curs1+2

CURS I+II. INCALZIRE PRIN RADIATIE

- 6 - ECHIPAMENTE UTILIZATE LA INCALZIREA PRIN RADIATIE

I. TUBURI RADIANTE DE TEMPERATURA RIDICATA I.1. INTRODUCERE Ameliorarea conditiilor de lucru este sistematic cautata astazi in industrie, context in care se plaseaza necesitatea asigurarii unui confort termic care sa satisfaca incintele de volum mare. Incalzirea incintelor industriale pune in general probleme dificile datorita diversitatii tipurilor de cladiri intalnite, a varietatii activitatilor desfasurate si a necesitatii alegerii sistemului cel mai economic, atat din punct de vedere al investitiei, cat si al exploatarii. Sistemul de incalzire prin radiatie utilizand gazul natural ofera rezolvarea acestei probleme, in situatii in care, sistemele clasice de incalzire (incalzire cu aer cald sau registre din tevi) nu pot asigura conditii interioare optime (in sensul ca nu realizeaza o temperatura relativ uniforma in spatiul incalzit, provoaca curenti de aer si au randamente reduse). Deasemenea, la sistemele traditionale, in lipsa unor surse de vapori de apa si la temperaturi exterioare scazute, aerul interior devine foarte uscat (mucoasele pierd excesiv de multa apa, aparand senzatia de uscaciune). Principala superioritate a sistemelor de incalzire prin radiatie, din punct de vedere fiziologic, consta in aceea ca, in aceleasi conditii de confort termic, se respira un aer mai rece decat in cazul incalzirii prin convectie si cu un continut de praf scazut datorita lipsei curentilor de aer, toate acestea contribuind la adaptarea rapida a omului la noi conditii de efort fizic. De asemenea, trebuie mentionat ca aceste sisteme de incalzire prin radiatie permit limitarea incalzirii doar la zonele dorite ale incintei. Incalzirea prin radiatie se recomanda a fi utilizata in urmatoarele situatii: - in cazul cladirilor avand inaltime mare sau medie, cu sau fara izolatie; - in cazul incaperilor industriale cu procese tehnologice care nu impun incalzirea generala, deci pentru o incalzire locala si in care numarul muncitorilor conduce la o densitate de mai putin de un muncitor la 50 m2; - in cazul in care este necesara o incalzire rapida a incintei, ceea ce implica un timp redus de functionare, deci factor favorabil al economiei de energie; - in cazul incintelor caracterizate de pierderi de caldura prin pereti mari sau schimburi de aer importante. Acest sistem de incalzire este utilizat cu rezultate deosebite in cazul magazinelor mari si foarte mari, salilor de sport, locurilor de cult, pietelor acoperite, atelierelor (lacatuserii, tinichigerii, mecanice), in incalzirea posturilor de lucru situate la distante mari, in cazul depozitelor avand dimensiuni mari, garajelor, terenurilor de tenis acoperite, serelor, gradinilor, halelor si parcurilor de expozitii acoperite, etc.


- 7 - In incalzirea incintelor efectul radiatiei este creerea impresiei de confort termic convenabil lasand aerul ambiant si peretii incintei la o temperatura mai scazuta ceea ce antreneaza o reducere a consumului de energie. Un rol important in asigurarea unui confort optim il are uniformitatea temperaturii aerului interior in plan vertical, neadmitandu-se diferente intre zona capului si a picioarelor mai mari de 2...3 0C. In fapt radiatia, dirijata in cea mai mare parte de sus in jos, va incalzi solul, coeficientul de absorbtie fiind crescut. Aceasta contribuie la incalzirea aerului prin convectie, iar pierderile prin sol sunt limitate, ele realizandu-se printr-o banda periferica ingusta (pierderile globale raman inferioare celor obtinute cu un alt mod de incalzire). Aceste sisteme de incalzire implica costuri de investitie reduse, precum si costuri de exploatare mai reduse decat sistemele clasice de incalzire, toate acestea conducand la economii de energie superioare valorii de 30%. I.2. PREZENTAREA SOLUTIILOR DE INCALZIRE PRIN RADIATIE UTILIZAND GAZUL NATURAL Tehnologic exista doua solutii oferite de incalzirea prin radiatie cu gaz natural utilizat direct: panourile luminoase si tuburile radiante de temperatura ridicata. Descrierea si principiul de functionare ale acestor doua tipuri de aparate, care prezinta caracteristici tehnice diferite dar care sunt amandoua de un interes deosebit, sunt prezentate in cele ce urmeaza. I.2.1. Panourile radiante luminoase (ceramice) Panourile radiante luminoase sunt emitori luminosi caracterizati printr-o combustie externa efectuata pe o suprafata la temperatura inalta (750 oC - 900 oC). Lungimea de unda corespunzatoare intensitatii maxime spectrale este de ordinul 3μm. Din acest motiv radiatia este mai penetranta. Functionarea acestor aparate este bazata pe principiul injectiei unui amestec de gaz-aer la traversarea unei placi refractare constituind deschiderea unor canale fine, calibrate. Aerul de ardere este prelevat din interiorul incaperii. Amestecul aer-gaz, reglat corespunzator ca presiune si proportie, va arde la suprafata placii refractare la periferia fiecaruia din aceste canale fine. Cu cat materialul refractar acumuleaza caldura, amestecul gaz-aer care il traverseaza se va preincalzi, rezultand o crestere a vitezei de iesire a amestecului gaz-aer. Simultan, viteza de propagare a flacarii creste, de unde o tendinta a flacarii de penetrare in materialul refractar.


