1. Wpływ wymagań cieplnych na zasady kształtowania zewnętrznych przegród budynków.

I/ 18. Jednowymiarowy stacjonarny przepływ ciepla przez przegrody : współczynnik przenikania ciepła

Wymiana ciepła przez przegrodę ma charakter niestacjonarny, związany ze zmiennością temperatur w czasie, to jednak dla celów praktyki budowlanej zakłada się .najczęściej przy projektowaniu przegród zewnętrznych warunki stacjonarne. Nadto w przypadku .płaskiej przegrody o przekroju jednolitym i przy jej bardzo dużym jednym wymiarze, przyjmuje się jednokierunkowy ruch ciepła, prostopadły do przegrody. Zjawisko przepływu, ciepła przez przegrody budowlane można traktować jako jednokierunkowe jeżeli przegroda (ściana, strop stropodach) ma stalą grubość i jest jednorodna materiałowo lub zbudowana jest z jednorodnych warstw o stałych grubościach. Gęstość strumienia cieplnego (tj. ilość energii cieplnej przepływającej przez jednostkową powierzchnię w jednostkowym czasie) jest jednakowa na całej powierzchni przegrody, linie gęstości strumienia są do tej powierzchni prostopadłe, a izotermy (linie łączące punkty o jednakowej temperaturze) są równoległe. Dzięki temu możliwe jest proste wyznaczenie zarówno gęstości strumienia cieplnego q, strumienia ciepła Φ przepływającego przez przegrodę, jak i wartość temperatur w dowolnym jej punkcie, w tym także szczególnie istotnej temperatury na jej powierzchni wewnętrznej 8i, przy użyciu następujących wzorów:

gdzie: ;

q - gęstość strumienia cieplnego, W\m²

Ф- strumień ciepła, W

- temperatura na powierzchni wewnętrznej przegrody, °C

U₀- współczynnik przenikania ciepła przegrody jednorodnej, W/m²k.)

t_i- wewnętrzna temperatura obliczeniowa, °C

t_e — zewnętrzna temperatura obliczeniowa, ^oC

A — pole powierzchni przegrody, m²

R_i — opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody, m²K/W

Całkowity opór cieplny przegrody lub inaczej względną izolacyjność cieplną przegrody wyznaczamy z zależności:

R_k=R_i+R_s+R_e

gdzie:

R_i- opór napływu ciepła

Rs- opór przewodzenia ciepła warstwy materiału

Re- opór odpływu ciepła

Opór cieplny przegrody jednorodnej lub warstwy jednorodnej wchodzącej w skład przegrody oblicza się ze wzoru:

gdzie:

d - grubość przegrody lub warstwy, m

λ - współczynnik przewodzenia ciepła materiału, W\(mK)

W praktyce posługujemy się odwrotnością oporu cieplnego, oznaczając go przez U i nazywając współczynnikiem przenikania ciepła. Przenikanie ciepła przez przegrodę obejmuje przejmowanie ciepła na powierzchniach przegrody oraz przewodzenie przez materiał przegrody. Przenikanie obejmuje zatem wszystkie trzy rodzaje wymiany ciepła: konwekcję, promieniowanie na powierzchniach i przewodzenie w przegrodzie. I jest to ilość ciepła przenikająca przez przegrodę w odniesieniu do jednostki powierzchni przegrody, czasu i różnicy pomiędzy temperaturą powietrza wewnętrznego zewnętrznego, czyli jest to gęstość ustalonego strumienia ciepła przepływającego między dwoma obszarami powietrznymi podzielonymi przegrodą, jeśli różnica temperatur między tymi obszarami wynosi l K jednostką miary jest W/m²K .

Współczynnik przenikani ciepła U₀ jest miarą strumienia ciepła przepływającego przez przegrodę, jest więc parametrem, który charakteryzuje właściwości izolacyjne przegród budowlanych. Współczynnik przenikania ciepła U_o przegrody jednorodnej lub złożonej z warstw jednorodnych o znanych grubościach [d] i współczynnikach przewodności cieplnej [λ] oblicza się ze wzoru:

gdzie:

R_i , R_e- opory przejmowania ciepła, odpowiednio na wewnętrznej i zewnętrznej stronie, m²K/W

R - opór przewodzenia ciepła (opór cieplny) przegrody, m²K/W

Przy projektowaniu budynków mieszkalnych lub zamieszkania zbiorowego, użyteczności publicznej oraz budynków przemysłowych o kubaturze ogrzewanej do 1500 m³ dopuszczalne jest niewykonywanie szczegółowych obliczeń współczynnika przenikania ciepła przegród z mostkami termicznymi z uwzględnieniem wartości U_l i U_p (metoda dokładna) przy wyznaczaniu wartości w sposób uproszczony wg wzoru:

U=U₀+∆U₀

Gdzie:

U₀ - współczynnik przenikania ciepła przegrody bez uwzględnienia wpływu mostków termicznych liniowych i punktowych W/m²K

∆U₀ - dodatek do współczynnika U₀ wyrażający wpływ mostków termicznych (stabelaryzowany)

W celu wyprowadzenia parametru, który charakteryzował by właściwości izolacyjne przegrody, uwzględniając wpływ występujących w niej liniowych i punktowych mostków termicznych (metoda dokładna) należy przeprowadzić szereg obliczeń za pomocą metod numerycznych i innych (metod) w wyniku czego otrzymujemy wzór:

gdzie:

U₀ - współczynnik przenikania ciepła przegrody bez uwzględnienia wpływu mostków termicznych liniowych i punktowych W/m²K

U_l - liniowy współczynnik przenikania ciepła uwzględniający wpływ i-tego mostka liniowego W/m²K

U_p - punktowy współczynnik przenikania ciepła uwzględniający wpływ j-tego mostka punktowego W/m²K

A- powierzchnia przegrody w świetle przegród do niej prostopadłych z potrąceniem pola powierzchni ewentualnych okien i drzwi balkonowych, obliczonego w świetle oścież, m²

L_i- długość i-tego mostka liniowego, m

I/19 wielowymiarowy przepływ ciepła; mostki cieplne, skutki ich obecności, sposoby usuwania

Problem wielowymiarowego przepływu ciepła ma miejsce wówczas, gdy ruch ciepła odbywa siew co najmniej dwóch kierunkach, pojawia, się m.in. w:

oporach dyfuzyjnych.• przegrodach niejednorodnych tzn. o zmiennym przekroju poprzecznym, gdzie następuje pocienienie bądź przerwanie materiału izolacyjnego. W miejscach tych temperatura ulega zmianie w dwóch lub trzech kierunkach wskutek wystąpienia w elemencie materiałów o różnych

dwukierunkowy przepływ ciepła

We i wszystkich przegrodach w miejscu liniowych zaburzeń geometrii zwanych liniowymi mostkami termicznymi. Występują one np. wzdłuż połączenia z innym elementem (np. ścianą, stropem), wzdłuż obrzeża otworu,

W miejscach występowania punktowych zaburzeń geometrii, zwanych punktowymi mostkami termicznymi. Polegają one głównie na przebiciu warstw izolacyjnych elementem o większym oporze dyfuzyjnym (np. wieszakiem, kotwą) i sprawiają, że przepływ ciepła w jego pobliżu jest trójkierunkowy.

element stalowy

Miejsca w przegrodzie bardziej przewodzące ciepło niż przegroda poza tymi

miejscami nazywamy mostkami cieplnymi. W miejscach tych występuje wielokierunkowe przewodzenie ciepła.

Typowymi przykładami mostków są żebra, słupy, nadproża żelbetowe lub stalowe w ścianach.

Skutkiem ich obecności jest przed.' • wszystkim obniżenie izolacyjności ściany. Poza tym temperatura na wewnętrznej powierzchni w miejscu mostka jest zawsze niższa niż poza mostkiem i dlatego istnieje w tych miejscach niebezpieczeństwo wystąpienia kondensacji pary wodnej (co należy sprawdzić obliczeniowo).

Aby ustrzec się przed skutkami występowania mostków cieplnych należy zapewnić odpowiednią izolację cieplną tych miejsc. Przykłady:

wprowadzenie ciągłej izolacji na zewnętrznej powierzchni ściany powoduje znaczne obniżenie efektu mostka i obniża U dla ściany.

niekorzystne dobrze

Warstwy betonowe tutaj powinny być na całej swej długości oddzielone od siebie materiałem izolacji i połączone ze sobą tylko zbrojeniem. Betonowe przewiązki tworzą niekorzystne mostki.

Docieplenie wieńca

I/20. stateczność cieplna przegród i pomieszczeń.

