Pytania z fizyki budowli

1.1. Wymień jednostki energii i mocy oraz ich definicje

1.1. Jul : praca 1 N na 1m.

kJ= 1000 J, MJ= 1000000J ,

1. Jednostki mocy

, kW=1000W, MW=1000000W

Jednostki energii wynikające z pracy o stałej mocy przez godzinę

2. Omów strukturę materiałów budowlanych przyjmowanych budowli,

I zjawiska fizyczne związane ze strukturą i wilgotnością

1. Omów strukturę i zjawiska fizyczne zawilgocenia materiałów budowlanych

Pory - z uwagi na ich efektywny promień - podzielono na:

- mikropory - o promieniach mniejszych niż 2·10^-9 m,

- mezopory (pośrednie) - o promieniach większych niż 2·10^-9 m, a mniej­szych niż 50·10^-9 m,

- makropory - o promieniach większych niż 50·10^-9 m .

Przedziały zawilgocenia

- 10^-9 m < r < 10^-6 m - przedział stabilny,

- 10^-6 m < r < 10^-4 m - przedział o dużej zmienności zawilgocenia,

- 10^-4 m < r - przedział o małej zmienności zawilgocenia.

Zjawiska fizyczne

A)Adsorpcja

b) kondensacja

C) woda wolna

Do A) W fazie zawilgocenia materiału gdzie dominującą rolę w przemieszczaniu wilgoci odgrywa dyfuzja molekularna pary wodnej, polegająca na wyrównywaniu się stężeń pary wodnej wewnątrz materiału porowatego. Proces ten opisuje prawo Ficka w postaci:

(1)

Gdzie j_d - gęstość dyfuzyjnego strumienia pary wodnej, kg/(m²·s),

- operator gradientu (nabla), 1/m,

D - współczynnik dyfuzji pary wodnej w materiale porowatym, m²/s.

B) Przepływ kapilarny wody spowodowany jest różnicą ciśnień nad wklęsłymi meniskami wody zawar­tej w różnych obszarach materiału porowatego. Mechanizm ten, przy wilgotności materiału większej niż maksymalna sorpcyjna, dominuje nad dyfuzją pary wodnej. Opisuje go równanie prawa Darcy'ego:

(2)

gdzie: j_l - gęstość strumienia wody kapilarnej, kg/(m² s),

k_l - współczynnik przepuszczalności wody, kg/(m·s·Pa),

p_C - ciśnienie kapilarne (różnica ciśnień nad i pod meniskiem wody ka­polarnej.

2. Stan wilgotności rzeczywistych materiałów budowlanych

Rozkład wilgoci w materiałach budowlanych

Aktualny roz­kład przestrzenny wilgoci w przegrodzie i tendencje przewidywanych jego zmian, tj. następujące wysychanie materiałów z wilgoci technologicznej i budowlanej, czy też okresowe lub postępujące zawilgocenie, a więc całokształt przebiegu pro­cesów związanych z zawilgoceniem i wysychaniem materiałów w przegrodach budowlanych w wyniku:

- początkowej wilgotności związanej z ich wytwarzaniem (wilgoć technologiczna);

- przyrostu wilgotności spowodowanego etapami wykonawstwa, jak transport, składowanie, stosowanie zaprawy lub betonu do łączenia kompo­nentów (wilgoć budowlana);

- wysychania przegród i zawilgocenia w wyniku opadów atmosferycznych;

- przyrostu wilgotności w przegrodach w wyniku czynników eksploatacyjnych (kondensacji pary wodnej lub przemieszczania się wilgoci przegrodach);

- przyrostu wilgotności w wyniku podciągania kapilarnego wilgoci z gruntu.

Co to są materiały kapilarne i hydrofobowe ?

Rys. 14. Kontakt powierzchni materiałów z cieczą: a) zwilżającą, b) nie zwilżającą.

Wartość kąta θ jest miarą zwilżalności. Przyjmuje się, że ciecz zwilża daną powierzchnię, jeżeli
i nie zwilż, jeśli
. W przypadku materiałów budowlanych w hydrofilowych jest
a w przypadku hydrofobowych
.

