STATECZNOŚĆ CIEPLNA KONSTRUKCJI BUDOWLANYCH

Stateczność cieplna przegrody jest to zdolność przegrody do tłumienia wahań przepływającego przez nią strumienia ciepła. Im mniejsze są wahania temperatur, tym przegroda jest bardziej stateczna.

Stateczność cieplna pomieszczenia jest to zdolność pomieszczenia do przeciwdziałania wahaniom temperatury powietrza w pomieszczeniu pod wpływem wahań strumienia cieplnego.

Teoria Własowa. Wahania są sinusoidalne - założenie. (Założenie dobre dla dnia słonecznego w lecie). Wpływ na tłumienie mają właściwości powierzchni (absorpcja).

Współczynnik przyswajania ciepła przez powierzchnię przegrody

gdzie:

A_q - amplituda wahań gęstości strumienia ciepła przejmowanego przez przegrodę, W/m²,

A_υ - amplituda wahań temperatury na powierzchni przegrody od strony pomieszczenia, K.

Gdy wartość amplitudy wahań temperatury A_υ na powierzchni przegrody od strony pomieszczenia równa jest 1 K, wówczas zdolność przyswajania ciepła jest nazywana współczynnikiem przyswajania ciepła przez powierzchnię U_i. U_i = s, gdzie:

s - współczynnik przyswajania ciepła przez materiał warstwy.

Definicja (s) - ilość ciepła zakumulowana przez 1 h na 1 m² materiału w związku z podniesieniem temperatury o 1 K.

Wartość (s) zależy od właściwości materiałów, z których jest zbudowana przegroda i od długości okresu wahań temperatury powietrza wewnątrz pomieszczenia, związanej z wahaniami strumienia ciepła dostarczonego do pomieszczenia.

gdzie:

ρ - gęstość pozorna materiału, kg/m³,

τ - okres wahań temperatury powietrza wewnątrz pomieszczenia, s,

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

c - ciepło właściwe, J/(kg K),

Okres wahań jeden raz na dobę odpowiada przypadkowi jednorazowego opalania pieca w ciągu doby lub obniżaniu temperatury grzejników centralnego ogrzewania podczas nocy (s₂₄).

τ = s24 24 h = , τ = s12 12 h = ,

D=1 A/2 - strefa wyraźnych wahań temperatury.

W celu wyznaczenia grubości strefy wyraźnych wahań temperatury określa się wskaźnik bezwładności cieplnej D.

,
.

Strefa wyraźnych wahań temperatury przegrody wielowarstwowej obejmuje tę część przegrody, dla której wskaźnik bezwładności D = 1. Jeżeli dla przegrody wielowarstwowej wskaźnik bezwładności cieplnej pierwszej warstwy D₁ ≥ 1, to strefa wyraźnych wahań temperatury obejmuje tylko całą lub część pierwszej warstwy, licząc od strony pomieszczenia. Dalsze natomiast warstwy nie mają wpływu na wartość współczynnika przyswajania ciepła U_i przez powierzchnię od strony pomieszczenia.

Jeżeli wskaźnik D₁ < 1, a D₁ + D₂ ≥ 1, to strefa wyraźnych wahań temperatury obejmuje całą pierwszą i całą lub część drugiej warstwy.

• Obliczanie współczynnika przyswajania ciepła przez powierzchnię

1. Jeżeli granica strefy wyraźnych wahań temperatury znajduje się już w pierwszej warstwie

D₁ ≥ 1, to U_i = S₁

2. Jeżeli D₁ < 1, ale D₁ + D₂ ≥ 1, to:

3. Jeżeli natomiast D₁ + D₂ +…+ D_n-1 < 1, a D₁ + D₂ +…+ D_n ≥ 1, to rozpoczynamy wyznaczanie współczynników od powierzchni n

4. Jeżeli strefa wyraźnych wahań temperatury obejmuje wszystkie warstwy wchodzące w skład przegrody tzn. D₁ + D₂ +…+ D_n < 1. W tym przypadku obliczenia należy rozpocząć od wyznaczenia wartości współczynnika U_n dla n -tej płaszczyzny ostatniej warstwy przegrody według wzoru:

gdzie: α_e - współczynnik przejmowania ciepła.

Następne współczynniki wyznacza się analogicznie jak w punkcie 3.

• Stateczność cieplna przegrody w okresie zimowym

Stateczność cieplna przegrody w zimie zależy od nierównomierności ogrzewania przez urządzenie grzewcze. Charakteryzuje to współczynnik (wskaźnik) nierównomierności oddawania ciepła m.

gdzie:

Q_max - maksymalna ilość ciepła,

Q_min - minimalna ilość ciepła,

Q_śr - średnia ilość ciepła.

Stateczność cieplną przegrody w okresie zimowym charakteryzuje wskaźnik stateczności φ. Wskaźnik stateczności cieplnej przegrody określany jest następującym wzorem:

, gdzie:
- minimalna temperatura po stronie przegrody.

Przy ocenie wskaźnika stateczności cieplnej φ przegrody wprowadza się założenie, że średnia temperatura powietrza t_i wewnątrz pomieszczenia oraz temperatura powietrza t_e na zewnątrz pomieszczenia są ustalone w czasie, a wahaniom ulega jedynie temperatura na wewnętrznej powierzchni przegrody od
do
.

