Identyfikacja ustalonych procesów wymiany ciepła i powietrza pomiędzy obiektem budowlanym a otoczeniem zewnętrznym.

STRATY CIEPŁA OGRZEWANEGO OBIEKTU BUDOWLANEGO WYNIKAJĄ Z:

• Przenikania ciepła przez przegrody zew. I do gruntu

• Niekontrolowanych przepływów powietrza:

1. Infiltracja przez otwory zew.

2. Przepływu przez mikropęknięcia w obudowie zew. Budynku

• Kontrolowanych przepływów powietrza:

- wentylacja naturalna

- wentylacja grawitacyjna

- wentylacja mechaniczna

- klimatyzacja

ZYSKI CIEPŁA OGRZEWANEGO PBIEKTU BUDOWLANEGO:

• Ciepło dostarczane ze źródła ciepła

• Ciepło pochodzące od ludzi

• Ciepło pochodzące z urządzeń zasilanych elektrycznie lub innymi nośnikami energii

• Ciepło pochodzące z promieniowania słonecznego

WYMIANA CIEPŁA

Pomiędzy dwoma punktami ośrodka lub ośrodków różniących się temperaturą wystepuje przepływ energii nazywamy przepływem ciepła.

Przepływ ciepła realizowany może być trzema różnymi sposobami, a mianowicie poprzez:

Przewodzenie

Konwekcję

Promieniowania

PRZEWODZENIE- jest wynikiem zderzeń poruszających się cząsteczek ośrodka i generalnie jest tym efektywniejsze im ośrodek posiada większa gęstość stąd silne w ciałach stałych i słabe w gazach

KONWEKCJA- występuje jedynie w cieczach i gazach gdy cząsteczki z jednego obszaru Przenosza się do drugiego obszaru o innej temperaturze. W przeciwieństwie do przewodzenia jest to ruch na poziomie makroskopowym. Ruch ten może być swobodny lub wymuszony.

PROMIENIOWANIE- polega na przenoszeniu energii poprzez fale elektromagnetyczne. Fala padajaca na ośrodek materialny przekazuje intensyfikując ruch cząsteczek , a z kolei cząsteczki mogą być również źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Fale te różnią się od optycznych jedynie długością która wynosi od 0,0008 do 0,3 mm. Padająca fala częściowo jest odbijana, a częściowo absorbowana. Proces ten charakteryzowany jest współczynnikiem absorpcji α. W przypadku ciał przezroczystych dodatkowo częśc padającej energii może być przepuszczana.

TERMINOLOGIA I JEDNOSTKI

Ilość energii docierającej w postaci ciepła w jednostce czasu do rozpatrywanego elementu nazywa się strumieniem ciepła -Q (ψ)

Podstawową jednostką strumienia ciepła jest: 1J/s= 1 W Nxm=J

Jednostka spotykana w literaturze 1kcal/h=4186J/3600s=1,16 W

Strumień ciepła przypadający na jednostkę ciepła - q [W/m² ]

q = Q/A W/m²

W zagadnieniach technicznych wymiana ciepła rzadko odbywa się wyłącznie jednym z wymienionych wyżej sposobów ; przeważnie zjawiska te występują łącznie i dlatego rozpatruje się je jako następujące przypadki:

Przewodzenie ciepła

Przejmowanie ciepła, czyli wymiana pomiędzy powierzchnią jakiegoś ciała a otaczającą cieczą lub gazem.

Przenikanie ciepła , gdy zachodzi wymiana pomiędzy dwoma ośrodkami o różnych temp. Podzielonych ścianką.

Rozpatrując przejmowanie ciepła dodatkowo uwzględnia się energię docierającą do powierzchni ciała na drodze promieniowania.

PRZEWODZENIE CIEPŁA:

Przewodzenie ciepła odbywa się zgodnie z prawem Fouriera-gęstość strumienia ciepła jest proporcjonalna do GRADIENTU TEMPERATURY. Gradient temperatury jest wektorem, którego zwrot wskazuje kierunek najszybszego wzrostu temp, natomiast długość odpowiada przyrostowi temp na jednostkę długości

W szczególności dla przypadku jednowymiarowego:

Minus oznacza że ciepło płynie od niższej do wyższej temp, natomiast współczynnik proporcjonalności
nosi nazwę współczynnika przewodzenia ciepła i jest parametrem materiałowym mierzonym w W/mK.

