Wstęp

W celu utrzymania właściwych dla ludzi warunków zdrowotnych, umożliwiających równocześnie wysoką ich aktywność, należy wytworzyć warunki komfortu cieplnego i wilgotnościowego w pomieszczeniach obiektów mieszkalnych, administracyjnych, przemysłowych i innych. Niektóre procesy technologiczne wymagają również określonych parametrów klimatu wewnętrznego. Niedotrzymywanie określonych parametrów może uniemożliwić prowadzenie procesów technologicznych bądź też może wywierać wpływ na ich intensywność.

Utrzymywanie sztucznych warunków klimatycznych w pomieszczeniach jest ważnym, ale równocześnie trudnym zadaniem. Spowodowane jest to wielorakimi rozwiązaniami konstrukcyjnymi i przestrzennymi budynków, zmiennym oddziaływaniem atmosfery zewnętrznej, podwyższonymi wymaganiami dotyczącymi stałości parametrów określających komfort cieplny oraz dążeniem do ekonomicznego wykorzystania paliw.

W budownictwie wprowadzane są nowe materiały do izolacji cieplnej, materiały elewacyjne i konstrukcyjne - czasami z niepełną znajomością ich właściwości fizycznych. Urządzenia instalacji ogrzewczych i klimatyzacyjnych często połączone są z elementami konstrukcji budowlanych. Dotyczy to na przykład powierzchni grzejnych bądź elementów wentylacyjnych czy klimatyzacyjnych. W pomieszczeniach budynków o lekkich ścianach osłonowych i dużym przeszkleniu szczególną uwagę należy zwrócić na zagadnienia mikroklimatu. Obecnie w budownictwie wielkokubaturowym równolegle z dużymi osiągnięciami technicznymi występują błędy i uchybienia wynikające z niedostatecznej znajomości zjawisk fizycznych (a w szczególności cieplnych) w budynkach.

Dążąc do zapewnienia właściwego komfortu cieplnego w pomieszczeniach należy uwzględnić całokształt następujących problemów:

• wymianę ciepła i aerodynamikę strumieni powietrza w ograniczonej przestrzeni pomieszczenia,

• optymalizację i pewność utrzymania założonych parametrów mikroklimatu w pomieszczeniu,

• ustalenie parametrów klimatu zewnętrznego oddziałującego na budynek,

• wymianę ciepła, wilgotności i powietrza przez przegrody zewnętrzne oraz w instalacjach utrzymujących mikroklimat pomieszczeń,

• parametry robocze i regulacyjne instalacji ogrzewczych i ochładzających oraz wentylacji pomieszczeń z uwzględnieniem ich nie ustalonego charakteru zarówno w okresie letnim, zimowym, jak i rocznym.

W pomieszczeniach z dużym przeszkleniem i o małej bezwładności cieplnej przegród zewnętrznych mogą występować znaczące strefy, w których nie spełnione będą warunki komfortu cieplnego. W takich przypadkach należy stosować specjalne osłony pomieszczeń ograniczające cieplne oddziaływanie chłodnych lub ciepłych powierzchni przegród zewnętrznych.

Uwzględniając w obliczeniach wpływ naturalnej zmienności warunków klimatycznych na procesy cieplne w pomieszczeniach, instalacjach ogrzewczych czy klimatyzacyjnych należy łącznie analizować wymianę ciepła i masy, wykorzystując przy tym metody statystyczne i teorię prawdopodobieństwa.

W pracy tej przedstawiono podstawy procesów cieplnych, powietrznych i wilgotnościowych w budynku oraz podano sposoby ich obliczeń.

• Wymiana ciepła w pomieszczeniu

1. Warunki cieplne pomieszczenia

Warunkami cieplnymi pomieszczenia nazywa się całokształt czynników oraz zjawisk określających w nim stan cieplny.

Pomieszczenia w budynkach odizolowane są od środowiska zewnętrznego przegrodami, co pozwala na utrzymanie w nich określonego mikroklimatu.

RYSUNEK 1-1

Przegrody zewnętrzne zabezpieczają pomieszczenia przed bezpośrednim oddziaływaniem atmosfery, a instalacje ogrzewania i klimatyzacji utrzymują założone parametry środowiska wewnętrznego. Przez przegrody zewnętrzne na skutek istnienia różnicy temperatur między temperaturą zewnętrzną i wewnętrzną, promieniowania słonecznego oraz działania wiatru pomieszczenie w okresie zimowym traci ciepło, a w okresie letnim nagrzewa się. Siły wyporu, działanie wiatru i wentylacja wywołują różnice ciśnień będące przyczyną przepływu powietrza pomiędzy połączonymi pomieszczeniami i jego infiltracji przez pory materiałów i nieszczelności przegród.

