Termografie la interiorul depozitelor frigorifice de tip Deep Freeze Vlad IORDACHE Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti Email : viordach@yahoo.com Florin IORDACHE Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti Email : fliord@yahoo.com Abstract Today, "Deep Freeze" warehouses represent a solution of local conservation for food (bread, pizza, ice cream, croissants, and others) before being removed for sale on the market. Fire protection in "Deep Freeze" warehouses is achieved by nitrogen generation installations that lead in reduced oxygen concentration inside the warehouse. However, the effect of these systems is still much lower due to infiltration of outside air with higher oxygen concentration. The purpose of this article is to present the results of a technical inspection by means of termography inside such a warehouse in order to point out the infiltration areas and possible thermal bridges at facade panels joining. "Deep Freeze" warehouses present a high interest in scientific terms because of the reverse air circulation inside and reversed thermosiphon effect compared to residential buildings. This paper presents this new phenomenon and from his perspective the results of the thermographic inspections are discussed. Key words : infrared thermography, deep freeze, warehouse infiltrations, warehouse thermal bridges Rezumat Depozitele frigorifice de tip Deep Freeze reprezinta astazi o modalitate de conservare locala si a alimentelor (painicele, pizza, inghetata, croisante, si altele) inainte de a fi scoase spre vanzare pe piata. Protectia la incendiu in asfel de depozite frigorifice se realizeaza prin instalatii in generare azot care duc la diminuarea oxigenului de la interiorul depozitului, deci la imposibilitatea aprinderii sau a intretinerii focului la interior. Efectul acestor instalatii este totusi mult diminuat datorita infiltratii de aer exterior cu concentratie mai ridicata in oxigen. Scopul acestui articol este de a prezenta rezultatele unei investigatii prin termoviziune realizata la interiorul unui astfel de depozitului frigorific pentru evidentiarea zonelor de infiltratii si a eventualelor puntilor termice de la imbinarea panourilor de fatada. Astfel de depozite frigorifice prezinta un interes ridicat din punct de vedere stiintific datorita fenomenului invers pe care il prezinta circulatia aerului la interiorul lor si al efectului de termosifon inversat in comparatie cu cladirile de locuinte. In acest articol este prezentat acest fenomen nou, si din perspectiva sa sunt comentate rezultatele acestei inspectii termografice. Cuvinte cheie : termografie, punti termice, infiltratii Technical Article 1
1. Introducere In economia de piata actuala se cunosc diferite modalitati de vanzare a alimentelor consumabile. Una din practicile folosite astazi este aceea a intermediarilor de produse congelate. Acestia cumpara produse de la producator, le depoziteaza in cladiri frigorifice amplasate in tara deservita si apoi le revand mai departe spre magazinele de desfacere. In acest articol prezentam un studiu de termografie infrarosu realizat la interiorul unui depozit frigorific in Europa Centrala. Aceste cladiri se aseamana din punct de vedere al regimului de inaltime cu blocurile de locuinte, dar structura lor de fabricatie este diferita (Figura 1). Aceste cladiri sunt construite pe sistem metalic, sunt foarte bine izolate termic (izolatii cu grosime mai mare decat in cazul cladirilor de locuinte, de peste 10 cm) fara ferestre si foarte putine usi catre exterior. La interiorul acestor cladiri nu exista plansee sau pereti, usi. Exista in schimb un sistem metalic de depozitare a paletilor de produselor (care este si structura de rezistenta a cladirii) si macarale automatizate pentru depositarea produselor [1,2,3,4,5]. Temperaturile de la interiorul acestor cladiri frigorifice sunt diferite functie de exigentele marfurilor de la interior si calitatea conservarii. In general sunt practicate temperaturi de -25ºC sau de -75ºC. Depozit frigorific secundar / incarcare descarcare marfa / spatii birouri Depozit frigorific principal Interior deposit frigorific Figura 1. Schema de principiu a unui depozit frigorific [1, 3] O problema importanta