- 8 - Temperatura suprafetei unui panou depinde, pentru un debit de gaz dat, de densitatea canalelor si de starea suprafetei placutelor. Intrarea in regim a aparatului dureaza circa 10 minute. Aparatele de acest tip cuprind esential: * O dala refractara compusa din placute juxtapuse prinse solidar cu ajutorul unor garnituri inserate intr-un cadru metalic ce poate suporta dilatatii importante. * O grila fina din nichel crom care este de obicei plasata in fata suprafetei de ardere. Rolul ei este complex. Ea intervine ca limitator al zonei arderii impiedicand intrarile aerului secundar si ca element radiant secund spre receptor. Radiatia sa catre suprafata refractara contribuie la activarea arderii. Uneori exista niste aripioare plasate perpendicular pe suprafata emitoare. Ele lamineaza gazele arse, recuperand caldura, care este remisa sub forma de radiatie infrarosie. * Un etaj de amestec aer-gaz alcatuit dintr-un tub de aer si un injector de gaz. Viteza de miscare a gazului creaza o depresie care produce aspiratia aerului necesar arderii. In aparatele cele mai intalnite, aerul ambiant este utilizat pentru ardere. Aparatele functioneaza cu aer primar in totalitate. La iesirea din tubul de aer, amestecul aer-gaz este introdus intr-o camera de amestec care-l repartizeaza in mod egal pe intreaga suprafata a panoului radiant. In cazul modelelor mai evoluate un capotaj dublu canalizeaza gazele arse de-a lungul anvelopei ce contine amestecul gaz-aer inainte de ardere. Amestecul este astfel preincalzit ceea ce are drept urmare o ardere la o temperatura mai mare, deci un randament mai ridicat.

Figura I.1. Panou radiant luminos

* Diverse aparate anexate cum sunt: mecanismul de aprindere la distanta, de control al flacarii si electrovana de admisie a gazului combustibil. Anumite instalatii comporta si un tablou de automatizare compus dintr-un programator saptamanal pe timp de zi si de noapte.


- 9 - Debitul termic nominal al panourilor radiante luminoase (cantitatea de caldura totala degajata prin arderea gazului la puterea nominala a arzatorului in unitatea de timp), variaza in functie de model de la 4 la 45 kW. Puterea aparatului (cantitatea de caldura radiata in unitatea de timp

Gazele arse evacuate in incinta incalzita nu constituie pericol din punct de vedere al igienei, insa contin vapori de apa care pot deveni saturati si se pot condensa. Pentru evitarea acestui fenomen este util ca in incinta, care prezinta riscuri de incendiu, sa se impuna o evacuare directa a gazelor arse prin cosuri sau aspiratie fortata. Reglarea se face prin tot sau nimic la nivelul fiecarui panou. Pentru obtinerea unei variatii a puterii radiante se poate prevedea aprinderea unuia sau mai multor panouri instalate gratie unui cablaj electric pentru comanda electrovanei de alimentare cu gaz combustibil a fiecaruia din panouri. Panourile luminoase sunt ideale pentru cladiri de inaltime mare, superioara valorii de 7 m (minim 5 m).

