FIZYKA BUDOWLI- PYTANIA

1. Wykresy zależności ciśnienia od Sd.

• Wpływ paroizolacji na kształt wykresu (zagadnienie jest bardziej do części zadaniowej).

• Wpływ ocieplenia od wewnątrz i od zewnątrz.

1. Jakie są zasady modelowania elementów budynku przy obliczaniu strat ciepła?

(To jest błędna odpowiedź do tego pytania, ale zostawiamy ją, bo jest tu opisane po kolei co się robi w Thermie, może się przyda. Prawidłową odpowiedź może się sklei jutro tj. w piątek, ale potrzeba do tego czyjeś notatki z wykładów, bo my mamy za mało.)

• Należy przypisać do odpowiednich elementów ściany właściwy materiał.

• Brzegi należy podzielić na odpowiednie odcinki i przypisać im odpowiednie warunki brzegowe: dla krawędzi od strony wnętrza, od strony zewnętrznej oraz krawędzie będące płaszczyzną przekroju modelu powinny mieć przypisany warunek brzegowy Adiabatic.

• Model materiału musi być figurą zamkniętą

• Jeżeli materiał, z którego zbudowany jest element rozpatrywanej przegrody znajduje się już w bibliotece należy sprawdzić, czy jego własności cieplne zostały poprawnie zapisane

• Program THERM nie przeprowadzi obliczeń bez deklaracji co najmniej dwóch nieadiabatycznych warunków brzegowych

• Jeżeli chcemy znać współczynniki U dla zewnętrznych powierzchni brzegowych, to powierzchnie te powinny być oznaczone oddzielnie.

• Aby program obliczył współczynnik przenikania ciepła U dla mostka cieplnego, należy zdefiniować powierzchnię, na której całkowany będzie strumień ciepła przenikającego przez mostek.

1. Jak z obliczeń dwuwymiarowych temperatury wyznacza się Ψ?

Dwuwymiarowe obliczenia przepływu ciepła można obliczyć korzystając z programu THERM. Obliczenia można przeprowadzić dla okien, ścian, dachów oraz innych mostków termicznych. Celem obliczenia współczynnika widły należy:

- zdefiniować przekrój z uwzględnieniem grubości warstw i materiałów (z biblioteki programu)

- określić warunki brzegowe - warstwa wewn. i zewn., program ustawia adiabaty automatycznie

Z programu odczytujemy: przebieg izoterm, wektory strumienia ciepła, pola temperatur, temperaturę dla mostka termicznego.

$\psi = L^{2D} \pm \sum_{}^{}{U_{i}L_{i}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }L^{2D} = \frac{Q}{t*(\theta_{i} - \theta_{e})}}$

L^2D-liniowy współczynnik sprzężenia cieplnego

U - wsp. przenikania ciepła

L - długość mostka

1. Zaznaczyć strumień ciepła q na izotermach.

Strumień ciepła q jest prostopadły do izolinii, w przypadku temperatury do izoterm.

Zgodnie z prawem Fouriera:

Wektor strumienia ciepła w przewodnictwie danego punktu ciała równomiernie nagrzanego, w danym momencie czasu, jest wprost proporcjonalny do wektora gradientu temperatury.

W postaci matematycznej:

q= - λgradT [W/m²]

1. Równania sprzężonego przepływu ciepła i wilgoci.

Sprzężony układ równań cząstkowych opisujących rzeczywisty rozkład temperatury, koncentracji pary wodnej i wilgotności w warstwie wilgotnej

Pierwsze równanie przedstawia zmiany temperatury materiału spowodowane przepływem ciepła przez przewodzenie i wydzielaniem ciepła w wyniku skroplenia

Drugi opisuje zmiany wilgotności materiału wywołane przepływem wilgoci pod działaniem sił kapilarnych i kondensacji pary wodnej

Trzecie wyraża zmiany koncentracji pary wodnej spowodowane jej dyfuzją i kondensacją

Oznaczenia przyjęte w równaniach:

υ - temperatura materiału, ^oC

W - wilgotność materiału, m³/m³

C - koncentracja pary wodnej, kg/kg

ρ - gęstość materiału, kg/m³

c - ciepło właściwe materiału, J/(kg K)

λ - efektywny współczynnik przewodności cieplnej, W/(m K)

L - ciepło kondesacji pary wodnej, J/kg

R - prędkość kondensacji pary wodnej, kg/(m³ s)

ρ_w - gęstość wody, kg/m³

D_w - współczynnik przepływu wilgoci, m²/s

ρ_a - gęstość powietrza, kg/m³

ε - porowatość materiału, m³/m³

D_ν - efektywny współczynnik dyfuzji pary wodnej, m²/s

Równania doprowadzono do postaci bardziej dogodnej do wykorzystania w praktyce, poprzez:

• zastąpienie koncentracji pary wodnej C

  C =

  gdzie: p -ciśnienie cząstkowe pary wodnej, Pa,

  R_ν - stała gazowa pary wodnej, J/(kg K)

• wyrażenie efektywnego współczynnika dyfuzji pary wodnej w porach materiału D_ν w postaci

  D_ν =

  gdzie: D - współczynnik dyfuzji pary wodnej w powietrzu, m²/s,

  µ - bezwymiarowy współczynnik oporu dyfuzyjnego

• wprowadzenie współczynnika D’

  D’ =

• wyeliminowanie z równań prędkości kondensacji pary wodnej R

  Uproszczona postać układu równań cząstkowych opisujących przepływy ciepła i wilgoci w materiale porowatym

  Przyjmując dodatkowe uproszczenia w postaci:

• pominięcie udziału ciepła kondensacji w bilansie energii, ze względu na niewielki jego udział, w porównaniu z ciepłem przewodzenia, jest to sprawiedliwe dla przypadku kiedy zmiany temperatury wewnątrz przegrody spowodowane zmianami fazowymi są małe w porównaniu ze zmianami temperatury spowodowanymi czynnikami zewnętrznymi, przyjąć wówczas można, iż