care se pune este cea de protectie la incendiu la interiorul acestor cladiri. Sistemele clasice (stingere prin stropire cu apa) nu pot fi folosite la interiorul cladirilor deoarece apa si vaporii de apa ar ingheta. Solutia cea mai des folosita este acea de a micsora concentratia de oxigen din aer; daca oxigenul scade sub 16% atunci nu va avea loc arderea. [5]. Acesta scadere a oxigenului se realizeaza prin intermediul de generatore de dioxid de azot. Dar aceste generatoare nu au efect decat daca nu exista infiltratii de aer exterior (caracterizat de o concentratie in oxigen de 21%) la interiorul cladirii. Astfel una dintre cerintele importante ale acestui tip de cladire este etansarea cat mai buna la infiltratii de aer [6]. In literatura de Technical Article 2
cercetare de specialitate exista foare putine studii in domeniul depozitelor de mari dimensiuni [7,8,9] si nici un studiu realizat pe depozite frigorifice. Tehnicile clasice de vizualizare a zonelor de infiltratii (anemometrie, cu generator de fum) nu pot fi folosite din mai multe motive: nu exista acces la fiecare zona de perete (nu exista scari la interior pentru fiecare perete si pentru fiecare nivel ), nu se poate sta la interiorul depozitului mai mult de maxim 30 min, nu se poate genera fum la exterior spre a fi introdus prin infiltratii la interior (cladirea este prea mare, bate vantul la 40m altitudine). O astfel de cladire industriala de mari dimensiuni nu poate fi analizata cu apartura clasica! Metoda folosita a fost aceea a termoviziunii in infrarosu care ne permite pozitionarea tehnicianului si a aparatului la departare fata de zona inspectata a anvelopei. Pentru o astfel de cladire, zonele de anvelopa susceptibile de infiltratii de aer sunt: zonele de imbinare intre ele a panourilor de perete, zonele de imbinare intre ele a panourilor de terasa, zonele de prindere a panourilor de nodurile retelei metalice de la interior, zonele de strapungere a anvelopei de catre conductele de agent frigorific si conductele conductele generatoarele de NO 2 si usi exterioare. Se va prezenta pe scurt depozitul frigorific analizat, problematica transferului de aer in acest tip de cladiri si pozele in infrarosu pentru diferitele tipuri de imbinari susceptibile. 2. Metoda In acest capitol vom prezenta pe scurt cladirea, principalele sale caracteristici constructive si problematica permeabilitati la aer a unei astfel de cladire. Cladirea, localizata in Europa, reprezinta cel mai mare depozit frigorific din Europa centrala si de est. Cladirea are regimul de inaltime P, fiind doar o hala mare, de dimensiuni aproximative: latime 25m, lungime 80m si inaltime 40m, volum 80000m 3 si suprafata de anveopa de peste 10000m 2. Regimul de temperatura interioara din acest depozit a fost de -25 o C. Inspectia prin termografie, a unei cladiri frigorifice atat de mari, nu se poate realiza prin vizualizare la exteriorul cladirii din mai multe motive: nu se cunoaste care este zona de infiltratii (deci trebuie inspectata toata anvelopa extrem de mare), nu se obtin vizualizari realiste (bate vantul si coeficientilor de transfer termic convectivi locali sunt variabili), periculozitate (40m inaltime), chiar si cele mai performante camere de termografie nu au densitatea de pixeli necesara pentru realizarea de poze de detaliu de la distanta. Prin urmare inspectia prin termografie trebuie realizata de la interiorul cladirii cu destinatie depozit frigorific. Aceata abordare este la randul ei dificila. In ciuda costumelor speciale de protectie nu se poate sta mai mult de 30 minute la interior datorita frigului (intreg sistemul de depozitare este automatizat, angajatii patrund foarte putin la interior). Reprize de pauza pentru a ne incalzi sunt necesare prin iesirea din zona frigorifica si fie intrarea in zona de birouri sau iesirea afara pe usi de acces spre schela exterioara. Lipsa schelei interioare pentru intreaga suprafata a anvelopei face imposibila investigarea in amanunt a intregii anvelope. Astfel studiul consta in investigarea Technical Article 3