I.2.2. Tuburi radiante de temperatura ridicata Tuburile radiante de temperatura ridicata sunt emitori obscuri caracterizati printr-o combustie interna efectuata pe un corp purtator de caldura la o temperatura de 250 - 500oC (este o tempeartura relativ scazuta in comparatie cu a panourilor radiante, motiv pentru care mai sunt intalnite in literatura tehnica si sub denumirea de tuburi radiante de joasa temperatura). Lungimea de unda corespunzatoare intensitatii spectrale maxime este de 4 μm. Principiul de functionare a tuburilor radiante consta in incalzirea unui tub din otel prin produsele de ardere rezultate de la un arzator cu gaz. Radiatia aparatelor este dirijata spre sol prin placile reflectoare plasate deasupra tuburilor. Tehnicile de constructie si tipurile de materiale propuse sunt diferite dupa diversii fabricanti, insa toti prezinta aceleasi elemente de baza: arzatoarele, tuburile radiante, ventilatoarele, accesoriile.

in atmosfera uscata, in semispatiul din fata aparatului), este determinata de randamentul radiatiei (45% - 60%), la care se adauga faptul ca gazele arse rezultate, evacuate direct in incinta, contribuie la incalzirea aerului si deoarece toata puterea calorifica a gazului este utilizata, randamentul devine maxim.


- 10 - * Arzatoarele sunt de tipul cu inductie atmosferica si flacara stabilizata, urmate de o camera de ardere. Ele sunt inzestrate cu o bujie de aprindere. Un termocuplu sau o sonda de ionizare pentru detectarea flacarii, comanda deschiderea vanei principale de alimentare cu gaz. Arzatoarele sunt cu debit constant. Reglarea functionarii arzatorului se face prin tot sau nimic cu ajutorul unui termostat de camera.

Figura I.2. Schema de principiu a unui arzator

* Tuburile radiante pot avea sectiune circulara sau patrata si sunt fabricate din otel. Constructorii propun doua mari familii de aparate: - In primul grup, arzatoarele sunt plasate in serie sau in paralel si legate intre ele printr-o retea de tuburi rectilinii filetate si racordate la arzatoare. La extremitatea colectorului de evacuare, un ventilator de evacuare pune reteaua de tuburi in legatura cu atmosfera. - In al doilea grup, arzatoarele sunt independente unul de altul si constituie impreuna cu acesoriile lor, aparate monobloc izolate. La una din extremitati se afla arzatorul si camera de ardere, iar la cealalta sistemul de evacuare. Pentru prima familie de aparate, aerul de ardere primar, care corespunde la 90% din necesar, provine de la o priza de aer inzestrata cu un filtru fixat pe fiecare arzator care preleveaza aerul de la interiorul localului de incalzit. Cand aerul incintei incalzite este incarcat de praf, priza de aer primar a fiecarui arzator se poate realiza printr-o conducta legata direct la exteriorul cladirii. Aerul secundar, care corepunde la 10% din necesar, este prelevat din localul incalzit la nivelul primului arzator la fiecare deschidere, printr-un tub inzestrat cu o clapeta de reglaj. Acest aer de diluare

gaz flacara de veghe


- 11 - permite obtinerea unei variatii reglabile a temperaturii in lungul tubului intre doua arzatoare. Gazele arse sunt evacuate spre exterior printr-un colector ce leaga diferite tuburi radiante si aspirate cu ajutorul unui ventilator de extractie.

Figura I.3. Scheme de montaj pentru tuburile radiante

Pentru a doua familie de aparate, aerul de ardere primar si secundar este prelevat din interiorul localului de incalzit. Produsele de ardere pot fi evacuate, fie in totalitate in localul incalzit, fie la exterior prin intermediul unui cos. Cand prima solutie este adoptata, dimensiunea cladirii si schimburile de aer ale incintei in care sunt instalate aceste sisteme de incalzire, limiteaza riscurile de poluare a atmosferei ambiante prin gazele arse. Aparatele cuprind si reflectoarele din aluminiu slefuit, montate deasupra tuburilor si repartizate pe toata lungimea acestora. Pentru instalatiile situate in incinte comportand emisii de gaze (de exemplu atelierele de sudura), reflectoarele din aluminiu pot fi inlocuite prin reflectoare din otel inoxidabil. Arzatoarele propuse in prezent au puteri cuprinse intre 15 si 19 kW. Randamentul global de ardere este de 0,85 la 0,90 din PCI. Randamentul practic al radiatiei spre sol este de 0,55 la 0,70. In regim stabilizat, in aval de arzator, temperatura este de ordinul 350 oC. Gazele arse sunt evacuate la o temperatura de aproximativ 150 oC. Tuburile radiante pot fi suspendate fie de plafonul incintei incalzite, fie pe peretii verticali ai cladirii daca aceasta este prea inalta sau poseda un pod rulant.