Współczynnik definiowany jest jako strumień ciepła, który przepływa w ciągu 1 godz. Przez 1m²

Materiału o grubości 1m. jeżeli różnica temp po obu stronach powierzchni tegoż materiału wynosi 1K.

Dla stanu ustalonego

Q= Axq

Współczynnik przewodzenia ciepła jest parametrem materiałowym.

Dla ścianki n materiałowej wzór przybierze postać:

q=

Definiując pojęcie oporu cieplnego warstwy:

R_i=

Całkowity opór cieplny ścianki wielowarstwowej oblicza się jak opór zastępczy przy łączeniu szeregowym oporów elektrycznych:

R=

Tej analogii różnica temp odpowiada różnicy potencjałów a gęstość strumienia ciepła odpowiada natężeniu prądu elektrycznego. Równanie: q=
jest odpowiednikiem prawa Ohma dla prądu elektrycznego

PRZEJMOWANIE CIEPŁA

Przejmowanie ciepła to zjawisko wymiany ciepła pomiędzy ciałem stałym a otaczającym go płynem. W takich warunkach bezpośrednio przy powierzchni ciała stałego warstwa cząsteczek płynu, w których cząsteczki poruszają się jedynie równolegle do powierzchni, a ciepło przepływa jedynie na drodze przewodzenia w tej warstwie co z uwagi na niski współczynnik przewodzenia ciepła w płynach powoduje duży wzrost oporu cieplnego.

Gęstość strumienia ciepła w tym przypadku wyrażone jest prawem Newtona:

q=hx(T_O-T_S)

W którym h jest współczynnikiem przejmowania ciepła i mierzony jest w W/m²K

Wyznaczenie współczynnika przejmowania ciepła jest trudne gdyż zalezy on od wielu czynników, a mianowicie:

• Prędkości i kierunku przepływu płynu względem powierzchni

• Parametrów fizycznych płynu (gęstość, lepkość, przewodność cieplna itp.)

• Kształtu i wymiarów ciała stałego

Zależność pomiędzy współczynnikiem przejmowania ciepła i wymienionymi wielkościami wyznacza się doświadczalnie, a teoria podobieństwa pozwala przenosić wyniki doświadczenia na inne, ale podobne zarówno geometrycznie jak i hydrodynamicznie i cieplnie układy. W teorii podobieństwa wprowadza się tzw. Liczby podobieństwa , z których najważniejsze to:

• Liczba Reynoldsa wyróżnik intensywności konwekcji wymuszonej Re=
  

• Liczba Prandtla wyróżnik właściwości termofizycznych Pr=
  

• Liczba Grashofa wyróżnik intensywności konwekcji swobodnej Gr=
  

• Liczba Nusselta wyróżnik podobieństwa przejmowania ciepła w modelu i obiekcie.

Nu=
gdzie:

w- prędkość przepływu

l- charakterystyczny wymiar liniowy

v- lepkość kinematyczna

c_p- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu

ρ- gęstość

g- przyspieszenie ziemskie

β- współczynnik rozszerzalności objętościowej

W ramach prowadzonych doświadczeń uzyskuje się związki pomiędzy liczbami podobieństwa dla podobnych geometrycznie układów przy swobodnej lub wymuszonej konwekcji

Przykładowo dla przepływu płynu wew. Rury o przekroju kołowym związek taki ma postać:

Nu=0,023xRe^0,8xPr^0,33

Po obliczeniu prawej strony wyrażenia współczynnik przejmowania wyznacza się z wartości obliczonej liczby Nu:

h=

Emisję ciała rzeczywistego charakteryzuje emisyjność ε (zawsze ε<1)

q=σxT⁴

Przy wymianie ciepła pomiędzy dwiema równymi powierzchniami:

q=ε_nxσx(T⁴₁ -T⁴₂)

gdzie ε_n jest emisyjnością zastępczą zależna od konfiguracji powierzchni. Dla dwu równoległych , nieskończonych powierzchni.

Emisyjnośc ciała jest zdefiniowana jako stosunek energii promieniowania emitowanego przez ciało do energii promieniowania, która mogłaby być wyemitowana przez ciało czarne w tej samej temp.

