1. Wymiana ciepła, podstawowe prawa, przepływ ciepła przez przegrodę, właściwości cieplne – wartości deklarowane i
obliczeniowe.
1. POJĘCIA

Wymiana ciepła - wymaga różnicy temperatur wewnątrz materiału lub pewnego układu materiałów. Ciepło jako forma energii
jest przekazywana w kierunku temperatur niższych.

Ciepło :
-proces przekazywania energii pomiędzy kontaktującymi się układami termodynamicznymi wywołany różnicą temperatur.
-jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, jonóe, cząsteczek).
-ciepło przepływa między ciałami, które nie znajdują się w równowadze termicznej (mają różne temperatury) i wywołuje zwykle
zmianę temperatury ciał pozostających w kontakcie termicznym.

Rodzaje wymiany ciepła:

-przewodzenie - jest to proces przenoszenia energii cieplnej wewnątrz ciała na skutek bezpośredniej styczności

cząsteczek. W częściach ciała o wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej i poprzez zderzenia przekazują energię
cząsteczkom w częściach o niższej temperaturze i o mniejszej energii.
W rezultacie wzrasta temperatura chłodniejszej części.
Przewodzenie w czystej postaci występuje tylko w ciałach stałych.
Ciała stałe, ciecze, gazy; transport energii między sąsiednimi cząsteczkami.

-konwekcja - odbywa się w warstwach cieczy i gazu znajdujących się w ruchu. Konwekcją nazywamy proces

przenoszenia energii cieplnej połączony z ruchem cząsteczek i ich mieszaniem się. Konwekcja występuje głównie w cieczach i
gazach. Rozróżnia się dwa rodzaje konwekcji:
-swobodna (naturalna) - wymiana ciepła spowodowana samoistnym ruchem płynu. Za ruch samoistny uważa się ruch wywołany
różnicą temperatur w tym płynie.
Warunki: istnieją obszary o różnej temperaturze, istnieje siła ciężkości, odśrodkowa i pola magnetycznego, gęstości płynu zależy
od temperatury
-wymuszona - ruch jest wymuszony zewnętrznie (np. zamontowanie wentylatora za grzejnikiem)

-promieniowanie - transport energii poprzez promieniowanie elektromagnetyczne o pewnej częstotliwości. Polega na

przenoszeniu energii cieplnej za pośrednictwem fal elektromagnetycznych, głównie promieni podczerwonych - cieplnych
długości fal λ = {7,9 *10

3

- 5,0 * 10

6

A}. Przekazywanie energii poprzez promieniowanie jest możliwe tylko wtedy, kiedy ciało

zatrzymuje fale cieplne, gdyż ośrodek, w którym promienie rozchodzą się (powietrze/próżnia) przepuszcza je i nie nagrzewa się.
Proces ten zachodzi wyłącznie między powierzchniami ciał stałych lub cieczy.
*wszystkie ciała promieniują
*natężenie strumieni ciepła emitowanego przez powierzchnię ciała opisuje prawo Boltzmana.

Prawo Fouriera
Gęstość przewodzonego strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do gradientu temperatury.
q=-λgrad T [W/m

2

]

Q = λ(ΔT/d)St,
gdzie Q — ilość ciepła przepływająca przez element objętości danego ciała,
S — powierzchnia prostopadła do kierunku przepływu,
ΔT — różnica temperatury punktów odległych o d (grubość elementu), między którymi następuje przepływ,
λ — przewodność cieplna właściwa ciała,
t — czas przepływu.
Znak '-' oznacza kierunek przerpływu ciepła od temp. wyższej do nizszej.

Prawo Boltzmana
Prawo fizyczne określające zależność całkowitej zdolności emisyjnej ε ciała doskonale czarnego od jego temperatury
bezwzględnej T:
q = σεT

4

,

gdzie σ = 5,675 × 10-8W/mK4 (tzw. Stefana-Boltzmanna stała)
ε - emisyjność cieplna (od 0 do 1 ; 1 dla ciała doskonale czarnego)

Wartości deklarowane i obliczeniowe
Pojedyńczy pomiar przewodności cieplnej próbki materiału budowlanego może mieć tylko znaczenie orientacyjne, ponieważ
przewodność cieplna materiału o znanym składzie chemicznym i morfologicznym jest funkcją wielu zmiennych, głównie:
-gęstości
- zawartości wilgoci
- temperatury (dotyczy to praktycznie tylko materiałów izolacji cieplnej)
- czasu od wyprodukowania (dotyczy to niektórych spienionych tworzyw sztucznych).