1. Podstawy przenoszenia ciepła, złożone przenoszenie ciepła

2.1.Równania podstawowe (układ) do wyznaczenia temperatury i wilgotności w ciele porowatym

Współczynniki dyfuzji i termodyfuzji i przewodnictwa temeraturowego powodowane wyrównaniem wilgoci i temperatury.

Równania na strumienie ciepła

2.2. Przewodzenie ciepła przez ściany budynku

Przewodzenie ciepła w ciałach stałych ilościowo opisywane według prawa Fouriera:

(1)

Gdzie q - wektor gęstości strumienia cieplnego, [
]

- współczynnik przewodzenia ciepła materiału ściany, W/(m·K),

- operator gradientu,

T - temperatura w danym punkcie.

Strumień jest wprost proporcjonalny do współczynnika przewodzenia ciepła.

Operator gradientu ma postać:

(2)

W przypadku zadania jednowymiarowego temperatura zmienia się tylko w kierunku x jest:

(3)

Rys. Rozkład temperatury w ściance jednorodnej.

Prawo Fouriera w danym przypadku przybiera postać:

Wzór (4) można napisać w postaci:

(4)

Przewodność cieplna w funkcji gęstości. Wszystkie materiały wykazują zwiększenie współczynnika przewodności „lambda” w funkcji gęstości. Jedynie styropian w zakresie od 10-60kg/m³ wykazuje spadek współczynnika przewodności.

2.3. Trzy formy przewodzenia ciepła

Występują trzy formy przenoszenia ciepła:- przewodzenie, - konwekcja,- promieniowanie.

h_ce - współczynnik wnikania przez konwekcje jest dziesięciokrotnie większy od współczynnika przejmowania przez promieniowanie (16 W/m²K, 1,5 W/m²K).

3. Przewodzenie ciepła przez przegrodę

3.1. Strumień cieplny w przegrodzie

Równanie jednostkowego strumienia ciepła w przegrodzie

W każdej z warstw o numerze porządkowym „i” gę­stość strumienia cieplnego q_i określona jest wzorem:

gdzie:

Δt_i - różnica temperatury na po­wierzchniach i-tej warstwy;

R_i - opór cieplny i-tej warstwy. w przegrodzie warstwowej

Różnica temperatury na powierzchniach każdej warstwy

to Δt_i = qR_i . W ustalonych warunkach gęstość strumienia cieplnego jest stała, więc różnica temperatury na powierzch­niach przegrody wielowarstwowej można zapisać jako:

3.2. Opór cieplny w przegrodzie

Zgodnie z PN-EN ISO 6946 całkowity opór cieplny prze­grody złożonej z płaskich warstw jednorodnych obliczamy ze wzoru:

Doświadczalnie (Miernik HFM) (Heating flux meter)

3.3. Temperatura w warstwie

Przyrost temperatury w warstwie „i”

Δt_i = qR_i

Temperatura w warstwie

4. Przenikanie ciepła przez przegrody przezroczyste

4.1. Opór cieplny okna jednoszynowego

L_szkła=0,8 W/(mK)

R_T = 0,17 m²•K/W

4.2. Opór cieplny okna zespolonego (dwuszynowego)

W przypadku okien ze skrzydłami podwójnymi lub szklonych szybami zespolonymi ze szkłem zwykłym, opór cieplny projektowanego skrzydła zakładano równy sumie oporów cieplnych szczeliny międzyszybowej i oporów przej­mowania ciepła na powierzchni szyb:

(2)

skąd, przyjmując wartości liczbowe wg PN-EN ISO 6946, otrzymano R_T = 0,35 m²•K/W i - odpowiednio ­U= 2,8 W/( m²•K/W).

Wartości współczynnika przenika­nia ciepła szyb zespolonych jednoko­morowych w środkowej części szyby (z dala od krawędzi) zależą od rodza­ju powłok niskoemisyjnych i rodzaju gazu wypełniającego i mogą wynosić 1,1 - 1,2 W/( m²•K/W). W praktyce cza­sem te wartości są wyższe, co może być spowodowane błędami w produk­cji szyb zespolonych (zbyt krótkim czasem przedmuchiwania i niewystarczającą koncentracją gazu).