  L

• założenia ustalonych warunków przepływu ciepła i wilgoci w materiale porowatym, ze względu na to, iż przewodzenie ciepła, przepływ kapilarny wody i dyfuzja pary wodnej w warunkach naturalnych przebiegają powoli, czyli

  Ostateczna postać równań wyrażających stan cieplno-wilgotnościowy materiału porowatego w warunkach ustalonych

  Z powyższego układu równań wynika, iż

  gdzie: q - gęstość strumienia ciepła, W/m²

  j_p - gęstość strumienia pary wodnej, kg/(m² s)

  j_w - gęstość strumienia wody kapilarnej, kg/(m² s)

  j - gęstość sumarycznego strumienia wilgoci, kg/(m² s)

  Warunki brzegowe na powierzchni przegrody sformułowane do rozwiązania układu równań sprzężonego przepływu ciepła i wilgoci:

• dana jest temperatura na powierzchni

  υ = υ^*

• wymiana ciepła między powierzchnią przegrody a otoczeniem odbywa się przez konwekcję

  q = α_k (υ - υ^o)

• znany jest strumień ciepła docierający do powierzchni przegrody przez promieniowanie

  q = α_s J_s - J_e

• znana jest prężność pary wodnej na powierzchni przegrody

  p = p^*

• wymiana pary wodnej między powierzchnią przegrody a otoczeniem odbywa się przez konwekcję

  j_p = β (p - p^o)

• wilgotność na powierzchni przegrody równa jest pojemności kapilarnej

  W = W^s

  gdzie: υ^* - temperatura na powierzchni przegrody, ^o C

  υ^o - temperatura otoczenia przegrody, ^o C

  p^* - prężność pary wodnej na powierzchni przegrody, Pa

  p^o - prężność pary wodnej otoczenia przegrody, Pa

  W^s - pojemność kapilarna materiału przegrody, m/m

  α_k - współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję

  α_k - współczynnik przejmowania wilgoci, kg/(m s)

  J_s - natężenie promieniowania słonecznego: bezpośredniego, rozproszonego i niskotemperaturowego padającego na przegrodę, W/m

  J_e - natężenie promieniowania niskotemperaturowego emitowanego przez przegrodę, W/m

  α_s - współczynnik pochłaniania promieniowania przez powierzchnię przegrody, -

  Warunki graniczne na stykach warstw przegrody sformułowane do rozwiązania układu równań sprzężonego przepływu ciepła i wilgoci. Zakłada się występowanie idealnego kontaktu higrotermicznego na powierzchni rozdzielającej warstwy j i k, zapewniającego ciągłość:

• gęstości strumienia ciepła q_j = q_k

• temperatury υ_j = υ_k

• gęstości strumienia wilgoci j_j = j_k

• potencjału przenoszenia wilgoci P_j = P_k

1. Dlaczego procesy cieplno-wilgotnościowe są sprzężone i co o tym świadczy?

Zmiany koncentracji wilgoci w przegrodzie budowlanej zależą w dużej mierze od warunków wymiany ciepła i wilgoci ze środowiskiem wewnętrznym i zewnętrznym. W porach materiałów tworzących przegrody zewnętrzne odbywa się proces migracji pary wodnej, związany z różnicą jej ciśnienia po obu stronach przegrody. Oprócz tego we wnętrzu materiału może mieć miejsce kapilarny ruch wilgoci. Procesy przemieszczania wilgoci, połączone z przemieszczaniem ciepła, wywołują z kolei zmianę pola temperatur. Dyfuzja pary wodnej jest w dużej mierze zależna od temperatury, ponieważ ciśnienie pary nasyconej wykładniczo rośnie wraz z temperaturą. Charakter opisanych zjawisk jest, więc współzależny.

1. W jaki sposób należy ocieplać budynki zabytkowe?

Generalnie, zgodnie z zasadami fizyki budowli, wykonywanie ocieplenia budynków od wewnątrz jest niewłaściwe. Jednakże nie jest dopuszczalne ocieplenie od strony zewnętrznej obiektu wpisanego do rejestru zabytków o bogatym wystroju architektonicznym (elewacje) , dlatego należy rozważyć inną możliwość jego termomodernizacji.
I tak, w celu ocieplenia budynku od wewnątrz, należy przede wszystkim wykonać obliczenia cieplne przegrody. Ocieplenie nie może mieć parametrów, które doprowadzą do wyziębienia przegrody, co może skutkować degradacją elementów budynku. Ponadto termomodernizację obiektów zabytkowych należy analizować poprzez bilans energetyczny całego budynku.
Ocieplenie budynku zabytkowego od zewnątrz styropianem, zastosowanie szczelnych okien, brak wentylacji to wszystko może doprowadzić do jego szybkiej degradacji poprzez zawilgocenie. Jeżeli nie możemy ocieplić przegrody pionowej – ściany zewnętrznej, najlepiej pozostawić ją taką, jaka jest i rozważyć możliwość termomodernizacji pozostałych elementów budynku, np. przegród poziomych: stropu nad piwnicą, stropodachu, dachu. Można to zrobić również poprzez zamontowanie nowych okien (nigdy z PCV) z nawiewnikami, które umożliwią napływ powietrza do wnętrza pomieszczeń. Mury w obiektach zabytkowych są masywne i cechuje je dobra izolacyjność termiczna, którą można poprawić, stosując energooszczędne okna oraz efektywną wentylację, np. rekuperację, czyli odzysk ciepła. Przy zastosowaniu powyższych rozwiązań, podstawowe wymogi cieplne powinny być spełnione.

1. Jak zabezpieczać zabytkowe mury ceglane przed wilgocią?

- Pokrycie powierzchni zewnętrznej muru substancją hydrofobową, która odpycha cząsteczki wody. Po pokryciu, substancja ta wnika na około 1 – 2 cm w głąb cegły. W chwili gdy woda infiltruje cegłę, wewnątrz porów tworzy się menisk wypukły (Θ > 90°) na wodzie, dzięki czemu jest ona „wypychana” z powrotem na zewnątrz.

