Zestaw zagadnień pozwalających na przygotowanie się do egzaminu

z przedmiotu „Fizyka budowli”

1. Pojęcia podstawowe

1. Komfort cieplny

Stan zadowolenia z otaczającego go środowiska cieplnego. Jest to indywidualne odczucie zależne od: aktywności, płci, wieku, uwarunkować psychicznych, odżywiania się, metabolizmu itp.

1. Czynniki komfortu cieplnego

Temperatura powietrza, prędkość ruchu powietrza, średnia temperatura otaczających powierzchni np. podłogi, natężenie promieniowania ciepła ze źródeł ciepła, wilgotność powietrza.

1. Temperatura efektywna

W dłuższym okresie czasu: zimne kamienne posadzki obniżają uczucie komfortu, dotykanie ciepłych przedmiotów powoduje rozszerzenie naczyń krwionośnych, w dłuższym czasie może powodować nieprzyjemne odczucia oraz obrzmienia, ciepła podłoga (pow. 24 ⁰) obniża uczucie komfortu osobom w butach, długotrwałe działanie wyższej temperatury podłoża może spowodować, na zmianę, pocenie się i dreszcze.

1. Przewidywana średnia ocena komfortu PMV

Wskaźnik wynika z równania komfortu Fangera, równania bilansu cieplnego uwzględniającego: metabolizm M, wykonywaną pracę człowieka W, odporność cieplną odzieży I_d, stosunek pola powierzchni ciała okrytego odzieżą do pola powierzchni ciała odkrytego A_d, temperatury powietrza t_a, średniej temperatury promieniowania t_r, względnej prędkości przepływu powietrza V_ar, ciśnienia pary wodnej p_a, współczynnika wymiany ciepła przez konwekcję h_c oraz temperatury powierzchni odzieży t_d.

1. Przewidywany odsetek niezadowolonych PPD

Wskaźnik PPD jest wartością średnią wrażeń cieplnych znacznej grupy ludzi przebywających w tym samym środowisku. Wskaźnik umożliwia przewidzenie jaka liczba osób będzie odczuwała brak komfortu. Wskaźnik PPD jest zależny od wskaźnik PMV.

1. Mikroklimat pomieszczenia

Jest to zespół czynników fizycznych i chemicznych danego pomieszczenia, wywierający wpływ na organizm np.: czynniki komfortu cieplnego (temperatura, wilgotność), skład powietrza, zapylenie, stężenie różnych związków, oświetlenie, poziom natężenia dźwięków, przeznaczenie pomieszczeń, sposób ich eksploatacji, skład demograficzny mieszkańców, cechy izolacyjne przegród, szczególnie zewnętrznych.

1. Właściwości materiałów budowlanych

1. Materiał porowaty

Ciała stałe które zawierają dużą ilość pustych przestrzeni o względnie małych wielkościach, charakteryzującymi się dobrze rozwiniętą powierzchnią wewnętrzną. Przestrzenie takie nazywa się porami, a przestrzeń zajętą przez ciało stałe – szkieletem.

1. Rodzaje porów

Ze względu na rozmiar: mikropory (efektywny promień porów mniejszy niż 2 nm), mezopory (promień większy niż 2 nm a mniejszy niż 50 nm), makropory (promień większy niż 50 nm).

Ze względu na charakter: otwarte, zamknięte, złożone, ukierunkowane.

1. Krętość kapilar

Iloraz długości drogi I_d, jaką przebyłaby w danym kierunku dyfundująca cząstka pary wodnej do wymiaru materiału porowatego w danym kierunku L.

ξ = I_d/L

W przypadku większości materiałów budowlanych: 0,5 < ξ < 2,5.

1. Powierzchnia właściwa

Miara rozdrobnienia danego materiału. S= 38,4 * 10² m_{n (ilość zaadsorbowanych cząsteczek pary wodnej w warstwie jednocząsteczkowej)}

1. Wilgotność materiału

Ilość swobodnej wody (niezwiązanej chemicznie) w odniesieniu do masy w_m (lub objętości w_v) suchego materiału.

$$w_{m} = \frac{m_{1} - m_{2}}{m_{2}}\ \times 100$$

$$w_{v} = \ \frac{v_{1}}{v_{2}} \times 100$$

$$w_{v} = \ \frac{w_{m}\rho}{1000}$$

M₁ – masa materiału wilgotnego

M₂ – masa materiału wysuszonego

V₁ – objętość wody w próbce materiału

V₂ – objętość próbki

Ρ (kg/ m³) – masa objętościowa (gęstość pozorna) wysuszonego materiału.