4.3. Strumień ciepła od promieniowania słonecznego

5. Obliczenie zapotrzebowania ciepła w bud. Charakterystyka energetyczna budynku

5.1. Bilans cieplny grzejnika i budynku

Bilans cieplny budynku:

5.2. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie

Współczynnik strat ciepła przez przenikanie jest definio­wany jako strumień cieplny przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej do środowiska zewnętrznego, podzielony przez różnicę temperatury pomiędzy środowiskami: zewnętrznym i wewnętrznym. Zgodnie z PN-EN ISO 13789 współczynnik strat ciepła przez przenikanie H_T oblicza się z wzoru:

(1)

Strumień cieplny (jednostkowy)

Strumień cieplny przez przenikania ciepła ściany

5.3. Ilość ciepła, która przepłynie przez jednostkę ściany w sezonie

Odpowiednio ilość ciepła, która przepłynie przez jed­nostkę powierzchni przegrody w sezonie ogrzewczym τ_h, można wyrazić wzorem:

(9)

Ilość ciepła, która przepływa przez całą ścianę w sezonie:

Ilość ciepła przepływająca przez całą powierzchnię obudowy budynku w sezonie grzewczym, oszacowanie przybliżone

Ilość ciepła, która przepłynie przez całą powierzchnię obudowy budynku w sezonie ogrzewczym, z wykorzystaniem dotychczaso­wych oznaczeń można wyrazić wzorem:

(10)

Współczynnik strat przez wentylacje

Współczynnik strat przez wentylację:

(8)

gdzie

r=1,2kg/m³ -gęstość powietrza, w kg/m³.

C_a = 1020 J/(m³K) - ciepło właściwe powietrza, w Wh/(kg.K).

- pojemność cieplna powietrza, 1200 J/(m³K)=0,34 Wh /(m³K)

b_we,k - współczynnik korekcyjny dla strumienia k.

Sezonowe zapotrzebowanie ciepła

6. Mikroklimat wewnętrzny. komfort cieplny. pomiar parametrów mikroklimatu

6. 1. Mikroklimat pomieszczeń i temperatur Missenarda

Wartość wielkości fizycznych występujących w pomieszczeniach składa się na mikroklimat pomieszczeń. Parametrami mikroklimatu są: temperatura, wilgotność powietrza, promieniowanie, prędkość i ciśnienie powietrza.

Przy takim założeniu to co potocznie nazywamy „temperaturę odczuwalną” (Missenarda) a co jest wynikiem wrażeń odnoszonych w wyniku odczuwania temperatury powietrza i temperatury powierzchni otaczających określa się:

(1.1)

gdzie:

t_M - temperatura wynikowa w stopniach Missenarda [°M],

t_i - temperatura powietrza w pomieszczeniu [°C],

t_r , - średnia temperatura powierzchni otaczających [°C~,

- współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję [W/(m²K)],

- współczynnik przejmowania ciepła przez promieniowanie [W/(m²K)],

Udział t_i i t_r , może być różny, zależnie od wartości współczynników α_i i α_r .

W praktyce, gdy powietrze jest w bezruchu, można przyjąć:

(1.2)

6.2. Określenie wskaźników PMV i PPD

W s k a ź n i k PMV (przewidywana średnia ocena). Wskaźnik PMV jest wskaźnikiem, który przewiduje średnią ocenę dużej grupy osób okre­ślających swe wrażenie cieplne w uśrednionej stopniowej skali ocen:

Tabela 1. Skala ocen wg normy (ciepło, obojętnie, zimno)

+ 3 gorąco + 2 ciepło + 1 dość ciepło

0 obojętne

-1 dość chłodno- 2 chłodno - 3 zimno

Wskaźnik PMV można określić, gdy zostanie oceniona aktywność fizycz­na człowieka (wytwarzanie energii metabolicznej) i jego odzież (opor­ność cieplna) i zmierzone parametry środowis­ka: temperatura powietrza, średnia temperatura promieniowania, względ­na prędkość przepływu powietrza i cząstkowe ciśnienie pary wodnej (patrz ISO 7726).