Opady atmosferyczne, wilgoć wydzielana w pomieszczeniach oraz różnice wilgotności powietrza zewnętrznego i wewnętrznego powodują wymianę wilgoci przez przegrody, pod wpływem której możliwe jest zwilgocenie materiałów i zmniejszenie ich ochronnego działania oraz trwałości ścian zewnętrznych, stropów czy dachów.

Procesy określające warunki cieplne w pomieszczeniu należy rozpatrywać łącznie, ponieważ ich wzajemne oddziaływanie może okazać się bardzo istotne. Na przykład w okresie zimowym infiltracja powietrza i zawilgocenie konstrukcji może być przyczyną zwiększenia się strat ciepła pomieszczenia.

W tym przypadku stworzenie korzystnego mikroklimatu wewnątrz pomieszczenia wymaga zorganizowania wymiany powietrza i wilgoci między pomieszczeniem a środowiskiem zewnętrznym.

Podczas eksploatacji budynków decydujące znaczenie mają warunki cieplne pomieszczeń, od zależy odczucie komfortu cieplnego przez ludzi, prawidłowy przebieg procesów przemysłowych oraz stan i trwałość konstrukcji budynków i ich wyposażenia. Warunki cieplne w pomieszczeniu ustalają się dzięki współdziałaniu szeregu czynników: temperatury, ruchu oraz wilgotności powietrza w pomieszczeniu, obecności prądów powietrza i rozkładu jego parametrów w pionie i poziomie, a również promieniowania cieplnego otaczających powierzchni zależnego od ich temperatury, kształtów oraz własności fizycznych. Na skutek wymiany ciepła przez konwekcję i promieniowanie oraz wymiany masy, istnieje współzależność między temperaturą powietrza a temperaturą powierzchni przegród pomieszczenia.

Aby poznać proces powstawania mikroklimatu pomieszczenia, jego dynamikę i sposoby, jakimi uzyskuje się zmiany pewnych jego parametrów, konieczna jest znajomość praw rządzących wymianą ciepła w pomieszczeniu.

2. Promieniowanie cieplne w pomieszczeniu

Jednym z istotnych czynników złożonego procesu kształtującego warunki cieplne w pomieszczeniu jest wymiana ciepła na powierzchni przegród. Bilans cieplny dowolnej powierzchni i w pomieszczeniu można wyrazić równaniem.




Energia promieniowania
, konwekcji
i przewodzenia
jako składowe wymiany ciepła z powierzchni pomieszczenia mogą się zmieniać w czasie do wielkości i znaku, a pomimo to równanie jest słuszne dla wszystkich powierzchni zarówno ustalonych, jak i nieustalonych warunkach wymiany ciepła.

RYSUNEK 1-2

Stwierdzenie to nie dotyczy jednak powierzchni przegród, na których występują zjawiska związane z wydzielaniem lub pochłanianiem energii cieplnej (np. parowaniem wody lub skraplaniem pary wodnej, opromieniowaniem skupionymi promieniami cieplnymi itp.). Przy występowaniu takich zjawisk w równaniu bilansu cieplnego należy wprowadzić składnik uwzględniający obecność dodatkowych źródeł lub upustów (strat) ciepła. Poszczególne powierzchnie w pomieszczeniu mają różne temperatury. Zazwyczaj w okresie zimowym i letnim powierzchnie przegród zewnętrznych oraz urządzeń ogrzewania lub chłodzenia są bardziej nagrzane lub ochłodzone w porównaniu z powierzchniami przegród wewnętrznych, których temperatury niewiele odbiegają od temperatury powietrza w pomieszczeniu. Pomiędzy tymi powierzchniami zachodzi wymiana ciepła przez promieniowanie zgodnie z ogólnymi prawami fizyki. W obliczeniach technicznych jest jednak kłopotliwe posługiwanie się ścisłymi zależnościami wynikającymi z tych praw.

W pomieszczeniach wymiana ciepła przez promieniowanie odbywa się przy różnicach temperatur w pewnych przedziałach wartości, między powierzchniami o określonych własnościach fizycznych, przy danym ich usytuowaniu itp.

3. Promieniowanie cieplne powierzchni

Promieniowanie cieplne emitowane przez nagrzane powierzchnie są falami elektromagnetycznymi takimi samymi z punktu widzenia fizyki jak promieniowanie świetlne, fale radiowe i inne. Drgania elektromagnetyczne różnią się między sobą długościami fal
, które wyraża się w metrach m, mikronach
lub angstremach
, przy czym 1m = 10⁶
= 10¹⁰
. Na rysunku przedstawiono klasyfikację drgań elektromagnetycznych w zależności od długości fal.

RYSUNEK 1-3

Jak widać na rysunku, promieniowanie cieplne odpowiada zasadniczo podczerwonej części widma.