Ponadto, nawet w przypadku próbek tego samego materiału i od tego samego producenta, identycznie sezonowanych i
badanych, mogą wystąpić różnice wyników badań spowodowane różnicami technologicznymi i struktury materiału. Z tego
względu o jakości wyrobu i jego przydatności w przewidywanych warunkach zastosowania można wypowiadać się dopiero na
podstawie odpowiednio dużej serii badań i po odpowiednim opracowaniu statystycznym wyników.
W ten sposób określa się tzw. deklarowaną przewodność cieplną. Wartość deklarowana współczynnika przewodzenia ciepła jest
stosowana przy ocenie jakości wyrobów. Producent, ubiegając się o Aprobatę Techniczną lub znakując wyrób znakiem CE,
deklaruje taką przewodność cieplną (lub opór cieplny) swojego wyrobu, że 90% produkcji danego wyrobu ma mieć tę wartość
wyższą od wartości deklarowanej na poziomie ufności 90%.
Wartość deklarowaną oblicza się z odpowiednich wzorów statystycznych (jako tzw. granicę wartości estymowanej) na podstawie
serii badań, najczęściej suchych próbek danego wyrobu, w aparacie zgodnym z odpowiednią PN-EN, przy średniej temperaturze
próbki 10 lub 23°C. Procedura obliczeń zależy od tego, czy rozpatruje się przypadek zmiennej losowej niezależnej (próbki wyrobu
w przybliżeniu o jednakowej gęstości) czy też uwzględnia się zależność λ od gęstości (może to mieć miejsce na przykład w serii
badań obejmującej różne odmiany betonu komórkowego jednego producenta).
PN-EN 12524 nie ujmuje wartości obliczeniowych wielu powszechnie stosowanych wyrobów, odsyłając użytkownika do innych
norm lub aprobat technicznych. Jest to bardzo niewygodne dla projektanta budynku, który na etapie projektowania często nie
wie, kto będzie dostawcą materiału izolacyjnego lub izolacyjno-konstrukcyjnego.

Jednowymiarowy stacjonarny przepływ ciepla przez przegrody : współczynnik przenikania ciepła

Wymiana ciepła przez przegrodę ma charakter niestacjonarny, związany ze zmiennością temperatur w czasie, to jednak dla

celów praktyki budowlanej zakłada się .najczęściej przy projektowaniu przegród zewnętrznych warunki stacjonarne. Nadto w

przypadku .płaskiej przegrody o przekroju jednolitym i przy jej bardzo dużym jednym wymiarze, przyjmuje się jednokierunkowy

ruch ciepła, prostopadły do przegrody. Zjawisko przepływu, ciepła przez przegrody budowlane można traktować jako

jednokierunkowe jeżeli przegroda (ściana, strop stropodach) ma stalą grubość i jest jednorodna materiałowo lub zbudowana jest

z jednorodnych warstw o stałych grubościach. Gęstość strumienia cieplnego (tj. ilość energii cieplnej przepływającej przez

jednostkową powierzchnię w jednostkowym czasie) jest jednakowa na całej powierzchni przegrody, linie gęstości strumienia są

do tej powierzchni prostopadłe, a izotermy (linie łączące punkty o jednakowej temperaturze) są równoległe. Dzięki temu

możliwe jest proste wyznaczenie zarówno gęstości strumienia cieplnego q, strumienia ciepła F przepływającego przez przegrodę,

jak i wartość temperatur w dowolnym jej punkcie, w tym także szczególnie istotnej temperatury na jej powierzchni wewnętrznej

8i

Całkowity opór cieplny przegrody lub inaczej względną izolacyjność cieplną przegrody wyznaczamy z zależności:

𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑅𝑅

𝑠𝑠𝑠𝑠

+ ∑𝑅𝑅

𝑠𝑠

+ 𝑅𝑅

𝑠𝑠𝑠𝑠

gdzie:
Rsi

i

- opór napływu ciepła

Ri- opór przewodzenia ciepła warstw materiału

Rse- opór odpływu ciepła

Opór cieplny przegrody jednorodnej lub warstwy jednorodnej wchodzącej w skład przegrody oblicza się ze wzoru:
𝑅𝑅

𝑠𝑠

=

𝑑𝑑

𝑖𝑖

𝜆𝜆

𝑖𝑖

gdzie:

d - grubość przegrody lub warstwy, m

λ - współczynnik przewodzenia ciepła materiału, W\(mK)

W praktyce posługujemy się odwrotnością oporu cieplnego, oznaczając go przez U i nazywając współczynnikiem

przenikania ciepła. Przenikanie ciepła przez przegrodę obejmuje przejmowanie ciepła na powierzchniach przegrody oraz

przewodzenie przez materiał przegrody. Współczynnik przenikani ciepła U

0

jest miarą strumienia ciepła przepływającego

przez przegrodę, jest więc parametrem, który charakteryzuje właściwości izolacyjne przegród budowlanych.