Parametry średniej oceny

Wskaźnik PMV jest wyrażony równaniem:

M - metabolizm [W/m²] (jednostka metabolizmu 1 met = 58 W/m²),

W - praca zewnętrzna [W/m²] (zero dla czynności, siedzenie bez ruchu, prace kreślarskie),

I_cl - oporność cieplna odzieży [m²· ^oC/W], jed. opor ciepl. odzieży 1 clo = 0,155 m²· ^oC/W,

F_cl - stosunek pola powierzchni ciała okrytego odzieżą do pola ciała odkrytego,

T₁ - temperatura powietrza [^oC],

- średnia temperatura promieniowania [^oC],

v_ar - względna prędkość przepływu powietrza [m/s],

p_a - ciśnienie cząstkowe pary wodnej [Pa],

h_c - współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję [W/m^{2 o}C],

t_cl - temperatura powierzchni odzieży [^oC].

6.3. Określenie wskaźnika PPD

W s k a ź n i k P P D (Przewidywany odsetek niezadowolonych). Wskaźnik PPD jest wartością średnią wrażeń cieplnych znacznej grupy ludzi przebywających w tym samym środowisku. Jednakże indywidualne oceny są rozłożone wokół tej wartości średniej i warto jest przewidzieć liczbę osób, które będą odczuwały brak komfortu ze względu na ciepło lub zimno. Wskaźnik PPD stanowi prognozę liczby osób odczuwających brak komfortu termicznego. Wskaźnik PPD umożliwia przewidzenie, jaki procent osób w dużej grupie będzie odczuwał brak komfortu termicz­nego, tzn. osób, które oceniają środowisko według 7-stopniowej skali wrażeń cieplnych: gorące (+3), ciepłe (+2), chłodne (-2) lub zimne ( - 3 ). Mając wartości PMV, wskaźnik PPD można odczytać z rysunku 1.1 lub obliczyć z równania:

(1.4)

Rys. 1.1. Zależność wskaźnika PPD od PMV.

Zintegrowany miernik mikroklimatu ZMM-1F.

7. AKUSTYKA BUDOWLANA

7.1. Ogólne wiadomości o dźwięku

Dźwięk to zjawisko falowe wywołane drganiem cząsteczek ośrodka dowolnego ośrodka sprężystego (powietrze, ciało stałe, ciecz). Fale akus­tyczne wytwarzane są zasadniczo przez drgania mechaniczne i przez przepływy turbulentne. Źródłem dźwięku są struny głosowe, praca ma­szyn, instalacji, środki transportu, itp. Zjawisko to może być wywołane przez drgający elementy w ośrodku lub przez drgania innego ośrodka stykającego się z danym. Dźwięk jako podstawowy środek porozumiewania się odgrywa po­zytywną rolę, natomiast jako hałas - negatywną i wymaga konsekwent­nego zwalczania. Dźwięk uciążliwy nazywamy hałasem. Hałas jest zjawiskiem szkodliwym wtedy, kiedy wy­stępuje w miejscu pracy oraz przenika do pomieszczeń mieszkalnych i użyteczności publicznej. (powietrze, ciało stałe, ciecz). Fale akus­tyczne wytwarzane są przez drgania mechaniczne i przepływy turbulentne. Źródłem dźwięku są struny głosowe, praca ma­szyn, instalacji, środki transportu, itp

Kształtowanie właściwych warunków akustycznych w pomieszcze­niach należy do akustyki technicznej, która w przypadku budownictwa odnosi się do trzech działów:

- akustyki budowlanej (z instalacyjną), ochrony przeciwdźwiękowej w budynkach,

- akustyki wnętrz, tzn. projektowania wnętrz o określonych właściwoś­ciach akustycznych,

- akustyki urbanistycznej, tzn. kształtowania klimatu akustycznego wnętrz urbanistycznych.

7.2. Rodzaje i parametry dźwięku

Fala kulista i cylindrycz­na.

W zależności od ośrodka rozprzestrzeniania się fal akustycznych rozróżnia, się:

- dźwięki powietrzne (powietrze lub inny gaz),

- dźwięki materiałowe (ośrodek stały lub ciecz),

- dźwięki uderzeniowe (dźwięki ma­teriałowe przechodzące w powietrzne).

