ZAGADNIENIA FIZYKA BUDOWLI – EGZAMIN

1. Fizyka budowli (co to jest, czym sie zajmuje).
   Jest to dział budownictwa zajmujący się tematyką:
   - akustyki budynków i ochrony przed hałasem
   - wymiany ciepła między budynkiem, jego elementami i otoczeniem
   - transportem wilgoci i pary wodnej pomiędzy budynkiem, jego elementami i otoczeniem
   - naświetleniem obiektów budowlanych
   - reakcją budynku i jego elementów na ogień oraz jego ochroną przeciwpożarową
   - wpływem warunków atmosferycznych na obiekt budowlany i jego elementy (korozja materiałów i zmiana ich właściwości)

2. Interdyscyplinarny charakter fizyki budowli.
   Fizyka budowli jako nauka korzysta z wielu dziedzin (np biologii, chemii), by tworzyć jak najlepsze rozwiązania.

3. Rozwój zrównoważony.
   Pojęcie „zrównoważony rozwój” określa proces rozwoju, który, dążąc do pełnego zaspokojenia potrzeb obecnego pokolenia, w żaden sposób nie zmniejszy potencjału rozwoju przyszłych pokoleń. Doskonałym przykładem rozwoju zrównoważonego w kontekście fizyki budowli może być korzystanie z odnawialnych źródeł energii (OZE).

4. Budownictwo w koncepcji rozwoju zrównoważonego – podstawowe założenia budownictwa zrównoważonego.
   W dużej mierz to samo co punkt 3, ma w wymiary ekonomiczny, ergonomiczny i ekologiczny.
   - na etapie budowy zakłada korzystanie z materiałów, których w pewnym sensie nigdy nie zabraknie (np. gliny potrzebnej do wyrobu cegieł, dachówek).
   - na etapie użytkowania – wcześniej wspomniane odnawialne źródła energii.
   - na etapie rozbiórki zakłada ponowne przetworzenie materiałów (np skruszenie dachówek i od nowa proces).

5. Cykl życia budynku, analizy LCA i LCC.
   Cykl życia = projekt + budowa + użytkowanie + rozbiórka
   LCA (Live Cycle Assesment) - proces oceny efektów, jaki dany wyrób wywiera na środowisko podczas całego życia, poprzez wzrost efektywnego zużycia zasobów i zmniejszenie obciążeń środowiska. Traktowana jako „analiza od kołyski do grobu”. LCC (Live Cycle Cost) - Koncepcja uwzględniająca całościowy koszt cyklu życia maszyny. LCC uwzględnia m.in. koszt zakupu, posiadania, eksploatacji (użytkowania i utrzymywania), utylizacji itd.
   Analizy LCC i LCA – służą zdefiniowaniu faktycznego kosztu posiadania urządzenia, budynku na przestrzeni całego czasu jego użytkowania.

6. Mechanizmy wymiany ciepła.
   Wymiana ciepła zachodzi na jeden z trzech sposobów:
   - przewodzenie ciepła polega na przekazywaniu energii przez bezładny ruch cząsteczek i ich zderzenia,
   - konwekcja (unoszenie ciepła) na skutek przemieszczania się masy płynu (cieczy lub gazu):
   - naturalna (swobodna) – samoczynny ruch płynu wskutek różnicy gęstości wynikającej z różnicy temperatury
   - wymuszona – ruch płynu wywołany jest czynnikami zewnętrznymi (pompa, wentylator itp.)
   - promieniowanie cieplne polega na przenoszeniu energii przez promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w wyniku cieplnego ruchu cząsteczek. Wymiana ciepła przez promieniowanie nie wymaga obecności ośrodka pomiędzy ciałami, między którymi ciepło jest wymieniane, czyli może zachodzić przez próżnię.

