POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA 17 grudzień 2014 r.

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA

LABORATORIUM BUDOWNICTWA OGÓLNEGO I FIZYKI BUDOWLI

ROK AKAD. 2014/2015

Ćwiczenie nr 2

WARUNKI CIEPLNE NA WEWNĘTRZNEJ POWIERZCHNI ŚCIANY ZEWNĘTRZNEJ

Rok II

semestr III

Gr V

rok ak. 2014/2015

Skład zespołu:

Adrian Szczepański

Kamil Smolarek

Daniel Słowik

WSTĘP TEORETYCZNY

Funkcje i budowa ścian zewnętrznych

Podstawową funkcją ścian zewnętrznych jest ochrona budynku i jego wnętrza przed:

• wychłodzeniem w wyniku dużej różnicy temperatur w czasie chłodnej części roku i przed bezpośrednim działaniem wiatru

• przegrzewaniem w wyniku wysokiej temperatury zewnętrznej i promieniowania

słonecznego w ciepłej części roku

• opadami atmosferycznymi

• hałasem zewnętrznym

• pożarem działającym od zewnątrz.

Jednocześnie też ściany zewnętrzne spełniają zwykle funkcje konstrukcyjne. Zależnie

od przyjętego schematu statycznego, przenoszą bowiem obciążenia pionowe i poziome,

a także pełnią rolę usztywniającą konstrukcję budynku.

Elementy wpływające na parametry cieplno-wilgotnościowe ściany

Przy określeniu parametrów cieplno-wilgotnościowych ścian zewnętrznych,

a w konsekwencji – przy wyborze sposobu zabezpieczenia budynku przed działaniem niskich (warunki zimowe) oraz wysokich temperatur (warunki letnie) należy uwzględnić trzy podstawowe elementy:

• izolacyjność cieplną,

• kondensację powierzchniową,

• ·kondensację wewnętrzną.

Podstawowe wymagania stawiane ścianom zewnętrznym sformułowane są

w rozporządzeniu ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [9]. W zakresie izolacyjności cieplnej budynek jednorodzinny musi spełnić warunek: Uk ≤ Uk(max). Wartości Uk(max) podane są w rozporządzeniu i wynoszą dla ścian jednowarstwowych: 0,50 W/(m2・K), dla ścian warstwowych: 0,30 W/(m2・K).

Jeśli zaś chodzi o wymagania dotyczące eliminacji w budynku zjawiska kondensacji

powierzchniowej, w rozporządzeniu [9] zostały one sformułowane następująco:

„W budynku mieszkalnym, zamieszkania zbiorowego, budynku użyteczności publicznej,

a także w budynku produkcyjnym opor cieplny nieprzezroczystych przegród zewnętrznych powinien umożliwiać utrzymanie na wewnętrznych jej powierzchniach temperatury wyższej co najmniej o 1°C od punktu rosy powietrza w pomieszczeniu, przy obliczeniowych wartościach temperatury powietrza wewnętrznego

i zewnętrznego oraz przy obliczeniowej wilgotności względnej powietrza

w pomieszczeniu, obliczonej zgodnie z Polską Normą dotyczącą

parametrów obliczeniowych powietrza wewnętrznego”.

Podstawowe pojęcia:

1. Zjawisko przejmowania ciepła na powierzchni przegrody.

Przejmowaniem ciepła nazywamy wymianę ciepła między powierzchnią przegrody a powietrzem. Jest to proces bardzo skomplikowany ponieważ powietrze jest w ciągłym ruchu. Przejmowanie ciepła na powierzchni przegrody (napływ i odpływ) odbywa się wskutek promieniowania i konwekcji (wymuszona i swobodna).