1. Paroprzepuszczalność

Współczynnik paroprzepuszczalności δ – ilość pary wodnej przenikającej przez materiał w określonym czasie z powodu różnicy ciśnień po obu stronach materiału.

W przegrodach warstwowych na warstwę wewnętrzną należy stosować materiały o małej paro przepuszczalności, żeby nie dopuścić do zawilgocenia warstw zewnętrznych.

1. Ciepło właściwe

Ilość ciepła potrzebna do ogrzania materiału.

$$c = \ \frac{Q}{\left( T_{1} - T_{2} \right)m} = \ \frac{Q}{mT}$$

Ciepło właściwe rośnie wraz ze wzrostem wilgotności materiału.

c =  c_u +  0, 01 w_m

Ciepło właściwe materiału składające się z wielu innych.

$$c = \ \frac{c_{1}m_{1} + c_{2}m_{2} + \ \ldots + \ c_{n}m_{n}}{m_{1} + m_{2} + \ldots + m_{n}}$$

1. Rozszerzalność cieplna

Większość materiałów pod wpływem ogrzewania zwiększa swoją objętość a co za tym idzie wymiary liniowe. Taką zdolność materiałów charakteryzują: objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej α (1/⁰C) lub liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej β (1/⁰C).

Zmiana długości (długość początkowa l_o):

L= l_u+αl_uT = l_u(1+αT)

Zmiana objętości (objętość początkowa V₀):

V= V₀+ βV₀T = V₀ (1+βT)

Podczas eksploatacji materiały budowlane rozszerzają się i kurczą. W przypadku braku możliwości przesuwu materiały odkształcają się, powstają pęknięcia lub wybrzuszenia.

1. Transport ciepła

1. Przenoszenie ciepła

Polega na przekazywaniu energii cieplnej pomiędzy pewnymi układami o różnej temperaturze. Przekazywanie ciepła może odbywać się po zetknięciu się ciał, bądź na odległość.

Przekazywanie energii w formie ciepła jest związane z bezwładnym ruchem termicznym bardzo małych cząstek ciał. Przekazywanie energii jest zatem pracą (iloczyn siły i przemieszczenia).

1. Strumień ciepła i gęstość strumienia ciepła

Zmiana energii wewnętrznej jednego ciała wiąże się z przekazywaniem strumienia ciepła ψ do ciała drugiego:

$$\psi = \ - \frac{\text{dQ}}{\text{dt}}\left\lbrack \frac{\frac{\text{kg} \times m^{2}}{s^{2}}}{s} = \frac{\text{kg\ } \times m^{2}}{s^{3}} = W \right\rbrack$$

Strumień ciepła ψ charakteryzuje cały obiekt. W odniesieniu do poszczególnych komponentów odnosi się gęstość strumienia cieplnego q.

$$q = \frac{d\psi}{\text{dS}}\ \left\lbrack \frac{W}{m^{2}} \right\rbrack$$

1. Przewodzenie, konwekcja, promieniowanie ciepła

Przewodzenie – przenoszenie ciepła w ciałach stałych poprzez drgania sprężyste atomów, lub swobodny ruch elektronów (metale). Podczas przewodzenia nie odbywa się przemieszczanie cząstek ciała.

Konwekcja – przenoszenie ciepła w płynach. Cząstki ciała przemieszczają się w wyniku działania urządzeń technicznych lub przez siły ciążenia i wyporu. Przenoszenie energii odbywa się poprzez mieszanie się cząsteczek.

Promieniowanie – przenoszenie ciepła przez kwanty promieniowania. Odbywa się pomiędzy powierzchniami ciał stałych termicznie pobudzonych do świecenia. Promieniowanie występuje również w przegrodach przezroczystych.

1. Ustalone i nieustalone przenoszenie ciepła

Ustalone przenoszenie ciepła – rozkład temperatury oraz ilość wymienianego ciepła w układzie są stałe w czasie.

