aillament termic i condensacions a
TRANSCRIPT
LA FÍSICA DE L’EDIFICI
AÏLLAMENT TÈRMIC I CONDENSACIONS
Universitat Politècnica de Catalunya
ETS CAMINS, CANALS I PORTS DE BARCELONA
EDIFICACIÓ
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
AÏLLAMENT TÈRMIC I CONDENSACIONS
1- INTRODUCCIÓ
Transcendència econòmica del condicionament tèrmic i de l’estalvi energètic.
Transmissió per radiació, conducció i convecció.
Plantejament del problema del flux de calor en la temporada freda.
Plantejament del mateix problema en temporada calenta.
Plantejament del problema de formació de condensacions de vapor d’aigua
2
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
2- CONDUCCIÓ DEL CALOR I AÏLLAMENT TERMIC
Hipòtesis bàsiques. Principi d’additivitat de les resistències tèrmiques.
Conceptes bàsics de la teoria de la transmissió del calor.
Càlcul de la resistència tèrmica de diferents tancaments.
Consideració d’heterogeneïtats simples.
Propietats tèrmiques de les cambres d’aire.
Tractament i prescripcions sobre aïllament tèrmic segons CTE-DB-HE
Consideracions sobre els efectes de la posició del material aïllant dins del tancament encondicions de flux transitori.
Materials utilitzats per a l’aïllament tèrmic: condicions, principals tipus, característiques imètodes d’utilització.
3
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
3 – DIFUSIÓ DEL VAPOR I CONDENSACIONS
Problemes derivats de la condensació del vapor d’aigua en els tancaments.
Conceptes bàsics de la psicrometria de l’aire i de la teoria de la difusió del vapor.
Àbac psicromètric.
Temperatura de rosada i pressió de saturació.
Anàlisi de la formació de condensacions superficials i intersticials en tancaments.
Barreres de vapor: condicions, tipus i mètodes d’utilització.
Influència de la disposició de l’aïllament tèrmic sobre la formació de condensacions.
Prescripcions segons CTE-DB-HE
4
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
ACS=Agua caliente sanitaria
Consumo en los hogares españoles por usos (Confederación de Consumidores y Usuarios, 2007)
1- INTRODUCCIÓ Despesa energètica en els edificis
5
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
El consum d'energia a la llar està entre els 600 i 1.200 €/any. La calefacció i l'aigua calenta suposen el 70%, mentre que els aparells
domèstics i la il·luminació suposen el 30% restant de consumenergètic.
6
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Codi tècnic. Document CTE-DB-HE “Ahorro de energía” (www.codigotecnico.org)
HE 1 Limitació de demanda energèticaHE 2 Rendiment de les instal·lacions tèrmiques.Es desenvolupa en el RITE (Reglament d’instal·lacions tèrmiques en els edificis).HE 3 Eficiència energètica de les instal·lacions d’il·luminació.
Cal comprovar eficiència, aprofitament llum natural i l’existència d’un pla de manteniment.HE 4 Contribució solar mínima d’ACS (Aigua calenta sanitària)
Del 30 al 70%.HE 5 Contribució fotovoltaica mínima d’energia elèctrica.
Àmbit reduït a hospitals, hipers, centres d’oci o firals, hotels o edificis administratius.
7
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Mecanismes de transmissió del calor:
1) Radiació
2) Convecció
3) Conducció
8
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Mecanismes de transmissió del calor: radiació, convecció, conducció
9
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Paràmetres del problema
La variació de temperatura (T) entre exterior i interior actua com diferencia de potencialsusceptible de mobilitzar la conducció de calor a través dels tancaments.
La variació d’humitat relativa (Hr, o equivalentment, de pressió parcial de vapor Pv) entreexterior i interior també actua com diferencia de potencial susceptible de mobilitzar ladifusió de vapor a través dels tancaments.
Ti, Hri Te, Hre
10
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Plantejament del problema de l’aillament tèrmic – hivern
Cal assegurar que el conjunt de tancaments presenta un nivell de conduccióprou reduït per tal de mantenir la temperatura interior desitjada amb despesaenergètica acceptable.
11
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Plantejament del problema de l’aillament tèrmic – estiu
L’acció fonamental és la radiació solar, la qual produeix un escalfament moltimportant dels tancaments.L’aïllament tèrmic pot aconseguir-se, amb limitacions, a base de disposartancaments prou poc conductors (no molt eficient).
12
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
És molt més eficient basar el control de la temperatura a l’interior en lautilització de cambres d’aire ventilades als tancaments (coberta, façanes i devegades fins i tot sota solera).La renovació natural de l’aire de les cambres permet assegurar que l’espaiinterior no supera la temperatura ambient exterior.
