Spuma Poliuretanica spuma poliuretanica, izolatii termo, fono si hidro pentru profesionisti,utilaje,reactoare,izolatii cu spuma poliuretanica

REZUMAT

Obiectul studiului este acela de a cuantifica printr-un experiment real economia de energie prin utilizarea izolarii si diferentele intre trei tipuri de materiale de izolare. Este bine cunoscut ca este necesar sa se izoleze cladirile pentru scaderea necesitatilor termice (respectiv, cerintele de incalzire si racire ale structurii). Nu numai costul ridicat al combustibilor fosili si necesitatea de reducere a emisiilor de CO2 reclama concentrarea pe aceasta necesitate, dar noul cod tehnic de constructii din Spania [1] impune acum formal ca sa se dea mai multa atentie izolarii constructiilor. Pe piata sunt disponibile diferite materiale de izolatie. De obicei acestea sunt comparate prin conductivitatea lor termica pe baza unor calcule teoretice. Aceste teste se realizeaza intr-un mediu static de laborator. In lumea reala o cladire este expusa multor factori care nu sunt luati in consideratie la generarea datelor privind conductivitatea termica. Nu exista comparatii ale structurii complete utilizand codul spaniol de constructii in care sa fie studiate performantele materialelor tipice pentru izolatii. Autorii au realizat o comparatie pe structuri complete a unui material tipic de izolatie, precum spuma poliuretanica, utilizand cabane de testare, care reprezinta practica tipica de constructii in Spania. Cabanele de test pentru acest studiu au fost cuburi de 2,4 x 2,4 x 2,4 m. Acestea au fost construite utilizand sistemul conventional de constructii, cu material de izolatie din poliuretan aplicat prin stropire cu grosimea de 5 cm si au fost comparate cu un cub neizolat si cu cuburi izolate echivalent cu vata minerala sau polistiren. Cuburile au avut un aparat de aer conditionat domestic ca sistem de racire in timpul verii si un radiator cu ulei ca sistem de incalzire pe timpul iernii. In ambele cazuri a fost inregistrat consumul de energie precum si temperatura ambianta interna. S-au masurat performantele termice si umiditatea interna si externa structurii din 2008 pana in 2009. Rezultatele acestui test la scara mare vor fi prezentate in aceasta lucrare.

INTRODUCERE

Izolatia termica a caldirilor este un factor important pentru realizarea confortului termic al ocupantilor. Izolatia reduce pierderile nedorite de caldura si pot reduce cererile de energie ale sistemelor de incalzire si racire. Datorita costului ridicat al combustibilor fosili si necesitatii de reducere a emisiilor de CO2, impuse de noul cod tehnic de constructii din Spania, izolarea cladirilor a devenit foarte importanta. Pe piata exista diferite materiale de izolare. De obicei acestea sunt comparate pe baza conductivitatii lor termice si prin calcule teoretice, dar nu sunt disponibile comparatii experimentale, in care sa se compare astfel de materiale de izolare.

Autorii au demarat comparatia experimentala a trei materiale tipice de izolare: spuma poliuretanica, polistiren extrudat si vata minerala si au utilizat ca referinta o cladire neizolata de tip mediteraneean. In prezenta lucrare sunt prezentate procesul de constructie, rezultatele experimentale si performantele energetice.

PARTEA EXPERIMENTALA

Sistemul experimental

Sistemul experimental pentru acest studiu a constat in patru cuburi construite cu tehnicile tipice de constructii mediteraneene. Fig. 1 prezinta cuburile de demonstatii situate in Puiverd de Lleida (Lleida), unde exista un numar total de 9 cuburi. Unele din acestea sunt pentru alte experimente diferite neconexe, care se pot gasi oriunde [2 si 3]. Aceasta lucrare vizeaza numai rezultatele obtinute numai cu patru din aceste cuburi. Locatia este clasificata conform noii legislatii spaniole in constructii ca D3, ceea ce inseamna ierni reci si veri calde si uscate. O zona climatica similara un SUA este cea din Fresno, California, care apartine zonei climatice californiene 13.

