1. Wymiana ciepła, podstawowe prawa, przepływ ciepła przez przegrodę, właściwości cieplne – wartości deklarowane i obliczeniowe.
1. POJĘCIA

Wymiana ciepła - wymaga różnicy temperatur wewnątrz materiału lub pewnego układu materiałów. Ciepło jako forma energii jest przekazywana w kierunku temperatur niższych.

Ciepło :
-proces przekazywania energii pomiędzy kontaktującymi się układami termodynamicznymi wywołany różnicą temperatur.
-jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, jonóe, cząsteczek).
-ciepło przepływa między ciałami, które nie znajdują się w równowadze termicznej (mają różne temperatury) i wywołuje zwykle zmianę temperatury ciał pozostających w kontakcie termicznym.

Rodzaje wymiany ciepła:

-przewodzenie - jest to proces przenoszenia energii cieplnej wewnątrz ciała na skutek bezpośredniej styczności cząsteczek. W częściach ciała o wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej i poprzez zderzenia przekazują energię cząsteczkom w częściach o niższej temperaturze i o mniejszej energii.
W rezultacie wzrasta temperatura chłodniejszej części.
Przewodzenie w czystej postaci występuje tylko w ciałach stałych.
Ciała stałe, ciecze, gazy; transport energii między sąsiednimi cząsteczkami.

-konwekcja - odbywa się w warstwach cieczy i gazu znajdujących się w ruchu. Konwekcją nazywamy proces przenoszenia energii cieplnej połączony z ruchem cząsteczek i ich mieszaniem się. Konwekcja występuje głównie w cieczach i gazach. Rozróżnia się dwa rodzaje konwekcji:
-swobodna (naturalna) - wymiana ciepła spowodowana samoistnym ruchem płynu. Za ruch samoistny uważa się ruch wywołany różnicą temperatur w tym płynie.
Warunki: istnieją obszary o różnej temperaturze, istnieje siła ciężkości, odśrodkowa i pola magnetycznego, gęstości płynu zależy od temperatury
-wymuszona - ruch jest wymuszony zewnętrznie (np. zamontowanie wentylatora za grzejnikiem)

-promieniowanie - transport energii poprzez promieniowanie elektromagnetyczne o pewnej częstotliwości. Polega na przenoszeniu energii cieplnej za pośrednictwem fal elektromagnetycznych, głównie promieni podczerwonych - cieplnych długości fal λ = {7,9 *10³ - 5,0 * 10⁶ A}. Przekazywanie energii poprzez promieniowanie jest możliwe tylko wtedy, kiedy ciało zatrzymuje fale cieplne, gdyż ośrodek, w którym promienie rozchodzą się (powietrze/próżnia) przepuszcza je i nie nagrzewa się. Proces ten zachodzi wyłącznie między powierzchniami ciał stałych lub cieczy.
*wszystkie ciała promieniują
*natężenie strumieni ciepła emitowanego przez powierzchnię ciała opisuje prawo Boltzmana.

Prawo Fouriera
Gęstość przewodzonego strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do gradientu temperatury.
q=-λgrad T [W/m²]

Q = λ(ΔT/d)St,
gdzie Q — ilość ciepła przepływająca przez element objętości danego ciała,
S — powierzchnia prostopadła do kierunku przepływu,
ΔT — różnica temperatury punktów odległych o d (grubość elementu), między którymi następuje przepływ,
λ — przewodność cieplna właściwa ciała,
t — czas przepływu.
Znak '-' oznacza kierunek przerpływu ciepła od temp. wyższej do nizszej.

Prawo Boltzmana
Prawo fizyczne określające zależność całkowitej zdolności emisyjnej ε ciała doskonale czarnego od jego temperatury bezwzględnej T:
q = σεT⁴,
gdzie σ = 5,675 × 10-8W/mK4 (tzw. Stefana-Boltzmanna stała)
ε - emisyjność cieplna (od 0 do 1 ; 1 dla ciała doskonale czarnego)

Wartości deklarowane i obliczeniowe
Pojedyńczy pomiar przewodności cieplnej próbki materiału budowlanego może mieć tylko znaczenie orientacyjne, ponieważ przewodność cieplna materiału o znanym składzie chemicznym i morfologicznym jest funkcją wielu zmiennych, głównie:
-gęstości
- zawartości wilgoci
- temperatury (dotyczy to praktycznie tylko materiałów izolacji cieplnej)
- czasu od wyprodukowania (dotyczy to niektórych spienionych tworzyw sztucznych).