13
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Aplicació de cambres d’aire ventilades:
cobertes ventilades
façanes ventilades
soleres ventilades
14
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Plantejament del problema de la condensació del vapor.
Cas amb superfícies fredes a l’interior (hivern)
A l’hivern cal evitar que la producció de condensacions superficials als paraments o béinteriors intersticials (a les superfícies de contacte entre capes del tancament). Per evitar-hocal garantir (1) que els tancaments presenten una conductivitat prou reduïda i (2) que no hiha ponts tèrmics a través dels tancaments.
Ti, Hri Te, Hre
Te, Hre
15
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Condensació del vapor
16
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Plantejament del problema de la condensació del vapor.
Cas amb superfícies calentes a l’interior (estiu)
Una humitat relativa alta a l’interior estarà habitualment produïda pels usosde les persones (cuines, banys, acumulació de persones...). El que cal feres ventilar regularment, tot obrint algunes finestres, durant tot l’any.
17
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
2- CONDUCCIÓ DEL CALOR I AÏLLAMENT TÈRMIC
Hipòtesis Bàsiques:
1. Flux de calor estacionari
2. Flux de calor unidimensional i perpendicular a pla mig dels tancaments
3. Principi d’additivitat de les resistències: La resistència al pas del flux de calor d’unconjunt de capes disposades en sèrie és igual a la suma de la resistència de cada capa.
En acceptar aquestes hipòtesis és possible elaborar la formulació simplificada de la conducció del calor que es presenta a continuació.
18
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
CONCEPTES BÀSICS DE LA TEORIA DE LA TRANSMISSIÓ DEL CALOR
Calor – Energia calorífica (kcal ó J, 1 kcal=4.185,9 J)
Flux de calor Q – Calor que travessa una superfície donada per unitat de temps (Kcal/h óW, on 1 Kcal/h = 1,163 W)
Flux de calor unitari q - Calor que travessa un superfície d’àrea unitat per unitat de temps.(W/m2)
Coeficient de conductivitat tèrmica d’un material
- (Kcal/mhºC ó W/mºC, on 1 Kcal/mhºC = 1,163 W/mºC) – Quantitat de calor quetravessa una mostra d’extensió infinita i de cares plano- paral·leles per unitat d’àrea, unitatde diferència de temperatura entre cares (1ºC) i unitat de temps.
1
1T=1, t=1,
(t=temps, T=temperatura)
1Resistivitat tèrmica:
1r
19
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Conductància tèrmica C (d’una capa material) - (Kcal/m2hºC ó W/m2ºC):
Quantitat de calor que travessa una capa de cares plano- paral·leles de gruix L perunitat de superfície, per unitat de diferència de temperatura entre cares (1ºC) i unitat detemps.
q = calor per unitat de superfície i temps, Q = calor per unitat de temps (Kcal ó J/s),S = àrea , L = gruix, T = increment de temperatura.
Resistència tèrmica interna:
CL
q C T Q S TL
q TL
S
L
T, t
(t=temps, T=temperatura)
TSLλQ
1 LR rLC
T Rq
20
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Transmitància tèrmica d’un tancament U (W/m2·ºK)
on:
hi, he = coeficients de transmissió superficial del calor
1/hi, 1/he = resistències tèrmiques superficials Rse i Rsi
q U T
1
tot
UR
1 1
tot kk i e
LjR Rh j h
Lk
21
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Determinació de resistències tèrmiques superficials Rse i Rsi
22
m2K/W
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Lk
Ti
Tsi
Tse
Te
T1-2
T2-3
EXT1 2 3
INT
L1 L2 L3 x
T
kk k k
k
RUq U T C T T T TC R
23
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Consideració d’heterogeneïtats simples.
Heterogeneïtat simple
Part d’un tancament no homogeni que queda definida i limitada per plànolsperpendiculars a les cares del tancament. És el cas de finestres i portes.
Altrament ens referim a heterogeneïtats complexes.
Es manté la hipòtesi de flux unidireccional malgratque és molt poc realista.
La transmitància tèrmica del forat UHlim està limitadasegons la zona climàtica i l’orientació.
La transmitància de tot un tancament s’obtéconsiderant que el flux travessa les diferents partsdel tancament en paral·lel:
k kk tot k k
tot
U SQ Q US T U S T U
S
24
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Factor solar d’un medi transparent o translúcid a incidència normal (Fi)
Quocient entre l’energia total que entra en un local a través del meditransparent o translúcid i l’energia total incident a la superfície de formaperpendicular.
L’energia total que entra al local a través d’aquest medi és la suma de l’energiatransmesa per radiació a través i l’energia absorbida pel medi i transmesaposteriorment al local per convecció.