- Materiały aktywne kapilarnie – są to specjalne materiały, które cechują się zdolnością do transportu wody, co umożliwia schnięcie przegrody. Materiały te stosuje się coraz częściej jako termoizolację (wewnętrzną), która otwarta na dyfuzję pary wodnej, buforuje wilgoć znajdującą się wewnątrz pomieszczenia oraz przyczynia się do regulowania i poprawy mikroklimatu. Aktywność kapilarna zapewnia szybkie rozprowadzanie wilgoci po dużej powierzchni w czasie zimy. Następuje przyspieszenie schnięcia

- Paroizolacja – dobrze zabezpiecza ścianę przed wilgocią dzięki dużemu współczynnikowi sd, natomiast posiada szereg wad. Paroizolacja musi być nałożona szczelnie, aby działała dobrze; jakakolwiek nieszczelność sprawi że będzie bezużyteczna. Złącza elementów budowlanych

oraz przejścia przez te elementy a także ich odkształcenia stanowią problem trudny do rozwiązania, przykładem mogą być głowice belek stropów drewnianych. Pozytywna cecha, polegająca na zapobieganiu dyfuzji pary wodnej względnie jej kondensacji wewnątrz elementu budowlanego, przeciwdziała jednocześnie w okresie letnim wysychaniu konstrukcji obciążonej wodą opadową w kierunku wnętrza budynku.

1. WUFI- jakie dane należy wprowadzić do programu, jakie parametry materiałowe i co otrzymujemy.

Dane, które należy wprowadzić:

• Informacje o konstrukcji: zestawienie warstw (rodzaj, grubość, współczynnik λ), orientacja i nachylenie budynku

• współczynnik przejmowania na powierzchni: opór cieplny, absorpcja promieniowania, współczynnik absorpcji deszczu względna, dane pogodowe

• warunki brzegowe (co dzieje się na krawędzi przegrody): temperatura początkowa w przegrodzie, wilgotność

• Pozycje monitorowania

• Dodatkowe informacje higrotermiczne: pominięcie podciągania kapilarnego, ciepła utajonego parowania, ciepła utajonego kondensacji

Co otrzymujemy:

• Wykres całkowitej zawartości wilgoci

• zmiany gęstości strumienia ciepła na powierzchniach ściany

• Wykresy zawartości wilgoci w poszczególnych warstwach

• Wykres izoplety w punkcie monitorowania

• Wykres zawartości wilgotności względnej i wartości temperatury w płaszczyźnie kondensacji

1. Narysować wykresy ciśnień- bez wiatru, z wiatrem, po stronie nawietrznej i zawietrznej.

CIŚNIENIE STATYCZNE (wynikające z różnicy ciśnień)

T_i > T_e

ρ_i < ρ_e

p = (ρ_e − ρ_i)gh

Wentylacja mocniejsza na kondygnacjach niższych bo h (odległość między wlotem a kominem) większa;

Oś obojętna wentylacji na poziomie wylotu komina;

CIŚNIENIE STATYCZNE + DYNAMICZNE (od wiatru)

faktycznie prędkość wiatru jest różna w zależności od wysokości , a przy powierzchni dodatkowo od pokrycia, ale dla wykresów przyjmujemy stałą wartość ciśnienia dynamicznego;

1. strona nawietrzna

1. strona zawietrzna

CIŚNIENIE STATYCZNE + DYNAMICZNE PRZY NIEDROŻNYM PRZEWODZIE WENTYLACYJNYM

gdy przewód wentylacyjny jest niedrożny, wentylacja odbywa się przez okno- oś obojętna wentylacji zostaje przesunięta do środka wysokości okna; poniżej osi następuje dopływ, powyżej- odpływ powietrza;

1. strona nawietrzna

1. strona zawietrzna

1. Odwrócony ciąg komina.

Ciąg wsteczny – o ciągu wstecznym mówimy wtedy gdy kominie wentylacyjnym powietrze jest zasysane do budynków a nie (tak jak to powinno być) transportowane na zewnątrz. Spowodowane jest to różnicą gęstości powietrza, która jest zależna od temperatury. (Od cieplejszego do zimniejszego). Również spowodowane może to być nieodniesieniem się do bilansu powietrza nawiewanego i wywiewanego (polepszenie szczelności stolarki okiennej), które musi być sobie równe – w skrócie - nie działa poprawnie wentylacja grawitacyjna.

Przyczyny ciągu wstecznego:
* różnica gęstości powietrza wewnątrz/na zewnątrz
* brak dopływu świeżego powietrza (zbyt duża szczelność; zasysane przez kuchenki gazowe)
* niewłaściwa konstrukcja komina
* działalność wiatru (zawiewanie do kominów wentylacyjnych)

Główne minusy ciągu wstecznego:
* brak wymiany powietrza
* wtłaczanie powietrza do budynków <chodzi mi o zimę zwłaszcza do małych pomieszczeń takich jak np. łazienka)
* nieodprowadzanie spalin z kuchenek
* osadzanie się niezdrowych związków chemicznych w domach <czad!>
* zasysanie spalin z przewodów kominowych znajdujących się obok.

1. Dlaczego wentylacja na niższych piętrach działa lepiej?

Większa efektywność wentylacji na dolnych kondygnacjach związana jest z różnicą ciśnień na końcach kominów wentylacyjnych - im większa różnica ciśnień tym większa jest siła ciągu czyli, kolokwialnie mówiąc, tym mocniej „wieje”. Jak wiadomo wraz ze wzrostem wysokości ciśnienie maleje, dzięki temu że wylot komina wentylacyjnego znajduje się ponad wentylowanymi pomieszczeniami, gdzie ciśnienie jest mniejsze, w jego wnętrzu powstaje ciąg zasysający powietrze z pomieszczenia(ośrodka wyższego ciśnienia) na zewnątrz(ku ośrodkowi niższego ciśnienia). Idąc tym tropem, pomieszczenie na parterze będzie lepiej wentylowane od tego na ostatniej kondygnacji ponieważ im większa jest różnica wysokości między pomieszczeniem wentylowanym i wylotem komina, tym lepiej dla wentylacji danego pomieszczenia. W wypadku gdy pomieszczenie jest nie wystarczająco wentylowane jednym z rozwiązań może być zwiększenie tej odległości poprzez podniesienie kominów.