Structura a fost realizata cu 4 stalpi de mortar, cu bare de armare, cate unul in fiecare colt al cubului. Baza consta dintr-o baza de mortar de 3×3 m cu piatra sparta si bare de armare. Peretii sunt din caramizi perforate (29x14x7,5 cm) cu material de izolatie (in functie de cub) pe partea exterioara si tencuiala pe partea interioara. Finisajul exterior s-a realizat cu caramizi cu gauri si o finisare din mortar de ciment. Intre caramizile perforate si caramizile cu gauri exista o camera de aer de 5 cm. Acoperisul s-a executat din grinzi de beton prefabricate si placa de beton de 5 cm. Finisajul interior este tencuiala. Materialul izolant este asezat peste beton, protejat cu un strat de mortar de ciment cu o inclinare de 3% si o membrana dubla de asfalt. Figura 1 prezinta solutia de construire a cubului izolat cu spuma poliuretanica

Fig. 1 Solutia de constructii pentru cubul cu PU

Pentru cuburile care utilizeaza diferite materiale de izolare sau care nu utilizeaza izolatie se compara:

1. Cubul de referinta (Referinta): Acest cub nu are izolatie

2. Cubul izolat cu spuma poliuretanica (PUR): Materialul de izolare utilizat este spuma poliuretanica aplicata prin stropire in celule inchise de 5 cm Poliuretan® Spray de la Synthesia Internacional, S.L.U. Agentul de propulsie utilizat este Enovate® HFC 245fa de la Honeywell –

3. Cubul izolat cu vata minerala (MW): Materialul de izolare utilizat este vata minerala cu grosimea de 5 cm.

4. Cubul de polistiren (XPS): Materialul de izolare utilizat este polistiren extrudat de 5 cm

Cele mai importante proprietati ale materialelor de izolare sunt prezentate in Tabelul 1.

In aceste cuburi nu exista ferestre. O usa in peretele de nord este singura deschidere. Ca exemplu, Fig. 3 arata ca nu exista punti termice in acestea. Fig. 4 la 9 prezinta diferite faze ale procesului de constructie al cuburilor.

Pentru a evalua performantele termice ale fiecarui material pentru fiecare cub s-au inregistrat urmatoarele date:

• Temperaturile peretilor interiori (este, vest, nord, sud, acoperis si pardoseala) si de asemenea temperatura exterioara a peretelui de sud.

• Temperatura ambianta interioara (la inaltimea de 1,5 m) si umiditatea

• Fluxul de caldura pe peretele sud (interior si exterior)

• Consumul electric pentru aerul conditionat sau incalzitorul electric

• Iradiatia solara

• Temperatura ambianta exterioara si umiditatea

Fig. 2 Cuburile demonstrative la Puigverd de Lleida (Lleida)

Tabel 1. Proprietatile fizice ale materialului de izolare

Fig. 3. Imaginea termografica a unei laturi a unui cub

Experiente realizate

Sistemul experimental ofera posibilitatea de a efectua doua feluri de teste:

• Temperatura liber flotanta, unde nu se utilizeaza nici un sistem de incalzire / racire. Se compara conditiile de temperatura in cuburi

• Temperatura controlata, unde vara se utilizeaza o unitate de aer conditionat si iarna un radiator electric cu ulei. Consumul de energie al cubului este comparat utilizand diferite puncte stabilite.

REZULTATE SI DISCUTII

Cuburile au fost construite in primavara anului 2007. In anii 2008 si 2009 s-au realizat diferite experimente de testare pentru a testa performanta energetica a sistemului. Se publica numai o saptamana din perioadele de vara 2008 si iarna 2009, deoarece acestea sunt cele mai reprezentative pentru obiectivele de studiu.

Rezultatele pentru perioada de vara

Fig. 10 prezinta datele climatice ale unei sapatamani tipice de vara in climatul continental-mediteranean, care oscileaza de la 15 la 35 ^°C. Aliura temperaturii exterioare este foarte asemanatoare in toate zilele saptamanii; radiatia solara este partial blocata in unele zile (curbele care nu au o forma clar sinusoidala) datorita norilor si varfurile de radiatie sunt intre 900 si 1100 W/m2 in fiecare zi. Umiditatea prezinta trenduri similare in orice sapatamana in acasta perioada a anului, fiind destul de ridicata noaptea si foarte scazuta in cursul zilei.