2. Procedury obliczania przegród z warstwami jednorodnymi cieplnie (przypadki układów warstwowych z warstwami

powietrza); wprowadzenie poprawek do współczynnika przenikania ciepła. (Na podst. PN-EN ISO 6946 i projektów).

3. Procedury określania wartości oporu cieplnego dla komponentów z warstwami niejednorodnymi cieplnie.

(Na podstawie PN-EN ISO 6946 i projektów.)

4. Wymagania dotyczące okien, określanie wartości U dla okna.

1. Okna w budynku powyżej drugiej kondygnacji nadziemnej, a także okna na niższych kondygnacjach, wychodzące na chodniki

lub inne przejścia dla pieszych, powinny mieć skrzydła otwierane do wewnątrz.

2. Dopuszcza się stosowanie okien otwieranych na zewnątrz, o poziomej osi obrotu i maksymalnym wychyleniu skrzydła do 0,6

m, mierząc od lica ściany zewnętrznej, pod warunkiem zastosowania w nich szyb zapewniających bezpieczeństwo użytkowania

oraz umożliwienia ich mycia, konserwacji i naprawy od wewnątrz pomieszczeń lub z urządzeń technicznych instalowanych na

zewnątrz budynku.

3. Przepisów określonych w ust. 1 i 2 nie stosuje się do budynku wpisanego do rejestru zabytków.

4. Okna w budynku wysokościowym, na kondygnacjach położonych powyżej 55 m nad terenem, powinny mieć zabezpieczenia

umożliwiające ich otwarcie tylko przez osoby mające upoważnienia właściciela lub zarządcy budynku.

5. Okna w pomieszczeniach przewidzianych do korzystania przez osoby niepełnosprawne powinny mieć urządzenia

przeznaczone do ich otwierania, usytuowane nie wyżej niż 1,2 m nad poziomem podłogi.

Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna oraz przegród szklanych i przezroczystych g

c

nie może być większy niż

0,5.

g

c

= f

c

·g

G

,

gdzie

f

c

– współczynnik korekcyjny redukcji promieniowania;

g

G

– współczynnik przepuszczalności energii całkowitej dla rodzaju oszklenia.

Jeżeli okna i przegrody szklane zajmują więcej niż 50% powierzchni ściany, dodatkowo stawia się warunek g

c

·f

G

≤ 0,25, gdzie f

G

to

udział powierzchni okien oraz przegród szklanych i przezroczystych w powierzchni ściany.

Jeżeli g

c

przekracza normę, należy zastosować urządzenia przeciwsłoneczne (rolety, żaluzje)

Szyby termoizolacyjne

a. Szyby termoizolacyjne jednokomorowe

1,0 ≤ U ≤ 1,6

b. Szyby termoizolacyjne dwukomorowe

0,3 ≤ U ≤ 0,7

c. Szyby termoizolacyjne trójkomorowe

U = 0,3

Współczynnik przenikania ciepła dla okna

Gdzie:

U

w

– współczynnik przenikania ciepła dla okna,

A

g

– pole powierzchni widocznej części oszklenia,

U

g

– współczynnik przenikania ciepła szyby zespolonej,

Af

– pole powierzchni profilu,

U

f

– współczynnik przenikania ciepła profilu,

L

g

– całkowity widoczny obwód oszklenia (obwód połączenia szyby z profilem – bez uszczelek),

ψ

g

– liniowy współczynnik przenikania ciepła wynikający z połączonych efektów cielnych szyby, profilu i zastosowanej ramki

dystansowej w szybie zespolonej.

W budynku mieszkalnym i zamieszkania zbiorowego pole powierzchni A

0

, wyrażone w m

2

, okien oraz przegród szklanych i

przezroczystych o współczynniku przenikania ciepła nie mniejszym niż 0,9 W/(m

2

K), obliczone według ich wymiarów

modularnych, nie może być większe niż wartość A

0max

obliczone według wzoru:

A

0max

= 0,15 A

z

+ 0,03 A

w

gdzie:
A

z

- jest sumą pól powierzchni rzutu poziomego wszystkich kondygnacji nadziemnych (w zewnętrznym obrysie budynku) w pasie

o szerokości 5 m wzdłuż ścian zewnętrznych,
A

w

- jest sumą pól powierzchni pozostałej części rzutu poziomego wszystkich kondygnacji po odjęciu A

z

.

