Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła „U”
przegród budowlanych
Ćwiczenie Nr 3
Laboratorium z przedmiotu:
FIZYKA
Kod:
BO 4110
Opracował:
dr inż. Wiesław Sarosiek
Białystok 2011
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 3
Str.
2
1. Wprowadzenie
Ćwiczenie wykonuje się w pomieszczeniu laboratorium. Do wykonania
ćwiczenia potrzebna jest znajomość podstawowych zagadnień z fizyki budowli
dotyczących ruchu ciepła przez przegrody budowlane, form wymiany ciepła,
oporu cieplnego przegród (R), współczynnika przenikania ciepła „U”.
2. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest przypomnienie i pogłębienie wiadomości o
możliwościach wyznaczania izolacyjności termicznej przegród budowlanych na
podstawie pomiarów gęstości strumienia ciepła i temperatur (wewnętrznej i
zewnętrznej).Ćwiczenie obejmuje również szczegółowe zasady wykonywania
tego typu pomiarów oraz wyciąganie wniosków co do jakości termicznej
przegród na podstawie wyznaczonych wartości współczynników przenikania
ciepła ”U”.
3. Metodyka badań
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomiarowe:
- miernik gęstości strumienia ciepła HFM-2 (wyposażony w minimum 3
sondy pomiarowe),
- termometry do pomiaru temperatury powietrza (wewnątrz i na zewnątrz
budynku).
Rys. 1 Widok aparatu HFM-2
3.1. Zasada działania miernika gęstości strumienia ciepła HFM-2
Działanie miernika HFM-2 oparte jest o pomiar tak zwanymi
ciepłomierzami (faktycznie mierzona jest spadek temperatury na materiale
ciepłomierza o znanym oporze cieplnym). Jest to miniaturyzacja tak zwanej
metody ścianki pomocniczej. Miernik może dokonywać pomiaru jednocześnie
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 3
Str.
3
12 sondami (ciepłomierzami). Wybór sondy z której odczyt jest w danym
momencie wyświetlany oraz wybór zakresów pomiarowych dokonywany jest za
pomocą odpowiednich przycisków funkcyjnych.
3.2. Przebieg pomiarów
1
2
4
3
Rys.2. Widok czoła MIERNIKA HFM 2, gdzie: 1 - włącznik i wyłącznik, 2 -
wybór zakresu, 3 - przełącznik numeru sond pomiarowych, 4 - cyfrowe pole
odczytowe wartości q
Rys.3. Płyta tylna miernika HFM-2 z 12 gniazdami do podłączenia czujnik
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 3
Str.
4
Rys. 4. Czujnik gęstości strumienia naklejony na ścianie zewnętrznej, gdzie:
7 - czujnik właściwy, 8 - pierścień ochronny
Czujniki gęstości strumienia ciepła (ciepłomierze) należy zamocować do
powierzchni wewnętrznej badanej przegrody. Do tego celu zaleca się użyć smar
silikonowy. Smar ten ma za zadanie zlikwidowanie pęcherzy powietrza, i
dokładne przyklejenie powierzchni czujnika do danej przegrody. Zamocowany
do powierzchni przegrody czujnik nie zakłóca w sposób istotny
przepływającego strumienia ciepła (odpowiedź na pytanie dlaczego należy
zamieścić w sprawozdaniu). Gęstość strumienia ciepła odczytuje się
bezpośrednio na wyświetlaczu miernika.
Odczytywanie wartości gęstości strumienia ciepła w poszczególnych
miejscach wybierane jest ręcznie przez zmianę położenia przełącznika kanałów.
Zasadę pomiaru gęstości strumienia ciepła miernikiem HFM z sondami
typu ciepłomierz przedstawiono poniżej.
przegroda
strumień q
1
t
i
t
e
strumień q
2
ciepłomierz
Rys. 5. Pomiar gęstości strumienia ciepła miernikiem typu HFM.
7
8
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 3
Str.
5
Gęstość strumienia ciepła przepływającego poza czujnikiem przez przegrodę
można zapisać w postaci:
a występujący we wzorze współczynnik przenikania ciepła U
1
Natomiast gęstość strumienia ciepła przepływającego przez przegrodę w
miejscu czujnika wynosi:
a występujący we wzorze współczynnik przenikania ciepła U
2
oznaczenia we wzorach:
U
1
- wsp. przenikania ciepła przegrody (w miejscu strumienia ciepła q
1
),
q
1
– gęstość strumienia ciepła poza czujnikiem,
U
2
– wsp. przenikania ciepła przegrody (w miejscu strumienia ciepła q
2
),
q
2
- gęstość strumienia ciepła przez czujnik,
d
pi
– grubość kolejnej warstwy przegrody,
λ
pi
– współczynnik przewodzenia ciepła kolejnej warstwy przegrody,
d
c
– grubość czujnika,
λ
c
– współczynnik przewodzenia ciepła czujnika.
Gęstość strumienia ciepła przepływającego przez czujnik można zapisać w
postaci:
oznaczenia:
R
c
– opór cieplny czujnika (ciepłomierza),
υ
1
, υ
2
– temperatury na powierzchniach czujnika.