- przejmowanie ciepła α_k przez konwekcję wymuszoną zależy od prędkości ruchu powietrza V i od struktury przegrody

h_k ⁼ 4,36 + 3,55 V

- przejmowanie ciepła α_k przez konwekcję swobodną zależy w największym

stopniu od różnicy temp. powierzchni elementu i otaczającego go powietrza

• dla płyty ustawionej pionowo h_k =l,98

• dla płyty ustawionej poziomo h_k = 2,50

Δt

Δt - różnica temp. powietrza i powierzchni elementu - przejmowanie ciepła przez promieniowanie

H_r = ε_1-2 • C_o • b_1-2 • φ_l-2

b_1-2 - współczynnik temperaturowy

φ_l-2 - współczynnik konfiguracyjny

C_o - współczynnik promieniowania ciała czarnego

ε_1-2 -współczynnik absorpcji promieniowania.

2. Wymiana ciepła przez konwekcję, prawo Newtona

Ciepło rozprzestrzenia się przez konwekcję (przepływ) w środowiskach płynnych i gazowych. Cząsteczki materiału poruszają się przenosząc ciepło. Lokalne ogrzanie lub ochłodzenie np. cieczy lub powietrza powoduje przemieszczanie cząsteczek tak, że temperatura wyrównuje się nie tylko na skutek przewodzenia, ale także przez konwekcję. Wywołany w ten sposób ruch powietrza (lub cieczy) ma ograniczona prędkość, wskutek czego intensywność wymiany ciepła przez konwekcje swobodną jest stosunkowo mała. Intensywność tą można zwiększyć wywołując mechanicznie ruch gazu (cieczy) przy pomocy różnych pomp i wentylatorów. Mamy wtedy do czynienia z tzw. konwekcją wymuszoną.

Rozróżniamy dwa rodzaje konwekcji uwzględniające różnice w ruchu cząsteczek:

• laminarną – cząsteczki poruszają się równolegle do kierunku przepływu;

• turbulentną- nieuporządkowany charakterystyczny ruch cząsteczek.

Zgodnie z prawem Newtona wymiana ciepła przez konwekcję wyraża się zależnością:

q_k = _k (t_c – t_F)

gdzie:

q_k W/ m² - gęstość strumienia cieplnego przepływającego między ośrodkiem a powierzchnią,

_k W/ m² K- wsp. przejmowania ciepła przez konwekcję,

t_c C-temp. ośrodka;

t_F C- temp. powierzchni.

3. Wymiana ciepła przez promieniowanie, prawo Kirhchoffa,

prawo Stefana- Boltzmana

Wymiana ciepła przez promieniowanie odbywa się za pośrednictwem fal elektromagnetycznych o długości 760- 3000 mm, które rozprzestrzeniają się prędkością światła. Promieniowanie cieplne różnych ciał zależy od ich temperatury. Mimo to zdolność promieniowania różnych ciał mających tę sama temperaturę nie jest jednakowa. Zdolność promieniowania materiałów w danej temp. nie może przekroczyć określonej maksymalnej wartości.

Ciało, które w danej temp. posiada max. zdolność wypromieniowania ciepła nazywa się ciałem doskonale czarnym.

Intensywność wymiany ciepła przez promieniowanie zależy od:

• temperatury ciał,

• zdolności promieniowania,

• absorpcji i odbicia,

• kształtu,

• rozmiarów,

• wzajemnego położenia ciał.

Całkowita energii promieniowania Q_o = Q_c + Q_p + Qη

gdzie:

Q_c – część energii pochłoniętej przez ciało,

Q_p - część energii odbitej od ciała,

Qη - część energii przechodzącej przez ciało.