Fale akustyczne materiałowe mogą być źródłem fal powietrznych i od­wrotnie.

Charakterystyka fali dźwiękowej

Podstawowymi parametrami fali dźwiękowej są:

- częstotliwość f [Hz], Częstotliwość to liczba okresów drgań na 1 sekundę. . Słyszalne częstotliwości to 20-10000 Hz.

- długość fali a [m],

- prędkość dźwięku c [m/s], które związane są zależnością:

(1)

gdzie
jest okresem drgań.

Moc dźwięku (moc akustyczna) - określa się w watach [W]. Ilość energii akustycznej emitowanej przez źródło w jednostce czasu.

Przedział pomiędzy dowolną częstotliwością a częstotliwością dwukrotnie większą nazywa się oktawą, a 1/3 oktawy - tercją. W akustyce przyj­muje się następujące środkowe częstotliwości pasm oktawowych {zakres słyszalny): 31,5 Hz; 63 Hz; 125 Hz; 250 Hz; 500 Hz; 1000 Hz; 2000 Hz; 4000 Hz; 8000 Hz i 16000 Hz. Od częstotliwości zależy wysokość tonu, która wzrasta wraz z częstotliwością.

Przebieg wychyleń w funkcji czasu drgań sinusoidalnych nie tłumionych przedstawia rysunek

7.3. Poziomy dźwięku

Podział ze względu na częstotliwość

Ze względu na częstotliwość i długość fali dźwięki dzielą się na:

- infradźwięki (niesłyszalne dla ucha ) o częstotliwości f<16 Hz i długości fali λ>21 m,

- dźwięki słyszalne o częstotliwości 16<f<2000 Hz i długości fali 0.017<λ<21 m.

- ultradźwięki (niesłyszalne) o częstotliwości f>20000 Hz i długości fali λ>0,017 m.

Prędkość c rozchodzenia się fali dźwiękowej zależna jest od ośrodka i rodzaju ośrodka drgającego (w powietrzu c= 340 m/s).

Poziom mocy akustycznej

W obliczeniach technicznych stosuje się pojęcie poziomu mocy akustycznej, które yraża się zależnością:

(2)

Gdzie:

P_a - moc akustyczna źródła [W],

P_o - moc akustyczna odniesienia (P_o = 10^-12W).

Natężenie dźwięku pola akustycznego wyraża się zależnością

(3)

Poziom natężenia dźwięku wyra­żone zależnością

gdzie I_o - natężenie dźwięku odniesienia ( I_o = 10² W/m²) .

Natężenie dźwięku - Ilość energii akustycznej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni nazywa się natężeniem dźwięku. Natężenie w danej odległości od źródła punktowego

P - moc źródła [W]

S -pole powierzchni kuli o promieniu równym odległości od źródła.

Zad . dane jest punktowe źródło dźwięku u mocy 100W. Obliczyć natężenie dźwięku w odległości 2m od źródła.

W budynkach ważne są dwa parametry: ciśnienia i pozio­mu ciśnienia akustycznego.

Ciśnienie akustyczne - jest to dodatkowe ciśnienie powstałe w punkcie przestrzeni na skutek działania fal dźwiękowych

P_C - ciśnienie całkowite

P_bar - ciśnienie barometryczne

P_aku - ciśnienie akustyczne

Poziom ciśnienia akustycznego - określa się w decybelach jako

Poziom ciśnienia akustycznego Lp wyznacza się ze wzoru:

(4)

lub

(4a)

gdzie: p_a - ciśnienie akustyczne [N/m²],

p_o - ciśnienie akustyczne odniesienia (p_o = 2 ·10^-5 N/m²).

Zasady rozprzestrzeniania się dźwięku

Zmniejszenie poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji odległości od źródła, zależne jest od rodzaju tego źródła:

dla źródła punktowego:

(5)

dla źródła liniowego:

(5a)

gdzie: Lp₁ - poziom ciśnienia akustycznego w odległości r₁ od źródła dźwięku [dB],

Zestaw 1.