7. Pojęcia:
   - ciepło - sposobów przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów). Wyrażamy w [J] (dżul).
   - strumień ciepła - ilość energii cieplnej przenikającej powierzchnię izotermiczną w jednostce czasu. Strumień cieplny wyraża się w watach (W).
   - gęstość strumienia ciepła – strumień ciepła przepływający przez daną powierzchnię. wyraża się w [W/m²] (Wat na metr kwadratowy)

8. Prawo Fouriera - gęstość przewodzonego strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do gradientu temperatury.
   inna definicja - gęstość strumienia ciepła jest ilością energii przepływającej w postaci ciepła przez jednostkową powierzchnię, prostopadłą do kierunku przepływu,
   w jednostce czasu. jest stałą materiałową nazywaną współczynnikiem przewodnictwa cieplnego.

9. Współczynnik przewodzenia ciepła – co to jest, jakie przyjmuje wartości (orientacyjne – przedział) dla typowych materiałów budowlanych (izolacja termiczna, materiały z betonu – w tym betonu komórkowego, cegieł silikatowych, ceramicznych etc.)
   Jest parametrem charakteryzującym dany materiał budowlany z punktu widzenia ochrony cieplnej. Im jego wartość jest niższa, tym dany materiał gorzej przewodzi ciepło, a zatem lepiej izoluje przed stratami ciepła, np:
   - izolacja termiczna 0,035 [λ = W/m²K] (lambda = wat / metr kwadratowy Kelwin)
   - cegła ceramiczna pełna 0,8
   - cegła silikatowa pełna 0,9
   - klinkier 1,05
   - beton komórkowy 0,2 – 0,3
   - drewno 0,2

10. Zagadnienie jedno-, dwu-, trójwymiarowej wymiany ciepła (gdzie występuje).
    Ni ciula nie mogę tego znaleźć 

11. Wymiana ciepła ustalona (stacjonarna) i nieustalona (niestacjonarna).
    - ustalona wymiana ciepła – pole temperatur nie zmienia się w czasie.
    - nieustalona wymiana ciepła – pole temperatur zmienia się w czasie.
    W większości procesów po pewnym okresie nieustalonej wymiany ciepła układ dąży do stanu równowagi cieplnej, który charakteryzuje się stałym rozkładem temperatur.

12. Ustalone przewodzenie ciepła przez ściankę płaską.
    Dla ustalonego przewodzenia ciepła przez ściankę płaską o grubości δ zbudowaną z materiału mającego współczynnik przewodzenia ciepła λ, niezależny od temperatury oraz gdy wartości temperatur na powierzchni zewnętrznych są stałe i wynoszą T1 i T2 równanie Fouriera można scałkować:
    

13. Przejmowanie ciepła, opory przejmowania ciepła.
    Wzór na opór przejmowania ciepła ma postać:
    - na wewnętrznej powierzchni przegrody
    Rsi=1/hi [m²⋅K/W]
    - na zewnętrznej powierzchni przegrody
    Rse=1he [m²⋅K/W]

14. Opór przewodzenia ciepła, opory poszczególnych warstw w przegrodzie, opór całkowity przegrody.
    - Opór cieplny przewodzenia jest stosunkiem różnicy temperatur na powierzchniach ograniczających warstwę materiału, warstwę powietrza lub przegrodę do gęstości ustalonego strumienia ciepła q zgodnie ze wzorem:
    
    - Opór cieplny jest to stosunek grubości warstwy materiału do współczynnika przewodnictwa cieplnego rozpatrywanej warstwy materiału
    