Fig. 10. Date climatice pentru a doua sapatamana a lunii august 2008: radiatia solara, temperatura exterioara si umiditatea exterioara

Fig. 11 prezinta temperaturile liber flotante in interiorul cuburilor in comparatie cu temperatura exterioara. Valorile temperaturilor interioare prezinta usoare fluctuatii in cursul saptamanii, datorita lipsei climatizarii si inertiei termice relativ mari a cuburilor. Insa temperaturile in cubul de referinta au o oscilatie mai mare fata de cuburile izolate (circa 2 ^°C fata de 1 ^°C pentru cele izolate). Intre cuburile izolate, diferentele sunt mai mici, reprezentand in toate cele trei aceeasi tendinta de incadrare intr-o diferenta de 1 ^°C intre ele. Cubul izolat cu spuma poliuretanica este cel cu temperaturile mai mici iar cubul cu vata minerala este cel cu temperaturile cele mai mari in cursul saptamanii.

Fig. 11. A doua sapatamana din august 2008: temperatura exterioara si temperatura interioara

Fig. 12 prezinta datele climatice ale unei saptamani din a doua parte a lunii august utilizate pentru experimentele cu temperatura controlata. Temperaturile aici sunt foarte asemanatoare celor din sapatamana prezentate anterior, cu oscilatii zilnice in domeniul 15 – 35 ^°C. Aliura temperaturilor exterioare este foarte asemanatoare in cursul sapatamanii, a treia zi find usor mai rece decat restul saptamanii; radiatia solara este cuprinsa intre 800 si 1100 W/m2 in fiecare zi. Fig. 13 prezinta temperaturile exterioare si temperaturile interioare pentru cele patru cuburi. In aceasta saptamana, punctul de referinta la aparatul de aer conditionat a fost fixat la 24 ^°C, iar temperatura in interiorul tuturor cuburilor a fost constanta in jurul acestei valori.

Fig. 12. Date climatice pentru ultima sapatamana a lunii august 2008: radiatia solara, temperatura exterioara si umiditatea exterioara

Fig. 13. Ultima sapatamana din august 2008: temperatura exterioara si temperatura interioara

Fig. 14 prezinta consumul electric cumulat al instalatiei de climatizare. Energia cubului de referinta este mult mai mare decat cea a cuburilor izolate. Diferentele intre cuburile izolate sunt mai mici, consumul pentru cubul izolat cu spuma poliuretanica dupa o saptamana fiind cu 18% si 26% mai mic decat cel pentru cuburile izolate cu vata minerala si respectiv polistiren expandat. Economia de energie intre cubul de referinta si cubul izolat cu spuma poliuretanica PUR in aceasta saptamana este de circa 55%. Presupunand circa 4 luni din perioada de vara cu cerinte de racire similare cu cele din sapatamana din august prezentate mai sus, un pret al energiei electrice de 0,08 Euro / kWh si un factor de emisie de CO2 pentru electricitatea din Spania de 0,649 kg CO2 / kWh, economiile de cost al energiei, si reducerea de emisii de CO2 pentru cubul izolat cu spuma poliuretanica vor fi 120,5 kWh, 9,6 Euro si 78,2 kg de CO2, respectiv. Valorile echivalente normalizate pe metrul patrat de suprafata construita sunt 2,9 kWh/m2, 1,7 Euro/m2 si 13,6 kg CO2/m2. In cazul practic al unei case mediteraneene tipice pentru o singura familie de 100 m2, economiile estimate pentru perioada de vara datorita introducerii izolatiei cu PUR sunt: 2.092 kWh, 167,4 Euro si 1.358 kg CO2.

Fig. 14. Ultima saptamana din august 2008: Consumul cumulat de energie al instalatiei de aer conditionat

Rezultatele pentru perioada de iarna

Rezultatele avute in vedere in experimentele liber flotante din a doua sapatamana din luna Ianuarie 2008. Fig. 15 prezinta datele climatice pentru aceasta saptamana. Temperaturile sunt relativ scazute in aceasta saptamana, osciland intre 0 si 15 °C; radiatia solara a fost intre 200 W/m2 si500 W/m2. Umiditatea a oscilat intre 70% (in cursul zilei) si 100% (noaptea), cu o scadere la sfarsitul saptamanii, scazand pana la 40-50% datorita unei radiatii solare semnificative si constante.