Prawo Stefana- Boltzmana:

Gęstość strumienia ciała doskonale czarnego jest proporcjonalna do bezwzględnej temperatury powierzchni w potędze czwartej.

q_P = C_o()⁴

gdzie:

q_P , q / m² - gęstość strumienia cieplnego,

C_o , W / m² K⁴- wsp. promieniowania ciała doskonale czarnego (C_o = 5,77)

T , K- bezwzględna temperatura powierzchni

Prawo Kirhchoffa:

Iloraz gęstości strumienia emisji promieniowania do absorpcyjności dla wszystkich ciał stałych jest stały i równy gęstości strumienia emisji promieniowania ciała doskonale czarnego o tej samej temperaturze, a wartość zależy wyłącznie od temperatury ciała.

q_P =

a =

C = a C_o

gdzie: C , W / m² K⁴- wsp. promieniowania powierzchni ciała szarego

4. Współczynniki przejmowania ciepła, opory przejmowania ciepła.

Współczynnik przejmowania ciepła _i , _e jest to ilość strumienia ciepła przepływającego w warunkach ustalonych z ośrodka gazowego przez 1 m² powierzchni przegrody lub tez przepływającego z powierzchni przegrody do ośrodka gazowego przy różnicy temperatur powierzchni przegrody i ośrodka równej 1 K.

Opór przejmowania ciepła R_i , R_e jest to odwrotność wsp. przejmowania ciepła

R_i=

R_e=

5. Warunki przejmowania ciepła przez przegrodę w różnych jej miejscach

Przy istniejącej różnicy temp. powietrza po obu stronach przegrody, przez przegrodę przenika strumień cieplny w kierunku od temp. wyższej t_i do niższej t_e. Spadek temperatur występuje również na powierzchniach przegrody. W związku z tym opór przegrody przy przenikaniu ciepła składa się z 3 oporów cieplnych:

• przy przejmowaniu ciepła przez powierzchnie wewnętrzną przegrody z powietrza powstaje tzw. opór przejmowania ciepła przy napływie ciepła z powietrz na powierzchnie przegrody R,

• przy przejściu ciepła przez przegrodę- opór cieplny R,

• przy przejmowaniu ciepła z zewnątrz powierzchni przegrody przez powietrze zewnętrzne powstaje tzw. opór przejmowania ciepła przy odpływie ciepła z z powierzchni przegrody do powietrza R_e

6. Mostki cieplne w budynkach.

Mostek termiczny lub mostek cieplny – negatywne zjawisko w budownictwie polegające na istnieniu miejsc

w przegrodzie cieplnej budynku, ktorych przewodnictwo cieplne jest znacznie większe niż przegrody. W miejscach

mostkow oraz w ich pobliżu obserwuje się niższą temperaturę powierzchni wewnętrznej. Jego przyczyną jest błędne

zaprojektowanie lub wadliwe wykonanie detali budynku, co prowadzi do powiększonych strat ciepła, zawilgocenia

wnętrz i powstawania pleśni.

Głowne typy mostkow termicznych:

a) punktowe - w niewielkim obszarze występuje wyższa przewodność cieplna np. przebicie termoizolacji

b) liniowe - powstają, gdy na pewnym obszarze brakuje termoizolacji lub ma ona zmniejszoną grubość, albo w

przypadku jej nieciągłości

7. Przepływ ciepła i rozkład temperatury w miejscu mostka termicznego

W przypadku kiedy w przegrodzie zewnętrznej występuje element charakteryzujący się inna przewodnością cieplną niż pozostała część przegrody, mówi się, że jest to tzw. mostek termiczny. Zwiększony wsp. przewodności cieplnej mostka termicznego, powoduje obniżenie temp. na jego wew. powierzchni. Można przypuszczać, że w przegrodzie zewnętrznej z mostkiem termicznym, temperatura na jego wewnętrznej powierzchni ϑ_i,m będzie wyższa od temperatury jaka miałaby powierzchnia wewnętrzna przegrody wykonanej całkowicie z materiału, jaki tworzy mostek > ϑ_i,m > ϑ_i,c

ϑ - temp. na wewnętrznej powierzchni przegrody z dala od mostka termicznego

ϑ_i,m - temp. na powierzchni mostka termicznego

ϑ_i,c - temp. na wewnętrznej powierzchni przegrody wykonanej z materiału mostka termicznego.