Nieustalone przenoszenie ciepła – rozkład temperatury oraz ilość wymienianego ciepła w układzie zmieniają się w czasie.

1. Jednowymiarowe, dwuwymiarowe, trójwymiarowe przewodzenie ciepła

Jednowymiarowe przewodzenie ciepła – ściany zewnętrzne

$$\frac{\partial T}{\partial y} = \frac{\partial T}{\partial z} = 0$$

T= T (x, t)

Dwuwymiarowe przewodzenie ciepła – węzły konstrukcji, ościeżnice otworów

$$\frac{\partial T}{\partial z} = 0$$

T= T (x, y, t)

Trójwymiarowe przewodzenie ciepła – naroża budynków, miejsca niejednorodnej budowy

T= T (x, y, z, t)

1. Pole temperatury

2. Rodzaje konwekcji ciepła

1. Konwekcja swobodna na powierzchni przegrody w pomieszczeniu

H_c = 1,66 ΔT^1/3

1. Konwekcja swobodna w szczelinie powietrznej w przegrodzie

Przy grubości szczeliny do 8 mm konwekcja nie występuje i ma się do czynienia z czystym przewodzeniem ciepła. W szczelinach pionowych tworzą się regularne komórki, w których występują wiry konwekcyjne. Przy mało intensywnej wymianie ciepła większy udział ma przewodzenie niż konwekcja. Stosuje się tutaj równoważny współczynnik przewodzenia ciepła λ_e łączący przewodzenie i konwekcję. λ_e / λ zależy od szerokości szczeliny oraz różnicy temperatur.

1. Konwekcja wymuszona na zewnętrznej powierzchni przegrody

Na zewnętrznej powierzchni przegrody występuje wymuszona konwekcja ciepła. Czynnikiem wymuszającym jest wiatr, który nie daje się zapisać matematycznie. Wpływ wymiarów budynków na konwekcję wymuszoną jest nie wielki. Współczynnik rośnie proporcjonalnie do prędkości wiatru o potędze 0,7.

1. Równoważny współczynnik przewodzenia ciepła

Równoważny współczynnik przewodzenia ciepła λ_e łączący przewodzenie i konwekcję. λ_e / λ zależy od szerokości szczeliny oraz różnicy temperatur.

1. Konwekcja wymuszona

Na zewnętrznej powierzchni przegrody występuje wymuszona konwekcja ciepła. Czynnikiem wymuszającym jest wiatr, który nie daje się zapisać matematycznie. Wpływ wymiarów budynków na konwekcję wymuszoną jest nie wielki. Współczynnik rośnie proporcjonalnie do prędkości wiatru o potędze 0,7.

1. Emisyjność

1. Powierzchnie małe lub znacznie oddalone od siebie. Promieniowanie odbite jest pomijane

ε _1-2 = ε₁ ε₂

1. Powierzchnie równoległe, mało oddalone. Promieniowanie odbite wraca.

$$\varepsilon_{1 - 2} = \ \frac{1}{\frac{1}{\varepsilon_{1}} + \frac{1}{\varepsilon_{2}} - 1}$$

1. Powierzchnia A₁ objęta z każdej strony powierzchnią A₂

$$\varepsilon_{1 - 2} = \ \frac{1}{\frac{1}{\varepsilon_{1}} + \frac{A_{1}}{A_{2}}(\frac{1}{\varepsilon_{2}} - 1)}$$

1. Współczynnik konfiguracji

Jest to kątowy współczynnik promieniowania φ_1-2

$$\varphi_{1 - 2} = \ \frac{1}{A_{1}}\int_{A_{1}}^{}{}\int_{A_{2}}^{}{}\frac{\cos{\beta_{1}\cos\beta_{2}}}{\pi R^{2}}\text{dA}_{1}\text{dA}_{2}$$

Przy przenoszeniu ciepła przez promieniowania pomiędzy nieograniczonymi płaszczyznami lub ograniczonymi, ale położonymi blisko siebie:

φ_1 − 2 =  φ_2 − 1 = 1

1. Złożone przenoszenie ciepła

Równoczesne przenoszenie ciepła na powierzchniach ciał stałych przez konwekcję i promieniowanie

q =  q_c +  q_r

Konwekcja często występuje równocześnie z przewodzeniem np. niewentylowane pustki powietrzne w ścianach

$$q_{c} = \frac{\ \lambda_{c}(T_{1} - \ T_{2})}{d}$$

Promieniowanie: q_r =  h_r(T₁ − T₂)

Zatem: $q = \left( \frac{\lambda_{e}}{d} + h_{r} \right)(T_{1} - T_{2})$

1. Opór cieplny

Zależy od temperatury na powierzchni:

$$R = \ \frac{1}{(\frac{\lambda_{e}}{d} + \ h_{r})}$$

W przypadku niewentylowanych powierzchni o długości i szerokości 10 razy większej niż grubość:

$$R_{g} = \ \frac{1}{h_{a} + h_{r}}$$

1. Współczynnik przenikania ciepła

Współczynnik h_a jest większą wartością z obliczeń przy grubości przestrzeni powietrznej d w kierunku przepływu ciepła

1. Przegrody jednorodne i niejednorodne

2. Zasady podziału przegród niejednorodnych

3. Opór przejmowania ciepła

4. Mostki cieplne

5. Współczynnik przewodzenia ciepła

6. Charakterystyka przegród przezroczystych

7. Składniki rocznego bilansu cieplnego

Straty: wentylacja, straty przez przenikanie, ogrzewanie ciepłej wody.

Zyski: nasłonecznienie, ogrzewanie centralne, energia od innych urządzeń, energia odzyskana, ciepło metaboliczne

1. Sposób wyznaczania rocznego zapotrzebowania na ciepło

2. Zyski ciepła

1. Ciepło od promieniowania słonecznego Q_s w miesiącu grzewczym:

Q_S (m) = A_Si τ_i I_i (m) Z_i (m) L_d * 24

A_Si – pole powierzchni szyby

τ_i – współczynnik przepuszczania światła przez szybę

I_i – suma natężenia promieniowania słonecznego na szybę w miesiącu

Z_i – liczba dni w miesiącu

L_d – współczynnik zacienienia elewacji w miesiąca

Wzór uogólniony:

$${\backslash tQ}_{S} = \ \sum_{i}^{}{0,567} \times \ A_{\text{si}}\tau_{i}I_{i}$$

A_Si – pole powierzchni szyby

τ_i – współczynnik przepuszczania światła przez szybę

I_i – suma natężenia promieniowania słonecznego na szybę w miesiącu

0,567 – uogólniony przelicznik godzin, temperatury i innych stałych w sezonie grzewczym

1. Wewnętrzne (bytowe) zyski ciepła Q_i

Q_iB (m) = φ_B MNL_d * 24

Q_iB – ciepło wydzielane przez człowieka w ciągu doby

M – liczba mieszkań

N – liczba osób w mieszkaniu

L_d – liczba dni w miesiącu

Wzór uogólniony:

Q_i = 5,3 (80N+275M)

5,3 – przelicznik z W na kWh/rok

1. Straty ciepła

1. Straty ciepła przez przenikanie w sezonie grzewczym Q_T

Straty ciepła przez przenikanie przegrody pełnej drzwi, okna Q_TP w m-tym miesiącu grzewczym:

Q_TPi (m)=U_iA_i [T_i – T_e (m)]L_d(m)*24

A_i - pole powierzchni przegrody, m²

U_i – współczynnik przenikania ciepła przegrody W/m²K

T_i – obliczeniowa temperatura powietrza w pomieszczeniu, ⁰C

T_e – obliczeniowa temperatura powietrza na zewnątrz w danym miesiącu dla danej lokalizacji budynku, ⁰C

L_d – liczba w dni w miesiącu

24 – liczba godzin w dobie

Straty ciepła przez przenikanie z budynku do gruntu Q_TG w miesiącu grzewczym:

$$Q_{\text{TGi}}\left( m \right) = \left\lbrack L_{s}\left( T_{\text{ei}} - T_{0} \right) + \ L_{p}T_{\text{ea}}\cos\frac{\pi\left( m - \beta \right)}{6} \right\rbrack L_{d}\left( m \right) \times 24\ $$