25
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Propietats tèrmiques de les cambres d’aire
Cambres d’aire ventilades Cambres d’aire no ventilades
26
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Propietats tèrmiques de les cambres d’aire (continuació)
A = superfície tancament, L = longitud de tancament, S = superfície de perforacions de ventilació.
Cambra d’aire Tancaments verticals Tancaments horitzontals Resistència tèrmica
Sense ventilació però ambobertures limitades S/L<500 mm2/m S/A <500 mm2/m2 Taula E2
Lleugerament ventiladaperò amb obertures
500mm2/m< S/L <1500mm2/m
500mm2/m2<S/A<1500mm2/m2
Valors meitat Taula E2
Molt ventilada S/L>1500 mm2/m S/A >1500 mm2/m2 No es té en compte la càmara
27
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Comportament
Estiu
Quan la cambra és ventilada, durant la temporada calenta es produeix unefecte de renovació de l’aire interior que permet estabilitzar-ne la temperatura,la qual es manté igual a la temperatura exterior.
Quan la cambra és no ventilada, l’aire interior s’escalfa per efecte del’escalfament del tancament exterior per radiació solar directe, arribant atemperatures molt elevades.
Hivern
Quan la cambra és ventilada, tan sols es pot comptar amb el full interior deltancament com a capa tèrmica aïllant.
Quan la cambra és no ventilada, es pot comptar amb la contribució aïllantd’ambdós fulls, alhora que la cambra d’aire es comporta com una capa aïllantaddicional (Taula E2).
28
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Consideracions sobre els efectes de la posició del material aïllant dins del tancament en condicions de flux transitori
A- Cas amb material aïllant tèrmic concentrat a la cara exterior.B- Cas amb material aïllant tèrmic concentrat a la cara exterior.
T
EXT1 2 3
INT
AB
29
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
La distribució de l’aïllament a través del tancament no influeix a la temperaturainterior i a l’energia necessària per a mantenir-la durant la fase estacionària,per a una mateixa resistència tèrmica total.
En el cas B, el tancament es manté fred. En el cas A, el tancament s’escalfa.El nivell de confort no varia. No obstant, per assolir la temperatura desitjada,en el cas A cal invertir més energia durant la fase transitòria. En canvi,l’escalfor es mantindrà durant més temps un cop haguem apagat la calefacció.
El cas A presenta més inèrcia tèrmica, cal més temps per variar latemperatura.
En el cas B cal menys energia per aconseguir la temperatura de confort.
Com es veurà posteriorment, la probabilitat de producció de condensacionsintersticials és més alta en el cas B.
30
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Sistema d'aïllament tèrmic exterior
31
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Pont tèrmic
Part d’un tancament amb resistència tèrmica inferior a la resta del tancament, iper tant amb temperatura també inferior a l’hivern.
En els ponts tèrmics augmenta lapossibilitat de producció de condensacionsa l’hivern i en èpoques fredes.
Possibles ponts tèrmics:- Pilars i forjats- Contorns de forats (finestres u portes)- Caixes de persiana
Distribució de temperatures en edificiobtinguda mitjançant programa de càlcul
32
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Imatges de termografia de l’exterior d’edificisDistribució de temperatures
33
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Imatges de termografia de l’interior d’edificisDistribució de temperatures
34
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Eliminació pont tèrmic
35
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Eliminació pont tèrmic
36
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Envolupant tèrmica d’un edificiConjunt de tancaments i particions quelimiten l’espai habitable d’un edifici
Components:Tancaments en contacte amb l’aire• Murs de façana (M1)• Cobertes (C1)• Sòls (S1)• Forats (portes i finestres) en façanes (H)• Lluernes en cobertes (L)• Ponts tèrmics, especialment al voltant
de forats i lluernes (Pc, Pf)Tancaments en contacte amb el terreny• Murs en contacte amb el
terreny (T1)• Coberta enterrada (T2)Particions en contacte amb espaisno habitables• Particions en contacte amb
espais no habitables (M2, C2)• Sòls en contacte amb cambres sanitàries (S2)Altres• Parets de mitgera (MD)
37
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
TRACTAMENT EN CTE-DB-HE (1)
Demanda energètica
Quantitat d’energia tèrmica que cal afegir (a l’hivern) o treure (a l’estiu) d’un edificiper a mantenir unes condicions de confortabilitat òptimes.
L’objectiu de la normativa és limitar la demanda energètica dels edificis.
Càrrega tèrmica
Quantitat de calor produït (dissipat) dins d’un espai per l’ocupació, l’enllumenat iles instal·lacions. Es distingeix entre zones de baixa (com residencial) i altacàrrega tèrmica (zones amb alta ocupació o concentració d’instal·lacions).