1. Proszę krótko wyjaśnić jakie są podstawowe różnice w założeniach modeli matematycznych zjawisk wilgotnościowych wg normy PN-EN ISO 13788 i według programu WUFI i jakie są konsekwencje tych różnic?

PN-EN ISO 13788

„Metoda obliczeń, zaproponowana w normie jest uogólnieniem metody Glasera, przyjętej jako podstawę w normie niemieckiej DIN 4108.

Obliczenia kondensacji wilgoci we wnętrzu przegrody

W opisywanej metodzie zakłada się, że:

• początkowo element jest całkowicie wysuszony,

• układy są jednowymiarowe,

• warunki wilgotnościowe już ustaliły się (tzn. obliczenia rozpoczyna się od stanu ustalonego),

• ruchy powietrza przez warstwy przegrody lub wewnątrz niej nie są rozważane,

• materiały użyte do budowy przegrody nie są higroskopijne,

• transport wilgoci odbywa się przez czystą dyfuzję pary wodnej opisanej przez równanie:

gdzie:

g – gęstość strumienia wilgoci [kg/(m²⋅s) ],

δ^air_p – współczynnik dyfuzji pary wodnej w powietrzu [kg/(m⋅s⋅Pa)]

δ^air_p = 2*10^-10 kg/(m⋅s⋅Pa),

µ - współczynnik oporu dyfuzyjnego pary wodnej [-]

s_d – dyfuzyjnie równoważna grubość warstwy powietrza pod względem oporu dyfuzyjnego pary wodnej [m]

*Wielkość δ^air_p jest uzależniona od temperatury i ciśnienia, lecz w tej normie zależność została pominięta.”

WUFI

„Symulacja komputerowa niestacjonarnych procesów przepływu ciepła i wilgoci, wychodząca daleko poza uproszczoną metodę Glasera, ma szereg praktycznych zalet. Należy do nich możliwość analizy następujących zagadnień:

• Zmienne w czasie, zawilgocanie się i wysychanie przegród w czasie sezonu grzewczego,
  z uwzględnieniem dyfuzji i przewodzenia kapilarnego,

• Wysychanie z wilgoci początkowej,

• Kondensacja pary w okresie letnim wskutek tzw. odwróconej dyfuzji (przyp. MÓJ: np. wskutek ciśnienia),

• Wpływ promieniowania słonecznego, ukośnego deszczu, kondensacji powierzchniowej na ścianach
  i dachach,

• Wpływ zawilgocenia na przepływ ciepła

Normowe metody obliczeń minimalnej temperatury powierzchni wewnętrznej komponentów budowlanych
i elementów budowlanych pozwalają uniknąć krytycznej wilgotności powierzchniowej (głównie ze względu na ryzyko rozwoju pleśni) oraz kondensacji pary wodnej wewnątrz przegrody wskutek dyfuzji pary wodnej. Natomiast wyniki obliczeń wartości temperatury i zawartości wilgoci w dowolnym miejscu przegrody i czasie, uzyskane za pomocą programu WUFI, mogą zostać wykorzystane do:

• Ekstrapolacji wyników badań eksperymentalnych,

• Analizy „zachowania się” konstrukcji w różnych strefach klimatycznych,

• Projektowania nowych oraz przebudowy i renowacji istniejących budynków,

• Opracowania i optymalizacji nowych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych,

• Określenia dopuszczalnych warunków mikroklimatu wewnętrznego dla opracowanych przegród budowlanych,

• Opracowania założeń cieplno-wilgotnościowych i określenia obszaru zastosowań dla poszczególnych materiałów i przegród.”

1. Proszę krótko omówić od jakich czynników (parametrów otoczenia) zależy szybkość wysychania podczas pierwszego okresu suszarniczego. Proszę naszkicować wykresy zmian temperatury i zawartości wilgotności na powierzchni elementu w funkcji czasu oraz zaznaczyć na obu wykresach gdzie kończy się pierwszy okres suszarniczy. Proszę wyjaśnić dlaczego szybkość wysychania nie zależy w tym okresie od właściwości materiału ściany.

Pierwszy okres suszenia charakteryzuje się stałą szybkością suszenia. Następuje odparowanie wilgoci z powierzchni materiału i powstająca para przedostaje się do przepływającego powietrza. Szybkość całego procesu uwarunkowana jest przez szybkość dyfuzji pary wodnej w warstwie powietrza, ta z kolei zależy od temperatury i wilgotności powietrza, prędkości przepływu/opływu powietrza, nasłonecznienia (strona zewnętrzna). Pierwszy okres suszenia kończy się wtedy, kiedy cała wilgoć z powierzchni zostanie odparowana.

Drugi okres suszenia charakteryzuje się malejącą szybkością suszenia. Występuje wtedy odparowanie wilgoci w coraz głębszych warstwach ciała suszonego, przemieszczanie się pary wodnej do powierzchni (dyfuzja wewnętrzna) i dyfuzja w warstwie przepływającego powietrza. Na szybkość suszenia w drugim okresie ma duży wpływ struktura ciała suszonego i jego wymiary.

(po części jest to też odpowiedź na pytanie 25 ale według mnie przyda się wyjaśnienie tych dwóch okresów)

(znalezione w necie dla tego może się wydać trochę encyklopedyczne)

W pierwszym okresie zwartość wilgoci maleje liniowo a temperatura wewnątrz jest równa temperaturze materiału.

W drugim okresie zawartość wilgoci maleje krzywoliniowo do wilgotności jaka można uzyskać w danych warunkach a temperatura wewnętrzna rośnie liniowo do temperatury otoczenia.