Wszystkie powierzchnie pomieszczenia są źródłami promieniowania cieplnego. Widmowe natężenie promieniowania
ciała doskonale czarnego w zależności od długości fali przedstawiono na rysunku dla temperatur występujących w pomieszczeniach. Wartości
podane na tym wykresie otrzymano z równania prawa Plancka. Przy dostatecznie niskich temperaturach, charakterystycznych dla powierzchni wewnątrz pomieszczeń, promieniowanie cieplne obejmuje stosunkowo wąskie pasmo długości fal, i można je traktować jako monochromatyczne (jednobarwne), tj. składające się z fal o jednakowej długości. Aproksymując krzywe na rysunku funkcją paraboliczną, uśrednione własności ciała można określać dla fali o długości
, która odpowiada maksymalnej intensywności promieniowania. Długość tej fali określa prawo Wiena




gdzie a _ stała promieniowania wynosząca 0,29cmºK.

RYSUNEK 1-4

Dla temperatur powierzchni T, występujący w pomieszczeniach w zakresie od 0 do 150ºC,
zawiera się w granicach od 7 do 11μ.

Zastąpienie promieniowania polichromatycznego promieniowaniem monochromatycznym jest pierwszym możliwym do wprowadzenia uproszczeniem przy obliczani promieniowania cieplnego powierzchni w pomieszczeniach.

Całkę natężenia promieniowania E₀, kcal/m²h, określa prawo Stefana - Boltzmanna




w którym C­₀ = 4,96kcal/m²hºK⁴ nosi nazwę stałej promieniowania ciała doskonale czarnego.

Na rysunku przedstawiono wielkość E₀ w funkcji temperatury powierzchni.

RYSUNEK1-5

Przegrody w pomieszczeniu traktuje się jako ciała szare. W odróżnieniu od ciał doskonale czarnych ciała szare wypromieniowują mniej ciepła, a padającego na nie strumienia promieni cieplnych nie pochłaniają całkowicie lecz częściowo odbijają.

Materiały budowlane, przewodniki i dielektryki, różnią się między sobą własnościami promieniowania w pasmach promieni podczerwonych. Przewodniki odbijają, a dielektryki pochłaniają większą część padających na nie promieni podczerwonych. Wobec tego, ponieważ zgodnie z prawem Kirchhoffa emisyjność jest równa zdolności pochłaniania promieniowania monochromatycznego, przewodniki wypromieniowują mniej energii cieplnej od dielektryków. Stałe promieniowania ciał szarych C mają wartości mniejsze od C₀. Wielkości te związane są zależnością




gdzie ε _ stopień czarności powierzchni (wielkość bezwymiarowa) równy jest emisyjności względnej promieniowania powierzchni.

Zdolność pochłaniania i odbijania promieniowania cieplnego zależą nie tylko od rodzaju materiału, ale również od stanu powierzchni, długości fal promieniowania oraz kąta ukierunkowania promieniowania w stosunku do powierzchni ciała.

Tablica 1

Wartości współczynnika emisyjności ε i współczynnika pochłaniania promieniowania słonecznego r powierzchni różnych materiałów budowlanych.

Rodzaj materiału i stan powierzchni		ε	r
Marmur szary, szlifowany		0,93	0,30
Marmur ciemny, szlifowany		0,93	0,65
Granit szary, jasny, polerowany		0,42	0,80
Wapień jasny, szlifowany		0,40	0,35
Wapień ciemny, szlifowany		0,40	0,50
Piaskowiec żółto-brązowy szlifowany		-	0,54
Piaskowiec jasny		-	0,62
Piaskowiec czerwony		0,57	0,73
Cegła czerwona		0,93	0,70 ÷ 0,74
Cegła jasnobrązowa		-	0,55
Cegła biała, glazurowana		-	0,26
Beton, powierzchnia gładka		0,62	0,54 ÷ 0,65
Tynk jasny		0,91	0,42
Tynk ciemny		0,94	0,73
Drewno niemalowane		0,7 ÷ 0,9	0,59
Drewno malowane, jasnożółte		-	0,60
Azbest biały		0,96	0,42
Papa asfaltowa (dachowa)		0,93	0,76 ÷ 0,94
Papa smołowa czarna		0,91	0,86 ÷ 0,88
Żelazo polerowane		0,128	0,45
Żelazo ocynkowane		0,28	0,64
Azbestocement biały (eternit)		0,96	0,61
Aluminium matowe		0,055	0,52
Aluminium polerowane		0,039 ÷ 0,057	0,26
Farby olejne
	karmin jasny, czerwony kolor		0,52
	ultramaryna, ciemnoniebieski kolor		0,64
	kobalt, jasnozielony		0,58
	brąz żelazowy (marsowy)	0,81	0,65
	kobalt fioletowy		0,83
	zieleń szmaragdowa		0,61
	ochra złocista		0,44
	ochra czerwona		0,63
Szkło okienne d = 4,5 mm		0,94	0,04
Szkło okienne d = 7 mm			0,076

Wartości współczynników emisji ε podane w tablicy odnoszą się do warunków wymiany ciepła w pomieszczeniach. W tablicy podano również wartości współczynników absorpcji promieniowania słonecznego r dla różnych materiałów.