Fig. 15. Date climatice pentru ianuarie 2008: radiatia solara, temperatura exterioara si umiditatea exterioara

Fig. 16 prezinta temperaturile liber flotante interioare pentru cuburile studiate. Valorile temperaturilor interioare prezinta usoare fluctuatii in cursul sapatamanii, datorita lipsei incalzirii. De asemenea, este observata o tendinta de crestere a temperaturii pe parcursul saptamanii. Dar temperatura in cubul de referinta are o oscilatia mai mare (circa 1,5 °C) fata de cuburile izolate (cu oscilatii sub 0,5 °C). Intre cuburile izolate, diferentele sunt mai mici, reprezentand virtual aceeasi tendinta.

Fig. 17 prezinta datele meteorologice pentru luna februarie, cand s-au efectuat experimente cu temperatura controlata. Aceasta saptamana are o tendinta a diferita a varfului de radiatie solara in domeniul 600-800 W/m2. Multe din zile prezinta nori intermitenti. Temperaturile sunt inca reduse noaptea dar cresc considerabil in cursul zilei. Acestea oscileaza intre 0 °C si 15 °C. Umiditatea in aceasta saptamana este ridicata in ultimele trei zile, cu valori osciland intre 60% si 100%.

Fig. 18 prezinta temperaturile interioare ale cuburilor studiate. Eficacitatea incalzirii electrice este demonstrata, intrucat temperaturile interioare in cele patru cuburi este mentinuta la 24 °C, cu o fluctuatie de sub 1 °C.

Fig. 16. Ianuarie 2008: Temperatura exterioara si temperatura interioara

Fig. 17. Date climatice pentru februarie 2009: radiatia solara, temperatura exterioara si umiditatea exterioara

Fig. 18. Februarie 2009: Temperatura exterioara si temperatura interioara

Fig. 19 prezinta consumul cumulat de energie pentru aceasta sapatamana. Se observa o diferenta clara de consum intre cubul de referinta si cele trei cuburi izolate (in jurul unei valori medii de 35% economie de energie). Diferentele intre cuburile izolate sunt mai mici decat in situatia din vara. Cubul izolat cu spuma poliutretanica PUR este cel cu consumul cel mai mic, urmat de cubul izolat cu vata minerala (cu 5% mai mare) si cubul izolat cu polistiren extrudat (cu 9% mai mare). Presupunand circa 4 luni din perioada de iarna cu cerinte de incalzire similare cu cele din sapatamana din februarie prezentate mai jos, economiile de cost al energiei, si reducerea de emisii de CO2 pentru cubul izolat cu poliuretan vor fi 889 kWh, 71,1 Euro si 577 kg de CO2, respectiv. Valorile echivalente normalizate pe metrul patrat de suprafata construita sunt 154,4 kWh/m2, 12,4 Euro/m2 si 100,2 kg CO2/m2. In cazul practic al unei case mediteraneene tipice pentru o singura familie de 100 m2, economiile estimate pentru perioada de vara datorita introducerii izolatiei cu PUR sunt: 15435 kWh, 1.235 Euro si 10.017 kg CO2.

Fig. 19. Februarie 2009: Consumul cumulat de energie al instalatiei de aer conditionat

CONCLUZII

In prezenta lucrare este prezentata o configuratie experimentala pentru evaluarea influentei izolatiei la cladiri. Au fost construite si prevazute cu instrumente mai multe cuburi. Consumul de energie al instalatiei electrice de aer conditionat vara si al radiatoarelor electrice cu ulei iarna arata ca utilizarea izolatiei este foarte importanta in scaderea cerintelor de energie ale cladirii si pentru reducerea emisiilor de CO2 in orase. Chiar daca diferentele intre materialele de izolare pot varia usor, rezultatele de pana acum arata ca spuma poliuretanica este materialul de izolatie cu cel mai redus consum de energie, in timp ce vata minerala si polistirenul extrudat prezinta valori mai mari, ceea ce era de asteptat luand in consideratie conductivitatile termice ale acestor materiale de izolare. Acest lucru este important in special luand in considerare economiile cumulate pe baza duratei medii de viata a cladirilor. Experimentele vor continua pentru a verifica daca imbatranirea materialelor de izolatie are vreo incfluenta asupra consumului de energie.