1. Proszę krótko omówić od czego zależy klasa energetyczna budynku mieszkalnego? Jak należy projektować budynek i jego instalację, aby miał on jak najkorzystniejszą klasę energetyczną? Co można zrobić, aby poprawić klasę energetyczną istniejącego budynku?

Klasa energetyczna budynku to przypisanie budynku lub lokalu do jednej z kategorii, określających jego energochłonność. Informacja o klasie energetycznej daje możliwość oszacowania przyszłych kosztów eksploatacji. 

Klasa energetyczna zostanie przyporządkowana na podstawie określonego przez specjalistę tzw. wskaźnika charakterystyki energetycznej budynku. Określa on, ile energii zużywa dany budynek/lokal na metr kwadratowy rocznie w porównaniu z tzw. budynkiem referencyjnym. Każda klasa energetyczna to określony przedział wartości, jakie w jej ramach może przyjąć wskaźnik.

Głównych klas energetycznych jest siedem (oznaczonych literami od A do G). Klasa A to klasa najwyższa. Oznacza, że budynek/lokal jest wysoko energooszczędny i rachunki za energię będą w nim bardzo niskie. 
Klasa G oznacza, że budynek jest mało energooszczędny. W praktyce oznacza to nieocieplone ściany, nieszczelne okna, nieefektywną i źle izolowaną instalację, urządzenia grzewcze starego typu itd.

Klasę energetyczną można zwiększyć poprzez (oprócz tego co wyżej) wybudowanie okien od strony południowej (słoneczko będzie nam grzało :) ), zastosowanie rekuperacji.

1. Jakie dane należy wprowadzić do programu do obliczeń dwuwymiarowego pola temperatury, aby wyznaczyć liniowy współczynnik przenikania ciepła dla mostka termicznego? Jakie inne informacje można uzyskać z takich obliczeń i w jaki sposób można je wykorzystać podczas projektowania przegród budowlanych?

• Na początku trzeba wykreślić przekrój analizowanego elementu o znanych wymiarach.

• Następnie przypisujemy każdej warstwie dane materiałowe z bazy danych lub dodajemy własny materiał podając jego współczynnik przewodzenia ciepła λ

• Definiujemy warunki brzegowe powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej. Ustalamy konwekcyjny przepływ ciepła (deklarujemy temperaturę otoczenia, współczynnik przejmowania ciepła), stały strumień ciepła, promieniowanie lub stałą temperaturę.

• Zdefiniowanie powierzchni do obliczeń współczynnika U (wewnętrznej lub zewnętrznej)

W programie możemy również obejrzeć rozkład izoterm w rozważanym przekroju. Przebieg izoterm jest istotny przy ustalaniu największych gradientów temperatury. Są również użyteczne w ustalaniu zimnych i ciepłych obszarów, co jest istotne w przewidywaniu i unikaniu kondensacji.

1. Proszę krótko omówić od czego zależy wartość współczynnika strat ciepła przez przenikanie budynku ( jakie parametry elementów budynku oraz w jaki sposób wpływają na wartość tego współczynnika). W jakich jednostkach jest wyrażany ten współczynnik?

Współczynnik strat ciepła wyraża się wzorem:
$H\ \lbrack\frac{W}{K}\rbrack = b_{\text{tr}}*(\sum_{i}^{}A_{i}U_{i} + \ \sum_{k}^{}I_{k}\psi_{k} + \ \sum_{j}^{}\chi_{j}\ )\ \ \ $ , gdzie:
- b_tr – pow. Nieogrzewana
- AU – pole powierzchni przegrody wymnożone przez współczynnik U
- I_kψ_k – liniowe mostki cieplne (długość i liniowy współczynnik przenikania ciepła)
- χ – punktowe mostki cieplne

Na podstawie wzoru można określić, że zależy on od:
- ilości, oraz pola powierzchni przegród i ich wartości współczynnika przenikania ciepła
- ilości, długości i wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła, mostków cieplnych
- ilość i rodzaj, punktowych mostków cieplnych

1. W jaki sposób ocenia się wg normy niebezpieczeństwo rozwoju grzybów pleśniowych na powierzchni przegrody?

W materiałach o budowie kapilarno-porowatej istnieje możliwość kapilarnej kondensacji pary wodnej, przy wilgotności względnej powietrza równej 80 %, czyli poniżej stanu nasycenia powietrza wilgocią. Z uwagi na to zjawisko przyjmuje się obecnie, że prawdopodobieństwo rozwoju zagrzybienia na powierzchni materiałów o budowie kapilarno-porowatej jest duże(powyżej 95 %), jeżeli przy ich powierzchni utrzymuje się wilgotność względna powietrza na poziomie nie niższym od 80 %. Z tak sformułowanego kryterium wynika dopuszczalna minimalna wartość temperatury powierzchni przegród z uwagi na ochronę przed zagrzybieniem.

Rozwój zagrzybienia na powierzchni przegrody budynku (w przypadku materiału o budowie kapilarno-porowatej) jest możliwy przy temperaturze powyżej punktu rosy. W odniesieniu do powietrza o temperaturze równej 20 °C i wilgotności względnej równej 50 % dopuszczalna temperatura z uwagi na ochronę przed zagrzybieniem jest równa 12,6 °C, czyli o 3,3 K powyżej punktu rosy. Utrzymanie temperatury powierzchni przegród powyżej punktu rosy nie zabezpiecza przed pojawieniem się i rozwojem zagrzybienia, ich temperatura powinna być wyższa od temperatury dopuszczalnej z uwagi na ochronę przed zagrzybieniem.

Przegrody zewnętrzne budynku muszą spełniać następujące warunki związane z transportem wilgoci:

• na wewnętrznej powierzchni nieprzezroczystej przegrody zewnętrznej nie może występować kondensacja pary wodnej umożliwiająca rozwój grzybów pleśniowych,

• we wnętrzu przegrody zewnętrznej nie może występować narastające w kolejnych latach zawilgocenie spowodowane kondensacją pary wodnej.