Diverse accesorii completeaza aceste aparate: - Un termostat plasat in incinta incalzita. Ca in toate sistemele de incalzire prin radiatie va fi esentiala fixarea unui punct de functionare a aparaturii de reglare si nu a unei temperaturi ambiante a incaperii.


- 12 -

- Un regulator manometric de presiune plasat la intrarea ventilatorului de extractie. El serveste la buna functionare a electrovanei principale de alimentare cu combustibil. Diferitii parametrii cu care se poate lucra sunt: distanta dintre tuburile radiante si numarul de arzatoare sau aparate monobloc. Gama de puteri pentru tuburile in serie este de la 15 la 30 kW, iar temperaturile dezvoltate 600 - 150 oC. Inaltimea minima de respectat deasupra obiectelor sau persoanelor pentru a crea o buna senzatie de confort termic este de 3m. Inaltimile uzuale sunt: 4,5 - 7 m. Deoarece cresterea temperaturii se realizeaza rapid, aceste sisteme de incalzire raspund bine la problema intermitentei. Deasemenea, aceste sisteme de incalzire se preteaza bine la configuratii evolutive. Reglarea fiecarui arzator se efectueaza prin tot sau nimic sau exista posibilitatea unui sistem de comanda si reglare care actioneaza asupra fiecarui arzator independent si care permite deci obtinerea unei incalziri adaptata la zonele sau la locurile de munca cu necesar de caldura fix. Fiabilitatea aparatelor de incalzire prin radiatie este in general foarte mare, dar o buna intretinere a echipamentelor este esentiala pentru ca utilizatorul sa beneficieze total de acestea si pentru ca instalatiile sa functioneze intotdeauna in conditii optime. I.3. CONFORTUL TERMIC SI RADIATIA Calitatea ambiantei in care omul isi desfasoara activitatea are o influenta complexa asupra organismului uman, atat sub aspect fiziologic (metabolism), cat si sub aspectul productivitatii muncii. Notiunea de confort termic este o notiune abstracta si relativ dificil de apreciat. Senzatia de "bine" cum poate fi definit confortul termic, rezulta dintr-o satisfacere a individului intr-un mediu, fiind in esenta subiectiva. Confortul termic este realizat atunci cand sunt satisfacute simultan urmatoarele conditii:

- cantitatea de caldura produsa prin metabolism este egala cu cantitatea de caldura cedata mediului. Aceasta conditie face referire la temperatura uscata a aerului, temperatura medie de radiatie, umiditatea relativa, viteza aerului si gradul de izolare termica (ecuatia de echilibru termic).


- 13 - - in oricare punct al corpului, sa nu se resimta senzatia de rece sau de cald. Aceasta conditie face referire la curentii de aer, radiatia asimetrica, gradientul vertical de temperatura si temperatura pardoselii.

O persoana supusa unei radiatii termice se comporta ca un receptor care absoarbe o parte din aceasta. Pielea este transparenta la o radiatie de 1,5 μm care va fi deci absorbita in profunzime de organism. Din contra, el este este relativ opac la o radiatie cu lungime de unda superioara, care este astfel absorbita in suprafata. Cateva precizari despre actiunea psihologica a infrarosiilor: - radiatia infrarosie nu are efecte fotochimice; - pielea, care reprezinta primul nivel de receptie, reactioneaza in functie de pigmentii sai, de continutul sau in apa, de tesutul celular. In terapeutica se retine clasamentul urmator:

• λ > 5 μm - absorbtie in suprafata; • 1,5 μm ≤ λ ≤ 5 μm - absorbtie in epiderma si derma; • 0,76 μm ≤ λ ≤ 1,5 μm - absorbtie in profunzime.

Bilantul termic al corpului uman In procesul arderilor interne corpul omenesc, prin metabolismul sau, genereaza o cantitate de caldura care depinde de felul activitatii desfasurate, de temperatura mediului inconjurator, de varsta, sex, etc. Puterea metabolica raportata la unitatea de suprafata a corpului poate fi considerata in principal dependenta de felul activitatii desfasurate: Tipul de activitate Puterea metabolica specifica [W/m2] * In repaos - dormind 43 - culcat 47 - asezat 58 - in picioare 70 * Activitate sedentara 70 * Activitate usoara in picioare (comert, laboratoare, industrie usoara) 93 * Activitate medie in picioare (masini unelte, munci casnice, etc.) 116 * Activitate grea 175 Avandu-se in vedere ca omul primeste caldura de la mediul ambiant sau prin metabolismul cauzat de ingerarea de alimente si tinand seama ca pentru mentinerea temperaturii corpului uman la o valoare constanta, bilantul sau termic sub forma cea mai generala implica o relatie de forma:

f[M, η, I, ta, tmr, ϕ, va, tsk, Es/A] = 0 (I.1) variabilele implicate putand fi grupate astfel:


- 14 - * variabile subiective:

M - metabolismul energetic specific (cantitatea de caldura generata de om raportata la unitatea de suprafata);

η - randamentul mecanic - factor asociat efortului fizic depus de individ; I - rezistenta specifica a vestimentatiei; * variabile dependente de mediul ambiant: ta - temperatura aerului interior; tmr - temperatura medie radianta; ϕ - umiditatea relativa a aerului ambiant; va - viteza de miscare a aerului ambiant; * variabile fiziologice: tsk - temperatura medie la suprafata pielii; Es/A - fluxul termic latent specific asociat transpiratiei. Relatia I.1. reprezinta prima conditie de respectat pentru obtinerea confortului termic (neutralitatea organismului uman), adica toti factorii de mediu sa actioneze asupra organismului fara declansarea sistemului termoregulator (frictiuni musculare, vasocontractia, vasodilatarea, mecanismele sudoripare si evaporarea apei de la suprafata pielii - principalele mecanisme de reglare a temperaturii interne).

Utilizarea ecuatiei I.1 permite calculul tuturor combinatiilor dintre: temperatura aerului, temperatura medie de radiatie, umiditate, viteza curentilor de aer, in functie de nivelul de activitate si vestimentatie, pentru asigurarea confortului termic optim. Pe baza unor vaste serii de probe experimentale efectuate in camera climatica, Fanger [43] a demonstrat ca in conditii de confort termic, valoarea

Factorii ce caracterizeaza mediul in care omul evolueaza pot fi de natura: climatica, acustica, luminoasa, cromatica, radiativa, relatii de vecinatate, iar o parte dintre acestia se pot constitui in factori perturbatori ca de exemplu: asimetria radiatiei, curentii de aer, particulele poluante, vecini dezagreabili, etc. Pentru a caracteriza confortul termic, numarul variabilelor de care trebuie tinut cont este mare, principalele fiind cele implicate in ecuatia I.1 si provin din luarea in considerare a modurilor posibile de transfer termic intre om si mediu. Figura.I.4. Actiuni - interactiuni om - mediu.


- 15 - variabilelor fiziologice (temperatura medie cutanata si fluxul termic specific prin transpiratie) este univoc corelata cu valoarea metabolismului termic specific. Mecanismul de variatie al factorilor implicati astfel incat domeniul de variatie al valorilor numerice sa poata satisface conditiile de confort a fost amplu studiat de Fanger si in cele ce urmeaza sunt prezentate cateva exemple. In ceea ce priveste schimbul de caldura radiant al omului cu mediul ambiant, marimea lui este determinata de temperatura medie de radiatie a elementelor inconjuratoare. Cresterea temperaturii medii de radiatie trebuie sa fie intotdeauna insotita de scaderea temperaturii aerului interior si invers, corpul omenesc sesizand influenta lor simultana si combinata, introdusa prin temperatura rezultanta calculata uzual (pentru va < 0,2 m/s; tmr - ta < 4 oC; αc ≅ αr) ca:

tt t

2Ri mr=+ [oC] (I.2)

dupa Missenard [74].

Figura.I.5. Diagrama confortului termic ( dupa Fanger [43])

Aceasta temperatura rezultanta este temperatura senzoriala prin care omul percepe in realitate, nu o anumita temperatura fizica a mediului in care se afla, ci masura in care


- 16 - acest mediu asigura evacuarea caldurii din organism, deci starea de neutralitate termica. Diagrama din figura I.5 prezinta, in functie de rezistenta termica a imbracamintei si al nivelului de activitate desfasurata, valoarea temperaturii rezultante corespunzatoare conditiilor de confort optim, calculata dupa Fanger. 1 clo = 0,155 m2 °C/W 1 met = 58,2 W/m2 Nielsen si Petersen [78] au stabilit ca debitul de caldura perceptibila evacuata este direct proportionala cu diferenta de temperatura dintre temperatura pielii si temperatura medie a ambiantei si recomanda, in special pentru sistemele de incalzire prin radiatie de joasa temperatura, ca temperatura aerului sa fie cuprinsa intre 15 - 25oC. Actualmente pentru zona de confort, restrictia este mai severa, si anume: temperatura aerului interior: 19...23oC, temperatura medie de radiatie 16...25oC, facandu-se si o corelatie cu coeficientul global de transfer termic k al elementelor delimitatoare ale incintei( figura I.6).