diferitelor tipuri de imbinari care au fost utilizate in cazul constructiei respective si nu a intregii anvelope. Din punct de vedere al tirajului termic, temperatura mai scazuta de la interior fata de exterior pe intreaga durata a anului face ca tirajul sa fie in sens opus celui intalnit la cladiri de locuinte. Si anume aerul cald intra pe la partea de sus in cladire, co boara la interiorul cladirii si iese pe la partea de jos. Astfel vizualizarile termnografice la partea de jos nu vor prezenta eventual existenta unor neetanseitati (aerul exfiltrat este de aceeasi temperatura cu suprafetele interioare). In schimb, la partea de sus a cladirii avem infiltratii de aer mai cald de la exterior cu vapori de apa caracteristici mediului exterior spre interiorul depozitului frigorific. Aerul exterior infiltrat va incalzi materialele de constructii de la interiorul depozitului frigorific (suprafete interioare de pereti si structura metalica) din imediata apropiere de locul infiltratiei. Aceasta incalzire conduce la o crestere a temperaturii acestor suprafete cu aprox 10 15 o C (functie de debitul de aer infiltrat), deci temperatura fetei interioare a peretilor va ramane in continuare in jur de -10 o C. Ca urmare vaporii din aerul infiltrat vor condensa pe suprafata rece din apropierea zonei cu infiltratii (pana in 5m distanta) si apoi apa rezultata va ingheta. In imediata apropiere a orificiilor de infiltratii (pana in 1m distanta) fie datorita temperaturii mai ridicate a suprafetelor interioare (peste 0 o C) fie datorita jetului puternic infiltrat nu se va forma gheata. Acest fenomen de infiltratii duce la incalzirea suprafetelor interioare si se suprapune peste alte fenomene care duc la incalzirea suprafetelor interioare fie prin conductie (puntile termice in anvelopa depozitului frigorific) fie prin radiatie (reflexii ale corpurilor de iluminat obscur de la inteiorul depozitului, reflexii ale oamenilor) si altele. Astfel este necesara o analiza atenta a rezultatelor termografiei pentru a separa infiltratiile de celelalte fenomene de la interiorul cladirii. Imbinare noduri structura metalica Infiltratii Usa spre schela exterioara Directei vant Infiltratii Strapungere pat cabluri EXTERIOR Usa exterioara Exfiltratii INTERIOR Exfiltratii Strapungere conducte agent frigorific Imbinare panouri de fatada N Supape suprapresiune Figura 2. Pozitie a obiectivelor vizualizate prin termografie Technical Article 4
In capitolul urmator vom prezenta rezultatele termografiei pentru mai multe obiective de la interiorul depozitului frigorific: (1) imbinare panouri de fatada, (2) traversarea de conducte si cabluri a peretilor depozitului, (3) noduri ale structurii metalice in contact cu fatada exterioara si terasa exterioara (4) supape de evitare a suprapresiunii interioare, (Figura 2). 3. Rezultate In acest capitol vom prezenta pentru fiecare tip de zona de anvelopa investigata: poza in spectrul vizibil, termografia in infrarosu si o scurta interpretare a rezultatelor. Analiza a fost realizata pe timp de vara, cand temperatura exterioara era de +35 o C, iar la interior temperatura varia intre -30 o C si -18 o C functie de departarea de grilele de aer racit de la interioru ldepozitului. Strapungere conducte agent frigorific si imbinare de panouri de fatada Traversarea fatadei de catre cele doua conductele de agent frigorific de pe fatada N-NE (Figura 3) este realizata intr-un mod etans, fara infiltratii de aer exterior. Structura interioara a acestor mufe de traversare a peretelui si modul de montaj este corespunzator realizat, eliminandu-se puntea termica ce ar fi putut aparea. In jurul mufelor temperatura creste foarte putin: doar 4 o C comparativ cu diferenta medie de potential termic de 35 (-25) = 60 o C. Imbinarea panourilor de fatade este, de asemenea, bine realizata, puntile termice lineare fiind practic inexistente. Imbinare panouri fatada Figura 3. Traversarea conductelor de agent frigorific a anvelopei caldirii, fatada N-NE la partea superioara si imbinarea de panouri de fatada Strapungere pat conducte si cabluri Traversarea fatadei de catre patul de conductori electrici (Figura 4) nu se realizeaza etans. Aerul cald penetreaza prin aceasta zona, si condenseaza si ingheata pe scheletul metalic de la interiorul caldirii, dand nastere la aparitia zapezii si a ghetii in apropierea zonei inspectate. Technical Article 5