T_ei – obliczeniowa temperaturę powietrza w danej strefie klimatycznej, ⁰C

T₀ – średnia temperatura powietrze na zewnątrz w roku dla danej lokalizacji budynku, ⁰C

T_{ea –} roczna amplituda temperatury powietrza zewnętrznego dla danej lokalizacji budynku, K

L_s – współczynnik sprzężenia stałych w czasie strat ciepła do gruntu, W/K

L_p – współczynnik sprzężenia periodycznych strat ciepła do gruntu, W/K

L_d – liczba dni w miesiącu

β – parameter zależny od rodzaju podłogi, β = 2 podłoga na gruncie z izolacją pionową, β = 1 pozostałe przypadki

Straty ciepła przez przenikanie wszystkich przegród

$$Q_{\text{TP}} = 91,5\ \left( \sum_{i}^{}{U_{i}A_{i}F_{\text{xi}} + \ \sum_{K}^{}{L_{k}\psi_{k}}} \right)$$

Q_TP = 91, 5 H_T

H_T – współczynnik strat ciepła przez przenikanie, W/K

A_i – pole powierzchni przegrody, m²

U_i – współczynnik przenikania ciepła przegrody, W/m²K

F_xi – czynnik korekty temperatury

91,5 – uogólniony przelicznik godzin i temperatury w sezonie grzewczym

L_k – długość mostka liniowego, m

Ψ_k – liniowy współczynnik przenikania ciepła danego mostka, W/mK

1. Straty ciepła na podgrzanie powietrza wentylacyjnego Q_V

Q_Vi(m) = C_pp_pψ_i[T_i−T_e(m)]L_p(m) × 24

C_p – ciepło właściwe powietrza, J/kgK

P_p – gęstość powietrza zewnętrznego, kg/m³

T_i – obliczeniowa temperatura powietrza w pomieszczeniu

T_e – obliczeniowa temperatura powietrza na zewnątrz w danym miesiącu dla danej lokalizacji budynku

L_p – liczba dni w miesiącu

Ψ_i – strumień powietrza wentylacyjnego w danym pomieszczeniu

Wzór uogólniony dla sezonu grzewczego:

Q_V = 17,385 V_e

Q_V = 91,5 H_V = 91,5 * 0,19 V_e

1. Transport masy

1. Ciśnienie pary wodnej cząstkowe i nasycone

2. Temperatura punktu rosy

3. Wilgotność względna i bezwzględna powietrza

4. Wilgotność sorpcyjna materiału budowlanego – wyznaczanie

5. Zjawisko sorpcji i desorpcji

6. Na czym polega (i jak można zmierzyć) podciąganie kapilarne?

7. Zjawiska dyfuzji

8. Kolejność wykonywania obliczeń służących wyznaczaniu kondensacji pary wodnej w przegrodzie

9. Czynniki wpływające na szybkość wysychania przegrody

1. Izolacje cieplno – wilgotnościowe

1. W jaki sposób może nastąpić zawilgocenie budynku?

2. Szkody w budynkach spowodowane przez wilgoć

3. W jaki sposób można odtworzyć izolacje poziome budynku?

4. Co to jest izolacja wodochronna i przeciwwilgociowa?

5. Rodzaje budownictwa niskoenergetycznego

1. Oświetlenie

1. Wielkości charakteryzujące falę elektromagnetyczną

2. Widmo promieniowania elektromagnetycznego

3. Zdolność widzenia

4. Strumień światła, natężenie światła

5. Jakie wielkości fizyczne są opisywane jednostkami: lumen, Lux, kandela, steradian?

6. Światłość, luminacja

7. Równomierność oświetlenia

8. Współczynnik oświetlenia dziennego

1. Akustyka

1. Co obejmuje akustyka budowlana, wnętrz oraz urbanistyczna?

2. Rodzaje fal akustycznych

3. Co to jest pojęcie akustyczne? Co ma wpływ na jego zmniejszenie?

4. Chłonność akustyczna

5. Poziom dźwięku

6. W jaki sposób jest przenoszony dźwięk?

7. Co to jest częstotliwość graniczna?

8. W jaki sposób można wyciszyć pomieszczenie

9. Ochrona przeciwdrganiowa