Figura I.6. Zona de confort determinata de Ta si Tmr

(Recknagel - Spreenger si Homman [95]) Rezultatele experimentarilor facute si corelatiile realizate prin acestea ofera posibilitatea prevederii senzatiei termice medii a unei persoane ce se gaseste intr-un mediu ambiental bine determinat si exersand o anumita activitate fizica, PMV (Predicted Mean Vote). Acest indice (vot mediu previzibil) este exprimat sub forma unei scale de coordonate (-3, 3), ce corespunde senzatiei gradate intre frig si cald.

PMV -3 -2 -1 0 1 2 3 Senzatia termica

foarte rece

rece usor rece neutru usor cald cald foarte cald


- 17 - Fanger introduce o functie statistica ce permite determinarea PMV asupra unui grup de persoane expuse: PMV = f{M, η, I, ta, tmr, va, tv} (I.3) in care semnificatia marimilor este aceeasi ca si in cazul relatie I.1, iar: tv - este temperatura suprafetei imbracamintei; se calculeaza cu relatia urmatoare: t M I M M p

m M p tv v

v a

= − − − ⋅ − − ⋅ − − − −− − − ⋅ − − −

−357 0 028 0155 305 10 5733 6 990 42 5815 17 10 5867 0 0014 34

3

5. . ( ) . ( ) . [ . ( ) ]

. [( ) . ] . ( ) . ( )η η η

η (I.4)

Pentru un PMV obtinut se calculeaza apoi procentul de persoane insatisfacute PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) care corespunde unui criteriu de evaluare afectiva. PPD se calculeaza in functie de PMV cu relatia:

PPD ePMV PMV

= −− −⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥100 95

0 03353 2 0 2179 2. . [%] (I.5)

Situatia de confort optim, PPD = 5%, este obtinuta cand indicele PMV = 0 dupa cum indica figura I.7.

Figura I.7. Corelatia dintre PMV si PPD

Desi corpul uman poate fi neutru termic intr-un mediu, adica ecuatia de echilibru termic este satisfacuta, exista posibilitatea absentei confortului termic ca efect al existentei unui disconfort local cauzat de un camp de radiatie asimetric, de contactul cu o pardoseala calda sau rece, de un gradient de temperatura vertical sau de o racire convectiva a corpului (curent). Gradientul vertical de temperatura Neomogenitatea mediului ambiant poate conduce la ecarturi de temperatura destul de importante intre temperatura la nivelul capului si al picioarelor. Aceasta senzatie apare in zona de ocupare daca ecartul de temperatura devine superior valorii de 3K. Figura I.8 arata efectul gradientului de temperatura pe verticala in functie de care se stabileste procentajul de insatisfactie (figura I.9), dupa


- 18 - cum arata Olesen si Fanger [43] in urma masuratorilor efectuate la 1,1m deasupra pardoselii si 0,1m la nivelul gleznelor ( pe subiecti asezati ). Temperatura pardoselii Senzatia de disconfort este data deasemenea de temperaturile prea scazute sau prea ridicate ale pardoselii. Efectul pardoselii calde sau reci a fost intens investigat de Olesen [79]. Valorile temperaturilor pardoselii gasite acceptabile sunt : 21...28oC pentru picioare goale, cu un procent de persoane insatisfacute de 15%, 25oC pentru persoane asezate si 23oC pentru persoane in miscare. Din figura I.10. se observa optimul, si anume, un procent de 6% persoane insatisfacute pentru 24oC.

Figura I.10. Procentul de persoane nesatisfacute in functie de temperatura pardoselii.

Figura I.8. Efectul temperaturii radiante asimetrice in cazul plafonului cald.

Figura I.9. Procentul de persoane nesatisfacute in functie de gradientul vertical.


- 19 - Curentii de aer Reprezinta una dintre cele mai frecvente cauze de disconfort datorita sensibilitatii crescute a receptorilor din piele la schimbarile de temperatura. Amplitudinea senzatiei de disconfort realizata cu ocazia introducerii unor curenti de aer intr-o incinta, asupra persoanelor prezente, este proportionala, atat cu viteza curentului de aer si a fluctuatiilor acesteia (nivelul de turbulenta), cat si cu diferenta de temperatura intre curentul de aer si temperatura mediului. Ca rezultat al cercetarilor lor Fanger si Christensen [44] au produs o harta a curentului, care identifica procentajul de persoane insatisfacute, prezentata in figura I.11; deasemenea, este prezentat in figura I.12, procentajul de persoane insatisfacute de curentul de aer resimtit in zona capului, in functie de viteza medie a acestuia, remarcandu-se efectul temperaturii curentului asupra PPD. Relatia matematica care da procentul de persoane insatisfacute este:

PPD vta

=−

− ++ − ⋅13800 0 04

137 1370 0293 2 857 104{[ .