Figura 4. Traversarea fatadei de catre patul de conductori electrici; fatada N-NE la partea superioara Usa spre schela exterioarala partea superioara a cladirii Usa de acces in cladire localizata la partea superioara a cladirii nu este suficient de etansa (Figura 5). Formarea ghetii pe suprafetele reci (-20 o C) de la interiorul depozitului este dovada a unor infiltratii de aer. Zonele de neetanseitate se gasesc la partea superioara si la partea inferioara a usii si mai putin pe cele doua verticale. Suplimentar, temperarurile de 10 o C pe rama metalica fixa a usii atesta lipsa unor ruperi de punte termica si existenta unor fluxuri conductive de caldura intre exterior si interior prin rama metalica. Figura 5. Usa exterioara de acces in cladire; fatada N-NE la partea superioara Imbinarile dintre pereti verticali, terasa si nodurile structurii metalice Atat poza in spectrul vizibil cat si termografia atesta gradul ridicat de infiltratii din zona nodului structurii (Figura 6). Ca urmare intreaga terasa din dreptul acestei zone are temperaturi pozitive unde temperatura ajunge la aproape +10 o C. Indepartandu-ne de nod, temperatura pe suprafetele interioare scade condensul ingheata. Technical Article 6
Figura 6. Termografie in infrarosu la muchia superioara a cladirii orientarea V-NV In figura urmatoare este prezentat cazul unui nod pentru care imbinarile sunt bine realizate si unde nu se constata defecte de etanseitate iar puntile termice sunt bine izolate (Figura 7). Nu exista urme de condens sau de gheata. Totusi se observa destul de bine faptul ca zona mai calda din imagine (-20 o C) comparativ cu zonele mai reci din poza (-29 o C). Corespunde punti termice realizata din imbinarea peretelui exterior vertical orientat V-NV si a terasei. Efectul acestei punti termice este de a creste temperatura cu aproximativ 9 o C. In zona nodului se observa temperaturi de -16 o C, deci nodul privit ca o punte termica locala duce la o crestere locala a temperaturii cu inca 4 o C. Figura 7. Termografie in infrarosu la muchia superioara a cladirii orientarea V-NV Pe muchia superioara a cladirii, pe orientarea S-SV se observa o alta zona de infiltratii de aer exterior (Figura 8). Zona de infiltratii se gaseste langa bucla tubului flexibil cu fire electrice, unde temperatura este mai ridicata, spre -4.5 o C. Muchia cladirii (nu se vede in aceste imagini, fiind obturata de grinda) este si ea caracterizata de temperaturi mai ridicate (aproximativ -10 o C). Incalzirea muchiei este datorata si puntilor termice si infiltratiilor de aer exterior cald. Technical Article 7
Figura 8. Termografie in infrarosu la muchia superioara a cladirii orientarea S-SV Usa spre exterior la partea inferioara a cladirii La usa exterioara a cladirii aflata la partea inferioara pe fatada de orientare S-SV nu au fost puse in evidenta zone de infiltratii (Figura 9). Este normal sa nu fie evidentiate astfel de infiltratii deoarece plasandu-se la partea inferioara a cladiri, in aceasta zona avem de fapt exfiltratii de aer rece, iar efectul lor nu este vizibil prin intermediul termografiei realizate la interiorul depozitului. Totusi rama metalica fixa a usii reprezinta o punte termica prin care are loc transfer termic conductiv de la exteriorul spre interiorul cladirii. Aceasta rama nu are zone de rupere de punte termica. Figura 9. Usa de instrare de la partea inferioara montata pe fatada S-SE Technical Article 8
Valva de egalizare a presiunii intre interior si exterior. Pe fatada V-NV se gasesc amplasate 10 astfel de valve, iar pe fatada opusa doar 4 valve; toate montate la partea inferioara a depozitului la aproximativ 1,5m inaltime. Rolul acestor valve este acela de a lasa sa iasa aerul interior afara, in cazul cresterii suprapresiunii interiore peste 100Pa (comform fazei de proiectare). In perioada experimentului, valve au fost suplimentar obturate cu scoci din PVC. Vizualizarea prin termografie (Figura 10) prezinta lipsa infiltratiilor in aceasta zona. Rezultatul este normal ca neavand infiltratii la partea inferioar a cladirii datorita suprapresiunii interioare cat si datorita obturarii suplimentare sa nu existe infiltratii si sa nu avem condens si nici gheata pe fata interioar a peretilor si nici pe structura interioara din apropiere. Figura 10. Valva de egalizare a presiunii de la partea inferioara a cladirii Totusi se remarca o zona mare calda, de forma rotunda in dreptul valvei. Datorita formei constructive a partii interioare a valvei de structura metalica este incalzita prin conductie de la aerul exterior. Aceasta atesta faptul ca valva nu dispune de o rupere de punte termica in structura sa constructiva si se incalzeste de la aerul exterior. 