Ponadto, nawet w przypadku próbek tego samego materiału i od tego samego producenta, identycznie sezonowanych i badanych, mogą wystąpić różnice wyników badań spowodowane różnicami technologicznymi i struktury materiału. Z tego względu o jakości wyrobu i jego przydatności w przewidywanych warunkach zastosowania można wypowiadać się dopiero na podstawie odpowiednio dużej serii badań i po odpowiednim opracowaniu statystycznym wyników.
W ten sposób określa się tzw. deklarowaną przewodność cieplną. Wartość deklarowana współczynnika przewodzenia ciepła jest stosowana przy ocenie jakości wyrobów. Producent, ubiegając się o Aprobatę Techniczną lub znakując wyrób znakiem CE, deklaruje taką przewodność cieplną (lub opór cieplny) swojego wyrobu, że 90% produkcji danego wyrobu ma mieć tę wartość wyższą od wartości deklarowanej na poziomie ufności 90%.
Wartość deklarowaną oblicza się z odpowiednich wzorów statystycznych (jako tzw. granicę wartości estymowanej) na podstawie serii badań, najczęściej suchych próbek danego wyrobu, w aparacie zgodnym z odpowiednią PN-EN, przy średniej temperaturze próbki 10 lub 23°C. Procedura obliczeń zależy od tego, czy rozpatruje się przypadek zmiennej losowej niezależnej (próbki wyrobu w przybliżeniu o jednakowej gęstości) czy też uwzględnia się zależność λ od gęstości (może to mieć miejsce na przykład w serii badań obejmującej różne odmiany betonu komórkowego jednego producenta).
PN-EN 12524 nie ujmuje wartości obliczeniowych wielu powszechnie stosowanych wyrobów, odsyłając użytkownika do innych norm lub aprobat technicznych. Jest to bardzo niewygodne dla projektanta budynku, który na etapie projektowania często nie wie, kto będzie dostawcą materiału izolacyjnego lub izolacyjno-konstrukcyjnego.

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 F przepływającego przez przegrodę, jak i wartość temperatur w dowolnym jej punkcie, w tym także szczególnie istotnej temperatury na jej powierzchni wewnętrznej.

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

Rr = R_si + ∑R_i + R_se ∖ n

Rsi_i- opór napływu ciepła

Ri- opór przewodzenia ciepła warstw materiału

Rse- opór odpływu ciepła

 

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

                                               $R_{i} = \frac{d_{i}}{\lambda_{i}}$                            

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. Współczynnik przenikani ciepła U₀ jest miarą strumienia ciepła przepływającego przez przegrodę, jest więc parametrem, który charakteryzuje właściwości izolacyjne przegród budowlanych.

2. Procedury obliczania przegród z warstwami jednorodnymi cieplnie (przypadki układów warstwowych z warstwami powietrza); wprowadzenie poprawek do współczynnika przenikania ciepła. (Na podst. PN-EN ISO 6946 i projektów).

3. Procedury określania wartości oporu cieplnego dla komponentów z warstwami niejednorodnymi cieplnie.
(Na podstawie PN-EN ISO 6946 i projektów.)

4. Wymagania dotyczące okien, określanie wartości U dla okna.

1. Okna w budynku powyżej drugiej kondygnacji nadziemnej, a także okna na niższych kondygnacjach, wychodzące na chodniki lub inne przejścia dla pieszych, powinny mieć skrzydła otwierane do wewnątrz.
2. Dopuszcza się stosowanie okien otwieranych na zewnątrz, o poziomej osi obrotu i maksymalnym wychyleniu skrzydła do 0,6 m, mierząc od lica ściany zewnętrznej, pod warunkiem zastosowania w nich szyb zapewniających bezpieczeństwo użytkowania oraz umożliwienia ich mycia, konserwacji i naprawy od wewnątrz pomieszczeń lub z urządzeń technicznych instalowanych na zewnątrz budynku.
3. Przepisów określonych w ust. 1 i 2 nie stosuje się do budynku wpisanego do rejestru zabytków.
4. Okna w budynku wysokościowym, na kondygnacjach położonych powyżej 55 m nad terenem, powinny mieć zabezpieczenia umożliwiające ich otwarcie tylko przez osoby mające upoważnienia właściciela lub zarządcy budynku.
5. Okna w pomieszczeniach przewidzianych do korzystania przez osoby niepełnosprawne powinny mieć urządzenia przeznaczone do ich otwierania, usytuowane nie wyżej niż 1,2 m nad poziomem podłogi.

Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna oraz przegród szklanych i przezroczystych g_c nie może być większy niż 0,5.

g_c = f_c·g_G,

gdzie

f_c – współczynnik korekcyjny redukcji promieniowania;
g_G – współczynnik przepuszczalności energii całkowitej dla rodzaju oszklenia.

Jeżeli okna i przegrody szklane zajmują więcej niż 50% powierzchni ściany, dodatkowo stawia się warunek g_c·f_G ≤ 0,25, gdzie f_G to udział powierzchni okien oraz przegród szklanych i przezroczystych w powierzchni ściany.

Jeżeli g_c przekracza normę, należy zastosować urządzenia przeciwsłoneczne (rolety, żaluzje)

Szyby termoizolacyjne

1. Szyby termoizolacyjne jednokomorowe

1,0 ≤ U ≤ 1,6

1. Szyby termoizolacyjne dwukomorowe

0,3 ≤ U ≤ 0,7

1. Szyby termoizolacyjne trójkomorowe

U = 0,3

Współczynnik przenikania ciepła dla okna

Gdzie:

U_w – współczynnik przenikania ciepła dla okna,

A_g – pole powierzchni widocznej części oszklenia,

U_g – współczynnik przenikania ciepła szyby zespolonej,

Af – pole powierzchni profilu,

U_f – współczynnik przenikania ciepła profilu,

L_g – całkowity widoczny obwód oszklenia (obwód połączenia szyby z profilem – bez uszczelek),

ψ_g – liniowy współczynnik przenikania ciepła wynikający z połączonych efektów cielnych szyby, profilu i zastosowanej ramki dystansowej w szybie zespolonej.