( . ) .. ] . } [%] (I.6)

unde: v - viteza medie a aerului, m/s; ta - temperatura aerului,oC. Asimetria radiatiei - in vecinatatea peretilor reci, ferestrelor, sau in prezenta elementelor de incalzire prin radiatie.

Temperatura medie de radiatie nu permite descrierea corecta, totala, a mediului radiativ, deoarece acesta prezinta neomogenitati termice importante. Este motivul pentru care se apeleaza la o alta marime: temperatura radianta asimetrica tra,

Figura I.11. Influenta vitezei medii a curentului de aer asupra PPD.

Figura I.12. PPD in functie de viteza si temperatura curentului de aer pentru persoane lejer imbracate.


- 20 - care reprezinta diferenta dintre temperaturile plane radiante a doi pereti opusi unui element mic plan. Temperatura radianta plana poate fi calculata pornind de la cunoastera temperaturilor tuturor suprafetelor inconjuratoare si a coeficientilor unghiulari, cu respectarea elementului plan mic pentru care este calculata temperatura radianta asimetrica, adica: Tpr T Fp T Fp Tn Fp n

414

1 24

24= − + − + + −...... [K] (I.7)

unde: Tpr - temperatura radianta plana, K; Tn - temperatura suprafetei n, K; Fp-n-factorul de forma (coeficient unghiular) intre elementul de suprafata plana mic si suprafata respectiva, n. Studiile deja facute ( Fanger, Olesen, McIntyre [43]), arata sensibilitatea marita la asimetria orizontala a radiatiei fata de asimetria verticala, la asimetria cauzata de un plafon cald fata de o suprafata verticala rece sau faptul ca sensibilitatea este mai redusa in cazul unui plafon rece si a unui perete cald (figura I.13.). Limita in directia verticala este de 5K, iar in directie orizontala este de 10K.

Figura I.13. PPD in functie de temperatura radianta asimetrica in diferite cazuri (dupa Fanger si Olesen [43])

Pentru calculul temperaturii medii de radiatie si a factorilor de confort radiativ exista posibilitatea abordarii: teoretice, experimentale si numerice. ∗Abordarea teoretica este bazata pe calculul marimilor fizice, indicii de confort fiind rezultatul modelelor teoretice continand ipoteze simplificatoare. Daca Ap este proiectia corpului unei persoane aflate in campul radiativ al unui panou radiant intr-un plan perpendicular pe directia de radiatie, ecuatia de bilant termic se scrie in functie de temperatura medie de radiatie Tmrp daca panoul radiant


- 21 - este prezent, de temperatura medie de radiatie in absenta panoului Trm , de fluxul de caldura radiativ emis de panou qr , a carui valoare este cunoscuta si de temperatura imbracamintii Tv:

ε π ε σp Aef v Trmp p Aef v Trm A p a q r⋅ ⋅ − = ⋅ − − ⋅ ⋅(T ) (T )4 4 4 4 (I.8) unde: Aef - aria suprafetei corpului persoanei aflata in campul radiant; a - coeficientul de absorbtie a imbracamintei pentru lungimea de unda ce caracterizeaza maximul de emisie al panoului radiant. Din ecuatia de bilant termic I.8 se obtine temperatura medie de radiatie pentru persoana respectiva:

T TA a qArmp rm

p r

ef p

= +⋅ ⋅

⋅[ ] .4 0 25

ε σ [K] (I.9)

Se obtine: T T f a qrmp rm p r= + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅( . ) .4 8 0 250 208 10 [K] (I.10)

∗Abordarea experimentala se bazeaza pe studiile statistice efectuate pe grupuri reprezentative de persoane cu mentinerea constanta a unor conditii de

daca se noteaza cu : fp =AA

p

ef

pentru a se obtine o independenta de dimensiunile persoanei (functie de directia radiatiei si pozitia persoanei) si se inlocuieste in relatia de mai sus valoarea tuturor constantelor. Sub forma grafica rezultatele sunt prezentate in figura I.14: Figura I.14. Diagrama pentru determinarea temperaturii medii de radiatie pentru o persoana situata in campul radiativ al unei surse radiante.


