saturatie p_sc (fig.3.20b);

Cantitatea de apa provenita din condensarea vaporilor pe perioada rece a anului se determina cu relatiile:

In cazul in care zona de condens are o grosime finita (fig.3.20a):

m_w = 3600 ( - ) N_w                     [kg/m²] (3.111)

in care:

N_w este durata de condensare, in ore, extrasa din Anexa 3.16 in functie de temperatura T_es si zona climatica;

p_i, p_es – presiunile partiale ale vaporilor de apa corespunzatoare temperaturilor T_i si

respectiv T_es si umiditatilor relative _i, si respectiv _e

p_sc1 si p_sc2 – presiunile de saturatie la limitele zonei de condensare, in Pa;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partilor elementului anvelopei dintre suprafata interioara si suprafata calda a zonei de condens, in m/s;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partilor elementului anvelopei de la suprafata rece a zonei de condens pana la fata exterioara, in m/s;

In cazul in care zona de condens este redusa la o suprafata (fig.3.20b):

m_w = 3600 ( - ) N_w [kg/m²] (3.112)

in care:

p_i, p_es si N_w au aceeasi semnificatie ca mai sus;

p_sc – presiunea de saturatie necorectata a vaporilor de apa din planul de condensare, in Pa;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partilor elementului anvelopei de la fata

interioara la suprafata de condensare, in m/s;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partilor elementului anvelopei de la suprafata de condensare pana la fata exterioara, in m/s;

2.2.3 Calculul cantitatii de apa provenita din condensul structural care se

elimina in perioada calda a anului

Pentru calculul cantitatii de apa care se elimina in perioada calda a anului dintr-un element al anvelopei, a carui alcatuire constructiva se cunoaste, se procedeaza ca mai jos:

se calculeaza rezistenta la transmisia termica R cu relatia 3.103, in care rezistenta R_se se ia cu valoarea din perioada de vara;

se calculeaza rezistenta la permeabilitate la vapori cu relatia 3.104;

se calculeaza starea de temperatura T_si, T_k, T_se cu relatiile 3.105, in care temperatura aerului exterior T_e = Tcare se extrage din Anexa 3.17;

se extrag din Anexa 1.6 presiunile de saturatie p_si, p, p, pin functie de temperaturile T_si, T_k, T_se, si T

se calculeaza presiunile partiale ale vaporilor de apa p_i de pe fata interioara in functie de temperatura T_i si umiditatea relativa _i cu relatia

se calculeaza presiunea partiala de pe fata exterioara pcu relatia , in care _e este umiditatea relativa medie a aerului exterior in perioada calda, egala cu 70% iar presiunea pse extrage din Anexa 1.6;

se alege o scara geometrica pentru temperaturi, presiuni de vapori si rezistenta la permeabilitate la vapori;

se reprezinta elementul anvelopei la scara rezistentei la permeabilitate la vapori;

Cantitatea de umiditate care se elimina in perioada calda a anului se calculeaza ca mai jos (fig. 3.21):

Fig.3.21 Eliminarea apei din condens in perioada calda a anului

In cazul unei zone de condensare cu grosime finita (fig.3.21a):

se traseaza curba presiunilor de saturatie p_si, p, p

se marcheaza pe fata interioara presiunea p_i si pe fata exterioara presiunea p

se unesc punctele p_i si pcu punctul de presiune de saturatie pdin mijlocul grosimii zonei de condensare;

Cantitatea de apa care se poate evacua in perioada calda a anului este data de relatia:

m_v = 3600 ( ) N_v [kg/m²] (3.113)

in care:

p_i este presiunea partiala a vaporilor corespunzatoare temperaturii T_i si umiditatii relative a aerului interior _i, in Pa;

p– presiunea partiala a vaporilor pe fata exterioara corespunzatoare temperaturii

Tsi umiditatii relative a aerului exterior _e, in Pa;

p– presiunea de saturatie din axa mediana a zonei de condensare, in Pa;

N_v – numarul de ore in care exista conditii de evaporare a umiditatii din zona de

condensare in perioada calda a anului, calculat cu relatia:

N_v = 8670 – N_w (ore) (3.114)

in care N_w se stabileste ca la punctul 2.2.2;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partii elementului de constructie cuprinsa intre suprafata interioara si planul ce trece prin axa mediana a zonei de condens, in m/s;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partii elementului de constructie cuprinsa intre planul ce trece prin axa mediana a zonei de condens si suprafata exterioara a elementului anvelopei, in m/s;

In cazul in care zona de condens este redusa la o suprafata (fig.3.21b):

dupa trasarea curbei p_si, p, psi dupa marcarea valorilor p_i si pse unesc punctele p_i si pcu punctul de presiune de saturatie pde pe suprafata de condensare.

Cantitatea de umiditate care se poate evapora in perioada calda a anului se calculeaza cu relatia 3.113 (fig.3.21b) in care:

p_i, p, N_v au aceeasi semnificatie ca in cazul unei zone de condensare;

p– presiunea de saturatie pe suprafata de condensare, in Pa;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partilor elementului anvelopei de la fata interioara la suprafata de condensare, in m/s;

R– rezistenta la permeabilitate la vapori a partilor elementului anvelopei de la suprafata de condensare pana la fata exterioara, in m/s;

Calculul umiditatii relative masice la sfarsitul perioadei de condensare

Cresterea umiditatii relative masice la sfarsitul perioadei de condensare se calculeaza cu relatia:

W_ef = [%] (3.115)

in care:

m_w este cantitatea de apa condensata in perioada rece a anului, in kg/m²;

– densitatea aparenta a materialului care s-a umezit prin condensare, in kg/m³;

d_w – grosimea stratului de material in care se produce acumulare de apa, in m, care se stabileste ca in fig. 3.16 a, b, c, d in functie de alcatuirea constructiva a elementului anvelopei.

Fig.3.22 Grosimea stratului de material care se umezeste din condens

a – elemente omogene

b – pereti izolati la fata interioara

c – pereti izolati la fata exterioara

d – acoperisuri terasa si plansee de pod

Conditia de indeplinire a acestui criteriu de performanta este ca umezirea efectiva sa nu depaseasca valoarea admisibila:

W_ef < W_ad      [%] (3.116)

Valorile W_ad sunt indicate in Anexa 3.18, cu observatia ca pentru materiale instabile la apa sau care se degradeaza prin putrezire (ca de exemplu materiale organice netratate fungicid sau hidrofug), nu se admite cresterea umiditatii masice, deci se impune conditia

ΔW_ef = ΔW_ad = 0.