Zdolność utrzymania ustalonej temperatury powierzchni wewnętrznej przegród zewnętrznych przy zmiennych w czasie temperaturach zewnętrznych i zmieniających się wydajnościach urządzeń grzejnych lub innych eksploatacyjnych źródeł ciepła. W okresie letnim stateczność cieplna zależy głównie od intensywności promieniowania słonecznego przez powierzchnie przezroczyste, natomiast w okresie zimowym stal zależy od działania urządzeń grzewczych. Wahania temp. są zależne od: masy przegrody, współczynnika: przenikania ciepła „U”,. Im większa masa przegrody tym większa jej pojemność cieplna, tym mniejsze są wahania na wewnętrznej powierzchni przegrody. Wahania strumieni temperatury i cieplnych mają charakter harmoniczny i przebiegają wg sinusoidy:

rys. Przebieg strumienia cieplnego i odpowiadający mu przebieg temperatury powierzchni wewnętrznej przegrody.

Stosunek amplitudy wahań gęstości, strumieni cieplnych' A_φ do amplitudy wahań temperatury na powierzchni przegrody A_υ nazywa się współczynnikiem przyswajania ciepła na powierzchnię przegrody Ψ_i = A_φ / A_υ [ W/(m²K)]. Im większa będzie wartość współczynnika Ψ_i przy niezmiennej wartości A_φ tym A_υ będzie mniejsza.

Przy analizie wahań temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody zewnętrznej najważniejsze jest aby temperatura nie obniżyła się do wart. temp. punktu rosy lub niżej i utrzymywała się w granicach dopuszczalnych różnic temp. pow. wew. i temp. wew. Może to doprowadzić do wykraplania się pary wodnej a w związku z tym do zawilgocenia przegrody, zmniejszenia właściwości termoizolacyjnych i obniżenia trwałości. Stateczność cieplna pomieszczeń: zdolność samoistnego utrzymywania się w pomieszczeniach stałej lub zmiennej w ustalonych dopuszczalnych granicach, temperatury powietrza; względnie tzw. temperatury odczuwalnej w warunkach zmiennych w czasie zjawisk cieplnych, oddziałujących na pomieszczenie. Występuje tylko w pomieszczeniach nie posiadających urządzeń klimatyzacyjnych, jest to problem złożonej wymiany ciepła w układzie wielu ciał, obejmujących przegrody otaczające pomieszczenie i urządzenia grzewcze. W okresie zimowym - problem stabilności temperatury wewnętrznej, w okresie wiosennym - zmienności ze względu na nasłonecznienie i przegrzewanie wnętrz, w okresie letnim - zbyt wysokie temperatury powietrza wewnętrznego.

I/21. komfort cieplny w budynkach.

Przez komfort cieplny rozumiemy stan zadowolenia z warunków cieplnych otoczenia.

Uzyskanie i utrzymanie komfortu cieplnego możliwe jest przez zachowanie określonych wartości parametrów mikroklimatu.

Czynnikami komfortu cieplnego wpływającego na stan--samopoczucia i zdrowie człowieka są:

• Temperatura powietrza,

• Prędkość ruchu powietrza,

• Średnia temperatura powierzchni otaczających,

• Natężenie promieniowania cieplnego od źródeł wysokotemperaturowych,

•, Wilgotność powietrza.

W okresie zimowym tj. w okresie ogrzewania wpływ wilgotności na odczucie komfortu cieplnego jest bardzo mały, podobnie jak i wpływ prędkości ruchu powietrza. Decydują tu natomiast: temperatura powietrza, średnia temperatura powierzchni przegród otaczających, zarówno przegród pełnych jak i okien i powierzchni grzejnych. Dla powierzchni mieszkalnych i do pracy umysłowej jako temperaturę dopuszczalną /komfortu/ przyjmuje się +20°C, zaś dla pomieszczeń, w których odbywa się praca fizyczna temperatury komfortu kształtują się niżej /12 - 16°C.

Dla okresu letniego ustalenie temperatury odczuwalnej jest trudniejsze. Istotne znaczenie ma wilgotność i prędkość powietrza. Zwiększenie wilgotności powietrza może być odczuwalne jako spadek temperatury. Ponieważ jednak:

• człowiek słabiej reaguje na wzrost temperatury niż na jej spadek,

• z uwagi na większą prędkość powietrza /przewiew przez uchylone okna/ udział temperatury powietrza staje się znacznie większy niż temperatury powierzchni' przegród, .

• wilgotność względna powietrza przy maksymalnych temperaturach nie przekracza na ogół 60%,

przyjmuje się, że dla okresu letniego temperatura odczuwalna równa jest temperaturze otoczenia. Jednak jak wiadomo w pomieszczeniach silnie przeszklonych temperatura znacznie przekracza warunki komfortu.

1

---