Doświadczalnie ustalono, że im mniejszy jest stosunek szerokości mostka termicznego b do grubości przegrody d, tym mniejsza będzie różnica między temperaturą _i,m i _i

Wg PN-82/ B- 02020 najniższa temp. wewnętrznej powierzchni przegrody z mostkiem termicznym ϑ _i,m utworzonym z materiału o współczynniku < 1,7 W / m ² K , którego przekrój jest zgodny lub podobny do schematów normowych, może być obliczona w miejscu mostka termicznego w następujący sposób:

• przy stosunku b/d .> 1,5 wg wzoru: ϑ_i,m = t_i - k_m ( t_i – t_t)R_i

• przy stosunku b/d < 1,5 wg wzoru: ϑ_i,m = t_i – [k + (k_m – k)]( t_i – t_t)R_i

k- współczynnik przenikania ciepła obliczony dla przegrody w miejscu poza mostkiem termicznym

k_m – współczynnik przenikania ciepła obliczony dla przegrody w miejscu mostka termicznego,

η - współczynnik bezwymiarowy zależny od stosunku b/ d.

8. Temperatura, pole temperatury.

Rozchodzenie się ciepła związane jest ściśle z rozkładem temperatury, ktora jest parametrem stanu ciała

i charakteryzuje stopień jego nagrzania. W przypadku ogolnym temperatura jest funkcją wspołrzędnych x, y, z i czasu,

tj. T=f(x,y,z,t).

Rozkład wartości temperatury w określonej chwili czasu we wszystkich punktach rozpatrywanej

przestrzeni nazywa się polem temperatury. Jeżeli temperatura zależy od czasu pole nazywa się nieustalonym.

Jeżeli temperatura nie zmienia się w czasie, pole nazywa się ustalonym.

9. Czynniki warunkujące wielkość temperatury powierzchniowej, przyczyny występowania obniżonej

temperatury na powierzchni przegrody i sposoby jej podwyższania.

Do obliczenia temperatury na powierzchniach przegrody służą następujące wzory;

gdzie;

temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody,

t_i temperatura wewnątrz pomieszczenia,

U_o współczynnik przenikania ciepła bez uwzględnienia obecności mostków termicznych,

t_e temperatura na zewnątrz pomieszczenia,

R_i opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody,

temperatura na zewnętrznej powierzchni przegrody,

∑R_λ suma oporów cieplnych wszystkich warstw przegrody,

R_e opór przejmowania ciepła od zewnętrznej powierzchni przegrody przez powietrze.

10. Wymagania stawiane przegrodom zewnętrznym w zakresie temperatury powierzchniowej.

Przegrody powinny charakteryzować się wystarczającą statecznością cieplną by wahania temperatury na ich

powierzchniach od strony pomieszczeń nie przekraczały wartości dopuszczalnych. Nieprzeźroczyste przegrody zewnętrzne

powinny mieć taki opor cieplny, aby temperatura na ich powierzchni od strony pomieszczenia przy obliczeniowych

wartościach temperatury wewnętrznej i zewnętrznej powietrza, oraz przy obliczeniowej wilgotności względnej powietrza

w każdym miejscu przegrody była wyższa co najmniej o 1 °C od temperatury punktu rosy.

Cel badania:

Celem ćwiczenia jest pomiar temperatur i określenie warunków cieplnych panujących na powierzchni ściany wewnętrznej. Badany jest rozkład temperatur

w różnych punktach ściany, na różnych wysokościach oraz z uwzględnieniem miejsc szczególnych, w których występują mostki cieplne, obniżające temperaturę

w danym punkcie ściany. Należą do nich okolice okien, naroża, rozszczelnienia, otwory nawiewne itp. Na zmianę temperatury będzie wywiewać również wpływ kaloryfer, który w swoim otoczeniu będzie widocznie ją podwyższał.