Reasumując, można stwierdzić, że promieniowanie cieplne powierzchni w pomieszczeniu będzie analizowane jako promieniowanie podczerwone, monochromatyczne rozproszone, podlegające prawom Stefana - Boltzmanna i Kirchhoffa dotyczącego promieniowania ciał szarych.

W ten sposób dowolnie złożony przypadek promieniowania polichromatycznego można znacznie uprościć, sprowadzając go do opisanego wyżej modelu.

Przy obliczaniu wymiany ciepła przez promieniowanie między powierzchniami można przyjąć, że powietrze w pomieszczeniu jest przezroczysta. Powietrze składa się głównie z dwuatomowych gazów: azotu i tlenu, które są całkowicie przezroczyste dla promieni cieplnych i same nie emitują energii cieplnej.

Nieznaczna zawartość wieloatomowych gazów: pary wodnej i dwutlenku węgla, przy nieznacznej grubości warstwy powietrza w pomieszczeniu, praktycznie nie zmienia tej własności.

4. Konwekcyjna wymiana ciepła w pomieszczeniu

W ogólnej wymianie ciepła w pomieszczeniu obok promieniowania istotną rolę odgrywa zjawisko konwekcji. Powietrze wymienia ciepło z ochłodzonymi i nagrzanymi powierzchniami przegród oraz z powierzchniami urządzeń instalacji ogrzewania i chłodzenia. Nagrzane strumienie powietrza unosząc się ku górze, a ochłodzone opadają ku dołowi, powodują ogólny ruch i wymieszanie się powietrza w pomieszczeniu.

Proces ten wzmaga się przy nawiewaniu i usuwaniu powietrza wentylacyjnego.

W większości pomieszczeń na skutek wymieszania powietrza rozkład temperatury wewnętrznej t_wew w pionie i poziomie jest względnie równomierny, dzięki czemu można przyjmować jednakową jej wartość do obliczeń wymiany ciepła wszystkich powierzchni. Stwierdzenie to nie dotyczy pomieszczeń charakteryzujących się dużymi zyskami cieplnymi i pomieszczeń, do których powietrze nawiewane jest nieizotermicznymi strumieniami. W pierwszym przypadku występuje nierównomierność temperatury w pionie, a przy skupieniu źródeł ciepła również w poziomie. Nad źródłami ciepła tworzą się konwekcyjne prądy ciepłego powietrza, które unosząc się ku górze powodują powstawanie pod stropem warstwy nagrzanego powietrza (tzw. poduszki ciepłego powietrza). Nawiew powietrza nieizotermicznymi strumieniami kształtuje w przestrzeni pomieszczenia określone pola temperatur i prędkości.

Strumień powietrza skierowany wzdłuż powierzchni przylega do niej, przy czym między powierzchnią a opływającym ją powietrzem zachodzi wymiana ciepła, w wyniku której powierzchnia zostaje ogrzana lub ochłodzona.

W taki sposób mogą występować w pomieszczeniu różne rodzaje konwekcyjnej wymiany ciepła. W większości przypadków wymiana ciepła między powietrzem o ogrzanymi lub ochłodzonymi powierzchniami odbywa się w warunkach konwekcji swobodnej (naturalnej). W warunkach wymuszonego ruchu powietrza wzdłuż powierzchni wymianę ciepła określa się zgodnie z prawami dotyczącymi konwekcji wymuszonej. Jeżeli powietrze nawiewane jest nieizotermicznymi strumieniami, to wymiana ciepła odbywa się wraz z wymianą masy, która zachodzi w rezultacie mieszania się strug nawiewanego powietrza z powietrzem znajdującym się w pomieszczeniu.

5. Konwekcja swobodna

W bezpośrednim sąsiedztwie nagrzanych lub ochłodzonych swobodnych powierzchni tworzą się prądy konwekcyjne, od których zależy intensywność wymiany ciepła między powierzchniami a powietrzem. Proces ten nazwano swobodną konwekcją. Jeśli powierzchnia jest ogrzana, to powietrze dookoła niej nagrzewa się i unosi ku górze wypierane z dołu chłodniejszym powietrzem. W strumieniu powstającym przy pionowej powierzchni tworzy się warstwa przyścienna, której grubość wzrasta zgodnie z kierunkiem ruchu powietrza. W początkowej strefie tej warstwy ruch ma charakter laminarny.