1. Wymień jednostki energii i mocy oraz ich definicje

Jednostki wyrażone w Julach. Jednostki wyrażone Watgodzinach

Jednostki energii wynikające z pracy o stałej mocy przez godzinę

2. Omów strukturę i zjawiska fizyczne zawilgocenia materiałów budowlanych

Struktura porowata. Zjawiska fizyczne. A)Adsorpcja b) kondensacja C) woda wolna

3. Stan wilgotności rzeczywistych materiałów budowlanych

(wilgoć technologiczna); (wilgoć budowlana);

- wysychania przegród i zawilgocenia w wyniku opadów atmosferycznych;

- przyrostu wilgotności (kondensacji pary wodnej lub ruchu wilgoci przegrodach);

- przyrostu wilgotności w wyniku podciągania kapilarnego wilgoci z gruntu.

Co to są materiały kapilarne i hydrofobowe ?

_______________________________________________________________________

Zestaw 2

1. Podstawy przenoszenia ciepła i wilgoci, złożone przenoszenie ciepła

2. Podstawy przenoszenia ciepła, złożone przenoszenie ciepła

2.1.Równania podstawowe (układ) temperatury i wilgotności w ciele porowatym.

Równania na strumienie ciepła

2.2. Przewodzenie ciepła przez ściany budynku

Przewodzenie ciepła w ciałach stałych ilościowo opisywane według prawa Fouriera:

(1)

2.3. Trzy formy przewodzenia ciepła

2.3. Trzy formy przewodzenia ciepła

Występują trzy formy przenoszenia ciepła:- przewodzenie, - konwekcja,- promieniowanie.

___________________________________________________________________________

Zestaw 3

3.1. Strumień cieplny w przegrodzie

Równanie jednostkowego strumienia ciepła w przegrodzie

3.2. Opór cieplny w przegrodzie

Wzór na opór całkowity ściany warstwowej

3.3. Temperatura w warstwach muru

Wzór na przyrost temperatury w jednej warstwie

Zestaw 4.

4. Przenikanie ciepła przez przegrody przezroczyste

4.1. Opór cieplny okna jednoszynowego

4.2. Opór cieplny okna zespolonego (dwuszynowego)

4.3. Strumień ciepła od promieniowania słonecznego

__________________________________________________________________________

Zestaw 5.

5.Obliczenie zapotrzebowania ciepła w bud. Charakterystyka energetyczna budynku

5.1. Równania bilansu cieplnego grzejnika i budynku

5.2. Współczynniki strat przez przenikanie i wentylacje, transmitancja

promieniowania

Strumień cieplny (jednostkowy). Strumień cieplny przez przenikania ciepła ściany

5.3.. Równanie określenia zapotrzebowania ciepła w budynku. Równanie metody przybliżonej określenia strat w budynku. Równanie bilansowe określenia zapotrzebowania ciepła w budynku.

________________________________________________________________________

Zestaw 6

6. Mikroklimat wewnętrzny. komfort cieplny. pomiar parametrów mikroklimatu

6. 1. Mikroklimat pomieszczeń i temperatur Missenarda

Temperaturę odczuwalna. wyniku temperatury powietrza i powierzchni otaczających

6.2. Określenie wskaźników PMV i PPD.

Przewidywana średnia ocena. Przewidywany procent niezadowolonych

6.3. Określenie wskaźnika PPD

__________________________________________________________________________

7. Akustyka budowlana

7.1. Ogólne wiadomości o dźwięku

Dźwięk, hałas, rodzaje akustyk budowlanych

7.2. Rodzaje i parametry dźwięku

Fale kuliste i płaskie. W zależności od ośrodka rozprzestrzeniania się fal akustycznych rozróżnia, się: dźwięki powietrzne, materiałowe i uderzeniowe.

Charakterystyka fali dźwiękowej :

Środkowe częstotliwości pasm oktawowych

7.3. Poziomy dźwięku

Podział ze względu na częstotliwość: infradźwięki, słyszalne i ultradźwięki

Poziom mocy akustycznej

Poziom natężenia dźwięku

Pozio­m ciśnienia akustycznego. Ciśnienie barometryczne i akustyczne

---