    - Opór całkowity przegrody
    

15. Opór cieplny warstw powietrza
    Obliczanie oporu cieplnego warstw powietrza zamkniętych w przegrodach budowlanych zależy od stopnia wentylacji warstw. Wyróżnia się przy tym 3 przypadki:
    - warstwy niewentylowane – warstwy, które nie mają styczności z powietrzem zewnętrznym lub takie, których powierzchnia otworów w przegrodzie wynosi poniżej 500 mm² na 1mb przegrody (przy pionowych warstwach powietrza) lub poniżej 500 mm² na 1m² (przy poziomych warstwach powietrza).
    Dla tego typu warstw opór powietrza przyjmuje się z PN-EN ISO 6946 – tablica 2.
    - warstwy słabo wentylowane – warstwy, których powierzchnia otworów mających styczność z powietrzem zewnętrznym wynosi 500-1500 mm² na 1mb przegrody (dla warstw pionowych powietrza) lub 500-1500 mm na 1m² (dla poziomych warstw powietrza).
    Dla takich warunków opór warstwy powietrza przyjmuje się w wysokości 50% wartości odczytanej z tabeli 2.
    - warstwy dobrze wentylowane – warstwy, których powierzchnia otworów wentylowanych wynosi >1500 mm² na 1mb (dla warstw pionowych) lub na 1m² (dla warstw poziomych). Całkowity opór cieplny komponentu budowlanego z dobrze wentylowaną warstwą powietrza oblicza się, pomijając opór cieplny tej warstwy i innych warstw znajdujących się między nią a środowiskiem zewnętrznym i dodając wartość zewnętrznego oporu przejmowania ciepła, odpowiadającą nieruchomemu powietrzu (tj. równą oporowi przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni tego komponentu – czyli Re = Ri).

16. Opór cieplny komponentów złożonych z warstw jednorodnych i niejednorodnych.
    Całkowity opór cieplny R_T przegród złożonych z warstw cieplnie jednorodnych i niejednorodnych równoległych do powierzchni oblicza się z zależności:
    
    R_T ‘ – kres górny całkowitego oporu cieplnego
    R_T ‘’ – kres dolny całkowitego oporu cieplnego
    
    Przeprowadzenie obliczeń należy poprzedzić dokonaniem podziału przegrody na wycinki złożone z warstw jednorodnych oraz wyznaczenia względnych pól powierzchni poszczególnych wycinków:
    
    A_a…q – pole powierzchni wycinka prostopadłe do kierunku przepływu ciepła
    A – całkowite pole powierzchni przegrody prostopadłe do kierunku przepływu ciepła

17. Opór cieplny przestrzeni nieogrzewanych.
    Wzór na opór cieplny przestrzeni nieogrzewanych ma postać:
    Ru=0,09+0,4[Ai/Ae]
    z zachowaniem warunku Ru ≤ 0,5
    
    Ru – opór cieplny przestrzeni nieogrzewanej
    Ai – łączna powierzchnia wszystkich komponentów między środowiskiem wewnętrznym a nieogrzewanym pomieszczeniem
    Ae – łączna powierzchnia wszystkich komponentów między nieogrzewanym pomieszczeniem a środowiskiem zewnętrznym

18. Przenikanie ciepła przez przegrody, współczynnik przenikania ciepła.
    Przenikanie to przenoszenie ciepła przez przegrodę. Zjawisko przenikania obejmuje przejmowanie ciepła z jednego ośrodka, przewodzenie przez przegrodę i przejmowanie ciepła przez drugi ośrodek. Ciepło przenika przez ścianę z ośrodka o temperaturze wyższej t_z1 do środka o temperaturze t_z2.
    Wzór na obliczanie strumienia ciepła przenikającego przez przegrodę ma postać:
    q = k*t
    k – współczynnik przenikania ciepła
    t = t_z1 – t_z2
    
    Współczynnik przenikania ciepła (U lub k) – wspł. określany dla przegród cieplnych, szczególnie w budownictwie, umożliwiający obliczanie ciepła przenikającego przez przegrodę cieplną, a także porównywanie własności cieplnych przegród budowlanych. Im niższa wartość współczynnika, tym lepszy poziom izolacji.
    
    U – wspł. przenikania ciepła
    q – ilość przepływającego ciepła w jednostce czasu (strumień ciepła)
    S – powierzchnia przegrody
    różnica temperatur po obu stronach przegrody.