Spełnienie warunku uniknięcia wzrostu grzybów pleśniowych polega na zaprojektowaniu przegrody tak, aby maksymalny obliczeniowy czynnik temperaturowy na powierzchni wewnętrznej był mniejszy od dopuszczalnego. Oznacza to, że temperatura przegrody na powierzchni wewnętrznej nie może być niższa od przyjętego minimum. Wyznacza się je w oparciu o założenie maksymalnej wilgotności względnej na powierzchni przegrody, której przekroczenie powodowałoby wzrost grzybów pleśniowych.

Sprawdzenie obu warunków dla projektowanej przegrody, wymaga wykonania obliczeń dla kolejnych miesięcy roku. Znając wilgotność i temperaturę powietrza zewnętrznego oraz wewnętrznego, parametry cieplne oraz wilgotnościowe warstw przegrody, wyznacza się – dla każdego miesiąca roku – rozkład ciśnień pary wodnej w przegrodzie oraz oblicza czynnik temperaturowy na powierzchni wewnętrznej dla założonej wilgotności krytycznej.

f_rsi > f_rsi, _max f_rsi = 0,72 dla budynków mieszkalnych

1. Co to jest EP?

Wartość przedstawiająca roczne zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną na jednostkę powierzchni o regulowanej temperaturze powietrza, wyrażoną w kWh/(m² rok).

1. Co to jest rekuperacja ciepła?

Rekuperacja (rekuperacja ciepła) (łac. recuperatio) - w przemyśle (np. metalurgicznym) odzyskiwanie energii termicznej gazów odlotowych (odpadkowych) i spalin, w celu dalszego jej wykorzystania. Proces ten prowadzony jest w różnego typu urządzeniach (czasami zwykłych wymiennikach ciepła) zwanych rekuperatorami (lub nagrzewnicami).

1. Opisać odnawialne źródła energii.

• energia geotermalna - energia wydobytych na powierzchnię Ziemi wód geotermalnych. Woda geotermiczna wykorzystywana jest bezpośrednio (doprowadzana systemem rur), bądź pośrednio (oddając ciepło chłodnej wodzie i pozostając w obiegu zamkniętym). W celu ich wydobycia na powierzchnię wykonuje się odwierty do głębokości zalegania tych wód. Najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii geotermalnej jest budowa ciepłowni geotermalnej. Taka ciepłownia dostarcza bezpośrednio do odbiorców wodę z wnętrza Ziemi, a odprowadza wychłodzoną wodę z powrotem do jej wnętrza. Innym sposobem wykorzystania energii wód geotermalnych jest działanie pompy ciepła. Polega ono na czerpaniu energii z wód geotermalnych, kumulowaniu jej i przekazywaniu do wymiennika ciepła. Tak pozyskana energia może być wykorzystana na ogrzanie wody użytkowej lub budynku. Kolejnym zastosowaniem energii geotermicznej jest produkcja energii elektrycznej. Woda w skutek wysokiej temperatury skał przechodzi w suchą, przegrzaną parę. Taka sucha para może być zastosowana bezpośrednio do napędu turbiny

• energia słoneczna -dostępność tego źródła jest uzależniona od lokalnych warunków pogodowych, cyklu dobowego i cyklu rocznego Słońca. Prawie cała energia(99%) generowana jest w jądrze Słońca. Źródłem energii promieniowania słonecznego są procesy nuklearne syntezy jąder wodoru. Energia słoneczna może być przetwarzana na prąd i ciepło. Wykorzystywana jest głównie w rolnictwie, ciepłownictwie (cieplne kolektory słoneczne) oraz elektroenergetyce (ogniwa fotowoltaiczne). Do przetwarzania promieniowania słonecznego w użytkową energię cieplną służą kolektory słoneczne. Wychwytują one energię słoneczną i zamieniają na energię cieplną. Są najczęściej stosowane do podgrzewania wody użytkowej, rzadziej do ogrzewania domu. Urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną jest ogniwo fotowoltaiczne; przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska. Wykorzystują one półprzewodnikowe złącza typu p-n, w których pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Powoduje to pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

• energia wiatru - energia kinetyczna przemieszczających się mas powietrza, jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych, jak również wykorzystywana jako energia mechaniczna w wiatrakach i pompach wiatrowych oraz jako źródło napędu w jachtach żaglowych; źródłem energii kinetycznej wiatru jest energia światła słonecznego. Ziemia jest ogrzewana nierównomiernie, a lądy nagrzewają się (i stygną) szybciej niż morza, na Ziemi cały czas tworzą się różnice temperatur. Wywołuje to prądy konwekcyjne w atmosferze, różnice ciśnień i cyrkulację powietrza.

• energia wodna - wykorzystuje energię mechaniczną płynącej wody. Obecnie energię wodną możemy przetwarzać na energie elektryczną (hydroenergetyka) lub wykorzystywać bezpośrednio do napędu maszyn (turbiny lub koło wodne). Energię mechaniczną wody możemy podzielić na energię przepływu rzek (energia kinetyczna i potencjalna jest zamieniana w energię elektryczną) oraz energię mechaniczną oceanów (ruchy masy wody, które zostały wywołane przez pływy, falowanie czy też różnice gęstości). Energię przepływu rzek wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej w położonych na rzekach elektrowniach wodnych. Wykorzystuje się tu energię spadku wód. Zgromadzona energia potencjalna wody, poprzez spiętrzenie przy pomocy zapory i przepływu w kierunku dolnego poziomu zamieniana jest w energię kinetyczna napędzającą turbinę. Wprowadzona w ruch turbina napędza generator wytwarzający energię elektryczną, która dalej wprowadzana jest do sieci elektroenergetycznej.

• biomasa - masa materii zawarta w organizmach; organiczne produkty roślinne (np. drewno), ale najczęściej zwyczajne odpadki, tj. słoma oraz odpadki komunalne; poprzez fotosyntezę energia słoneczna jest akumulowana w biomasie, początkowo organizmów roślinnych, później w łańcuchu pokarmowym także zwierzęcych. Energię zawartą w biomasie można wykorzystać dla celów człowieka. Polega to na przetwarzaniu na inne formy energii poprzez spalanie biomasy lub spalanie produktów jej rozkładu. W wyniku spalania uzyskuje się ciepło, które może być przetworzone na inne rodzaje energii, np. energię elektryczną.

