OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA W PRZEGRODZIE PIONOWEJ
1
Ciepło - jest formą przekazywania energii. Cieplna forma przekazywania energii realizowana
jest przy bezpośredniej wymianie energii między bezładnie poruszającymi się cząsteczkami
ciał działających wzajemnie na siebie. Dzięki przekazanej ciału energii wzmaga się
nieuporządkowany ruch jego cząstek czyli zwiększa się energia wewnętrzna ciała. Na
przykład, przy zetknięciu się ciała zimnego z gorącym szybko poruszające się cząsteczki ciała
gorącego zderzają się z cząsteczkami ciała zimnego poruszającymi się wolniej i przekazują
im część swojej energii kinetycznej. Przy tym energia wewnętrzna ciała gorącego zmniejsza
się aŜ do chwili wyrównania temperatury obu ciał.
Wymiana ciepła między dwoma ciałami jest typowym przykładem przekazywania energii
w postaci ciepła. Temperatura ciała jest więc zaleŜna od energii wewnętrznej tego ciała,
a przekazywanie energii cieplnej moŜe zachodzie tylko w przypadku róŜnicy temperatury
ciał. Ciepłem nazywamy równieŜ ilość przekazywanej energii.
KaŜde ciało oddaje ciepło na zewnątrz bądź do przylegających ciał chłodniejszych przez
przewodnictwo lub konwekcję, bądź do ciał odległych - nawet oddzielonych próŜnią - przez
promieniowanie.
Przewodzenie (kondukcja) jest to przenoszenie ciepła przy
bezpośrednim zetknięciu cząstek ciał wymieniających ciepło, które
zderzając się ze sobą przekazują sobie energię kinetyczną drgań. Jest
to mechanizm występujący w ciałach stałych i cieczach.
Konwekcja (unoszenie ciepła) występuje wtedy, gdy poszczególne makroskopowe cząstki
ośrodka, w których odbywa się ruch ciepła, zmieniają swoje połoŜenie.
RozróŜnia się przy tym dwa rodzaje konwekcji: swobodną i wymuszoną.
Przy konwekcji swobodnej ruch ośrodka jest wynikiem róŜnic gęstości
spowodowanych wzrostem objętości przy ogrzewaniu. Przy konwekcji
wymuszonej ruch ośrodka spowodowany jest róŜnicą ciśnienia ogólnego
(w przypadku powietrza moŜe ona być wynikiem działania wiatru lub
wentylatorów). Konwekcja zachodzi głównie w cieczach i gazach.
Promieniowanie (radiacja) jest to mechanizm przenoszenia ciepła, który odbywa się na
odległość i zachodzi za pośrednictwem fal elektromagne-
tycznych, przy czym następuje tu dwukrotna zmiana postaci
energii, tj. cieplnej na elektromagnetyczną na powierzchni
ciała wymieniającego ciepło i elektromagnetycznej na
OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA W PRZEGRODZIE PIONOWEJ
2
cieplną na powierzchni ciała pochłaniającego ciepło.
Jedną z podstawowych wielkości fizycznych określających stan cieplny ciała lub układu jest
temperatura, podana w określonej skali temperatur. Skalę temperatur określa się przez
podanie jej zera oraz jednostki. Ustalenie zera moŜe mieć charakter czysto umowny
(np. w skali Celsjusza) lub wynikać z analizy własności materiałów (bezwzględna skala
temperatur).
Pojęcie temperatury i jej skali wprowadza się w oparciu o kinetyczno-molekularną budowę
materii i termodynamikę. Drobiny tworzące ciało posiadają energię, której wartość jest
proporcjonalna do k, T (k - stała Boltzmana, T – temperatura). 'PoniewaŜ drobina znajdująca
się w danym stanie ma jedną, określoną wartość energii, nie przyjmowaną umownie, więc jej
pomiar poprzez pomiar temperatury musi być jednoznaczny. Wynika stąd bezwzględna skala
temperatur. PołoŜenie zera bezwzględnego w praktycznie przyjmowanej skali Celsjusza
określa się w oparciu o prawo przemiany izochorycznej:
p = p
o
/l +
α
t/
gdzie:
t - temperatura w °C,
p - ciśnienie gazu w temperaturze 0°C,
α
= 1/273,16
Przyjmujemy, Ŝe w temperaturze zera bezwzględnego ciśnienie spada do zera. Z powyŜszego
prawa wynika, Ŝe temperatura zera bezwzględnego odpowiada temperaturze - 273,16
0
C.
Twórcą skali, której zero odpowiada temperaturze zera bezwzględnego, był Kelvin.
Współczynnik przenikania ciepła ( oznaczony symbolem U ), wyraŜa ilość ciepła
przenikającą w ciągu jednej godziny przez 1m
2
przegrody przy róŜnicy temperatury powietrza
przy jej przeciwległych powierzchniach 1
o
C (1
o
K).