19. Aktualne wymagania w zakresie ochrony cieplnej budynków.
    Obowiązujące jest przestrzeganie wymagań ochrony cieplnej budynku, które są określone w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 15 stycznia 2002r. (Dz. Ustaw nr 12, poz. 14). Wymagania te określają graniczne wartości (maksymalnie dopuszczane) wartości współczynnika przenikania ciepła U dla przegród budowlanych, ścian, dachów, okien itp. oraz wartości wskaźnika E sezonowego zapotrzebowania energii na ogrzewanie budynku, na którego wielkość wpływa nie tylko sposób izolacji cieplnej, ale także kształt budynku, usytuowanie w stosunku do stron świata, wielkość okien itd.
    Przy analizowaniu izolacyjności cieplnej poszczególnych przegród można posługiwać się wartościami granicznymi współczynników U ustalonymi dla budynków użyteczności publicznej:
    dla ścian zewnętrznych pełnych U _max = 0,45W/(m ² ·K)
    dla ścian zewnętrznych z otworami okiennymi i drzwiowymi Umax = 0,55 W/(m2·K)
    dla ścian j.w. oraz ze wspornikami balkonu przenikającymi ścianę Umax = 0,65 W/(m2·K)
    dla stropu pod nie ogrzewanym poddaszem lub stropodachu Umax = 0,30 W (m2·K)
    dla stropu nad nie ogrzewanymi piwnicami Umax = 0,60 W/(m2·K)
    dla okien i drzwi balkonowych Umax = 2,6 W/(m2·K) 
    W budynkach istniejących, w których powyższe wymagania nie są spełnione (gdyż były budowane na podstawie wcześniej obowiązujących przepisów), należy w ramach przebudowy, modernizacji lub remontu kapitalnego dążyć do dostosowania przegród zewnętrznych co najmniej do obecnych wymagań. Wymagania podawane w przepisach, są to wymagania minimalne, tzn. nie można wprowadzać gorszej izolacji (cieńszej warstwy) niż to wynika z podanych wartości. Jednak wprowadzając dodatkowe ocieplenie budynku często decydujemy się na taką grubość warstwy izolacyjnej ażeby uzyskać jeszcze lepsze właściwości ochrony cieplnej budynku, czyli lepsze izolowanie przegród zewnętrznych niż wymagane w przepisach.

20. Rozkład temperatury w przegrodzie.
    Obliczanie rozkładu temperatury w przegrodzie nie jest działaniem obowiązkowym, ale bardzo pożytecznym. Służy ono sprawdzeniu poprawności układu warstw przegrody.
    Gęstość strumienia cieplnego q płynącego przez przegrodę o współczynniku przenikania ciepła U, oddzielającą pomieszczenie o temp. obl. t₁ od powietrza zewnętrznego o temp. t_e określić można ze wzoru:
    q = U ∙ (t_i + t_e)
    W wyniku przepływu strumienia cieplnego o gęstości q, na poszczególnych warstwach jednorodnych płaskiej przegrody wielowarstwowej powstają spadki temp., będące iloczynem gęstości strumienia cieplnego i wartości oporów cieplnych.
    Spadek temp. na powierzchni wewnętrznej wynosi q∙Rsi, stąd temp. pow. wewnętrznej:
    _it_i – q ∙ Rsi = t_i – U (t_i + t_e) ∙ Rsi = t_i – (t_i – t_e / R_T) ∙ Rsi
    Różnica temp. między powierzchniami warstw jednorodnych wynosi:
     = (R_i / R_T) ∙ (_i + _e)
    Spadki temp. na warstwach izolacji cieplnej o małej przewodności cieplnej są duże, a na warstwach z materiałów konstrukcyjnych o dużej przewodności cieplnej – małe. Wynika to bezpośrednio z prawa Fouriera.