RYSUNEK 1-16

W pewnej odległości od dolnej krawędzi nagrzanej powierzchni, wtedy gdy grubość warstwy przyściennej osiąga pewną określoną wartość, przepływ powietrza staje się burzliwy.

Podobne zjawiska obserwuje się wzdłuż powierzchni chłodnych z tym, że prądy swobodnej konwekcji skierowane są ku dołowi.

W strefach laminarnego i burzliwego przepływu wymiana ciepła na powierzchni odbywa się w odmienny sposób. W obrębie warstwy przyściennej występują zarówno zmiany temperatur, jak i zmiany prędkości powietrza. Wyraźne zmiany temperatury występują w zakresie termicznej warstwy przyściennej o grubości δ_t, natomiast zanikanie prędkości na granicach hydraulicznej warstwy przyściennej o grubości δ. Najczęściej grubości tych warstw nie są sobie równe.

Intensywność strumienia swobodnej konwekcji dla dowolnego kształtu powierzchni i dowolnego środowiska w uogólnionej postaci określa liczba Grasshofa (Gr) albo iloczyn liczby Grasshofa i liczby Prandtla (Gr Pr). Dla powietrza w pomieszczeniu o temperaturze 20ºC iloczyn tych liczb jest równy




gdzie:

β	_	współczynnik rozszerzalności objętościowej powietrza; β = T^-1 = = 293^-1ºC,
g	_	przyspieszenie ziemskie, g = 9,81m/s^2,
v	_	kinematyczny współczynnik lepkości v = 15,06⋅10^-6m/s^2, przy t = 20ºC,
l	_	charakterystyczny wymiar liniowy powierzchni zgodny z kierunkiem ruchu powietrza, m,
Δt	_	różnica temperatur, między temperaturą powierzchni a temperaturą powietrza w pomieszczeniu, ºC,
Pr	_	liczba Prandtla dla powietrza o t = 20ºC Pr = 0,709

Charakterystykę fizyczną powietrza o temperaturze znacznie odbiegającej od 20ºC można określać odczytując z wykresu wartości Pr, v, λ.

RYSUNEK 1-17

Ruch powietrza przy swobodnej konwekcji wokół nagrzanych lub chłodnych poziomych powierzchni odbywa się w inny sposób niż wokół powierzchni pionowych. Jeżeli gorąca powierzchnia zwrócona jest ku górze bądź też chłodna ku dołowi, to ruch powietrza wokół nich odbywa się tak, jak to pokazano na rysunku. Gdy powierzchnie mają duże wymiary, powietrze może do ich środkowych części napływać jedynie z kierunków zgodnych z normalnymi do tych powierzchni. W tym przypadku występuje tzw. „efekt Sahary”, przy którym powietrze opada na powierzchnię wzdłuż ścian swoistych sześcianów, a po nagrzaniu z ich środków unosi się do góry. Od strony krawędzi powierzchni powietrze nieustannie napływa. Powiększenie wymiarów poziomej powierzchni prowadzi do zmniejszenia średniej wartości współczynnika przejmowania ciepła na skutek tego, że powietrze napływając do środkowej części powierzchni napotyka większe opory.

Ruch powietrza odbywający się pod nagrzaną, poziomą powierzchnią lub nad powierzchnią chłodną pokazano na rysunku. W tym przypadku natężenie przepływu powietrza, jak i intensywność wymiany ciepła są nieznaczne. Podobnie jak poprzednio powiększenie wymiarów tak położonych powierzchni utrudnia dopływ powietrza, a zatem średnia wartość współczynnika przejmowania ciepła jest mniejsza. Na przykład w wyniku doświadczeń zostało stwierdzone, że dla podsufitowych taśm promieniujących o szerokości mniejszej od 1 m współczynnik α_k = 1,3, a przy większej szerokości wynosi zaledwie 0,4kcal/m²h°C.

Tablica

Wartości współczynnika liczbowego we wzorze dla różnych położeń swobodnej powierzchni

Położenie powierzchni	Wartość współczynnika liczbowego dla powietrza o t = 20ºC
Pionowe	1,43
Powierzchnia pozioma obrócona ku górze:
nagrzana	1,86
chłodna	1,0
Powierzchnia pozioma obrócona do dołu:
nagrzana	1,0
chłodna	1,86

1. Wymiana ciepła między człowiekiem a otaczającym go środowiskiem

Urządzenia ogrzewające i ochładzające pomieszczenia powinny stwarzać warunki korzystne dla człowieka. Samopoczucie człowieka i jego zdolność do pracy zależne są od działania fizjologicznego systemu termoregulacji organizmu, który działa normalnie przy temperaturze około 36,6 ºC. Organizm człowieka w celu utrzymania stałej temperatury w sposób ciągły wytwarza ciepło, które zostaje przekazywane do otaczającego go środowiska. Ilość ciepła traconego do otaczającego środowiska może być różna w zależności od fizjologicznego i emocjonalnego stanu człowieka, jego odzieży, wzrostu, rodzaju wykonywanej pracy i indywidualnych cech organizmu.