- 22 - echilibru termic si varierea acelor conditii care determina schimbari in campul radiativ (directia radiatiei, intensitatea de radiatie). Dupa masurarea marimilor radiative se pot face predictii asupra conditiilor de confort pentru diferite medii ambientale, insa calculele sunt laborioase chiar si pentru configuratii simple, iar masuratorile radiometrice au intotdeauna o eroare semnificativa datorita influentei corpurilor prezente in incinta. Pentru masurarea temperaturilor medii de radiatie, Olesen [79] propune utilizarea radiometrelor elipsoidale pentru care raportul dintre aria proiectiei in planurile orizontal si vertical si aria totala corespunde aceluia caracteristic corpului uman. Masurarea temperaturii medii de radiatie se poate face deasemenea, cu ajutorul radiometrului cu doua sfere, una neagra si cealalta polizata, sau cu radiometrul cu sfera neagra, insa, in toate situatiile, influentele celorlalte caracteristici ale mediului sunt ridicate si direct proportionale cu acestea si riscul erorilor. Fanger [43] a realizat studii privitoare la asimetria radiatiei in celule experimentale, continand un perete sau un plafon ale caror temperaturi variau pe suprafata pentru obtinerea asimetriei, in urma carora au fost stabilite limitele confortului termic. Rezultatele caracteristice geometriei date sunt prezentate sub forma unor nomograme (sau pot fi folosite nomograme complementare pentru extrapolarea la geometrii diferite). Aceasta metoda este dezavantajoasa datorita timpului de calcul mare si a posibilitatii ridicate de erori la citirea nomogramelor. ∗Abordarea numerica are ca principal avantaj, posibilitatea simularii conditiilor reale ale mediului, cu includerea proprietatilor reale ale corpurilor si a geometriei existente. Pentru calculul temperaturii medii de radiatie se modeleaza un corp negru sferic, ce se pozitioneaza in punctul dorit pentru efectuarea calculului si se traseaza raze din centrul acestei sfere. In final se pot obtine radiozitatile energetice globale sau iluminarile. Valoarea temperaturii medii de radiatie este data de ecuatia de echilibru: σ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

=∑Trm Ai Fji A j J jj

n41

(I.11)

Daca se tine seama ca factorii de forma sunt reciproci, se obtine:

T F Jrm ij jj

n

==∑[ ] .1

1

0 25

σ (I.12)

Precizia rezultatelor depinde de proprietatile radiative reale ale corpurilor (emisivitatea reala), de specularitatea reala a reflexiei (ipotezele simplificatoare considera reflexia difuza ceea ce conduce la obtinerea unui camp radiativ uniform repartizat, in timp ce in realitate, partea spectrala a reflexiei determina o repartitie mai putin uniforma a campului radiativ), de tipul sursei radiante (constatandu-se ca sursele radiante concentrate, atat ca dimensiuni, cat si ca temperatura de radiatie, se comporta mai slab din punctul de vedere al confortului


- 23 - obtinut decat sursele de temperaturi mai scazute si cu dimensiuni mai mari - figura I.15) si de numarul de raze trasate pentru calculul temperaturii medii de radiatie. Acesta influenta este redata in figura I.16:

Figura I.15. Campurile radiante create de surse de temperaturi diferite (dupa M. Manolescu [70]).

Figura I.16. Influenta numarului de raze trasate asupra preciziei rezultatelor (dupa M.Manolescu [70]).

Campul radiant dat de trei surse radiante avand o temperatura de 800K, plasate intr-o hala industriala.

Campul radiant dat de trei surse radiante avand o temperatura de 400K, plasate intr-o hala industriala.


- 24 - Distributia PMV si a temperaturii medii de radiatie pentru situatia unei hale industriale avand ca elemente de incalzire prin radiatie doua surse radiante de 250oC este aratata in figura I.17a si variatia PPD in functie de pozitia persoanelor in campul radiant si de pozitia pe verticala a surselor radiante este prezentata in figura I.17b (dupa P. Brunello si A. Cavallini [24]). (a) (b) Figura I.17.(a) Distributia PMV si a temperaturii medii de radiatie in incinta unei hale, cu elemente radiante plasate la 10m pe orizontala si 6m pe verticala. (b) PPD in functie de pozitia persoanei in campul radiant pentru diverse inaltimi h de montare a elementelor radiante cu pasul 10m.

curs1+2

Documents