Badanie przeprowadzane jest urządzeniem zwanym pirometrem, które pozwala mierzyć temperatury na odległość. Działa ono przy użyciu wiązki laserowej, którą kierujemy na interesujący nas punkt pomiarowy, w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciało. Aby wynik był zgodny z rzeczywistym należy wprowadzić odpowiedni dla danego materiału współczynnik emisji promieniowania cieplnego (np. 0,93; 0,95). Pirometr wskazuje również temp. punktu rosy, w którym powietrze uzyskuje 100 – procentową wilgotność powietrza.

Pirometr

Przyrząd do bezkontaktowego pomiaru temperatury na odległość.
Każde ciało emituje fale elektromagnetyczne. Promieniowanie to zależy od temperatury danego ciała. Ten fakt możemy wykorzystać do bezkontaktowego pomiaru temperatury.
Zalety pomiarów pirometrycznych:
duża szybkość pomiaru
- możliwość pomiaru temperatury obiektów w ruchu
- możliwość pomiaru temperatury obiektów trudnodostępnych (np. pod napięciem)
- możliwość pomiaru wysokich wartości temperatury
- możliwość pomiaru temperatury dużej powierzchni
Pirometr mierzy promieniowanie cieplne i przekształca je w wartość temperatury.

Przy pomiarach należy wziąć pod uwagę rodzaj materiału z którego został wykonany mierzony obiekt (zwłaszcza warstwa wierzchnia).
Współczynnik emisji "e" jest właściwością każdego materiału.
Poniżej przedstawiamy przykład optyki pirometru 6:1 (dystans : powierzchnia pomiarowa):

Rys. Przykład pirometru

• Miejsce badania i wyniki pomiarów

Badanie zostało przeprowadzone w nowopowstałym laboratorium FIZYKI

BUDOWLI w budynku Politechniki Częstochowskiej na Wydziale Budownictwa

przy ul. Akademickiej.

Badanie zostało przeprowadzone na ścianach pomieszczenia laboratorium fizyki budowli.

Ściana wschodnia bez termoizolacji z otworem okiennym oraz ściana południowa

z wykonaną termoizolacją. Ściana zewnętrzna zbudowana jest z dwóch warstw cegły pełnej .

Data badania:

10-12-2014 godz. 08.30-10:00

Warunki pogodowe:

Lekkie zachmurzenie, brak opadów deszczu, wiatr umiarkowany, temperatura powietrza -3,2⁰C.

Warunki wewnątrz budynku:

Podczas wykonywania badania jeden z trzech grzejników (zlokalizowany w miejscu wykonywania badania) był wyłączony, 7 osób w sali, okna zamknięte

Wyniki pomiarów panujących na zewnątrz i wewnątrz trakcie prowadzonych badań zostały przedstawione w tabeli:

lp	Nazwa mierzonego zjawiska	Jednostka miary	Średni wynik pomiaru
1.	Temperatura zewnętrzna	St. Celsjusza	-3,2
2.	Temperatura wewnętrzna	St. Celsjusza	20,2

• Obliczenia dla ściany ocieplonej

lp	Rodzaj materiału	d[m]	λ[W/m^2K]	R[m^2K/W]
	Rsi			0,13
1.	Tynk cementowo wapienny	0,02	0,82	0,024
2.	Cegła pełna	0,51	0,77	0,662
3.	Tynk cementowo wapienny	0,02	0,82	0,024
4.	Styropian	0,08	0,04	2
	Rse			0,04

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła „U”:

R_si = 0,13 [m²K/W]; R_se = 0,04 [m²K/W] ; R_sin = 0,167 [m²K/W]

R_t = R_si + R_λ + R_se

R_t = 2,88 [m²K/W]

U = 1/ R_t

U = 0,347 [W/m²K]

Obliczenie temperatury na wewnętrznej stronie przegrody:

Dla ściany R_si = 0,13 m²K/W

θ_i = t_i – U(t_i –t_e) * R_si

θ_i = 20,2 – 0,347*(20.2-(-3,2)) * 0,13=19,14°C

Porównanie temperatur powierzchniowych obliczonych ϴ_i z wynikami pomiarów

θ_{i min}= 9.5 °C θ_i=19.14 °C

θ_{i min}< θ_i

Wnioski:

Pomierzona pirometrem minimalna temperatura na powierzchni ściany

(ściany ocieplonej) wynosiła 9.5°C. Obliczona na podstawie wzoru temperatura występująca na powierzchni wewnętrznej przegrody wyniosła 19.14 °C. Oznacza to, że najniższa temperatura pomierzona urządzeniem i występująca przy temperaturach:

• w pomieszczeniu 20,2 °C

• na zewnątrz budynku -3.2 °C

jest niższa od obliczonej temperatury powierzchni przegrody. Na podstawie załączonego schematu rozkładu temperatury na powierzchni przegrody stwierdzamy, że różnica ta jest spowodowana występowaniem mostka cieplnego, który obniżył tę temperaturę o 9.64 °C .

• Obliczenia dla ściany nieocieplonej

lp	Rodzaj materiału	d[m]	λ[W/m^2K]	R[m^2K/W]
	Rsi			0,13
1.	Tynk cementowo wapienny	0,02	0,82	0,024
2.	Cegła pełna	0,51	0,77	0,662
3.	Tynk cementowo wapienny	0,02	0,82	0,024
	Rse			0,04

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła „U”:

R_si = 0,13 [m²K/W] R_se = 0,04 [m²K/W] R_sin = 0,167 [m²K/W]

R_t = R_si + R_λ + R_se

R_t = 0,88 [m²K/W]

U = 1/ R_t

U=1,14 [W/m²K]

Obliczenie temperatury na wewnętrznej stronie przegrody:

Dla ściany R_si = 0,13 m²K/W

θ_i = t_i – U(t_i –t_e) * R_si

θ_i=20.2-1.14(20.2-(-3.2))*0.13

θ_i= 16.73°C

Porównanie temperatury powierzchniowej obliczonej θ_i z wynikiem pomiarów θ_{i min .}

θ_{i min}=12.6 °C θ_i=16.73 °C

θ_imin< θ_i

Wnioski:

Pomierzona pirometrem minimalna temperatura na powierzchni ściany

(ściany nieocieplonej) wynosiła 12.6 °C. Obliczona na podstawie wzoru temperatura występująca na powierzchni wewnętrznej przegrody wyniosła 16.73 °C.

Oznacza to, że najniższa temperatura pomierzona urządzeniem i występująca przy temperaturach:

• w pomieszczeniu 20.2 °C

• na zewnątrz budynku -3.2 °C

jest niższa od obliczonej temperatury powierzchni przegrody. Na podstawie załączonego schematu rozkładu temperatury na powierzchni przegrody stwierdzamy, że różnica ta jest spowodowana występowaniem mostka cieplnego w postaci naroża, który obniżył tę temperaturę o 4.13 °C.

Analiza wyników badania i wnioski

Po przeprowadzeniu badania dotyczącego rozkładu temperatury na powierzchni przegrody dochodzimy do wniosku, że rozkład temperatur w różnych miejscach powierzchni ściany jest bardzo zróżnicowany. Na obniżenie temperatury wpływają przede wszystkim występujące mostki cieple w postaci naroży, połączeń stropu ze ścianą, okna, otwory nawiewne, rozszczelnienia. Na podwyższenie temperatury w danym miejscu może mieć wpływ bliska obecność urządzeń grzewczych. Na rozkład temperatur na przegrodach wpłynął również fakt, że jedna z badanych ścian była ocieplona styropianem o grubości 8cm, a druga była nieocieplona.

Załączony do sprawozdania schemat rozkładu temperatur pozwala na dogłębną analizę czynników wpływającą na różnice temperatur w poszczególnych miejscach. Zdecydowanie największy wpływ na wychłodzenia mają naroża i obecność otworów okiennych.

Załącznik.

Rozkład temperatury na powierzchni ściany zewnętrznej