Ogólny bilans cieplny (energetyczny) organizmu człowieka można wyrazić następującym równaniem




gdzie:

Q^­cz	_	łączna ilość energii cieplnej wytwarzanej przez organizm człowieka,
Q^kcz, Q^rcz, Q^wcz	_	ilość ciepła wymienionego przez człowieka drogą konwekcji, promieniowania oraz strata ciepła związana z odparowaniem wilgoci,
Q^pmcz	_	energia cieplna zamieniona na prace mechaniczną,
Q^fcz	_	ciepło tracone w procesach fizjologicznych (nagrzewanie wdychanego powietrza, naturalna wymiana materii itp.),
ΔQcz	_	nadmiar (akumulacja) bądź też niedobór energii cieplnej w organizmie.

Tablica 3

Ilość ciepła wytwarzana przez organizm dorosłego człowieka

Czynność	Wytwarzane ciepło Qcz, kcal/h
Człowiek spoczynku: leżący siedzący stojący stojący w postawie zasadniczej	70 75 ÷ 80 85 90 ÷ 100
Praca fizyczna: praca krawcowej, zecera (przy ręcznym składaniu) i podobna praca maszynistki, laboranta i podobna praca odlewnika, metalurga i podobna praca kopacza, kowala i podobna jazda sportowa na rowerze pływanie sportowe podnoszenie ciężarów najcięższa praca mięśni	100 ÷ 120 120 ÷ 170 150 ÷ 250 250 ÷ 420 do 790 do 870 ÷770 1670
Praca umysłowa: czytanie siedząc praca na maszynie obliczeniowej praca w laboratorium prowadzenie wykładu w audytorium	100 115 120 ÷ 140 170 ÷ 270
Umowny podział wg stopnia intensywności pracy: bardzo lekka lekka średnia ciężka	do 120 120 ÷ 150 150 ÷ 250 powyżej 250

Zasadniczo ogólna ilość wytwarzanej energii cieplnej Q_cz zależna jest od wysiłku związanego z wykonywaniem pracy przez człowieka. Średnie wartości dla dorosłego człowieka zestawiono w tablicy 3 (dla młodzieży należy wprowadzić współczynnik 0,8).

Energia cieplna zamieniona na energię mechaniczną Q^pm_cz wynosi zazwyczaj od 5 do 35% energii cieplnej związanej z wykonywaniem pracy fizycznej lub umysłowej. Na przykład: 20% przy pracy związanej ze średnim wysiłkiem fizycznym, wykonywanej w pozycji stojącej (Q_cz = 250kcal/h) i wtedy Q­^pm_cz = 0,2(Q_cz - 85) = 33kcal/h, przy czym 85kcal/h jest energią cieplną wytwarzaną przez człowieka w stanie spoczynku (patrz tablica). Energia cieplna Q^f_cz nie przewyższa wartości 10kcal/h i w obliczeniach można ją pominąć.

Jeśli wytwarzana ilość ciepła przez organizm nie bilansuje się ze stratami ciepła, to nadmiar zostaje przez organizm zakumulowany (ΔQ_cz), co powoduje podwyższenie jego temperatury, niedobór zaś prowadzi do przechłodzenia organizmu. System termoregulacji organizmu pozwala w pewnym zakresie zapewnić bilans wytwarzanego ciepła i strat cieplnych. Jednak możliwości regulacyjne tego systemu są nader ograniczone.

Zmiany temperatury ciała ludzkiego związane z pojawieniem się nadmiaru lub niedoboru ciepła można obliczyć, przyjmując średni ciężar człowieka 70kg oraz ciepło właściwe ciała równe 0,83kcal/kg°C. Dopuszczalne zmiany temperatury ciała ludzkiego zawarte w przedziale 0,4 ÷ 1,1°C, wg różnych autorytatywnych źródeł. Przy takich wahaniach temperatury stan cieplny człowieka nie może być uznany za optymalny, a warunki, w których on się znajduje, nie są komfortem cieplnym.

Intensywność oddawania ciepła przez człowieka zależy od warunków cieplnych panujących w pomieszczeniu. Mają na nią wpływ następujące czynniki: temperatura t_wew, prędkość v_wew i względna wilgotność ϕ_wew powietrza w pomieszczeniu, temperatury powierzchni zwróconych ku pomieszczeniu, których rozmieszczenie (względem człowieka) oraz wymiary wyznaczają temperaturę promieniowania t_R.