Na podstawie warunku ciągłości strumienia ciepła można napisać, że:
a zatem
]
/
[
)
(
2
1
1
m
W
t
t
U
q
e
i
]
/
[
1
2
1
1
K
m
W
R
d
R
U
n
i
e
pi
pi
i
]
/
[
1
2
1
2
K
m
W
R
d
d
R
U
n
i
e
c
c
pi
pi
i
]
/
[
)
(
2
2
2
m
W
t
t
U
q
e
i
]
/
[
)
(
1
2
2
1
m
W
R
q
c
c
c
q
q
2
]
/
[
)
(
1
2
2
1
2
m
W
R
q
c
]
/
[
)
(
2
2
1
2
m
W
A
q
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 3
Str.
6
Z ostatniej zależności wynika, iż gęstość strumienia ciepła
przepływającego przez ścianę w miejscu gdzie naklejony został ciepłomierz jest
wprost proporcjonalna do różnicy temperatur na powierzchniach ciepłomierza
(współczynnikiem proporcjonalności „A” jest odwrotność oporu cieplnego
ciepłomierza).
Różnica pomiędzy strumieniem q
1
i q
2
wynika jedynie z różnicy
pomiędzy współczynnikami przenikania ciepła U
1
i U
2
spowodowanej oporem
cieplnym czujnika. Możemy zapisać, że:
R
p
– opór cieplny przegrody.
Ponieważ czujnik jest bardzo „cienki” (ok. 3 – 4 mm) w porównaniu do
grubości ściany (30 – 40 cm) oraz zbudowany jest z materiału o wysokim
współczynniku przewodzenia ciepła (λ
c
=0,3 – 0,5 W/mK) natomiast w ścianie
znajduje się zwykle przynajmniej kilka centymetrów materiału o współczynniku
λ=0,05 W/mK, zapisane powyżej wyrażenie jest prawdziwe.
Wyznaczenie współczynnika przenikania ciepła „U” na podstawie znanej
wartości gęstości strumienia ciepła „q” jest już bardzo proste. Wystarczy
zmierzyć temperaturę powietrza (wewnętrznego i zewnętrznego) i wyliczyć
współczynnik z zależności:
Należy pamiętać, iż pomiar gęstości strumienia ciepła powinien być
prowadzony w sytuacji ustabilizowanego przepływu ciepła przez badaną
przegrodę. Wykluczone są pomiary na ścianach nasłonecznionych w trakcie lub
do kilku godzin po ustaniu promieniowania słonecznego; nawet gdy jest to tylko
promieniowanie rozproszone. Pomiar powinien być prowadzony w dłuższym
okresie czasu a wskazania przyrządu zapisywane lub obserwowane. Pomiarom
tym powinny towarzyszyć pomiary temperatur (wewnętrznej i zewnętrznej)
przeprowadzane w pobliżu miejsca gdzie znajduje się czujnik (czujniki).
Miarodajne do obliczania współczynnika przenikania ciepła są wartości średnie
gęstości strumienia ciepła i różnicy temperatur. Do dokładnych obliczeń stosuje
się wzory całkowe i pomiar co najmniej kilkunastogodzinny. Do orientacyjnych
pomiarów wystarczy obserwacja kilkudziesięciominutowa i podstawienie
wartości średnich. Oczywiście pomiar może być skuteczny jedynie przy
odpowiednio dużej różnicy temperatur (co najmniej 20 K).
2
1
q
q
R
R
p
c
]
/
[
2
1
K
m
W
t
t
q
U
e
i
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 3
Str.
7
3.3. Wyniki pomiarów i obliczenia
Wyniki pomiarów oraz obliczenia dla wskazanych przez prowadzącego
fragmentów przegród należy zamieścić w sprawozdaniu.
4. Wymagania BHP
Obowiązują ogólne wymagania przepisów BHP podane studentom na
zajęciach wstępnych
5. Sprawozdania studenckie
W sprawozdaniu należy podać: cel i zakres ćwiczenia, opis stanowiska
badawczego, przebieg realizacji pomiarów wraz z rysunkiem miejsc
zamocowania czujników (co najmniej 3 punkty pomiarowe) i podaniem miejsc
pomiaru temperatury na szkicu przegrody, zestawieniem wyliczonych wartości
współczynników „U” i analizą uzyskanych wyników. Sprawozdanie należy
zakończyć wnioskami co do uzyskanych wartości dla danej ściany oraz
zastanowić się nad odpowiedzią na pytanie, kiedy można przyjąć, że czujnik nie
zmienia strumienia ciepła a także na pytanie czy można tą metodą wyznaczać
współczynniki przenikania ciepła „U” dla okien (szyb).
6. Literatura
1. Ickiewicz I., Sarosiek W. i Ickiewicz J.; Fizyka budowli – Ćwiczenia,
Białystok, skrypt PB 1994
2. Pogorzelski J. A. Fizyka budowli, Warszawa, PWN 1976.
3. PN-91/B-02020 Ochrona cieplna budynków.
BIAŁYSTOK, 2011R. - W. S.