5. Mostki termiczne – wyznaczenie wartości na podstawie obliczeń numerycznych, ocena ryzyka rozwoju pleśni.

Jakość cieplną elementu budynku charakteryzuje czynnik temperaturowy f

Rsi

na wewnętrznej powierzchni przegrody. Czynnik

ten wyznacza się ze wzoru:

e

e

-

-

θ

θ

θ

θ

i

si

Rsi

f

=

, gdzie:

si

θ

- temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego; określona na podstawie „Katalogu

mostków cieplnych”

e

θ

- temperatura powietrza zewnętrznego

i

θ

- temperatura powietrza wewnętrznego;

6. Przegrody stykające się z gruntem – przypadki podłogi na gruncie, podłogi podniesionej, podziemia ogrzewanego.

7. Izolacja obwodowa budynku

Termin „izolacja obwodowa” odnosi się do warstw izolacyjnych otaczających zewnętrzne powierzchnie przegród (ścian i

podłóg) stykających się bezpośrednio z gruntem. W celu uzyskania przyjemnej atmosfery w pomieszczeniach, ograniczenia

zużycia energii i zapobieżenia kondensacji, np. na skutek występowania wód gruntowych, pomieszczenia takie muszą być

izolowane termicznie. Obwodowa izolacja termiczna ścian piwnic układana na zewnątrz warstwy izolacji przeciwwodnej

stanowi ciągłą, wolną od mostków termicznych, warstwę otaczającą bryłę budowli i dodatkowo chroni warstwę izolacji

przeciwwodnej przed uszkodzeniami mechanicznymi. Również w przypadku stykających się z gruntem ścian pomieszczeń

nieogrzewanych izolacja termiczna spełnia pożyteczną rolę. W przypadku zmiany funkcji takiego pomieszczenia można

uzyskać korzystne parametry przegrody bez konieczności wykonania dodatkowych prac izolacyjnych.

Rola systemu izolacji obwodowej w skutecznej ochronie hydroizolacji jest tym ważniejsza, że to migrująca woda, zawierająca

rozpuszczone substancje organiczne i sole mineralne, jest najczęściej przyczyną uszkodzenia ścian piwnic i ich przyspieszonej

degradacji. Ze względu na specyficzne warunki, na jakie cały czas jest narażona część podziemna budynku (wilgoć, parcie

wód gruntowych oraz gruntu, cykliczne zamrażanie i odmrażanie), materiał termoizolacyjny do izolacji obwodowej musi

mieć odpowiednie właściwości, między innymi wysoką trwałość i stabilność parametrów fizyko-mechanicznych. Jednym z

takich materiałów jest polistyren ekstrudowany, czyli XPS. Dzięki temu, że komórki są wypełnione powietrzem, XPS jest lekki

i ma bardzo dobre własności termoizolacyjne.

Izolacja obwodowa może zminimalizować straty ciepła, co przekłada się na wymierne korzyści dla inwestora, ponieważ jego

nakłady finansowe na ogrzanie tych pomieszczeń będą niższe. Gdy izolacja termiczna jest niedostateczna lub jej brak,

temperatura przegród jest w sposób odczuwalny niższa od tej we wnętrzu pomieszczenia, co tworzy wrażenie dyskomfortu

cieplnego. Oczywiście to odczucie można wyeliminować, podnosząc temperaturę w pomieszczeniu, ale oznacza to duże

straty energii i kłopoty wynikające z niekorzystnych dla przegrody procesów cieplno-wilgotnościowych. Izolacja obwodowa

ścian piwnic powinna być układana na zewnątrz izolacji przeciwwodnej w taki sposób, by stanowiła ciągłą (bez mostków

termicznych) warstwę otaczającą bryłę domu. Taki układ będzie dodatkowo chronić izolację przeciwwodną przed

uszkodzeniami mechanicznymi.

Uwaga! Izolacja obwodowa odgrywa istotną rolę również w takiej sytuacji, gdy z gruntem stykają się ściany pomieszczeń

nieogrzewanych. W przypadku zmiany funkcji takiego pomieszczenia można uzyskać korzystne parametry przegrody bez

konieczności wykonywania dodatkowych prac izolacyjnych.