Jednostką U jest [ W/m
2
K]
W obliczeniach inŜynierskich współczynnik przenikania ciepła przegrody budowlanej
stykającej się z powietrzem oblicza się wg zasad określonych w normie PN-B ISO 6946:
=
K
m
W
R
U
T
2
1
gdzie:
R
T
– całkowity opór cieplny przegrody (opór przenikania ciepła),
OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA W PRZEGRODZIE PIONOWEJ
3
Całkowity opór cieplny:
+
+
+
+
+
=
W
K
m
R
R
R
R
R
R
se
n
si
T
2
2
1
.....
(3-2)
gdzie:
R
si
– opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni;
R
1
, R
2
....R
n
– obliczeniowe opory cieplne jednorodnych warstw i pustek powietrznych;
R
se
– opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni;
Opory przejmowania ciepła przyjmuje się w zaleŜności od kierunku przepływu strumienia
ciepła:
Kierunek strumienia cieplnego
R
⋅
W
K
m
2
w górę ↑
poziomy ↔
w dół ↓
R
si
0,10
0,13
0,17
R
se
0,04
0,04
0,04
Opór pojedynczej warstwy zaleŜy od jej grubości d
n
oraz współczynnika przewodzenia
ciepła
λ
n
materiału, z którego została wykonana.
R
n
=d
n
/
λ
n
OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA W PRZEGRODZIE PIONOWEJ
4
PRZEBIEG BADANIA
Badanie polega na ustaleniu współczynnika przenikania ciepła U przy pomocy dwóch metod:
-metodą pomiaru temperatur,
-metodą pomiaru strumienia ciepła.
1) W celu określenia U naleŜy określić rozkłady temperatur i strumienia ciepła na
przegrodzie (szklanych drzwiach komory chłodniczej). W tym celu w odstępach 10
minutowych z interfejsu pomiarowego odczytujemy odpowiednie wielkości i zapisujemy je
w załączonym formularzu.
t
e
t
3
t
2
t
1
t
i
czujnik
strumienia
ciepla
Rozkład czujników temperatury i strumienia ciepła na badanej przegrodzie
2) Do ostatecznych obliczeń według algorytmów podanych w załączonym formularzu naleŜy
przyjąć wartość średnią (arytmetyczną).
3) Po wykonaniu obliczeń dla średnich arytmetycznych naleŜy wykonać wykresy rozkładu
temperatur w czasie.
4) Obliczenia naleŜy powtórzyć dla ekstremalnych, odpowiadających sobie wartości
temperatur i strumienia ciepła.
SPRAWOZDANIE
Sprawozdanie powinno zawierać wypełniony formularz, wykresy rozkładu mierzonych
temperatur oraz praktyczną interpretację współczynnika U w budownictwie mieszkaniowym.
OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZENIKANIA CIEPŁA W PRZEGRODZIE PIONOWEJ
5
KOMORA CHŁODNICZA
q
DRZWI PRZESZKLONE
20,4
OZN
t
i
t
e
t
1
t
2
t
3
Nap.
Jedn.
°
C
mV
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Wart.
ś
red.
Wykonawcy:
1)...........................................................
2)...........................................................
3)...........................................................
4)...........................................................
Przegroda pionowa
Wyliczone wartości średnie:
t
i
= [
°
C]; t
e
= [
°
C];
t
1
= [
°
C]; t
2
= [
°
C];
t
3
= [
°
C]
q = nap.
×
20,4 = ..................... [W/m
2
];
R
c
= 0,0225 [m
2
K/W]
h=1,5 [m]
Metoda pomiaru
temperatur
Metoda pomiaru
strumienia ciepła
e
i
i
i
t
t
t
t
U
−
−
×
=
2
α
Współczynnki
przejmowania ciepła:
pr
k
i
α
α
α
+
=
94
,
4
=
pr
α
W/m
2
K
4
2
7
,
1
t
t
i
k
−
=
α
α
i
= ....................
=.....................
[W/m
2
K]
Współczynnik przenikania
ciepła:
U= ...........................
=....................
[W/m
2
K]
U = 1/(R + 1/
α
αα
α
i
+1/
α
αα
α
e
)
Opór cieplny ciepłomierza:
R
c
= (t
1
-t
2
)/q
R
c
=..........................=
=.......................
[m
2
K/W]
Opór cieplny przegrody:
R=(t
1
-t
3
)/q - R
c
R=..........................=
=....................
[m
2
K/W]
Współczynnki przejmowania
ciepła:
α
i
= q/(t
i
-t
1
)=
=...................................
=..................... W/m
2
K
α
e
= q/(t
3
-t
e
)=
=....................................=
=........................
[W/m
2
K]
Współczynnik
przenikania
ciepła:
U=............................=
.....................
[ W/m
2
K]
Data
Podpis prowadzącego