4. Concluzii Articolul prezinta miscarea aerului la interiorul depozitelor frigorifice Deep Freeze ai efectul de termosifon inversate fata de cladirile de locuinte. Din perspectiva acestor fenomene mai multe zone ale anvelopei cladirii sunt analizate prin termografiere la interiorul cladiri. In cazul real investigat temperatura medie a aerului la interiorul acestui depozit era de -25 o C fiind mai scazuta decat temperatura exterioara si pe timp de vara si de ierna. Vizualizarea de la exterior nu s-a putut realiza datorita conditiilor meteo nefavorabile pentru vizualizari termografice. Vizualizarea de la interior a fost axata pe anumite zone specifice de interes pentru infiltratii de aer exterior mai cald si pentru punti termice. Rezultatele au fost interpretate din perspectiva fenomenelor inversate ale miscarii aerului si de termosifon de la interiorul depozitului. S-au constatat ca imbinarile de panouri de fatada sunt bine realizate, iar puntile termice corespunzatoare nu aduc un aport de caldura semnificativ comparativ cu aportul de caldura din camp. Dinpotriva, elementele de constructii precum usi exterioare si supape de suprapresiune prezinta aporturi de caldura semnificative prin conductie, deci exista zone de rupere de punti termice in constructia interna a acestora. Imbinarea placilor de perete cu cele de Technical Article 9
terasa conduce in schimb la aparitia de punti termice mai importante, iar efectul din punct de vedere al temperaturii pe fata interioara a peretilor depopzitului este de crestere cu aproximativ 10 o C (in momentul experimentarii erau -25 o C in depozit si 35 o C afara). Imbinarile placilor de terasa si a celor de perete sunt de asemenea defectuoase si din perspectiva infiltratiilor. Pe lungimea acestor imbinari, nodurile structurii de rezistenta ale cladirii (nodurile se intersecteaza si cu placile de terasa si cu cele de perete) reprezinta zonele cu cele mai mari infiltratii. Prin inspectia termografica s-a constatat pentru aceste zone o crestere a temperaturilor pe fata interioara a peretelui de pana spre +10 o C. Inspectia termografica realizata a pus in evidenta care sunt acele zone ale cladirii care prezinta infiltratii de aer exterior si magnitudinea acestora. Nu exista infiltratii la partea de jos a depozitului, ci din potriva exista exfiltratii, care nu pot fi vizualizate de la interiorul depozitului frigorific. Consideram necesitatea masurarii permeabilitatii al infiltratii a acestor tipuri de cladiri single cell pentru depozite de marfa si pentru depozite frigorifice. 5. Acknowledgement This work was supported by a grant of the Romanian National Authority for Scientific Research, CNCS UEFISCDI, project number PN-II-PT-PCCA-2011-3.2-0512 6. References [1] http://www.egemin-automation.com/ - Egemin Automation deepfreeze warehouse [2] http://www.witron.de/ WITRON s deep freeze technology [3] http://www.romaned.nl/ ; Romaned [4] http://www.partnerlogistics.eu/ PartnerLogistics Frozen food warehousing and distribution [5] http://www.wagner-uk.com/ - Wagner - Oxigen reduction systems [6] Pascal Brinks, Oliver Kornadt, René Oly, Air infiltration assessment for industrial buildings, Energy and Buildings, Volume 86, January 2015, Pages 663-676 [7] M. Said, Measurements of air change rates and air flow patterns in large singlecell buildings, Energy and Buildings 26 (1997) 175 182. [8] B. Oschatz, J. Rosenkranz, B. Mailach, R. Gritzki, J. Kaiser, A. Perschk, M. Rösler, J. Seifert, F. Otto, Gesamtanalyse Energieeffizienz von Hallengebäuden, in: Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach e.v. (Ed.), IGT Dresden, Universität Kassel, vorläufiger Endbericht, Stuttgart, 2012 [9] M. Kuhnhenne, Energetische Qualität von Gebäudehüllen in StahlSandwichbauweise, Dissertation, Aachen, 2009. Technical Article 10