W praktyce przy łącznej wymianie ciepła związanej z konwekcją i promieniowaniem upraszcza się zagadnienie dobierając współczynniki zgodnie z zależnością:

q=(h+h_p)x(T_s-T_o) h_p=ε_nxσx

Wprowadza się- podobnie jak przy przewodzeniu- opór cieplny przejmowania

R_h=
a łączny proces przejmowanie- przewodzenie- przejmowanie traktuje się jak szeregowe łączenie oporów:

1. R_k= R_h1+R_λ+R_h2 R_k=
   

2. R_k= R_h1+R_λ1+R_h2+ R_λ2 R_k=
   

q=

Lub wprowadzając współczynnik przenikania ciepła- U=1/R_k q=Ux(T1-T2)

Pogodę określa zbiór parametrów, do których zalicza się:

• Całkowite i dyfuzyjne promieniowanie słoneczne

• Temperaturę otoczenia

• Prędkość i kierunek wiatry

• Wilgotność względna powietrza

W wyniku oddziaływań parametrów klimatu zachodzą procesy wymiany ciepła i powietrza.

Wielkości te traktowane są jako wymuszenia zew. Których intensywność wpływa na w/w procesy zależy m.in. od własności izolacyjnych przegród budowlanych, ich szczelności.

Wewnętrzne źródła ciepła w postaci:

Systemów ogrzewania, zysków pochodzących od użytkowników, od sprzętu zasilanego elektrycznie itd.

Są traktowane w bilansie ciepła jako wymuszenia wew.

Do uzyskania charakterystyk cieplno-przepływowych budynków można wykorzystywać przebiegi dobowe wymienionych powyżej parametrów.

W praktyce inżynierskiej wykorzystuje się średnie wartości parametrów podane w normach.

Bazą danych do uzyskania średniej miesięcznej doby są wielkości rzeczywiste IMGW odczytywane całą dobę w odstępach trzygodzinnych, począwszy od 1-ej w nocy.

Z danych meteorologicznych zbieranych dla danej lokalizacji tworzy się ciągi wartości parametru.

Zamierzone i niezamierzone przepływy powietrza przez budynek

Przepływ powietrza przez okna, otwory i szczeliny w obudowie budynku są wynikiem powstawania w miejscu przepływu sumy spadku ciśnienia pochodzącego od

Prędkości wiatru i różnicy temp

Generowane ciśnienie zależy także od lokalizacji i geometrii otworów

Spadek ciśnienia powstający w budynku na drodze od otworu dopływającego do odpływającego podlega rygorom prawa zachowania masy (ρ₁xV₁xA₁= ρ₂Xv₂xA₂), jednak różnica gęstości pomiędzy powietrzem zew., a wew. Jest na tyle niewielka, że może być w obliczeniach zaniedbywana.

Założenie umożliwia obliczanie wydatku objętościowego powietrza wymienianego pomiędzy budynkiem i otoczeniem zew. V_m=ρxvxA [kg/s] V=vxa [m³/s]

Na mocy równania gazu doskonałego można założyć poniższą relację pomiędzy gęstością powietrza a temperaturą

Zakłada się mianowicie że atmosfera traktowana jest jako gaz idealny i relację pomiędzy ciśnieniem a temperaturą opisuje równanie stanu doskonałego p=ρRT R jest stałą gazową=288 J/kg*K

Przepływ powietrza przez bardzo wąskie otwory tj. przez głębokie szczeliny lub mikropęknięcia muru, wykazuje cechy przepływu laminarnego lub takiego jak dla płynu lepkiego. W takim przypadku strumień objętości powietrza opisany jest równaniem Couette V=[
]Δp

Gdzie:

b [m] - długość szczeliny

h_h [m]- wysokość szczeliny

L [m]- głębokość szczeliny po długości przepływu

μ [Pa*s]- lepkość powietrza

Re=
<2300 v=μ/ρ lepkość kinematyczna

Δp_t=(ρ_e- ρ_i)gh spadek ciśnienia wywołany różnicą gęstości powietrza zew. I wew.