Przy obliczaniu wskaźnika stateczności cieplnej przegrody wykorzystuje się zależność:

, gdzie:

φ - wskaźnik stateczności cieplnej przegrody,

R_c - opór przenikania ciepła przez przegrodę, m²⋅K/W,

R_i - opór przejmowania ciepła powierzchni od strony pomieszczenia, m²⋅K/W,

m - współczynnik nierównomierności oddawania ciepła przez urządzenia ogrzewcze,

α_e - współczynnik przejmowania ciepła, W/(m²⋅K),

U_i - współczynnik przyswajania ciepła przez powierzchnię przegrody od strony pomieszczenia, W/(m²⋅K),

k - współczynnik przenikania ciepła przez przegrodę, W/(m²⋅K).

Przegroda budowlana jest tym lepsza pod względem stateczności cieplnej w okresie zimowym, im większy ma wskaźnik stateczności φ. Minimalne wartości wskaźnika stateczności zależą od temperatur obliczeniowych powietrza t_e na zewnątrz pomieszczenia.

Zwiększenie wskaźnika stateczności cieplnej przegrody jest możliwe przez:

• ciągłe ogrzewanie, z pełną automatyką dopasowaną do warunków pogodowych,

• poprawienie izolacyjności przegrody (powiększenie oporu cieplnego całej przegrody).

• Stateczność cieplna pomieszczeń w okresie zimowym

Na stateczność cieplną pomieszczeń mają wpływ cechy przegród zewnętrznych i wewnętrznych, urządzenia ogrzewcze, a nawet wyposażenie pomieszczenia, a także ciepło bytowe związane z intensywnością zaludnienia.

Stateczność cieplna pomieszczenia charakteryzowana jest wielkością amplitudy wahań temperatury powietrza wewnątrz pomieszczenia, która zależy od nierównomierności dopływu ciepła do pomieszczenia. Amplitudę wahań temperatury powietrza wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

A_t - amplituda wahań temperatury, K, °C,

Q_śr - średnia ilość ciepła dostarczonego do pomieszczenia przez urządzenia grzewcze, W,

F_i - powierzchnia przegród otaczających pomieszczenie (według wymiarów pomieszczenia w świetle), m²,

B - współczynnik pochłaniania ciepła przez powierzchnię przegrody otaczającej pomieszczenie, W/(m²⋅K).

gdzie: α_i - współczynnik przejmowania ciepła, W/(m²⋅K),

lub

Aby zapewnić warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniu, amplituda wahań temperatury powietrza A_t w pomieszczeniu powinna spełniać zależność:

W celu utrzymania stałej temperatury w pomieszczeniu, lub uzyskania jak najmniejszej amplitudy wahań temperatury powietrza, niezbędne jest zastosowanie następujących środków:

• stosowanie ogrzewania o długim okresie działania lub o najmniejszych współczynnikach nierównomierności oddawania ciepła m,

• projektowanie w pomieszczeniach takiego wykończenia powierzchni przegród, aby zapewnić duże wartości współczynników przyswajania ciepła U_i przez powierzchnię,

• zmniejszenie do minimum strat ciepła z pomieszczenia.

• Stateczność cieplna w okresie letnim

Ocena stateczności cieplnej przegród budowlanych w okresie letnim polega na określeniu zdolności tych przegród do tłumienia wahań temperatury, spowodowanych wahaniami temperatury powietrza na zewnątrz i nasłonecznieniem. Wahania temperatury powierzchni przegrody od strony pomieszczenia są określone wahaniami temperatury powietrza na zewnątrz pomieszczenia. Wahania te mają charakter harmoniczny i taki sam okres (24 h), a ponadto są przesunięte w fazie.

W celu scharakteryzowania zdolności przegród budowlanych do tłumienia wahań fal temperatury wprowadzono pojęcie współczynnika tłumienia ν, który jest zdefiniowany jako stosunek amplitudy wahań temperatury powietrza A_te na zewnątrz budynku do amplitudy wahań temperatury
występującej na powierzchni od strony pomieszczenia

• Amplituda wahań umownej temperatury

gdzie:

Q_max, Q_śr - wielkość promieniowania słońca,

P - współczynnik przyswajania promieniowania słonecznego dla przegrody; dla papy p_p = 0,88, dla betonu p_b = 0,65, dla tynku jasnego p_tj = 0,40.

• Całkowita amplituda wahań umownej temperatury

gdzie:

A_t - amplituda wahań na zewnątrz,

ϕ - współczynnik przesunięcia czasowego.

• Współczynnik tłumienia amplitudy wahań temperatury (według Szkłowera)

Wartość współczynnika ν dla przegród można obliczyć stosując przybliżoną metodę opracowaną przez Szkłowera, według której współczynnik tłumienia określony jest wzorem:

,

Wyznaczona wartość współczynnika ν musi spełniać warunek
.

Jeżeli wartość współczynnika ν uzyskana z obliczeń jest mniejsza od wartości dopuszczalnych, to wartość tego współczynnika może być zwiększona przez:

• dodanie lub pogrubienie warstw charakteryzujących się dużym współczynnikiem przyswajania ciepła,

• zwiększenie oporu cieplnego przegrody.

Przegroda lżejsza ma mniejszy wskaźnik tłumienia.

• Maksymalna ilość ciepła pozyskiwana z zewnątrz

• Opóźnienie fazowe

Przybliżoną wartość przesunięci faz fal temperatur dla przegród wielowarstwowych można obliczyć według zależności:

gdzie:

η - przesunięcie faz fal temperatur, h, η ≥ η_f,

D - wskaźnik bezwładności cieplnej,

U_i - współczynnik przyswajania ciepła przez powierzchnię przegrody od strony pomieszczenia, obliczany dla okresu letniego,

U_e - współczynnik przyswajania ciepła przez n-tą powierzchnię warstwy umieszczonej od strony zewnętrznej przegrody, obliczany dla okresu letniego,

α_i, α_e - współczynniki przejmowania ciepła.

6

Fizyka Budowli - Stateczność cieplna

---