MULTUMIRI

Autorii doresc să confirme cu gratitudine sprijinul acordat de Honeywell (Mary Bogdan, Paul Sanders si Karim Tarzi), in cadrul programului lor general pentru a sprijini cercetarea în domeniul eficientei energetice si izolatiilor in universităti si institutii din întreaga lume. Honeywell a sprijinit în mod activ acest proiect de la conceptie până la raportul final, asigurand atât sprijin financiar cat si asistenta tehnica necesara. Autorii doresc, de asemenea, să multumeasca D-rei Inés Fernández de la DIOPMA Centrul de Universitat de Barcelona pentru colaborarea si lui Marc Medrano si Albert Castells de la GREA pentru sprijin si consiliere.

BIBLIOGRAFIE

1. www.codigotecnico.org

2. Cabeza, L. F., Castellón, C., Nogués, M., Medrano, M., Leppers, R. and Zubillaga, O. 2007 “Use of microencapsulated

PCM in concrete walls for energy savings” Energy and Buildings 39:113-119.

3. Castell, A. 2009 “Analysis and implementation of thermal energy storage using phase change materials for cooling applications” PhD Thesis, University of Lleida, Lleida (Spain).

BIOGRAFII\

José Luis Müller

José Luis Müller s-a născut în 1967 în Barcelona (Spania). A absolvit în 1991 ca inginer Chimist la IQS (Instituto Quimico de Sarrià) si mai târziu a absolvit ca MBA de la ESADE Business School, ambele facultati care apartin de Universitatea Ramon Llull. El sa alăturat Grupului Poliuretanice de la Bayer sfârsitul anului 1991 si a ocupat functii de conducere în productie, asistentă tehnică, Marketing, Vanzari si achizitii până în ianuarie 2000. În ianuarie 2000, el s-a alăturat Merquinsa in calitate de Manager Vânzări Internationale pentru a derula pornire Business Unit TPU Elastomers. Din noiembrie 2005 până în prezent José Luis Müller conduce unitatea de afaceri poliuretanice de la Synthesia, fiind responsabil atât tehnic, cât si

comercial al activitătii privind case in Sistem PU precum si al afacerii poliester poliol, anterior cunoscut ca Hoocker S.A.

Antonio Subirats

Antonio Subirats s-a alăturat Synthesia Española în 1973, după ce a primit diploma în Inginerie tehnică de la EUETIB (Barcelona). A lucrat în diferite functii tehnice în afaceri cu poliuretani până în 1978, când s-a alăturat Sinteza ca. (Venezuela) în calitate de director de dezvoltare pentru sistemele de uretan până în 2004. Antonio s-a alăturat din nou Synthesia la departamentul de dezvoltarea tehnică în 2007.

Montserrat Gil

Montserrat a absolvit Universitat Rovira i Virgili în Tarragona (Spania) si detine o diplomă în Chimie. Ea s-a alăturat firmei Synthesia în 2001, după sapte ani de experientă în poliuretan rigid si polioli de bază de rigid într-o casă in sistem independent. Responsabilitătile sale anterioare de la Synthesia includ servicii de sprijin tehnic pentru sisteme flexibile si semi-rigide. Din 2003 responsabilitătile sale curente sunt în departamentul de cercetare de la Synthesia.

Luisa F. Cabeza

Prof. Dr. Luisa F. Cabeza sa născut în 1967 în Barcelona (Spania). A absolvit în 1992 ca Inginer Chimic la Universitatea Ramon Llull (Barcelona, Spania) unde, de asemenea, a absolvit cursul de Master in Managementul industrial în 1995 si si-a luat doctoratul în Inginerie Industrială în 1996. In perioada 1996-1998 ea a avut o pozitie post-doctorala la Centrul Regional Estic de Cercetare (ARS, USDA), în Philadelphia. În 1999 a venit la Universitatea din Lleida, unde a devenit profesor plin de inginerie termică în 2006. Este Seful grupului de cercetare privind energia aplicata (www.grea.udl.cat) de la această universitate.