1. Ściana Trombe’a.

Ściany Trombe’a to sposób na pasywne wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania budynków. Jest to jedno z rozwiązań pozwalających na pasywne ogrzewanie słoneczne. Nazwa tej ściany pochodzi od nazwiska francuskiego inżyniera, Felixa Trombe’a, który w latach 1960-tych spopularyzował to rozwiązanie. Budowę i zasadę działania ściany Trombe’a przedstawia poniższy rysunek.

Ściana Trombe'a pracująca w trybie ogrzewczym.

Ściana Trombe'a to czarna lub bardzo ciemna ściana, wykorzystująca efekt cieplarniany za pomocą szyby umieszczonej kilka centymetrów przed nią i tworzącej przestrzeń powietrzną. Zewnętrzna część ściany nagrzewa się od słońca, ogrzewając jednocześnie znajdujące się przed nią powietrze. Otwory u góry i na dole ściany umożliwiają konwekcyjny przepływ ciepła od ogrzanej przestrzeni powietrznej do wnętrza pomieszczenia. O zachodzie słońca otwory te są zamykane, by powietrze nie przemieszczało się w odwrotnym kierunku i nie chłodziło budynku. Jeśli ściany budynku są dobrze zaprojektowane (kolory, otwory wentylacyjne, materiał, grubość), przez pewien czas po zachodzie słońca będzie utrzymywać się w nim ciepło, zapewniając komfort termiczny w budynku.

Można zaprojektować ścianę Trombe’a tak, by wspomagała wentylację domu albo nawet jego chłodzenie. Wykonanie dodatkowych otworów w przeszklonej powierzchni umożliwia pracę w dwóch kolejnych trybach:

• wentylacji – tj. zimne powietrze pobierane jest dolnym otworem z zewnątrz, a następnie podgrzewa się od powierzchni ściany i wpływa do pomieszczenia,

• chłodzenia – gdy powietrze pobierane jest z budynku, ogrzewane przez ścianę, i odprowadzane do otoczenia przez górny otwór w powierzchni zewnętrznej, a następnie zastępowane przez chłodniejsze powietrze z gruntowego wymiennika ciepła.

Jak widać, prądy konwekcyjne wywoływane przez ścianę Trombe’a mają znacznie więcej funkcji, niż tylko ogrzewanie budynku.

1. Sposób obliczania parametrów używanych w Thermie, jak liczyć, wzory (do części zadaniowej).

Z therma otrzymujemy dane: U_factor, oraz L (długość krawędzi mostka przypisana do obliczenia U), z tych dwóch czynników możemy policzyć L^2D( o zmyślnej nazwie: liniowy współczynnik sprężenia cieplnego)

L^2D=U_factor x L

Teraz do policzenia mamy liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ_e/i (i-dla wymiarów wew, lub e- dla zew.)

Ψ = L^2D - $\sum_{j = 1}^{n}{U_{j} \bullet l_{j}}$

Sprowadza się to do tego, że trzeba od L^2D odjąć wszystkie krawędzie jakie mamy przemnożone przez U danej przegrody lub materiału jaki mamy. Np. dla mostka przy ościeży drewnianej L^2D - U_ściany x l_ściany - U_ościeży x l_ościeży

(odległość pewnie będziemy mieli, bierze sie ją 1m tak zakładaliśmy, lub do momentu, aż w ścianie izotermy wyrównają się i będą szły równolegle. Natomiast U ościeży możemy policzyć [U= 1/(0.13 + długość krawędzi klocka/lambdę drewna (0.16) + 0.04)])

Uwaga: do obliczeń ryzyka wystąpienia pleśni opór przejmowania ciepła dla powierzchni ściany wewnętrznej przyjmujemy R_si = 0.25 m²K/W. To jest według jakiejś normy zmienialiśmy to w programie w warunkach brzegowych ściany wewnętrznej.

Teraz tylko F_Rsi (czynnik temperaturowy)

F_Rsi = $\frac{\vartheta_{\text{Si}} - T_{e}}{T_{i} - T_{e}}$

ϑ_Si - minimalna temp. na powierzchni wewnętrznej ściany odczytana z programu. (w mostku)

Te i Ti to temperatury zewnętrzna i wewnętrzna.

Jeśli nasze F_rsi jest większe niż F_rsi,max(mamy to z danych pogodowych dla najbardziej niesprzyjającego miesiąca), to nie ma zagrożenia pleśni. Jeśli jest to równe bądź mniejsze niż max to pleśń może się pojawić.

1. Od czego zależy szybkość wysychania materiału budowlanego (przegrody budowlanej)?

Zależnie od temperatury i wilgotności powietrza, po obu stronach przegrody budowlanej panują z reguły różne ciśnienia pary wodnej. Na skutek tej różnicy ciśnień para wodna jest zmuszona do „przemieszczania się” przez przegrodę – od strony wyższego ciśnienia (strona ciepła) ku niższemu ciśnieniu (strona zimna). Takie „przemieszczanie się” pary wodnej nazywamy jej dyfuzją. 
Materiały budowlane stawiają dyfuzji pary wodnej różny opór. Niektóre pozwalają na dyfuzję pary niemal bez trudności (takie materiały nazywamy paroprzepuszczalnymi, dyfuzyjnymi lub otwartymi na dyfuzję), inne zaś tylko w niewielkim stopniu umożliwiają dyfuzję pary wodnej. Im większa jest paro przepuszczalność materiału budowlanego tym mniejsze jest ryzyko wystąpienia zawilgocenia w przegrodzie budowlanej a tym samym jej uszkodzenia. Symbolem µ charakteryzuje się zdolność materiału budowlanego do dyfuzji, im mniejszy tym para wodna łatwiej przenika przez materiał (przyjmuje się, że powietrze i wełna mineralna mają µ = 1; ). Sd – to opór warstwy, iloczyn µ i jej grubości wyrażony w metrach (m), pokazuje on jaki opór napotyka para wodna przechodząc przez dany materiał w porównaniu do oporu równoważnej warstwy powietrza. Np. Sd = 0,1 m oznacza, że przegroda stawia taki opór dyfuzyjny jak 0,1 m – czyli 10 cm warstwa powietrza. 