Δp_v=C_p
spadek ciśnienia wywołany parciem wiatru

Δp=
p_t+Δp_v sumaryczny spadek ciśnienia

I=a*(
p_t+Δp_v)ⁿ

I-strumień infiltrującego powietrza odniesiony do jednostki długości szczeliny lub powierzchni okna przy sumarycznym spadku ciśnienia Δp

a-[m²*m^-2*h^-1/ m²*m^-1*h^-1] współczynnik przenikania powietrza przez jednostkę długości szczeliny lub powierzchni okna wyznaczony przy różnicy ciśnień 1 mm H2O

n- współczynnik potęgowy określający geometrię szczeliny dla przepływu turbulentnego n=0,5; laminarnego n=1

V=I*L lub I*F m³*h^-1

L [m] długość szczeliny

F [m²] powierzchnia okna V=C₄A(
ⁿ

Strumień ciepła mienianego z otoczeniem na skutek infiltracji powietrza Q=c_pρ_eV(t_i-t_e)

= 1,2 kg/m3 c_p=1000 kJ/kg

Bezwymiarowy współczynnik C_p określany jest eksperymentalnie zazwyczaj w tunelu aerodynamicznym.

Jego wartość zależy od geometrii i lokalizacji obiektu, topografii terenu oraz od prędkości i kierunku napływu wiatru.

W przypadku budynków o starych krawędziach wartość współczynnika jest prawie niezależna od prędkości wiatru.

Wartość ta może także być wyliczona. W ASHRAE podano algorytm obliczania współczynnika Cp oparty na eksperymentalnie wyznaczonych funkcjach harmonicznych dla różnych kierunków napływu wiatru.

Ciśnienie generowane różnicą gęstości powietrza zew i wew na wysokości h liczone od ciśnienia odniesienia p₀ wynosi Δp_s= p_e- p_i-ρgh

Gradient ciśnienia
-ρg= - ρ₀g

ρ₀- gęstość powietrza przy temperaturze odniesienia T₀

T- temperatura powietrza

Z powyższej relacji widać że różnica ciśnień wraz z wysokością maleje. Na pewnej wysokości zwanej osią neutralną wynosi zero. Powyżej rośnie aż do osiągnięcia poziomu maksymalnego na wysokości otworu górnego. W budynku z jednorodną temperaturą wewnętrzną o wysokości h spadek ciśnienia Δp_h przy T_i<T_e na poziomie sufitu wyniesie

Δp_h=( ρ_e -ρ_i)gh

W przypadku kiedy na budynek nie działają żadne siły poza naporem wiatru powstają różnice ciśnień określone przez ciśnienie statyczne wewnątrz budynku.

Δp= ρ_e +ρ_v- ρ_i

Δp- różnica ciśnień pomiędzy ciśnieniem zewnętrznym i wewnętrznym przy działaniu wiatru

ρ_e- ciśnienie zewnętrzne przy niezaburzonym przepływie dla danej wysokości

ρ_v - ciśnienie od wiatru dla danej lokalizacji

ρ_i- ciśnienie wewnętrzne na wysokości dla danej lokalizacji

w przypadku braku różnicy temperatur pomiędzy budynkiem i jego otoczeniem zewnętrznym ciśnienie statyczne wewnątrz budynku zmniejsza się liniowo wraz z wysokością odpowiednio do poziomu temperatury wewnętrznej. Ten spadek ciśnienia równy jest iloczynowi gęstości powietrza wewnętrznego, różnicy wysokości i przyspieszenia ziemskiego. Z wartości ciśnienia statycznego panującego w pomieszczeniu wynika równość wydatków powietrza na wejściu i wyjściu z budynku.

Dla przepływu nielepkiego w stanie ustalonym po scałkowaniu równanie Naviera-Stokesa przybiera postać równania Bernoulliego , które opisuje średnią wartość ciśnienia od wiatru na powierzchni przegrody. Opowiada ono ciśnieniu statycznemu w niezaburzonym przepływie. p_w =1/2C_p ρ₀v²_H

C_p- współczynnik ciśnienia statycznego na przegrodzie budynku ρ₀-gęstośc powietrza zewnętrznego jako funkcja ciśnienia atmosferycznego

Wymiana powietrza i układ ciśnień przy założeniu, że oś obojętna występuje w połowie wysokości okna, brak kanałów wentylacyjnych, nie istnieje wymiana pomiędzy pomieszczeniami a resztą budynku.

Wymiana powietrza i układ ciśnień przy założeniu, że oś obojętna wsytepuje na poziomie wylotów kominów, są kanały wentylacyjne, nie istnieje wymiana pomiędzy pomieszczeniami, a resztą budynku.