Połączenie wyżej wymienionych czynników określa się jako stan komfortu wtedy, gdy odpowiadają jemu optymalne warunki, tj. takie w których zachowana jest równowaga cieplna i równowaga systemu termoregulacyjnego organizmu człowieka. To czy połączenie danych wartości czynników daje komfortowe warunki praktycznie oceniają ludzie znajdujący się w pomieszczeniu.

Dopuszczalne są również takie warunki meteorologiczne, przy których występuje pewne obciążenie systemu termoregulacji organizmu i nieznaczne odchylenie od stanu komfortu cieplnego.

• Przewodność cieplna oraz warunki wilogtnościowe przegród

1. Warunki cieple przegród

Przegrody zewnętrzne powinny chronić pomieszczenia budynku przed bezpośrednim oddziaływaniem warunków atmosferycznych, Ta funkcja przegród okazuje się szczególnie ważna, jeśli mikroklimat w pomieszczeniach ma być zapewniony przy współudziale instalacji ogrzewania i klimatyzacji.

Powierzchnie wewnętrzne przegród zewnętrznych przejmują określoną ilość ciepła przez promieniowanie i konwekcję. W chłodnych porach roku ciepło to przenika przez warstwy przegrody zewnętrznej w kierunku środowiska zewnętrznego. Główny opór cieplny przegród zewnętrznych stanowi warstwa materiału izolacji cieplnej. W warunkach ustalonych cała ilość ciepła, która napływa na powierzchnię przegrody pomieszczenia, zostaje przekazana powietrzu zewnętrznemu. Takie warunki wymiany ciepła są charakterystyczne dla okresu zimowego, w którym występują niewielkie wahania temperatury na zewnątrz i wewnątrz budynku.

W okresie letnim przegrody zewnętrzne powinny chronić pomieszczenia przed upałem w godzinach około południa oraz przeciwdziałać nagłym zmianom temperatur wewnętrznych, które występują pod wpływem szybko zmieniających się w ciągu doby temperatury zewnętrznej i natężenia promieniowania słonecznego. W procesie nieustalonej wymiany ciepła ściany i stropy mogą akumulować część przenikającego przez nie ciepła, w rezultacie czego hamują i zmniejszają ochłodzenie lub przegrzanie pomieszczeń.

Przez analogię do rozpatrywanych wyżej własności cieplnych, przegrody zewnętrzne spełniają funkcję ochronną i regulują warunki wilgotnościowe oraz warunki powietrzne w pomieszczeniach. Przegrody powinny umożliwiać w pewnym stopniu przenikanie powietrza oraz wykazywać zdolność do wchłaniania wilgoci. Jednak przeciętna wymiana wilgoci przez przegrody nie powinna doprowadzać do zawilgocenia konstrukcji budynku.

Znaczne podwyższenie wilgotności przegrody wpływa ujemnie na jakość izolacji cieplnej i jej trwałość. O intensywności wymiany ciepła przez przegrodę zależy temperatura jej wewnętrznej powierzchni, a ta z kolei określa wymianę ciepła wewnątrz pomieszczenia oraz jego mikroklimat.

Zasadniczym czynnikiem kształtującym przenikanie ciepła przez przegrody jest przewodność cieplna materiałów poszczególnych warstw przegrody.

Proces przewodzenia ciepła przez poszczególne warstwy konstrukcji opisuje prawo Fouriera.

2. Własności cieplne materiałów budowlanych

Dokładność technicznych obliczeń w dużej mierze zależy od tego, jak ściśle zostały ustalone wartości, które charakteryzują pod względem fizycznym materiały budowlane tworzące konstrukcje budynku. W obliczeniach przewodzenia ciepła korzysta się z trzech wielkości, a mianowicie: przewodności cieplnej λ, pojemności cieplnej odniesionej do jednostki objętości cγ oraz współczynnika wyrównywania temperatury a. Wielkości te w zależności od rodzaju materiału, jego struktury, stanu cieplnego i wilgotnościowego w znacznym stopniu zmieniają swoje wartości.

Materiały budowlane w przeważającej większości są ciałami o strukturze kapilarno-porowatej. Pory tych materiałów mogą być wypełnione wilgotnym powietrzem, wodą bądź też lodem. Cechą szczególną występującą w budownictwie jest bardzo mała stabilność fizycznych charakterystyk materiałów budowlanych.

Współczynnik przewodzenia ciepła λ, kcal/mh°C, charakteryzuje zdolność materiału do przewodzenia ciepła.