Szybkość procesu wysychania zależy także od:

- struktury porów danego materiału:

• - beton: małe pory (mikro i mezo)

• -cegła: makro pory

• -beton komórkowy: głównie mezo i makro pory (b_i – modularny rozkład wielkości porów)

- warunków zewnętrznych

- grubości materiału ( masa wody = f(Vt) czas wysychania proporcjonalny do kwadratu grubości)

- szybkość podciągania kapilarnego przez dany materiał.

Dla cegły:

W pierwszym okresie wysychania biorą udział przede wszystkim siły kapilarne – doprowadzają do powierzchni wodę, która może wysychać.

ρ = p/p_s(T) gdy T- rośnie to ϕ- maleje

W drugim etapie wysycha tylko warstwa powierzchniowa bo woda z wnętrza materiału nie dopływa z dostateczną prędkością – zmniejszona prędkość wysychania.

Dla betonu:

Okres stałej szybkości wysychania. Znacznie krótszy ( w tym okresie prędkość wysychania nie zależy od materiału)

Beton komórkowy:

1 etap: opróżniane są duże pory, temperatura szybko spada;

2 etap: strefa parowania cofa się w głąb materiału, temperatura stopniowo rośnie.

1. Przebieg wysychania w I i II  okresie suszarniczym, różnice między tymi okresami, dlaczego występują te różnice?

I - szybkość suszenia zależy od: temp. i wilg. wzgl. otoczenia, prędkości przepływu powietrza, promieniowania ciepła na 'suszoną' przegrodę. Szybkie wysychanie, stała temperatura.
Nie zależy od właściwości materiału!

II - zależy od właściwości materiału. Wolne wysychanie, wzrost temperatury

1. Wykresy temperatury od czasu, masy wody od czasu, dm/dt od czasu

Odpowiedź na to pytanie jest w pytaniu 24.

1. Krzywe rozkładu wielkości porów: co to jest, jak wygląda dla betonu, betonu komórkowego, cegły.

Krzywa całkowa objętościowego rozkładu porów w zależności od ich efektywnego promienia jest metodą przedstawienia rozkładu wielkości porów.

• cegła – dominują makropory

• beton – mezopory (?)

• beton komórkowy – głównie mezopory (~ 30%) i makropory (reszta)

CEGŁA

I proces – okres stałej szybkości wysychania

Pod wpływem działania sił kapilarnych następuje dopływ wilgoci do powierzchni

wysychającej.( Siły kapilarne są na tyle silne, że wilgoć stale jest transportowana

i materiał wysycha.)

II proces – okres powolnego wysychania

Wilgotność względna φ ≅ 95%, przez co następuje przejście od mechanizmu

transportu kapilarnego do transportu pary wodnej. materiał zaczyna wysychać

przy samej powierzchni, ponieważ wilgoć nie nadąża dopływać. Wraz ze

zwalnianiem procesu zwiększa się grubość materiału, a co za tym idzie wilgoć

napotyka większy opór materiału.

BETON

I proces – okres stałej szybkości wysychania

Następuje bardzo szybkie parowanie po zewnętrznej stronie przegrody, przez co

duża ilość ciepła jest odbierana, powodując że temperatura materiału jest

niższa od temperatury otoczenia.

II proces – okres powolnego wysychania

Coraz grubsza warstwa wyschniętego materiału na powierzchni zewnętrznej

stawia coraz większy opór. Podczas wysychania beton staje się suchy na

powierzchni, jednak wewnątrz wciąż znajduje się dużo wilgoci.

BETON KOMÓRKOWY

I proces – okres stałej szybkości wysychania

Początkowo z wilgoci opróżniane są duże pory, temperatura szybko spada .

Następnie wraz ze wzrostem strefy wysychania, zwiększy się opór oraz

wzrośnie temperatura.

(temperatura na powierzchni odpowiada temperaturze mokrego termometru, tj.

termometr otaczamy materiałem bardzo dobrze chłonącym wodę, nasycamy go, a następnie czekamy. Im szybsze wysychanie, tym niższą temperaturę

pokazuje termometr. Wilgotność odczytywana jest z tablic. Jest to

najdokładniejsza metoda mierzenia wilgotności.)

1. Co można zrobić, żeby zwiększyć szybkość wysychania, od czego zależy czas wysychania?

Czas wysychania zależy od:

- właściwości materiału (najszybciej wysychają materiały o niskiej wilgotności sorpcyjnej i szybkim podciąganiu kapilarnym)

- różnicy ciśnień cząstkowych pary wodnej przy powierzchni muru i powietrzu otaczającym (należy wietrzyć i ogrzewać)

- temperatury

Co robić aby zwiększyć szybkość wysychania?

- Należy zastosować w przegrodzie materiały aktywne kapilarne (np. termoizolacja)

- nie należy nadmiernie suszyć sztucznie

- stosowanie izolacji z wełny mineralnej

- stosowanie wyprawy mineralnej

1. Na czym polega zjawisko dyfuzji, zależność m od pierwiastka z t.

Przemieszczanie się cząstek pary wodnej (składowej powietrza) przez pory materiału budowlanego z miejsc o ciśnieniu cząstkowym pary wyższym do miejsc o ciśnieniu niższym, aż do zrównania ciśnień

Masa wody zawarta w przegrodzie budowlanej w trakcie zjawiska wysychania, jest liniową funkcją pierwiastka z czasu, dodatkowo czas wysychania zależy nie tylko od warunków zewnętrznych ale także od grubości przegrody. czas wysychania jest proporcjonalny do kwadratu grubości przegrody