Wymiana powietrza i układ ciśnień przy założeniu , że oś obojętna występuje w połowie wysokości budynku, zachodzi wymiana pomiędzy pomieszczeniami, a resztą budynku, SA kanały wentylacyjne.

Wiatr `'zderzający się'' z zewnętrzną przegroda budynku generuje ciśnienie statyczne na jego zewnętrznej przegrodzie. Rozkład tego ciśnienia zależy od kierunku wiatru oraz lokalizacji budynku. Poziom ciśnienia na przegrodzie zewnętrznej jest niezależny od ciśnienia panującego we wnętrzu budynku.

Ciśnienie wynikające z działania wiatru na przegrodę niewietrzoną jest w przeważających przypadkach większe od ciśnienia statycznego.

Po stronie zawietrznej ma wartość ujemną.

Na pozostałych przegrodach może być zarówno dodatnie jak ujemne w zależności od kształtu budynku oraz kata napływu wiatru.

Ciśnienie statyczne na poszczególnych przegrodach budynku przybiera wartości niemal proporcjonalne do prędkości niezakłóconego przepływu.

Energia kinetyczna wiatru może być wykorzystywana poprzez deflektory do wspomagania wentylacji naturalnej. Działanie deflektorów bazuje na wykorzystaniu nierównomiernego rozkładu ciśnień przy opływie bocznym walca.

Na około 2/3 obwodu poprzecznego omywanego walca, jak również na jego powierzchni czołowej tzn w płaszczyźnie przekroju od góry rury, wytwarzane jest podciśnienie.

PN-EN 13829 właściwości cieplne budynków. Określenie przepuszczalności powietrznej budynków. Metoda pomiaru ciśnieniowego z użyciem wentylatora.

Szczelność powietrzno-wiatrowa obudowy budynku uzyskiwana przy użyciu folii izolacyjnej, dodatkowych uszczelnień w postaci taśm samoprzylepnych itp. Jest częstokroć pozbawiona ciągłości poprzez różnego rodzaju Elementy budowlane oraz przechodzące przez nią różne elementy przelotowe jak np. przewody instalacji elektrycznych lub sanitarnych. Dlatego też jedynie ścisła współpraca projektantów z wykonawcami może zapewnić optymalną jakość wykonania budynku.

USYTUOWANIE WARSTW IZOLACYJNYCH

Zarówno lokalizację, jak i sposób ułożenia warstwy izolacyjnej, nieprzepuszczającej powietrza ani pary wodnej, należy zaprojektować w najdrobniejszych szczegółach. Warstwę tę układa się po wewnętrznej , ciepłej stronie przegrody izolacyjnej, w miarę możliwości na zwróconej do wnętrza powierzchni konstrukcji nośnej budynku.

ZADANIA

Zadanie 1

Ściana domu wykonana jest z cegieł o grubości 0,5 m pokrytej z obu stron tynkiem o grubości każdej z warstw 3cm.

Współczynniki przewodzenia wynoszą dla cegły λ_c=0,69 a dla tynku λ _t=0,87 W/m*K

Temperatura ściany po stronie wew wynosi 16°C, a po stronie wew -12°C

Obliczyć:

Opór cieplny ściany

Współczynnik przewodzenia ciepła ściany

Gęstość strumienia ciepła przepływającego przez ścianę

Porównać wartość współczynnika U z wartością podaną w rozporządzeniu

Rozwiązanie

Całkowity opór przewodzenia:

R=2*
= 2*

U=1/R -> 1/0,794=1,26 W/m²K

1. q=
   35,3 W/
   gęstość strumienia ciepła

2. q=U(
   )= 1,26(16-(-12))

Zadanie 2

Grubość ścian baraku wynosi 80mm przy czym przewodność cieplna materiału tych elementów wynosi

Współczynnik przejmowania ciepła od wewnątrz do tych elementów wynosi

hw= 7,0 W/(m² * K) zas od nich do powietrza zewnętrznego hz=35,0 W/(m² * K)

Temperatura w pomieszczeniu gospodarczym wynosi 8°C

Obliczyć

Całkowity opór cieplny ściany - R_T

Współczynnik przenikania - U , porównać z rozporządzeniem

R_T=
=
0,358 m² * K/W

U=1/ R_T -> 1/0,358=2,79 W/(m² * K)

---