38
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
TRACTAMENT EN CTE-DB-HE (2)
La condició (1) relativa a la demanda energètica es pot verificar mitjançant dosmètodes alternatius:
Mètode 1 (opció simplificada) – Control indirecte de la demanda mitjançant lalimitació de la transmitància dels components de l’envolupant tèrmica. Val peredificis amb tancaments formats per solucions constructives convencionals amb:
% de forats < 60% de la superfície de façana% de lluernes < 5 % de la superfície de coberta
Mètode 2 (opció general) – Anàlisi global basat en la comparació de lademanda energètica dels edificis amb la que correspon a un cert edifici dereferència. Requereix l’ús de software especialitzat.Val per a tot tipus d’edificis.
39
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
OPCIÓ SIMPLIFICADA:
- Determinació de la zona climàtica- Diferenciació entre zones d’alta i baixa càrrega tèrmica- Comprovació de l’acompliment de les limitacions de permeabilitat al aire en
fusteries de forats i lluernes- Control de condensacions intersticials i superficials- Limitació de la demanda energètica:
Ui ≤ Ui lim per a cada element de l’envolupant
Ui med ≤ Ui lim per a cada tipus de component de l’envolupant
Fi med ≤ Fi lim per a cada tipus de component semitransparent(forats de façana i lluernes)
- cadascuna de les transmitàncies tèrmiques dels components de l’envolupanttèrmica ha de ser inferior a un valor màxim tabulat
- els paràmetres (transmitàncies i factors solars) mitjos han de ser inferiors avalors límit tabulats
40
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Valors límit de transmitància per a qualsevol element:
En edificios de viviendas, las particiones interiores que limitan las unidades de uso con sistema decalefacción previsto en el proyecto, con las zonas comunes del edificio no calefactadas, tendráncada una de ellas una transmitancia no superior a 1,2 W/m2K.
A,B,C,D,E zones climàtiques (definides a CTE-DB-HE)
41
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Límits sobre valors mitjos de transmitància i factors solars
Els requisits per als diferents elements de l’envolupant obeeixen a:
• Ia diferent influència en el comportament tèrmic global del local (degut a la sevadiferent posició en relació al fenomen de convecció).
• al fet que les seves resistències tèrmiques superficials són diferents.
Les particions que separen locals calefactats no intervenen en el problema doncs no s’hiprodueix un flux de calor significatiu a través.
Per a cada zona climàtica es defineixen límits per a:
Transmitància límit de murs de façana i tancament en contacte amb el terreny UMlimTransmitància límit en sòls USlimTransmitància límit en cobertes UClimFactor solar modificat límit en lluernes FLlimTransmitància límit dels forats en funció de l’orientació del forat (portes i finestres),del % de forats i del tipus de zona segons càrrega tèrmica (baixa o alta) Uhlim
42
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Càlcul de paràmetres mitjos en cobertes
Sols es consideren els ponts tèrmics en contorn de lluernes amb superficie > 0,5 m2.
43
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Càlcul de paràmetres mitjos en façanes
44
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Càlcul de paràmetres mitjos en sòls i paraments en contacte amb el terreny
Sols es consideren els ponts tèrmics en contorn de lluernes amb superfície > 0,5 m2.
45
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
Exemple de limitacions sobre valors de paràmetres mitjos. Zona climàtica C2 (cas de Barcelona capital)
46
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions
PRINCIPALS MATERIALS AÏLLANTS - COMPARACIÓ
MATERIAL
Kcal / hmºC
COMPORTAMENT AL FOC
HIGROSCO-PICITAT
DURABILITAT FORMAT
RESISTÈNCIA
COMPRESSIÓ
COST COMPARAT
Fibra de vidre
0.028 –0.038
Incombustible(mineral) Absorbent Imputrescible
No envelleix- Feltres Flexibles- Panels Rígids Regular
Poliestiré 0.020Difícilment combustible(orgànic)
No absorbeix Envelleix
-Poliestirè expandit (porexpan, rígid)
-Poliestirè extrussionat(rígid)
0, 1MPa0,5 MPa
RegularCar
Poliuretà 0.032Difícilment combustible(orgànic)
No absorbeix Envelleix molt poc
- Escuma (injectable i projectable)
- Plafons rígids
CarCar
Suro 0.032 Regular(Orgànic) Absorbent Envelleix - Expandit
- AglomeratMolt carMolt car
Altres:Argila, Perlitao Vermi-culitaexpandides
Incombustibles(minerals)
Molt absorbent
ImputrescibleNo envelleix
- A granel- Dins de morter i
formigons- Plafons
Car o molt car
47
EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions48
Feltre i plafó rígid de vidre poliestiré extrussionat i expandit
Escuma de poliuretà projectada i plafó rígid de poliuretà suro