W budynku mieszkalnym i zamieszkania zbiorowego pole powierzchni A₀, wyrażone w m², okien oraz przegród szklanych i przezroczystych o współczynniku przenikania ciepła nie mniejszym niż 0,9 W/(m²K), obliczone według ich wymiarów modularnych, nie może być większe niż wartość A_0maxobliczone według wzoru:

A_0max= 0,15 A_z+ 0,03 A_w

gdzie:

A_z - jest sumą pól powierzchni rzutu poziomego wszystkich kondygnacji nadziemnych (w zewnętrznym obrysie budynku) w pasie o szerokości 5 m wzdłuż ścian zewnętrznych,

A_w - jest sumą pól powierzchni pozostałej części rzutu poziomego wszystkich kondygnacji po odjęciu A_z.

5. Mostki termiczne – wyznaczenie wartości na podstawie obliczeń numerycznych, ocena ryzyka rozwoju pleśni.

Jakość cieplną elementu budynku charakteryzuje czynnik temperaturowy f_Rsi na wewnętrznej powierzchni przegrody. Czynnik ten wyznacza się ze wzoru:

, gdzie:

- temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody w miejscu mostka cieplnego; określona na podstawie „Katalogu mostków cieplnych”
- temperatura powietrza zewnętrznego
- temperatura powietrza wewnętrznego;

6. Przegrody stykające się z gruntem – przypadki podłogi na gruncie, podłogi podniesionej, podziemia ogrzewanego.

7. Izolacja obwodowa budynku
Termin „izolacja obwodowa” odnosi się do warstw izolacyjnych otaczających zewnętrzne powierzchnie przegród (ścian i podłóg) stykających się bezpośrednio z gruntem. W celu uzyskania przyjemnej atmosfery w pomieszczeniach, ograniczenia zużycia energii i zapobieżenia kondensacji, np. na skutek występowania wód gruntowych, pomieszczenia takie muszą być izolowane termicznie. Obwodowa izolacja termiczna ścian piwnic układana na zewnątrz warstwy izolacji przeciwwodnej stanowi ciągłą, wolną od mostków termicznych, warstwę otaczającą bryłę budowli i dodatkowo chroni warstwę izolacji przeciwwodnej przed uszkodzeniami mechanicznymi. Również w przypadku stykających się z gruntem ścian pomieszczeń nieogrzewanych izolacja termiczna spełnia pożyteczną rolę. W przypadku zmiany funkcji takiego pomieszczenia można uzyskać korzystne parametry przegrody bez konieczności wykonania dodatkowych prac izolacyjnych.
Rola systemu izolacji obwodowej w skutecznej ochronie hydroizolacji jest tym ważniejsza, że to migrująca woda, zawierająca rozpuszczone substancje organiczne i sole mineralne, jest najczęściej przyczyną uszkodzenia ścian piwnic i ich przyspieszonej degradacji. Ze względu na specyficzne warunki, na jakie cały czas jest narażona część podziemna budynku (wilgoć, parcie wód gruntowych oraz gruntu, cykliczne zamrażanie i odmrażanie), materiał termoizolacyjny do izolacji obwodowej musi mieć odpowiednie właściwości, między innymi wysoką trwałość i stabilność parametrów fizyko-mechanicznych. Jednym z takich materiałów jest polistyren ekstrudowany, czyli XPS. Dzięki temu, że komórki są wypełnione powietrzem, XPS jest lekki i ma bardzo dobre własności termoizolacyjne.
Izolacja obwodowa może zminimalizować straty ciepła, co przekłada się na wymierne korzyści dla inwestora, ponieważ jego nakłady finansowe na ogrzanie tych pomieszczeń będą niższe. Gdy izolacja termiczna jest niedostateczna lub jej brak, temperatura przegród jest w sposób odczuwalny niższa od tej we wnętrzu pomieszczenia, co tworzy wrażenie dyskomfortu cieplnego. Oczywiście to odczucie można wyeliminować, podnosząc temperaturę w pomieszczeniu, ale oznacza to duże straty energii i kłopoty wynikające z niekorzystnych dla przegrody procesów cieplno-wilgotnościowych. Izolacja obwodowa ścian piwnic powinna być układana na zewnątrz izolacji przeciwwodnej w taki sposób, by stanowiła ciągłą (bez mostków termicznych) warstwę otaczającą bryłę domu. Taki układ będzie dodatkowo chronić izolację przeciwwodną przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Uwaga! Izolacja obwodowa odgrywa istotną rolę również w takiej sytuacji, gdy z gruntem stykają się ściany pomieszczeń nieogrzewanych. W przypadku zmiany funkcji takiego pomieszczenia można uzyskać korzystne parametry przegrody bez konieczności wykonywania dodatkowych prac izolacyjnych.