W wilgotnym materiale budowlanym wymiana ciepła przebiega paroma drogami. Następuje ona przez twardy szkielet struktury materiału, lecz także powłoki wody i lodu przenoszą ciepło za pośrednictwem przewodzenia. W porach wypełnionych wilgotnym powietrzem, oprócz przewodzenia ciepła, wymiana ciepła następuje przez promieniowanie i konwekcję. Przy występowaniu wymiany wilgoci ciepło może być przenoszone za pośrednictwem wody i pary wodnej. Określona ilość ciepła przenika przez materiał wskutek występowania infiltracji powietrza.

W zależności od składników szkieletu i rodzaju struktury materiały budowlane dzieli się na parę grup. Przewodność cieplna szkieletu materiałów pochodzenia nieorganicznego jest znacznie wyższa niż materiałów organicznych. Wartości współczynników przewodzenia ciepła samej części twardej (szkieletu) materiałów nieorganicznych wynoszą: przy strukturze bezpostaciowej 0,6 ÷ 3, przy budowie krystalicznej 4 ÷ 12kcal/mh°C, a twardej części materiałów pochodzenia organicznego 0,25 ÷ 0,35, zaś tworzyw sztucznych 0,14 ÷ 0,3kcal/mh°C. Materiały o budowie włóknistej w większości przypadków mają własności anizotropowe, a wartości współczynników przewodzenia ciepła przy strumieniu cieplnym skierowanym wzdłuż włókien są dwu- lub trzykrotnie większe niż przy strumieniu cieplnym skierowanym w poprzek włókien.

Przewodność cieplna materiałów będących w takich samych warunkach zależy od wielkości ich porów. W połączonych między sobą porach mogą powstawać zwiększające przewodność cieplną prądy konwekcyjne powietrza. A więc zwiększenia porowatości takich materiałów może prowadzić do wzrostu ich ogólnej przewodności cieplnej.

Całokształt złożonych zjawisk uczestniczących w przenikaniu ciepła przez materiał zwykle sprowadzany jest do jednego pojęcia przewodności cieplnej. Dlatego też współczynnik przewodzenia ciepła materiałów budowlanych jest zbiorczym, równoważnym współczynnikiem uwzględniającym wszystkie zjawiska fizyczne występujące w materiale, a związane z wymianą ciepła.

Wartości współczynników przewodzenia ciepła poszczególnych rodzajów materiałów zależne są od ich objętości właściwej, wilgotności oraz temperatury. Zasadniczo zależności te określa się w odniesieniu od udziałów poszczególnych składników, które wypełniają objętość materiału.

Istotna dla materiałów budowlanych jest zależność λ od wilgotności. Ze wzrostem wilgotności materiałów budowlanych wzrastają wartości współczynników przewodzenia ciepła. Charakter tej zależności przedstawiono na rysunku na przykładzie cegły z gazobetonu silikatowego oraz cegły czerwonej. Zwiększenie współczynnika λ jest związane z wypieraniem powietrza wypełniającego pory przez wodę, która charakteryzuje się dużo wyższymi wartościami współczynnika przewodzenia ciepła. Pomiędzy stykającymi się ziarnami materiału błonki wody tworzą tak zwane „wodne mostki”, które zwiększając powierzchnię kontaktu ziaren, przyczyniają się do wzmożonej wymiany ciepła między nimi.

RYSUNEK 2-3

Znaczenie mostków wodnych szczególnie zaznacza się przy niewielkich wilgotnościach materiału.

Przy wysokich temperaturach współczynnik λ z powiększaniem się wilgotności wzrasta szybciej. Przenoszona ilość ciepła w ślad za wymianą wilgoci okazuje się tym większa, im wyższa jest temperatura. Przy temperaturach ujemnych wzrost wilgotności, przy niezmienności pozostałych warunków, również powoduje wzrost wartości (rysunek).

RYSUNEK 2-4

Wilgotność materiału przegrody zmienia się w czasie. W początkowym okresie wprowadzenie wody do konstrukcji budynków związane jest z procesem ich wykonawstwa. Jest to tzw. „wilgoć konstrukcyjna”. Następnie w czasie eksploatacji budynków, po odparowaniu części wilgoci, materiały ścian i stropów przechodzą w pewien quasi-stacjonarny stan wilgotnościowy. W tym okresie wilgotność materiału zależy od miejsca jego położenia w konstrukcji budynku, od wewnętrznych warunków panujących w pomieszczeniach oraz od tego, w jakim klimatycznym regionie znajduje się budynek.

Natężenie promieniowania często wyraża się w kcal/m²h

Ciała szare nie wypromieniowują ciepła równomiernie we wszystkich kierunkach.

Całkowicie przepuszczalne dla promieniowania cieplnego.

Czynniki te nazywane są czynnikami meteorologicznymi.

Określenie „warunki wilgotnościowe” odnosi się do trzech stanów skupienia: pary wodnej, wody w stanie ciekłym i lodu.

---